传热传质

主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU1.基本概念浓度扩散：混合物的组分在浓度梯度作用下由高浓度向低浓度方向转移的过程。在没有浓度差的二元混合物中，温度梯度和总压力梯度也会引起质量传递，分别称为热扩散和压力扩散。当温度梯度和总压力梯度不大时，热扩散和压力扩散往往可以忽略。（1）质量传递（传质）浓度差是质量传递的动力。温度差是热量传递的动力。仅介绍由浓度梯度引起的质量传递。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU（2）浓度扩散的两种基本方式分子扩散：在浓度梯度作用下由分子运动而引起的质量传递过程。对流扩散：在浓度梯度存在的情况下由宏观对流而引起的质量传递过程。（3）混合物的浓度质量浓度：3ABAB,kg/mmmVV物质的量浓度c：3ABAB,kmol/mnnccVV对于理想气体，iipVnRTiipcRT8.314J/(molK)R主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU（4）通量密度定义：单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上通过的某组分的物质的数量称为该组分的通量密度。质量通量密度：单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上通过的某组分的质量，用Mi表示，单位为kg/(m2·s)。物质的量通量密度（摩尔通量密度）：单位时间内在垂直于扩散方向单位面积上通过的某组分的物质的量（摩尔数量），用Ni表示，单位为kmol/(m2·s)。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU2.质扩散的菲克(Fick)定律MA、NA分别为组分A的质量通量密度和物质的量通量密度。2AAABkg/(ms)MDx2AAABkmol/(ms)cNDxDAB为质扩散率（分子扩散系数），单位为m2/s，是物性参数，反映分子扩散能力的大小。其数值取决于混合物的性质、压力与温度，主要由实验测定。在稳态、无整体流动的二元混合物中，通量密度与浓度梯度成正比：负号表示扩散方向指向浓度降低的方向。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU1.5000pTDDTp如果已知温度T0、压力p0下的质扩散率D0，则温度T、压力p下的质扩散率D可由下式求出质扩散率D的单位与导温系数a、运动粘度相同,都为m2/s。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU()pdctdtqadxdx()dududxdx率传递通量cNDx主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU3.两种典型的质扩散过程（1）等摩尔逆向扩散（双向扩散）A、B两种物质以相同的物质的量通量密度相对扩散（如气体分的蒸馏过程，高、低沸点组分潜热相近时，...)假设系统总压为常数，0ABppp常数ABddddppxx0根据菲克定律AAABddcNDxBABBddDpNRTxABAd,dDpRTxAApcRT主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU因为是等摩尔逆向扩散，NA=-NB，又因为BABBddDpNRTxABAAd,dDpNRTxABddddppxxABBADDRTRTABBADDD可见，对于二元混合物，两种组分各自的质扩散率相等。ABAAd,dDpNRTx由式积分可得ABA1A2ABAA1A2DppDNccRTxxA1A1pcRT主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU（2）单向扩散假设：（1）扩散过程是稳态的；（2）系统是等温的；（3）水面上方气体空间的压力p0为常数；（4）混合气体可近似为理想气体。根据上述假设，0wAppp常数wAddddppxxpA,pw的变化如图所示。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU由于空气几乎不溶于水，不能向水中扩散，在水面处，空气的分压力梯度接近于零。但由于筒口处的空气分压力大于水面处，必然有空气不断从筒口向下扩散，会使水面处的空气越来越多。为了维持稳定的扩散过程，一定存在一股自下而上的混合气流，其中携带的空气量正好等于向下扩散的空气量，即在任一截面处，都有AAAd0dxxDpNcvRTxcAx、vx分别为x截面处气体中空气的物质的量浓度和气流的流速。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPUAAAd0dxxDpNcvRTxwAAAdd11ddxxxpDpDvRTxccRTxx截面处水蒸气的物质的量通量密度为对于理想气体，wAwA,xxppccRTRTwwAAxxcpcpwAw0wwA0wddddpppppDDNRTpxRTppx主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU0ww0wddppDNRTppx该式称为斯蒂芬（Stephan)定律表达式，给出了单向扩散物质的量的通量密度计算式。wAddddppxxAwA0ddpRTNxpDp对于稳态过程，Nw与x无关，将上式积分，可得00A2A2w21A1A111lnlnDpDpppNRTxxpRTxp该式称为斯蒂芬（Stephan)定律的积分表达式。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU4.对流传质与表面传质系数对流传质是指流体流过一个相界面时与界面之间发生的质量交换。界面可以是液体界面或固体界面。AmA,wA,fNhccAmA,wA,fMhcA,w、A,w分别为界面处组分A的物质的量浓度与质量浓度，单位分别为kmol/m3与kg/m3。cA,f、A,f分别为主流中组分A的物质的量浓度与质量浓度；。hm为表面传质系数，单位为m/s。确定表面传质系数是对流传质的主要研究任务。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU以空气平行吹过萘表面的对流传质过程为例，主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU舍伍德数（Sherwood)施密特数(Schmidt)主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU当对流换热与对流传质有相同的单值性条件时，,mnmnNuCRePrShReScnNuPrShScnmhlDDhla11nnnppmhDaccLehaDD/LeScPra/D称为路易斯(Lewis)数，表征热量传递能力与质量传递能力之比。1npmhcLeh上式称为路易斯关系式，表示对流换热与对流传质间的比拟关系。n=0.3~0.4。主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU2/3f2CStPr2/3f2DCStSc2/38fStPr2/38DfStSc外掠平板：管内：主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU5.传质与传热同时进行的过程水蒸气从湿球水膜到空气的传质过程：wmwMh从空气到湿球水膜的传热过程：wqhtt热平衡情况下，mwwhrhttwwm1httrh2/31nppmhacLechD主讲：魏高升Dept.ofThermalPowerEngineering－NCEPU2/3wwpttacrD定性温度：wm2ttt