第二章 热质交换过程第二章 热质交换过程3——热质同时进行的热质传递热质同时进行的热质传递本章主要内容本章主要内容?传质概论传质概论?扩散传质扩散传质?对流传质对流传质?相际间的对流传质模型相际间的对流传质模型?动量、热量和质量传递类比动量、热量和质量传递类比?对流传质的准则关联式对流传质的准则关联式?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?传质应用举例传质应用举例* 2.7 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?热空气流经湿表面热空气流经湿表面的热质交换的过程：由于对流和辐射，热量从热空气传到湿表面，湿表面上被蒸发的蒸汽连同它本身所具有焓一起传递 到流动中的热空气中去的热质交换的过程：由于对流和辐射，热量从热空气传到湿表面，湿表面上被蒸发的蒸汽连同它本身所具有焓一起传递 到流动中的热空气中去空调领域空调领域：表面冷却器的冷却除湿、喷水室、冷却塔 中水与空气的热质交换、湿球温度计的工作原理：表面冷却器的冷却除湿、喷水室、冷却塔 中水与空气的热质交换、湿球温度计的工作原理在不同蒸发速率下，热质交换有所不同在不同蒸发速率下，热质交换有所不同等温过程：等温过程：一、同时进行传热与传质的过程一、同时进行传热与传质的过程?非等温过程：非等温过程：hΔΔt导热引起导热引起对流引起对流引起能斯特能斯特(Nernst)的薄膜理论的薄膜理论V（（y）＝）＝0V（（y）≠）≠01）层内传质为分子扩散传质；）层内传质为分子扩散传质；2）全部对流传质的阻力都存在这一薄层。
全部对流传质的阻力都存在这一薄层0δAB mDh=对于通过静止气层扩散过程的传质系数就可定义为：同样，在热量传递中也有膜传热系数对于通过静止气层扩散过程的传质系数就可定义为：同样，在热量传递中也有膜传热系数0δλ=h分析：分析：1）该理论不能计算出δ）该理论不能计算出δ0的值（由的值（由Re确定）；确定）；2））hm与与DAB的一次方成正比不合理；的一次方成正比不合理；3）定性刻划，图像简洁，便于理解定性刻划，图像简洁，便于理解)0 . 1~0( =∝nDhn m二、同一表面上传质过程对传热过程的影响二、同一表面上传质过程对传热过程的影响表面上有传质但无相变 ：（即无凝结蒸发）表面上有传质但无相变 ：（即无凝结蒸发）?由温度梯度产生的导热热流为：由温度梯度产生的导热热流为：?由于分子扩散，进人微元体的传递组分由于分子扩散，进人微元体的传递组分A、、B 本身具有的焓为 ：本身具有的焓为 ：流体滞留层内传热微分方程：流体滞留层内传热微分方程：边界条件为： y=0,t=t1 (壁温) y=δ0 ,t=t2 (流体主流温度)在稳态条件下，在稳态条件下，04231=−+−求解：求解：?流体在薄膜层内的温度分布为流体在薄膜层内的温度分布为:?壁面上的导热热流为壁面上的导热热流为:1)exp()(00 21−−=CCtthqc可知：传质速率的大小和方向影响壁面温度梯度，从而影响传热量。
可知：传质速率的大小和方向影响壁面温度梯度，从而影响传热量传质阿克曼修正系数传质阿克曼修正系数表面上无传质无相变：表面上无传质无相变：在无传质时在无传质时,C0 =0, 可知温度可知温度t为线性分布为线性分布,而且而且1)exp(000,−==CC Nucc传质对对流传热强化度：表明：无传质时，传质对对流传热强化度：表明：无传质时，C0→→0，，Nu →→1总热流量 ：总热流量 ：传质带走的显热传质带走的显热qt（-C0）=qc（C0）表明：传质对壁面热传导和总传热量的影响方向相反表明：传质对壁面热传导和总传热量的影响方向相反1)exp(000,−=CC cc传质对传热的影响关系传质对传热的影响关系当传质的方向是从壁面到流体主流方向时当传质的方向是从壁面到流体主流方向时,C0为正值为正值; 反之反之,C0为负值传质对壁面热传导和总传热量的影响方向相反传质对壁面热传导和总传热量的影响方向相反C0>0时，传质方向为离开壁面，壁面导热量 明显减小；膜总传热量增加；时，传质方向为离开壁面，壁面导热量 明显减小；膜总传热量增加；?出汗出汗?C0t∞∞,Cs>C∞∞,故故Qk>0，表示 热量是从壁面传向主流。
传质方向：壁面传 向主流），表示 热量是从壁面传向主流传质方向：壁面传 向主流）?综上所述，由于传质的存在，均使得传热量大 大提高综上所述，由于传质的存在，均使得传热量大 大提高三、刘伊斯关系式在空调中的应用三、刘伊斯关系式在空调中的应用 根据契尔顿-柯本尔热质交换的类似律hmd :传质系数传质系数, 其为其为在空气温度范围内,()()∞∞−=−=,,,,,ASAmdASAMAmAddhddhmρ密度差含湿量差密度差含湿量差?文字叙述：在空气一水系统的文字叙述：在空气一水系统的热质交换热质交换过程 中，传热系数与传质系数之比等于湿空气的定 压比热过程 中，传热系数与传质系数之比等于湿空气的定 压比热是利用含湿量作为驱动力的对流传质系数的刘 易斯关系式；是利用含湿量作为驱动力的对流传质系数的刘 易斯关系式；?实际上是常温常压条件水实际上是常温常压条件水——空气热质交换的 契空气热质交换的 契-柯类比律的简化形式；柯类比律的简化形式；?反映了热交换与质交换规律间的相似性为我 们提供了反映了热交换与质交换规律间的相似性为我 们提供了“以偏概全以偏概全”的可能：仅用传热的规律 就可以同时计算热质交换。
的可能：仅用传热的规律 就可以同时计算热质交换结论：在空气一水系统的结论：在空气一水系统的热质交换热质交换过程中，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 发生同样的变化成立的条件：成立的条件：（l）0.6＜Pr＜60，0.6＜Sc＜ 3000；（2）Le=a/DAB≈l刘伊斯关系适用于紊流热质交换刘伊斯关系适用于紊流热质交换刘伊斯关系适用于紊流热质交换刘伊斯关系适用于紊流热质交换?表明：无论表明：无论Le是否为是否为1，刘易斯关系总成立刘易斯关系总成立对层流或湍流的层流底层，刘易斯关系适用条 件为前面提到的两个条件；对层流或湍流的层流底层，刘易斯关系适用条 件为前面提到的两个条件；?对湍流主流，刘易斯关系无限制条件对湍流主流，刘易斯关系无限制条件热交换：热交换：h(t1 -t2 )=ρρcp V(t1 -t2 ) 质交换：质交换：mt =ρρV(d1 -d2 )=hmd (d1 -d2 ) h/hmd =cp为什么按下图测得的就是湿球温度？为什么按下图测得的就是湿球温度？ttwb四、湿球温度的理论基础四、湿球温度的理论基础()()00 exp1CCtthqwbH−−−=()ddhmwbmdA−=()()()ddrhCCtthwbmdwb−=−−−00 exp1()()ddrhtthwbmdwb−=−C00()()ddrttcwbwbp−=−dtcrtcipwp)( ++=焓的定义焓的定义wbii =wbii =?在湿布表面进行热、质交换过程中，焓值不变。
在湿布表面进行热、质交换过程中，焓值不变对于水对于水-空气系统，当未饱和的空气流过一定 量的水表面时，尽管空气的温度下降了，湿度 增大了，但其单位质量所具有的焓值不变空气系统，当未饱和的空气流过一定 量的水表面时，尽管空气的温度下降了，湿度 增大了，但其单位质量所具有的焓值不变在焓在焓-湿图中，不难看出湿空气的焓是湿球温 度的单一函数 湿图中，不难看出湿空气的焓是湿球温 度的单一函数 气流的速度对热质交换过程有影响气流的速度对热质交换过程有影响,因而对湿 球温度值也有一定的影响 因而对湿 球温度值也有一定的影响 湿球温度不是湿空气的状态参数湿球温度不是湿空气的状态参数绝热饱和温度绝热饱和温度ts和湿球温度和湿球温度 twb?绝热情况 ：水向空气中蒸发，水分蒸发所需的 热量绝热情况 ：水向空气中蒸发，水分蒸发所需的 热量全部全部由湿空气供给 ，由湿空气供给 ，q=0，湿空气温度降 低；，湿空气温度降 低；?干湿球温度计情况：水向空气中蒸发，水分蒸 发所需的热量干湿球温度计情况：水向空气中蒸发，水分蒸 发所需的热量部分部分由湿空气供给 ，部分由辐射 等能量供给，由湿空气供给 ，部分由辐射 等能量供给，q≠≠0，散失的热量引起的温降体 现在，散失的热量引起的温降体 现在twb上；上；?ts>twb?ts完全取决于进口湿空气及水的状态与总量， 不受其他任何因素影响。
完全取决于进口湿空气及水的状态与总量， 不受其他任何因素影响测定测定t和和ts后，可以计算出进口湿空气的含湿量后，可以计算出进口湿空气的含湿量根据能量平衡方程，计算进口湿空气的含湿量：根据能量平衡方程，计算进口湿空气的含湿量：进口湿空气焓进口湿空气焓+补充水焓＝出口饱和空气焓补充水焓＝出口饱和空气焓' ''III=+ )(vaadiiMI+='' '')(iddMIa−=)(' '' '' '' 'vaaidiMI+=()()'' '' '' 'iiiidiidvvvaa −−+−=()'' ' , iirdttcdvssap −+−=只要测出只要测出t和和ts，按上式可以计算进口湿空气的含湿量按上式可以计算进口湿空气的含湿量实验数据表明实验数据表明ts≈≈twb，，可利用焓湿图上的可利用焓湿图上的ts代替代替twb五、自然环境中的传热传质五、自然环境中的传热传质?大气中的水面蒸发及其测定大气中的水面蒸发及其测定?平静的水面与静止空气相接触（等温）?允许空气渗入水中，且考虑温差和大气对流 蒸发率：dzdp TRDNwMw−=天/))(25. 1181(88. 0mmppuEws−+=[例例2-13]?季节变化对自然环境水面蒸发的影响季节变化对自然环境水面蒸发的影响?早春时，将近等温分布；?盛夏时，表面层水温较高，表面层也较厚；?深秋时，表面降温，过渡层中的温水将产生向上的 自然对流；?冬季时，恢复将近等温分布； 湖泊水的温度梯度和迁移现象，将影响水中营养物、沉淀物、污染物以及生态的分布与季节的变迁。
湖泊水的温度梯度和迁移现象，将影响水中营养物、沉淀物、污染物以及生态的分布与季节的变迁昼夜变化对自然环境水面蒸发的影响昼夜变化对自然环境水面蒸发的影响传质应用举例传质应用举例对装修公司的投诉 （建材有机挥发性化合物散发问题 ）对装修公司的投诉 （建材有机挥发性化合物散发问题 ）?室内室内VOCs浓度过高是造成浓度过高是造成IAQ低劣，从而引 发病态建筑综合症的主要原因；低劣，从而引 发病态建筑综合症的主要原因；?要治理要治理VOCs污染，需对污染，需对VOCs源散发特性进 行深入研究；源散发特性进 行深入研究；?目前，关于污染源散发模型的研究是国际室内 空气品质研究热点之一；目前，关于污染源散发模型的研究是国际室内 空气品质研究热点之一；?研究发散特性的方法：实验测定法和建模模拟 法研究发散特性的方法：实验测定法和建模模拟 法CSCSC0（x）X=-L X=0X=LxxCDxC ∂∂=∂∂),(),(2τ ττ初始条件：初始条件： 0),(),(0==ττxCxCCL =CS ∂C/∂x│x=0 =0(对称关系)边界条件：边界条件：发散特性的建模分析发散特性的建模分析发散特性的建模分析发散特性的建模分析解：与传热情况类比。
传热中的解变形即可参数类比：?传热：θ=T-T∞/（T0- T∞）； Fo=aτ/L2； Bi=hL/λ?传质：?无量纲VOCs浓度：?传质傅立叶准则数：?传质毕渥数：∞∞ −。