热质交换原理与设备考点

热质交换原理与设备考点第二章：热质交换过程2.1 对于三传现象的解析：陈金峰2.2 质交换的基本方式：按机理分：分子扩散、对流扩散。

按推动力分：浓度扩散、热扩散、压力扩散。

同时存在分子扩散和对流扩散时称之为对流质交换。

2.3 关于扩散传质：2.3.1 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，组成二元混合物中的组分A 和B 将发生相互扩散。

表达式：J 规则热运动引起的扩散过程）A= -DABdCA （只适用于分子无dzDp 2.3.2 斯蒂芬定律：m A =RT D zp´(pA1- pA2)（其中：pBM= p B2 - p B1pD z 为距BM ln B2pB1离，其中A 为扩散的组分，通常为水。

B 通常为空气）应用举例：P32 例2-42.3.3 扩散系数：实验测得，气体>液体>固体。

表示其扩散能力。

非标准状况下的扩散系数计算：D = D0p T 3 0 ( ) 2 p T2.4 对流传质与模型：2.4.1 对流传质系数：NA = hm(CAs-CA¥)hm为对流传质系数，CAs和CA¥分别为壁面处和主流的浓度2.4.2 相际间对流传质模型：刘易斯关系式 h = c ´ r ´ Le ，Le 等于 1 2.4.2.1 薄膜理论：当流体靠近物体表面流过时，存在一层附壁薄膜，在薄膜的流体侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假设膜内流体与主流不相混合和扰动。

在此条件下， 整个过传质程中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浓D 度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。

由薄膜理论，传质系数 h m = d .2.4.2.2 渗透理论：当流体流过表面时，有流体质点不断穿过流体的附壁薄层想表面迁移并与之接触，流体质点在与表面接触之际则进行质量的转移过程，此后质点又回到主流 核心中去。

流体质点在很短的接触时间内，接受表面传递的组分过程表现为不稳态特征。

2.5 三传准则数概述准则数表达式 物理意义备注联系动量传输与质量施密特数 ScSc = nD i传输，反映速度场与浓度场的关系，体现 流体的传质特性对应传热中普朗特数。

等于 1 时表示速度 分布曲线和浓度分布曲线重合，速度边界层和浓度边界层厚度相等宣乌特数 Sh Sh =h m ´ l D 流体的边界扩散阻力 与对流传质阻力之比对应于传热学中 Nu斯坦登数 StSt = Sh = h mNu 、Pr 、Sh 的综合准对应于传热学中的 StmRe ´ Sc u 则23 p刘易斯数 LeLe = Sc =Pra D AB反映温度场和浓度场 的关系，体现传热与 传质之间的联系h m时温度分布和浓度分布重合（水和空气系h统的 Le 近似为 1， = c p ）h m普朗特数 PrPr = na2.6 对流传质系数的计算联系温度场与速度场Pr 越接近于 1 则温度场与速度场越接近， 越远离则越不相似，大小决定温度边界层 和速度边界层的厚度关系主要有两种方法，第一种：由传热与传质的类比获得传质各个准则数之间的关系式，， 求得宣乌特数，再由宣乌特数的表达式求得对流传质系数。

第二种，先利用各种传热的关系D a h和条件，求出传热系数，再根据刘易斯关系式（ h m = h l = h l = ，见书 59 页）求得c p r对流传质系数。

应用举例参见书 64、65 页例 2-10 和例 2-11.及 94 页题 28，32.陈金峰整理2.7 刘易斯关系式- 2h Le 3hm= ，在水-空气系统中表达式为 h c p r h m= c p ，即在空气-水系统热质交换过程中， 当空气温度和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保持一定量的数 值关系，条件变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一个系数发生相a h 同的变化。

在湍流运动中无论 Le = 是否等于 1，刘易斯关系式 D AB h m= c p总是成立。

这说明了在湍流传递过程中，流体之间的湍流混合在传递中起主导作用。

对于层流和湍流中紧h a靠固体表面的层流底层来说，刘易斯关系式 = c p 仅适用于 Le = h m D AB= 1 的情况2.8 干球温度、湿球温度、绝热饱和温度干球温度：就是普通温度计测得的温度 湿球温度：湿球温度计头部被尾端浸入水中的吸液蕊包裹，当空气流过时，大量的不饱和空气流过湿布时，湿布表面的水分就要蒸发，并扩散到空气中去；同时空气中的热量也传 到湿布表面，达到稳定状态后，水银温度计所指示的温度便是空气的湿球温度。

绝热饱和温度：是指有限量空气和水接触，接触面积较大，接触时间足够充分，空气和 水总会达到平衡。

在绝热情况下，水向空气中蒸发，水分蒸发所需要的热量全部由湿空气供 给，故空气的温度将降低。

另一方面，由于水分的蒸发，湿空气的含湿量将增大。

当湿空气 达到饱和状态时，其温度不再降低，此时的温度称之为绝热饱和温度。

有关绝热饱和温度与湿球温度的异同： 相同点：1.两者都不是湿气体本身的温度，但都和湿气体的温度和湿度有关，且都表达了气体入口状态已确定时与之接触的液体温度的变化极限2.对于空气和水系统，两者近似相等 不同点：1.绝热饱和温度由热平衡而得出，是空气的热力学性质，湿球温度取决于传递速率2.绝热饱和温度是大量水与空气接触，最终达到两相平衡时的温度，过程中气体温度和湿度都是变化的，湿球温度是少量水和大量连续气流相接触，传热传质达到稳 态时的温度，过程中气体的温度和湿度不变。

3.绝热饱和过程中，气液间传递推动力由大变小，最终趋近于零，测量湿球温度时，稳定后的传热推动力不变。

2.9 其他重要知识 湍流传递系数和分子传递系数的区别：1.分子传递系数是和温度、压力有关的流体固有å * i性质，是物性，湍流传递系数主要取决于流体的运动，取决于边界条件及其影响下的速度分 布。

2.分子传递可以由逐点局部平衡的定律来确定，而湍流需要考虑松弛效应，即历史和周 围流场对某时刻某空间点的湍流性质的影响。

3.分子传递是各向同性的，湍流传递是各向异 性的。

切应力----分子传递的动量 导热----分子传递的热量 紊流切应力----湍流传递的动 量 热对流----湍流传递的热量由理想气体状态方程推出质量浓度 r A = P A R A TP A，物质的量浓度 N A =R Tn1 n C *平均分子量 M *=å X iMi其中 X i 为其摩尔分数。

或者 M * = M ，其中 C i 为其质量分数i =1i =1 i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第四章：空气热质处理方法4.1 空气热质处理方案4.2 热质交换的设备根据各种热质交换设备的特点不同可将它们分成两大类：混合式热质交换设备和间壁式热质交换设备。

前者包括喷淋室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用液体吸湿剂的装置等；后者包括光管式和肋管式空气加热器及空气冷却器等。

有的空气处理设备如喷水式表面冷却器则兼有这两类设备的特点。

第一类热质交换设备的特点是，与空气进行热质交换的介质直接与空气接触，通常是使被处理的空气流过热质交换介质表面，通过含有热质交换介质的填料层或将热质交换介质喷洒到空气中去。

后者形成具有各种分散度液滴的空间，使液滴与流过的空气直接接触：第二类热质交换设备的特点是．与空气进行热质交换的介质不与空气接触，二者之间的热质交换是通过分隔壁面进行的。

根据热质交换介质的温度不同，壁面的空气侧可能产生水膜(湿表面)，也可能不产生水膜(干表面)。

分隔壁面有平表面和带肋表面两种。

4.3 空气与水直接接触时的热质交换空气与水直接接触时，根据水温不同，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，而水蒸气分压力差则是湿(质)交换的推动力。

4.4 空气与水直接接触的状态变化过程图4-7 发生在设备内部的热湿交换过程（a）tA > tW顺流（b）tA> tW逆流（c）tA< tW顺流4.5 麦凯尔方程dQz = hmd(i -ib)dAi \ ib---主体空气和边界层饱和空气的焓物理意义：它表明在热质交换同时进行时，如果符合刘伊斯关系式的条件存在，则推动总热交换的动力是空气的焓差。

4.6 吸附法处理空气4.6.1 吸附法处理空气的优点利用吸附或吸收材料降低空气中的含湿量，是一种常用的除湿方法，具有一些其它除湿方式(如低温露点除湿、加压除湿)没有的优点：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。

4.6.2 传统表冷的缺点仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿、冷媒温度须较低，一般为7—12℃，从而降低了制冷机的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；由于冷媒温度较低，使一些直接利用自然冷源的空调方式无法应用(如利用深井水作冷源，其温度在15℃左右)。

这些缺点使其不仅浪费了能源，还增加了对环境的污染。

此外，传统空调系统中表冷器产生的冷凝水易产生霉苗、会影响室内空气质量。

4.6.3 吸附剂的种类常用的固体吸附剂分为“极性吸附剂”利“非极性吸附刘”的大类，极性吸附剂具有“亲水性”、属于极性吸附剂的有硅胶、多孔活什锦、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。

而非极性吸附剂则义有“憎水性”，属于非极性吸附剂的有活性碳吸附剂等，这些吸附剂对油的亲和性比水强。

目前，还发现了许多分子材料对水蒸气具有良好的吸附性，这类高分子材料通常称为“高分子胶”。

4.6.4 再生方式加热再生、减压再生、使用清洗气体再生、置换脱附再生陈金峰整理第五章：热质交换设备表冷器处理空气时发生的热质交换的特点：用表冷器处理空气时，与空气进行热质交换的介质不直接和空气接触，热质交换是通过表冷器管道的金属壁面来进行的。

当表冷器表面温度低于被处理空气的干球温度但尚高于其露点温度时，则空气只被冷却而不产生凝结水。

这种过程称之为等湿冷却过程或者干冷过程。

如果冷却器表面温度低于空气的露点温度，则空气不但被冷却，而其中所含的水蒸气也部分的凝结出来，并在冷却器的肋片表面形成水膜，这种过程称之为减湿冷却过程或湿冷过程。

在这个过程中水膜周围形成一个饱和空气边界层，被处理空气不但和表面冷却器发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换。