传热传质的分析与计算教学提纲.ppt

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1、传热传质的分析与计算传热传质的分析与计算内内 容容动量、热量和质量传递类比动量、热量和质量传递类比3.1对流传质的准则关联式对流传质的准则关联式3.2热量和质量同时进行时的热量和质量同时进行时的热质传递热质传递3.32022/12/10对流传质的准则关联式对流传质的准则关联式3.423.1.1 三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系 流体系流体系统中：中：速度梯度速度梯度动量量传递温度梯度温度梯度热量量传递浓度梯度度梯度质量量传递3.1 动量、热量和质量传递类比动量、热量和质量传递类比2022/12/103a 牛牛顿粘性定律粘性定律v两两个个作作直直线

2、运运动的的流流体体层之之间的的切切应力力正正比于垂直于运比于垂直于运动方向的速度方向的速度变化率，即化率，即:v对于均于均质不可不可压缩流体，上式可改写流体，上式可改写为：3.1.1.1 3.1.1.1 分子分子分子分子传递传递性性性性质质2022/12/104b 傅立叶定律傅立叶定律 v在均匀的各向同性材料内的一在均匀的各向同性材料内的一维温度温度场中，通中，通过导热方式方式传递的的热量通量密度量通量密度为：v对于恒定于恒定热容量的流体，上式可改写容量的流体，上式可改写为：2022/12/105c 斐克斐克(Fick)定律定律 v在无在无总体流体流动或静止的双或静止的双组分混合物中，若分混合

3、物中，若组分分A的的质量分数量分数(或或质量份量份额)aA的分布的分布为一一维的，的，则通通过分分子子扩散散传递的的组分分A的的质量通量密度量通量密度为：v对于混合物密度于混合物密度为常数的情况，上式可改写常数的情况，上式可改写为：DAB:组分分A在在组分分B中的中的扩散系数，散系数，m2/s;2022/12/106统统一公式一公式一公式一公式:FD:的通量密度；的通量密度；d/dy:的的变化率；化率；：单位体位体积的某种量；的某种量；C:比例常数比例常数(扩散系数散系数)。质量量传递：FD=mA,=A,CDAB;动量量传递：FD=,=u,C。能量能量传递：FD=q,=cpt,Ca;2022/

4、12/1073.1.1.2 3.1.1.2 湍流湍流湍流湍流传递传递性性性性质质 湍流切湍流切应力力湍流湍流热流密度流密度湍流湍流质量通量密度量通量密度2022/12/108 通常，充分通常，充分发展湍流中，湍流展湍流中，湍流传递系数系数远远大大于分子于分子传递系数。系数。2022/12/109分子分子传递系数系数,a,DAB：是是物性，与温度、物性，与温度、压力有关；力有关；通常各通常各项同性。同性。湍流湍流传递系数系数t,at,DABt：不是物性，主要与流体流不是物性，主要与流体流动有关；有关；通常各通常各项异性。异性。2022/12/10103.1.2 三三传方程方程连续性方程性方程 动

5、量方程量方程 能量方程能量方程 扩散方程散方程 当当当当=a a=D D时，三个传递方程形式完全一样时，三个传递方程形式完全一样时，三个传递方程形式完全一样时，三个传递方程形式完全一样 2022/12/1011边界条件界条件为：动量方程量方程 或或 或或 能量方程能量方程 扩散方程散方程 三个传递方程的边界条件形式完全一样三个传递方程的边界条件形式完全一样三个传递方程的边界条件形式完全一样三个传递方程的边界条件形式完全一样 2022/12/1012 三个性三个性质类似的似的传递系数中，任意两个系数中，任意两个系数的比系数的比值均均为无量无量纲量量,即即普朗特准普朗特准则表示速度分布和温度分布的

6、相互关系，表示速度分布和温度分布的相互关系，体体现流流动和和传热之之间的相互的相互联系系施密特准施密特准则表示速度分布和表示速度分布和浓度分布的相互关系，度分布的相互关系，体体现流体的流体的动量与量与传质间的的联系系刘伊斯准刘伊斯准则表示温度分布和表示温度分布和浓度分布的相互度分布的相互关系，体关系，体现传热和和传质之之间的的联系系 2022/12/1013 类似的，似的，对流体沿平面流流体沿平面流动或管内流或管内流动时质交交换的的准准则关关联式式为：气体混合物：通常气体混合物：通常Le1，即，即a D。此。此时，边界界层内温度分布和内温度分布和浓度分布相似。度分布相似。对流流换热的准的准则关

7、关联式式为：此此为刘伊斯关系式，即刘伊斯关系式，即热质交交换类比律。比律。Re给定条件下，定条件下，Le=1时，有：，有：即即2022/12/10143.1.3 动量交量交换与与热交交换的的类比在比在质交交换中的中的应用用 3 3.1.3.1 1.3.1 雷雷雷雷诺诺(Renold)(Renold)类比类比类比类比 (Pr=1)(Pr=1)当当Pr=1时 2022/12/1015以上关系也可推广到以上关系也可推广到质量量传输，建立，建立动量量传输与与质量量传输之之间的雷的雷诺类似律似律 当当Sc=1，即即=D时 2022/12/10163 3.1.3.2 1.3.2 柯柯柯柯尔尔本（本（本（本

8、（ColburnColburn）类类比比比比 普朗特普朗特(Prandtl)类比（考比（考虑了了层流底流底层）卡卡门(Karman)类比（考比（考虑了了层流底流底层、过渡渡层）2022/12/1017契契尔顿(Chilton)和柯和柯尔本本发表了如下的表了如下的类似的表达式似的表达式：传热因子因子JH，传质因子因子JD 2022/12/1018对流流传热和流体摩阻之和流体摩阻之间的关系，可表示的关系，可表示为：对流流传质和流体摩阻之和流体摩阻之间的关系可表示的关系可表示为：实验证明明JH、JD和摩阻系数和摩阻系数Cf 有下列关系有下列关系 上式适用于平板流等无形状阻力的情况。上式适用于平板流等

9、无形状阻力的情况。2022/12/1019对于柯于柯尔本本类比适用的情况：比适用的情况：对流流传热的公式可用于的公式可用于对流流传质。只要将有关参数及准只要将有关参数及准则数替数替换为对流流传质的的对应参量和准参量和准则数即可。数即可。2022/12/1020平板平板层流流传热 平板平板层流流传质 平板紊流平板紊流传热 平板紊流平板紊流传质 光滑管紊流光滑管紊流传热 光滑管紊流光滑管紊流传质 平板平板层流流传质 平板紊流平板紊流传热 平板紊流平板紊流传质 2022/12/10213 3.1.3.3 1.3.3 热热、质传输质传输同同同同时时存在的存在的存在的存在的类类比关系比关系比关系比关系

10、例例题2022/12/10223.2 对流质交换的准则关联式对流质交换的准则关联式 3.2.1 流体在管内受迫流流体在管内受迫流动时的的质交交换 由由传热学可知在温差学可知在温差较小的条件下，管内紊流小的条件下，管内紊流换热可不可不计物性修正物性修正项，并有如下准，并有如下准则关关联式式 吉利吉利兰（Gilliland）把把实验结果整理成相似准果整理成相似准则，并得到相并得到相应的准的准则关关联式式为 注意适用范围、定性参数选择注意适用范围、定性参数选择2022/12/1023水丁醇甲苯苯胺异丙醇另戊醇另丁醇氯苯醋酸已酯Sh/Sc0.442022/12/1024用用类比来比来计算管内流算管内流

11、动质交交换系数系数,由于由于 采用布拉西采用布拉西乌斯斯(Blasius)光滑管内的摩阻系数公式光滑管内的摩阻系数公式 则 2022/12/10253.2.2 流体沿平板流流体沿平板流动时的的质交交换 沿平板流沿平板流动换热的准的准则关关联式式 层流流时 相相应的的质交交换准准则关关联式式为 紊流紊流时 相相应的的质交交换准准则关关联式式应是是 例例题2022/12/10263.3 热量和质量同时进行时的热质传递热量和质量同时进行时的热质传递 工程工程实践中的践中的许多情形都是同多情形都是同时包含着包含着动量量传递、能量能量传递、质量量传递这三个三个传递过程程,它它们彼此是相彼此是相互影响的。

12、互影响的。2022/12/10273.3.1 同同时进行行传热与与传质的的过程程在在等温等温过程程中，由于中，由于组分的分的质量量传递，单位位时间、单位面位面积上所上所传递的的热量量为：如果如果传递系系统中中还有有导热，则传递的的热量量为：如果如果传递系系统中中还有有对流流换热，则传递的的热量量为：Ni为组分i的传质速率；M*i为组分i的分子量；t0焓值计算参考温度2022/12/1028(a)(b)滞留滞留层内内浓度分布示意度分布示意图 (a)V(y)=0 (b)V(y)0 能斯特（能斯特（Nernst）薄膜理）薄膜理论CA0CACACA0CACACA(y)CA(y)2022/12/1029

13、 在二元系在二元系统中，中，对于通于通过静止气静止气层扩散散过程的程的传质系数定系数定义(A组分分浓度很小，可度很小，可认为是等分是等分子反方向子反方向扩散，无混合物整体流散，无混合物整体流动）在在热量量传递中有膜中有膜传热系数系数 2022/12/10303.3.2 同一表面上同一表面上传质过程程对传热过程的影响程的影响(a)滞留滞留层中的温度、中的温度、浓度分布示意度分布示意图 (b)微元体内微元体内热平衡平衡 CA(y)CA1CA20q4q1q2q3t2t12022/12/1031进入微元体的入微元体的热流由两部分流由两部分组成成:导热+传质(1)导入的入的热量：量：(2)导出的出的热量

14、：量：(3)净导入的入的热量：量：导入微元体的入微元体的热量量 2022/12/1032(1)由于分子由于分子扩散，散，进入入微元体的微元体的传递组分分A、B本本身具有的身具有的焓为：(3)通通过传质进入微元体的入微元体的净热量量为：通通过传质进入微元体的入微元体的热量量(2)由于分子由于分子扩散，散，离开离开微元体的微元体的传递组分分A、B本本身具有的身具有的焓为：2022/12/1033稳态条件下，条件下，进人微元体的人微元体的总热流等于流等于0C0无因次数无因次数C0为传质阿克曼修正系数阿克曼修正系数(Ackerman correction)。传质自壁面向主流，自壁面向主流，则C00，反

15、之，反之C00。2022/12/1034最后得到流体在薄膜最后得到流体在薄膜层内的温度分布内的温度分布为：壁面上的壁面上的导热热流流为：在无在无传质时，C0=0,可知温度可知温度t为线性分布，性分布，传热量量为表明：表明：传质影响影响传热无无传质时的的导热热流通量流通量2022/12/1035一般情形下：一般情形下：总热流量流量应为（导热+有有传质时的的热流通量流通量）：）：2022/12/1036因此因此 上式表明，上式表明，传质的存在的存在对壁面壁面热传导和和总传热量的影响是方向相反的量的影响是方向相反的。2022/12/1037传质对传热的影响关系示意的影响关系示意图 C00C0qc/q

16、c,0qt/qc,0C00C02022/12/1038传质对传热的影响关系示意的影响关系示意图 2022/12/1039而：而：可知因可知因传质的存在，的存在，传质速率的大小与方向影速率的大小与方向影响了壁面上的温度梯度，即响了壁面上的温度梯度，即t(0)的的值，从而影响了，从而影响了壁面上的壁面上的导热量。量。由由图可知，当可知，当C0为正正值时，壁面上的，壁面上的导热量明量明显减少，当减少，当C0值接近接近 4 时，壁面上的，壁面上的导热量几量几乎等于零。乎等于零。2022/12/1040普通冷却普通冷却过程及三种程及三种传质冷却冷却过程示意程示意 2022/12/1041冷凝器表面和蒸冷

17、凝器表面和蒸发器表面的器表面的热质交交换过程程 假定在假定在传递过程中，只有程中，只有组分分A凝凝结，则冷凝器冷凝器表面的表面的总传热量量为:根据契根据契尔顿-柯柯尔本本类似律，有似律，有:潜潜热2022/12/1042得得 进入冷凝器的入冷凝器的总热量，量，应该等于冷凝器内等于冷凝器内侧的的冷却流体冷却流体带走的走的热量量 2022/12/10433.3.3 刘伊斯关系式刘伊斯关系式 在相同的雷在相同的雷诺数条件下，根据契数条件下，根据契尔顿-柯本柯本尔热质交交换的的类比比因因为在空在空调温度范温度范围内，干空气的内，干空气的质量密度量密度变化不大。故化不大。故 2022/12/1044因此

18、因此 在空在空调温度范温度范围内内 对于水于水-空气系空气系统 所以所以 干空气的平均质量密度 湿空气的含湿量以含湿量差为驱动力的传质系数见下页表中数据刘伊斯关系式刘伊斯关系式 2022/12/1045a/D干空气和干空气和饱和湿空气的和湿空气的热质扩散系数散系数 温度温度()饱和度和度a102(m2/h)D102(m2/h)10017.157.148.370.8550.85415.6017.427.408.700.8540.85220.1017.697.079.020.8530.85026.7017.957.939.360.8520.84832.2018.248.209.070.8510.8

19、4637.3018.538.4610.040.8500.84343.3018.828.7110.390.8480.83848.9019.118.9410.750.8480.83254.4019.409.1511.110.8460.82360019.709.6011.470.8450.8122022/12/1046 刘易斯关系式成立的条件：刘易斯关系式成立的条件：（1）0.6 Pr 60,0.6 Sc 3000;(2)Le=a/DAB 1。条件表明，条件表明，热扩散和散和质量量扩散要散要满足一定的条件。足一定的条件。而而对于于扩散不占主散不占主导地位的湍流地位的湍流热质交交换过程，刘伊程，刘伊斯

20、关系式是否适用呢？斯关系式是否适用呢？湍流湍流热质交交换示意示意图 t1,d1t2,d22022/12/1047因湍流交因湍流交换而从平面而从平面1流到平面流到平面2的每的每单位面位面积的的热流量流量为 用湍流用湍流换热系数系数h来表示来表示这一一热流量流量 同同样，由于湍流交，由于湍流交换而引起的每而引起的每单位面位面积上的上的质量交量交换量量为 得到得到 湍流时，无论湍流时，无论a a/D D是否等于是否等于1 1，刘伊斯关系式必成立，刘伊斯关系式必成立2022/12/10483.3.4 湿球温度的理湿球温度的理论基基础 湿球温度湿球温度计 2022/12/1049当空气与湿布表面之当空气

21、与湿布表面之间的的热量交量交换达到达到稳定定状状态时，空气，空气对湿布表面湿布表面传导的的热量量为 湿布表面蒸湿布表面蒸发扩散的水分量散的水分量为 根据根据热平衡，得平衡，得 2022/12/1050根据根据刘伊斯关系式刘伊斯关系式，由上式，由上式变为：采用采用级数把上式左数把上式左边展开，展开，级数取前两数取前两项，简化化为 考考虑到干、湿球温度相差不大，因此在此温度范到干、湿球温度相差不大，因此在此温度范围内，湿空气的定内，湿空气的定压比比热与汽化潜与汽化潜热都都变化不大化不大 2022/12/1051绝热饱和温度和温度ts 完全取决于完全取决于进口湿空气及水的状口湿空气及水的状态与与总量

22、，量，不受其它任何因素的影响，所以不受其它任何因素的影响，所以ts是湿空气的一是湿空气的一个状个状态参数参数 根据湿空气根据湿空气焓的定的定义，可得，可得 湿球温度受多种湿球温度受多种传递因素影响，不是湿空气因素影响，不是湿空气单一函数一函数 湿空气湿空气焓是湿球温度的是湿球温度的单一函数一函数 2022/12/1052 已知已知绝热饱和温度和温度ts 和干球温度和干球温度t，求，求进口湿空气含湿量口湿空气含湿量d。其中其中2022/12/10533.3.5 自然自然环境中的境中的传热传质 3 3.3.5.1 3.5.1 大气中的水面蒸大气中的水面蒸大气中的水面蒸大气中的水面蒸发发及及及及测测

23、定定定定1）只考）只考虑纯分子分子扩散散2）考）考虑对流影响流影响实际可忽略可忽略扩散蒸散蒸发量量2022/12/10543 3.3.5.2 3.5.2 季季季季节变节变化和昼夜化和昼夜化和昼夜化和昼夜变变化化化化对对水面蒸水面蒸水面蒸水面蒸发发的影响及的影响及的影响及的影响及测测定定定定 由于漩由于漩涡、对流影响在水面存在一流影响在水面存在一层温度均匀的温度均匀的表面表面层。表面表面层过渡渡层深水深水层（常年温度不（常年温度不变）表面表面层过渡渡层深水深水层（常年温度不（常年温度不变）春天春天夏天夏天表面表面层（降温）（降温）过渡渡层（向上自然（向上自然对流）流）深水深水层（常年温度不（常年温度不变）秋天秋天表面表面层过渡渡层（向上自然（向上自然对流）流）深水深水层（常年温度不（常年温度不变）冬天冬天水中温度分布水中温度分布2022/12/1055中午中午晚上晚上深夜到凌晨深夜到凌晨早晨早晨tztztztz大气中温度分布大气中温度分布2022/12/10作业：教材中的思考题56The EndThe End2022/12/1080-59结束结束