热质交换原理与设备整理版

一
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量、和质量的传递现象。

二
单位体积混合物中某成分的质量称为该组分的质量浓度，以符号ρ表示。

组分的实际速度，称为绝对速度。

相对主体流动速度的移动速度，称为扩散速度。

绝对速度=主体流动速度+扩散速度
与热量传递中的导热和对流传热类似，质量传递的方式亦分为分子传质和对流传质。

分子传质又称为分子扩散，简称为扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。

对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。

凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。

斐克定律：
在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A 和组分B 将发生扩散。

其中组分A 向组分B 的扩散通量与组分A 的浓度梯度成正比，这就是扩散基本定律——斐克定律：
斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度u A -u （或u A -u m ）
在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，即双向扩散（反方向扩散）和单项扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散）。

等分子反方向扩散：设由A 、B 两组分组成的二元混合物中，组分A 、B 进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则成为等分子反方向扩散。

液体中的稳态扩散过程：
液体中的分子扩散速率远远低于气体中的分子扩散速率，其原因是由于液体分子之间的距离较近，扩散物质A 的分子运动容易与邻近液体B 的分子相碰撞，使本身的扩散速率减慢。

常见有两种情况：即组分A 与组分B 的等分子反方向扩散 及 组分A 通过停滞组分B 的扩散。

固体中的稳态扩散过程：
固体中的扩散，包括气体、液体、
1
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量、和质量的传递现象。

du dy
τμ=- 表示两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直运动方向的速度变化率。

不同的流体有不同的传递动量的能力，这种性质用流体的动力黏性系数μ来反映，其物理意义可以理解为，它表征了单位速度梯度作用的切应力，反映了流体黏性滞性的动力性质，因此称它为“动力”黏性系数。

τ，表示单位时间内通过单位面积传递的动量，又称动量通量密度，N/㎡
dt q dy
λ=-,q 为热量通量密度，或能量通量密度，表示单位时间内通过单位面积传递的热
量，J/(㎡.s)，负号表示热量传递的方向是温度梯度的负方向，或者说热量是朝温度降低的方向传递的。

A A A
B d
C m
D dy
=-,它是指在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A 的质量分数A C 的分布为一维的，则通过这个式子表示。

A m 为组分A 的质量通量密度，表示单位时间内，通过单位面积传递的组分A 的质量，kg/(㎡.s)
动量交换传递的量是运动流体单位容积所具有的动量，热量交换传递的量是物质每单位容积多具有的能量，质量交换传递的量是扩散物质每单位容积所具有的质量也就是浓度。

这些量的速率都分别与各量的梯度成正比。

比例系数均表示了物体具有的扩散性质。

质量浓度ρ：单位体积混合物中某组分的质量称为该组分的质量浓度，以符号ρ表示。

它等于混合物中组分A 的质量A M 与混合物的体积V 之比。

物质的量浓度C ：单位体积混合物中某组分的物质的量称为该组分的物质的量浓度，简称浓度。

它等于混合物中组分A 的物质的量，（kmol ）与混合物的体积V 之比
质量分数a ：混合物中某组分的质量与混合物总质量之比称为该组分的质量分数，以符号a 表示组分A 的质量分数，它等于混合物中组分A 的质量A M 与混合物的总质量M 之比。

传质的通量：单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量
以绝对速度表示的质量通量：A A A m u ρ=
混合物的总质量通量为A B A A B B m m m u u ρρ=+=+
混合物的总摩尔通量为A B A A B B m N N N C u C u Cu =+=+= A C 为A 的物质的量浓度 A N 为以绝对速度表示的组分A 的摩尔通量，kmol/(㎡.s)
以扩散速度表示的质量通量：扩散速度与浓度的乘积为以扩散速度表示的质量通量
以主体流动速度表示的质量通量：主体流动速度与浓度的乘积为以主体流动速度表示的质量通量。

质量传递的方式亦分为分子传质和对流传质
分子传质又称为分子扩散，它是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。

对流传质是指壁面和运动流体之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递。

当流体中存在浓度差时，对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散与对流扩散两者的共同作用称为对流质交换，对流质交换是在流体与液体或固体的两相交界面上完成的。

紊流扩散：分子扩散只有在固体、静止或层流流动的流体内才会单独发生。

在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递。

这种凭借流体质点的湍流和漩涡来传递物质的现象，称为紊流扩散。

斐克定律：在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A 和组分B 将发生互扩散。

其中组分A 向组分B 的扩散通量与组分A 的浓度梯度成正比。

A A AB d j D dz
ρ=-
斐克定律只适用于由于分子无规则热运动引起的扩散过程，其传递的速度即为扩散速度A B u u -。

实际上，在分子扩散的同时经常伴有流体的主流运动。

在气体扩散过程中，分子扩散有两种形式，即双向扩散和单向扩散。

在系统中取1z 和2z 两个平面，设组分A 、B 在平面1z 处的浓度为1A C 和1B C ，2z 处的浓度C 恒定，系统的总浓度C 恒定
组分A 通过停滞组分B 扩散时，浓度分布为对数型，在扩散距离的任一点处，A p 和B p 之和为系统总压力p 。

液体中的分子扩散速率远远低于气体中的分子扩散速率，其原因是由于液体分子之间的距离较近，扩散物质A 的分子运动容易与邻近液体B 的分子相碰撞，使本身的扩散速率减慢。

液体扩散也有常见的两种情况，即组分A 和组分B 的等分子方向扩散及组分A 通过停滞组分B 的扩散。

固体中的扩散，包括气体、液体和固体在固体内部的分子扩散。

一般来说，固体中的扩散分为两种类型：一种是与固体内部结构基本无关的扩散，另一种是与固体内部结构基本有关的多孔介质中的扩散。

当气体在固体中扩散时，溶质的浓度常用溶解度S 表示。

在多孔固体中充满了空隙和孔道，当扩散物质在孔道内进行扩散时，其扩散通量除与扩散物质本身的性质有关外，还与孔道的尺寸密切相关。

高压下的气体和常压下的液体，由于其密度较大，因而λ很小，故密度大的气体和液体在多孔固体中的扩散时，一般发生斐克型扩散。

克努森扩散通量：1212()KA A A A D N C C z z =-- 1212()()
KA A A A D N p p RT z z =--，故除与低压下的气体在多孔固体中扩散时，一般发生克努森扩散。

扩散系数：扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，A A A A M n D d dC dy dy
ρ==--,质量扩散系数D 和动量扩散系数v 及热量扩散系数a 具有相同的单位2/m s ，扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质
的种类及其温度和压力。

对流传质所涉及的内容即为运动着的流体之间或流体与界面之间的物质传递问题，这种过程既包括由流体位移所产生的对流作用，同时也包括流体分子间的扩散作用，这种分子扩散和对流扩散的总作用称为对流传质。

对流传质是在流体流动条件下的质量传输过程，其中包含着由质点对流和分子扩散两因素决定的传质过程。

对流传质过程与流体的运动特性密切相关，如流体流动的起因、流体的流动性质以及流动的空间条件等等。

固体壁面与流体之间的对流传质速率可定义为：()A m As A N h C C ∞=-，对流传质系数m h 与流体的性质、壁面的几何形状和粗糙度、流体的速度等因素有关。

浓度边界层：可以认为质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流体层中，该流体层称为浓度边界层。

流体流过壁面进行传质时，在壁面上会形成两种边界层，即速度边界层与浓度边界层。

浓度边界层厚度为c δ，其定义通常为()/()A As A As C C C C ∞--=0.99时与壁面的垂直距离。

当组分A 进行传递时，首先以分子传质的方式通过该静止流层，然后再向流体主体对流传质。

三种边界层的主要的表现形式：表面摩擦、对流换热以及对流传质，重要的边界层参数分别是摩擦系数f C 、对流换热系数h 以及对流传质系数m h 。

对流传质过程的相关准则数：1 施密特准则数C S 对应于对流传热中的普朗特准则数r P ，r P 准则数为联系动量传输与热量传输的一种相似准则。

与r P 准则数相对应的C S 准则数则相应为联系动量传输与质量传输的相似准则，其值由流体的运动黏度与物体的扩散系数之比构成 2 宣乌特准则数Sh 3 传质的斯坦登准则数m St Re m m h Sh St Sc u
==• 渗透理论：当流体流过表面时，有流体质点不断地穿过流体的附壁层向表面迁移并与之接触，流体质点在表面接触之际则进行质量的转移过程，此后流体质点又回到主流核心中去。

可将由无数质点群与表面之间的质量转移，视为流体靠壁薄层对表面的不稳态扩散扩散传质过程。

薄膜理论：当流体靠近物体表面流过时，存在着一层附壁的薄膜，在薄膜的流体侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假定膜内流体与主流不相混合和扰动。

在此条件下，整个传质过程相当于此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上垂直于壁面方向上呈线性的浓度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。

流体宏观运动既可导致动量传递，同时也会把热量和质量从流体的一个部分传递到另一个部分，所以温度分布、浓度分布和速度分布是相互联系的。

动量、热量和质量传递类比：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量传递现象。

动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。

动量通量密度正比于动量浓度的变化率，能量通量密度正比于能量浓度的变化率，组分A 的质量通量密度正比于组分A 的质量浓度的变化率。

熱质交换类比律：m p Dh
ha
h
h c λλρ===，这个关系称为刘伊斯关系式
刘伊斯准则数是反映热边界层与浓度边界层厚度关系的准则数。

同一表面上传质过程对传热过程的影响：传质阿克曼修正系数表示传质速率的大小与方向对传热的影响，随着传质方向的不同，0C 值有正有负，当传质的方向是从壁面到流体主流方向时，0C 为正值，反之为负。

传质的存在对壁面导热量和总传热量的影响方向是相反的。

在0C 大于0时，随着0C 的增大，壁面导热量是逐渐减小的，而膜总传热量是逐渐增大的。

在0C 小于0时，随着0C 的减小，壁面导热量是逐渐增大的，而膜总传热量是逐渐减小的。

因传质的存在，传质速率的大小与方向影响了壁面上的温度梯度'
t （0）的值，从而影响了
壁面上的导热量。

刘伊斯关系式：p md
h c h =，即在空气-水系统的热质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定的量值关系，条件的变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一系数也相应地发生同样的变化。

刘伊斯关系式成立条件：1：0.6Pr 60<<, 0.63000Sc << 2：/1AB Le a D =≈ 3
相变形式有以下几种：固—液相变，液—汽相变，固—汽相变，固—固相变。

相变过程一般是等温或近似等温过程，相变过程中伴有能量的吸收和释放，这部分能量称为相变潜热。

所谓储冷式空调系统，是指在电价低、空调负荷低的时间内贮冷，在电价高、空调负荷高时释冷，藉以从时间上全部或局部转移制冷负荷的空调系统。

冰蓄冷中的制冰方式主要有两种：1 静态制冰方式，即在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身始终处于相对静止状态，2 动态制冰方式，该方式中有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动状态。

静态制冰法的自身缺点：冰层的增厚使热阻增大，导致冷冻机得性能系数降低，一些静态系统中冰块的相互粘连导致水路堵塞。

静态冰蓄冷系统：1 利用制冷剂直接蒸发制冰系统2 利用盐水不冻液间接冷却制冰系统3热管式蓄冷系统 4 冰球冰槽式蓄冷系统
最常见的制冷剂直接蒸发制冷系统有：1 冰桶式储冰：冰桶式储冰乃目前被广泛使用的储冷系统，使用的制冷设备为一般的压缩式冷水机组，此系统专用的设备为特制的储冰桶，冰桶为满载清水的容器，桶内设有盘管。

小型空调系统可直接以溶液通过空气处理设备。

较大型的空调系统或高层建筑宜设置热交换器，将循环的冷冻水与溶液分隔，一方面可减少溶液的用量，亦可减低冰桶内盘管的压力。

2 盘管水槽系统：盘管水槽系统其作用与冰桶相近，所用的冷冻设备亦为可在低温操作的压缩式冷水机组。

盘管水槽系统的缺点在于占地面积大、结冰时间长、压缩空气容易产生腐蚀性等等。

冰球冰槽式蓄冷系统：是利用一个盛有冰球的蓄冷灌来进行蓄冷。

冰球外壳由高密度聚乙烯制成，内装水，并使用载冷剂如乙二醇水溶液，从蓄冷罐中的蓄水间流过，即可与冰球进行冷量交换。

在利用盐水不冻液或蒸发盘管制冰时，盐水或制冷剂在管内，蓄冷在管外，而冰球式蓄冷系统的载冷剂在管外流动，蓄冷体在球内。

冰球式蓄冷系统由于结构简单，可靠性高，水阻力小，技术要求低，换热性能好等优点，已逐渐成为蓄冷空调系统的发展方向。

动态冰蓄冷系统：（1）冰池系统：冰池储冰式空调的原理非常简单，独特的制冰机安装于储冰池上，冰水循环泵不断将池水抽出送至制冰冷水机，在机内降温后流回储冰池，当池水温度降至接近冰点时，制冷机即进入制冰状态并自动将冰块释出掉入储冰池内。

冰池系统的最大特点在于送水温度极低，在不设热交换器的底层可低至于0摄氏度，即使设置热交换器，送水温度亦不过2~3摄氏度。

（2）冰晶系统：冰晶系统与冰池系统大致相同，制冷设备为专门产生冰晶的制冷机，不同之处只是冰晶是直接循环于盘管之间，因此必须特别处理，否则有可能造成管道堵塞、磨损等现象，同时冰晶的含冰比例影响其物理特性，在选择水泵及盘管时尤需注意。

蓄冷空调系统可使制冷机容量减少，且经常在满负荷高效率下工作，它利用夜间廉价电，均衡电网负荷，是符合我国国情的。

空气与水直接接触的典型设备是喷淋室和冷却塔，前者是用水来处理空气，后者是用空气
来处理水。

间接接触的典型设备是表冷器，空气与在盘管内流动的水或者制冷剂之间是间接接触，与冷却盘管表面的冷却水是直接接触。

空气处理过程中的传热传质有几个概念，如下有
空气调节，即利用冷却或者加热设备等装置，对空气的温度和湿度进行处理，使之达到人体舒适度要求。

热舒适性，就是人体对周围空气环境的舒适热感觉，在人的活动量和衣着一定的前提下，这主要取决于室内环境参数，如温度、湿度等。

新风，就是从室外引进的新鲜空气，经过热值交换设备处理后送入室内的环境中。

（两个用途：一是满足室内人员的卫生要求；二是补充室内排风和保持室内正压）
回风，就是冲室内引出的空气，经过热值交换设备的处理再送回室内的环境中。

送风状态点指的是为了消除室内的余热余湿，以保持室内空气环境的要求，送入房间的空气的状态。

湿空气焓湿图：把描述湿空气状态参数及其变化过程的特性，描述在以焓值为纵坐标、以含湿量为横坐标的图线称为焓湿图。

主要线条有等焓线、等含湿量线、等温线、等相对湿度线以及水蒸气分压力线等。

送风状态点：指的是为了消除室内的余热余湿，以保持室内空气环境要求，送入房间的空气的状态。

夏季室内设计工况：温度24~28摄氏度，相对湿度40%~65%，风速不应大于0.3m/s
冬季室内设计工况：温度18~22，湿度40%~65%，风速不应大于0.2m/s
一般夏季需对室外空气进行冷却减湿处理，而冬季则需要加热加湿。

空气与水直接接触时，根据水温的不同，可能仅发生显热交换，也可能既有显热交换又有潜热交换，即发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）
显热交换是空气与水之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。

潜热交换是空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。

总热交换是显热交换和潜热交换的代数和.
温差是热交换的推动力，而水蒸气分压力是湿（质）交换的推动力。

空气与水直接接触时的状态变化过程分析：
A-2过程是空气增湿和减湿的分界线，A-4过程是空气增焓和减焓的分界线，而A-6过程是空气升温和降温的分界线。

如图，当水温低于空气露点温度时，发生A-1过程。

此时由于A w t t t <<1和qA q P P <1，所以空气被冷却和干燥。

水蒸汽凝结是放出的热亦被水带走。

当水温等于空气露点温度时，发生A-2过程。

此时由于A w t t <和qA q P P =1，所以空气被等湿冷却。

当水温高于空气露点温度而低于空气湿球温度时，发生A-3过程。

此时由于A w t t <和qA q P P >3，空气被冷却和加湿。

当水温等于空气湿球温度时，发生A-4过程。

此时由于等湿球温度线与等焓线相近，可认为空气状态沿等焓线变化而被加湿。

在该过程中，由于总热交换量近似为零，而且A w t t <，qA q P P >4，说明空气的显热量减少、潜热量增加，二者近似相等。

实际上，水蒸发所需热量取自空气本身。

当水温高于空气湿球温度而低于空气干球温度时，发生A-5过程。

此时由于A w t t <，qA q P P >5，空气被加湿和冷却。

水蒸发所需热量来自水本身。

当水温等于空气干球温度时，发生A-6过程。

此时由于A w t t =，qA q P P >6，说明不发生显热交换，空气状态变化过程为等温加湿。

水蒸发所需热量来自水本身。

当水温高于空气干球温度时，发生A-7过程。

此时由于A w t t >和qA q P P >7，空气被加热和加湿。

水蒸发所需热量及加热空气的热量均来自于水本身。

以冷却水为目的的湿空气冷却塔内发生的便是这种过程。

吸附就是把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中。

使气体浓缩的物体叫做吸附剂，被浓缩的物质叫做吸附质。

吸附可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附主要依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。

物理吸附属于一种表面现象，可以是单层，也可以是多层吸附。

化学吸附起因于吸附质分子与吸附剂表面分子的化学作用，在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形成等过程。

化学吸附多是单层吸附。

吸附密度：表征多孔性物质的密度，采用真密度、表观密度和堆积密度三种密度表示。

常用吸附剂的类型和性能：常用的固体吸附剂可分为“极性吸附剂”和“非极性吸附剂”，极性吸附剂具有亲水性，属于极性吸附剂的有硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。

而费极性吸附剂则具有憎水性，属于非极性吸附剂的有活性炭等，这些吸附剂对油的亲和性比水强。

硅胶是传统的吸附除湿剂，因为比表面积大、表面性质优异，在较宽的相对湿度范围内对水蒸气有较好的吸附特性。

缺点是如果暴露在水滴中很快裂解成粉末，失去除湿性能。

静态除湿是指吸附剂和密闭空间内的静止空气接触时，吸附空气中水蒸气的方法，也可以说
是间歇操作方法。

动态吸附除湿法是让湿空气流经吸附剂的除湿方法。

按照除湿的方式可分为冷却除湿和绝热除湿，冷却除湿是在除湿的同时通过冷却水或空气将吸附热带走，保持近似等温除湿，而绝热除湿则近似等焓过程，即被除湿的处理气流含湿量降低的同时，温度会升高，气流的焓值基本不变。

利用吸附材料降低空气中的含湿量，优点：吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩。

另外吸附除湿噪声低且可以得到很低的露点温度。

空调领域大量采用表冷器除湿，这种方法也有缺点，仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿，冷媒温度必须低，一般为7-12C ，从而降低了制冷机得COP,而且由于除湿后的空气温度过低，往往还需将空气加热到适宜的送风状态。

不仅浪费了能源，还增加了对环境的污染。

传统空调系统中表冷器产生的冷凝水易产生霉菌，影响室内空气质量。

独立除湿是对空气的降温与除湿分开独立处理，除湿不依赖于降温方式实现。

典型的独立除湿方式主要采用吸收或吸附方式，这样所要求的冷源只需将空气温度即可，可以克服传统空调方式的缺点。

热质交换设备分类，按不同工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等。

间壁式又称表面式，热、冷介质在各自的流到中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触。

直接接触式又称混合式，两种流体直接接触相互掺混，传递热量和质量后，在理论上应变成同温同压的混合介质流出，因而传热传质效率高。

蓄热式，他借助由固体构件组成的蓄热体传递热量。

冷热流体依时间先后交替流过由蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体内，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。

热管换热器是以热管为换热元件的换热器。

由若干支热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体内，中隔板与热管加热段、冷却段及相应的壳体内腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道中横掠热管束连续流动实现传热。

热质交换设备分类，按流动方向，分为顺流式，逆流式，叉流式和混合式。

热质交换设备分类，按用途分为：表冷器，预热器，加热器，喷淋室，过热器，冷凝器，蒸发器，加湿器，暖风机。

按制造材料分为金属材料、非金属材料及稀有金属材料。

喷淋室有卧式和立式、单级和双极、低速和高速之分。

冷却塔根据循环水在塔内是否与空气直接接触，分为干式，湿式。

根据熱质交换区段内水和空气流动方向不同有逆流塔、横流塔之分。

淋水装置根据水在其中所呈现的现状分为点滴式，薄膜式，点滴薄膜式
配水系统作用在于将热水均匀的分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。

常用的配水系统有槽式、管式、池式
通风筒是冷却塔的外壳，气流的通道。

换热器热工计算常用计算方法：对数平均温差法，效能—传热单元数法
表面式冷却器的热工计算：换热扩大系数()()
b t p b i i dQ dQ
c t t ξ-==-。

其值的大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少，因此，ξ又称为析湿系数。

表冷器的热工计算：设计步骤：1）计算需要的接触系数2ε，确定冷却器的排数。

2）确定表面冷却器的型号。

先假定一个'y V ，算出所需冷却器的迎风面积'y A ，再根据'
y A 选择合适。