2022年热质交换原理与应用 .pdf

热质交换原理和应用第1 讲1热质交换原理和应用建筑环境传质学（30990063） 教室：三教1205 2006年秋季 3 学时/ 周 周五第二大节 教材：张寅平，张立志，刘晓华，莫金汉 著，建筑环境传质学，中国建筑工业出版社，2006 年 8 月。 张寅平：6277 2518（O ）, E-mail address: 第1章绪论 (1hr) 本章主要内容 z学习建筑环境传质学的重要性与必要性 z建筑环境传质学的特点 z本课程开设的目的和背景 z本科程的特点 z学习建筑环境传质学的方法 1.1 学习建筑环境传质学的重要性与必要性 人们 90% 左右的时间在建筑环境(广义）中度过1，因此，建筑环境对于人们的舒适、健康和工作效率至关重要。 Fanger 教授语。 建筑环境：Indoor air: Indoor climate + Indoor air quality,建筑光环境、建筑声环境等。 传统空调的两大任务：空气温度和湿度（ T,d）控制。 现代空调的五大任务：空气温度、湿度、室内空气品质、气流组织和节能(T,d,C,v,E) 它们都与热质交换有关。 纯粹的传热问题，传热学中做了详细的介绍。 在室内空气环境领域，还存在大量传质问题。譬如： 1) 房间湿负荷计算； 2) 热质交换设备热质交换性能分析和优化( 例如：水滴半径，水气流量比等因素对 喷水室热质交换性能的影响) ； 3) 干燥和空气除湿问题（空气独立除湿问题）； 4) 吸收式和吸附制冷空调； 5) 全热交换器热质交换性能的分析和优化。 6)不同湿空气处理过程的耗能评价。 7) 水景空调问题； 8) 空气质量问题 ( 源散发，通风和气流组织，空气净化) ； 9) 空调冰蓄冷系统的设计和性能研究； 10) 湿球温度测量时的注意事项及误差分析； 11)夏天，温度相同的天气，南方为什么更需吹风？ 10) 冷器湿工况下湿表面面积和制冷量的确定; 11) 出汗散热和人体热舒适的关系; 12) 为什么动态风更舒适？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲2室内环境领域涉及传质的设备有：表冷器、喷水室、冷却塔、全热交换器、加湿器和空气净化器等。 建筑空气环境传质学不局限于建筑环境中湿度传递和控制。Indoor air quality (IAQ): 影响舒适 , 健康, 工作效率。IAQ 恶化，引发了以下三种病症：病态建筑综合症(SBS), 建筑相关疾病(BRI), 多种化学污染物过敏症 (MCS)。 造成近年来室内空气品质出现问题的主要原因如下：(1) 强调节能导致的建筑密闭性增强和新风量减少 ; (2) 新型合成材料在现代建筑中大量应用； (3) 散发有害气体的电器产品的大量使用； (4) 传统集中空调系统的固有缺点以及系统设计和运行管理的不合理 ; (5) 厨房和卫生间气流组织不合理; (6) 室外空气污染。 据美国环境保护署 (EPA)统计 , 美国每年因室内空气品质低劣造成的直接经济损失高达 400亿美元以上 , EPA1989 年：“室内空气污染是对人口造成最大危害的环境问题之一” 。我国每年因室内环境污染危害健康导致的经济损失约千亿人民币。因此，室内空气品质改善和控制成为许多国家政府、研究人员和百姓普遍关注的问题。 室内空气品质领域存在大量的传质问题，譬如： z确定建材中有机挥发物的散发规律 z室内污染物的传播规律研究 z室内空气中有机化学污染物的净化原理、方法研究和设备研发等z室内空气污染物控制 1.2 建筑环境传质学的特点 z涉及几乎所有传质学机理问题 z传质学和传质学存在密切联系 相异之处 图 1-1. 传质和传热的联系 传热学: 有温差就有传热。研究目标：热量传递的规律及其各种应用。 传热传质异体同构传热传质建筑环境与设备工程领域传质或热质交换问题名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲3 传热学构成：热传导，对流传热，辐射传热，混合传热，各种应用。 传热学是热科学领域的三门专业基础课 (传热学、工程热力学和流体力学)之一。 热质交换原理和应用： 研究质量传递、 热量和质量同时传递的规律及其应用。是传热学的拓展和补充， 并着重解决建筑环境与设备工程及其相关领域的热质交换问题。重点：建筑环境传质学。 z浓度较低，浓度场几乎不影响速度场 1.3 本课程在专业中的地位与作用 “高校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会”建议新开设的三门专业课（建筑环境学、本课和流体网络）之一。 - 题外话: 基础研究、应用基础研究和应用研究的特点。上、中、下游说法的一些缺点。图 1-2. 基础研究、应用基础研究和应用研究关系示意图 请同学讲。 表 1 基础研究和应用研究特点比较 基础研究 应用研究 源的发散特性 汇的汇聚特性 强调创新 强调集成和可靠 标杆效应、一票通过 水桶效应、一票否决 特点 知识系统 知识宽泛 1.4 本课程的特点及学习方法和考试方法 1.4.1 本课程特点 问题发现和提炼，规律探讨和运用，过程分析和优化，设备设计和选用，模型建立和应用。 注意： (1) 注重物理概念、基本原理的介绍；(2) 注重从实际需求中提炼建筑环境传质问题； (3) 注重利用数学方法深入、简明的描述和解决传质问题；(4) 注意介绍建筑环境传质领域国内外最新研究成果；(5) 有机融入作者自身及其合作伙伴的研究成果。 基础研究应用研究应用基础研究名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲4教材内容分为绪论、基础篇和应用篇。 绪论中主要阐述了建筑空气环境传质学在建筑环境控制中的重要性；基础篇主要介绍建筑空气环境传质学的基本原理、基本知识和常用分析方法，旨在引导读者“利其器”夯实基础； 应用篇着重介绍建筑环境领域一些典型传质应用问题的分析和求解，重在启发读者 “善其事”学以致用。 此外，本书还列出了大量习题，供读者研习。值得一提的是，其中一些习题系作者自己编撰，有些习题是开发性和研究性问题，答案未必唯一, 甚至没有现成答案。 1.4.2 学习方法 (1)注意理解和掌握建筑空气环境传质学中基本概念和基本原理； (2)利用传热和传质的相似性以及掌握的传热学知识，学习建筑空气环境传质学的基本原理和解决问题的方法； (3)善于从书本中学习，对习题透彻理解、深入解析并能举一反三； (4)做有心人，善于从实际问题中提炼建筑环境传质问题； (5)注意提高数学素养，在可能的情况下尽量利用数学方法深入、简明地描述和解决传质问题； (6)建筑环境传质领域涉及的面较广，需要善于学习相关领域的知识，并灵活运用； (7)勤于利用所学知识 , 解决书本上、文献中尤其是生活和实践中的建筑空气环境传质学问题； (8)善于和同行、同事、同学研讨和交流并互相学习； (9)注意了解建筑环境传质领域国内外最新研究成果和动态。 关于(9), 现在有很多方法，譬如通过网络上的Science Citation Index (科学引用索引，简称 SCI)、Engineering Index（工程索引，简称EI）和中国期刊网，用关键词检索，可方便、快捷地查询有关论文全文或相关信息。 此外，以下期刊可经常浏览，上面会刊载有关建筑环境传质的论文： zAtmospheric Environment zBuilding and Environment zEnvironment Science and Technology zEnergy and Building zHeat and Mass Transfer zHVAC & R Research zIndoor Air zIndoor and Built Environment zInter. J. of Heat and Mass Transfer zJ. of Air & Waste Management Association zJournal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology zSeparation and Purification Methods z暖通空调 z工程热物理学报 z环境科学 z中国环境科学 z安全与环境学报 z建筑热能通风空调 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲5课程共同建设，教学相长。 教学方法：非灌输式，启发式参与式。 具体形式为：讲课、讨论、查资料和文献（图书馆，网络等）、练习( 习题、小课题 ) 、提意见和建议、学生讲等相结合。 希望：Be active 。 考核方式：每人做一小课题，交论文，并在Seminar 上用ppt 讲。 成绩计算：论文 Seminar 上ppt 介绍(60%)，习题(30%)，出勤(10%)。 电子版讲义在ftp:166.111.41.149 “Lessen/ 热质交换原理和设备”目录下。 建筑环境传质学会像宋代学者朱熹描述的那样：“半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊。问渠哪得清如许，为有源头活水来。” 参考文献 1.张寅平，张立志，刘晓华，莫金汉著，建筑环境传质学，中国建筑工业出版社，2006年 8 月。 2.连之伟，张寅平，陈宝明，热质交换原理与设备，中国建筑工业出版社，2006年 5 月第2 版。 3.Frank P. Incropera, David P.DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4thedition, Chapter 14, Diffusion Mass Transfer, John Wiley & Sons, 1996. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲6第2章扩散传质（Diffusion Mass Transfer）(2-10hr) 2.1扩散传质的基本概念和斐克定律(3hr) 2.1.1 扩散传质现象浓度差导致传质。VOCs 散发。A B 图 21 二元气体质量扩散示意图 图 22 建材 VOC质量扩散散发示意图扩散动力：浓度差。下面介绍描述传质问题的观念。2.1.2 组分和浓度（ chemical constituents or species, concentration ）组分：一种混合物由两种或两种以上物质构成，每一种物质称为一种组分。表征单位体积里某一组分多少的量称为浓度，一般用密度 (mass density)i kg m-3或摩尔浓度 (molar concentration) Ci kmol m-3 表示。两者的关系为：i =Mi Ci (2-1) i- 组分 i, Mi-组分 i 的摩尔质量 (kg/kmol) 。 显然，混合物的浓度为： =i (2-2) 空气界面)t(mA?C(L,t)Cs(t)L C(t) xC(x,t) 建材名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲7 同样，混合物的摩尔浓度C为：C =Ci (2-3) 组分 i 的含量也可用质量分数 (mass fraction)表示： mi =i / (2-7) 或用摩尔分数 (mole fraction表示) ： xi =Ci / C (2-8) 由式(2-2) 和式(2-3) 可以看出： mi =1 (2-9) xi =1 (2-10) 对于理想气体 , 有： i =pi /Ri T (2-5) Ci =pi /R T (2-6) Ri =R/ Mi R: universal gas constant, 8.31kJ/ (kg kmol K) 由方程 .(2-5), (2-6) 及道尔顿分压定律, 可得p=pi (2-11)xi = Ci /C=pi /p (2-12)2.2 斐克扩散定律 (Fick s law of diffusion) 热传导质量传递Fourier law Fick s law qk T= - ?jA= DABmA kg s-1m-2 (2-29) jA=DABA kg s-1m-2 (=const) JA=CDABxA kmol s-1m-2 (2-30) JA=DABCA kmol s-1m-2 (C=const) jA+jB=0 JA+JB=0详见教材第13，14 页。 傅立叶定律的由来： 傅立叶对热传导进行了数学研究，1822 年发表了论著 热的分析理论 ，其中假定物质的导热系数为常数1。 限制条件 (Restrictive conditions) 1) T, p产生的质量扩散可忽略, 与qk T= -?类比 , 参见 Refs.1-3。2) 混合物无整体宏观运动或随体坐标系。认识论：抽象，简化，综合，修正。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲7 同样，混合物的摩尔浓度C为：C =Ci (2-3) 组分 i 的含量也可用质量分数 (mass fraction)表示： mi =i / (2-7) 或用摩尔分数 (mole fraction表示) ： xi =Ci / C (2-8) 由式(2-2) 和式(2-3) 可以看出： mi =1 (2-9) xi =1 (2-10) 对于理想气体 , 有： i =pi /Ri T (2-5) Ci =pi /R T (2-6) Ri =R/ Mi R: universal gas constant, 8.31kJ/ (kg kmol K) 由方程 .(2-5), (2-6) 及道尔顿分压定律, 可得p=pi (2-11)xi = Ci /C=pi /p (2-12)2.2 斐克扩散定律 (Fick s law of diffusion) 热传导质量传递Fourier law Fick s law qk T= - ?jA= DABmA kg s-1m-2 (2-29) jA=DABA kg s-1m-2 (=const) JA=CDABxA kmol s-1m-2 (2-30) JA=DABCA kmol s-1m-2 (C=const) jA+jB=0 JA+JB=0详见教材第13，14 页。 傅立叶定律的由来： 傅立叶对热传导进行了数学研究，1822 年发表了论著 热的分析理论 ，其中假定物质的导热系数为常数1。 限制条件 (Restrictive conditions) 1) T, p产生的质量扩散可忽略, 与qk T= -?类比 , 参见 Refs.1-3。2) 混合物无整体宏观运动或随体坐标系。认识论：抽象，简化，综合，修正。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 热质交换原理和应用第1 讲92.3 质量扩散系数DAB: 理论分析和实验确定 文献 2-7 介绍了一些确定传质系数的方法，在室内空气品质模拟中会经常采用。可作为两个小论文题目: i.建筑环境传质问题中质量扩散系数DAB的理论分析方法综述; ii.建筑环境传质问题中质量扩散系数DAB的实测方法综述。参考文献1. 美 弗?卡约里著，戴念祖译，物理学史，桂林：广西师范大学出版社，2002年 10 月第1 版，p.153。2. Bird, R.B., Adv. Chem. Eng., 1, 170, 1956. 3. Bird, R.B., W.E. Stewart, and E.N. Lightfoot, Transport Phenomena, Wiley, New York, 1960. 4. Hirschfelder, J.O., C.F.Curtiss, and R.B. Bird, Molecular Theory of Gases and Liquids, Wiley, New York,1954. 5. Skelland, A.H.P., Diffusional Mass Transfer, Wiley, New York, 1974. 6. Ried, R.C., and T.K.Sherwood, The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, New York, 1966. 7.Zhishi Guo, Review of indoor emission source models. Part 2. Parameter estimation, Environmental Pollution 120 (2002), 551-564. 习题（ 1） 1举出日常生活和暖通空调领域中有热质交换的现象。 2回顾传热学中热传导分析的方法和内容。 3对教学的一些建议。4. 查找和下载文献练习(1) http:/:100/ 点“图书馆”“电子资源”“西文全文电子期刊导航”或“中文全文电子期刊导航”。 (2) 进“EI”、“SCI”数据库， 用人名、 关键词和篇名等均可检索。教材第 7 页习题 1-1。 (3) 进“中国期刊网”，可检索和下载“国内期刊论文”。-End of the 1st lesson.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -