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1、传热传质过程报告刘畅 3382012511摘要 单论述了传质冷却的机理，并给出工程实际的应用及其最新进展，以管式 间接蒸发冷却器为实例建立数学模型，论证传热传质机理关键字 冷却机理 管式间接蒸发冷却器引言质量传递过程设计的领域很广，如空调工程中空气的处理问题，化学工程中 常见的有蒸馏、吸收、萃取和干燥等，质量传递过程还与反应工程、离子交换、 反渗透技术和生物工程等过程密切相关。传质机理是说明传质过程的基础，有了 正确的传质理论，便可以据此对具体的传质过程及设备进行分析，优化选择合理 的操作条件，对设备的强化、新型高效设备的开发做出指导。传质理论一般首先 是对传质过程提出一个说明传质机理的数学物
2、理模型，研究该模型的解，讨论影 响传质过程的各种因素，以实验验证该传质理论的正确程度，进而可以用实验的 结果，修正数学物理模型，最后得到比较切换实际工程问题的传质模型。下面将 简单介绍传热传质机理并在管式间接蒸发空气冷却器的传热、传质过程分析的基 础上，建立适宜的管式间接蒸发空气冷却器的热工模型，并对管外湿侧二次空气 与水膜之间的传热、传质系数进行广泛的分析、优选和改进。1 传质冷却机理及其实际应用在传热学中已经分析过和壁面间的对流换热过程，所涉及的流体是单一物质 或称一元体系。而在某些实际情况下，流体可能是二元体系，并且其中各组分的 浓度不均匀，物系中的某组分存在浓度梯度，将发生该组分由高浓
3、度区向低浓度 区的歉意过程，就会有质量传递或质交换发生。日常生活中遇到的水分蒸发和煤 气在空气的弥漫以及室内装修造成的空气污染等都是传质现象。同样在自然界和 工程实际中，海洋的水面蒸发在潮湿的大气层中形成云雨；生物组织对营养成分 的吸收；油池起火和火焰的扩散；冷却塔、喷气雾化干燥、填充吸收塔等的工作 过程都是传质过程的具体体现。传质过程又常和传热过程符合在一起，例如空调工程中常用的表面式空气冷 却器在冷却去湿工况下，除了热交换外还有水分在冷表面凝结洗出；还有在吸收 式制冷装置的吸收器重发生的吸收过程等，均是既有热交换又有质交换的现象。 在测量湿空气参数时所用的干湿球温度计，湿球温度也是由湿球纱
4、布与周围空气 的热交换和质交换条件所决定的。1.1质量传递的方式分为两种：分子传质、对流传质1.1.1 分子传质 分子传质又称分子扩散，它是由分子无规则扩散热运动而形成的物质传递现 象。如图所示，用一块隔板将容器分为左右两室，两室中分别冲入温度和压力相 同而浓度不同的A、B两种气体。设在左室中，A的浓度高于右室，而组分B的浓 度低于右室。当隔板抽离后，流体之中的物质分子，由于在流体内部各部位存在 浓度差，凭借微观热运动，自发地从浓度高处向低处转移，直至其浓度在整个流 体空间中分布均匀。此时，通过任一界面物质A、B的净扩散同量为零，但扩散A，TB,t仍在进行物质在某个位置处的扩散通量，大小与该处
5、的浓度梯度成正比。J xdc /dzAaJ =-D dc /dz改写为等式 A A,B aJ组分A在z方向上的扩散通量，kmol/(m2 s)；AdCa /dz组分A在z方向上的浓度变化率(浓度梯度)，kmol/m4；D 组分A在介质B中的扩散系数，m2/s。A,B斐克定律斐克定律告诉我们：只要有浓度梯度，就会发生扩散。公式中负号表示物质的扩散沿着浓度梯度的反方向，即浓度降低的方向。1.1.2 对流传质 对流传质是具有一定浓度的混合物流体流过不同浓度的壁面时，或两个有限 互溶的流体层发生运动时的质量传递。流体做对流运动，当流体中存在浓度差时， 对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散与对流扩散两
6、者的共同作用称为对流 质交换，这一机理与对流换热相类似，单纯的对流扩散室不存在的。对流交换是 在楼梯或固体的两相交界面上完成的。例如空气掠过水面时水的蒸发。1.2 传质冷却机理 传质冷却机理以间接蒸发空气冷却器为例子讲述。间接蒸发冷却器还包括闭 式冷却塔、蒸发式冷凝器、间接蒸发液体冷却器等，它们的共同点是，换热器间 壁的一侧（湿侧）喷淋循环水，在换热面上形成很薄的水膜，空气掠过水膜使水 不断蒸发，并且不断带走蒸发产生的水蒸气，以维持蒸发过程的持续进行，水的 蒸发不仅吸收水膜自身的热量，而且会吸收换热器另一侧流体的热量，使另一侧 的流体温度降低。间接蒸发冷却器湿侧是一个同时存在流动、传热和传质的
7、多 个传递过程耦合并相互交叉影响的复杂的不可逆热力过程，该过程直接影响到另 一侧流体被冷却的效果。2 管式间接蒸发冷却器传热、传质过程分析管式间接蒸发冷却器在工程实践 中有着大量应用，尤其是表冷器，几乎 应用于所有的空调系统中，如风机盘管，空气处理机组等，此外在热管等凄然方面也有它的踪影。2.1过程分析传热管束水平布置，一次空气在管内流过，管束上方布置的淋水装置将循环 水淋洒在管外表面，二次空气在风机的作用下从换热器底部进入，与淋水方向逆 向流动在传热管外与水膜发生热、湿交换，水蒸发吸热使管内一次空气得以被冷 却。发生在管式间接蒸发空气冷却器的传热、传质过程分为以下几个环节：1）一次空气和管壁
8、之间的热传递，一次空气温度下降，湿度不变。影响一 次空气温度变化的主要因素有一次空气在管内的流速、管长、管径以及空气物性 等。2）管壁与水膜之间的热交换，管壁将一次空气传来的热量交给水膜，该环 节的主要影响因素包括淋水密度、逆向流过水膜表面的二次空气的流速、管径、 淋水和二次空气的物性等。3）二次空气和水膜之间的热、质交换，决定该过程能否进行的关键不是二 次空气温度和淋水温度的高低，而是二次空气的焓与淋水温度下饱和空气的焓的 大小，即只要淋水温度下饱和空气的焓大于二次空气的焓，就可以实现热量由水 膜传给二次空气，即使淋水温度高于二次空气的温度。2.2管式间接蒸发冷却器在传热、传质过程的模型建立
9、该模型是在以下假设条件下建立的： 1）蒸发冷却器与周围的环境无热传递；2） 蒸发冷却器管子外表面被稳定不间断的水 膜完全包覆；3）二次空气在管束外分布均 匀，二次空气与水膜的传热、传质系数各 处相等4)淋水、一、二次空气的物性为均常数；5)忽略管壁导热热阻。取图3所示的一根传热管作为建立模型的换热单元。其中上角标i表示第i 个换热单元，换热单元总数等于自上而下总的管排数。下脚标1、2 分别表示一 次空气和二次空气，下脚标f、w分别表示水膜管壁。2.2.1一次空气和管壁面之间的热传递平衡方程M c ( T -T )二nd L h (T -T )(1-1)1 p1 1，in 1,out11 w式中
10、： 一次空气在管内的质量流量，kg/s；-一次空气在传热管内的平均温度 ( T1 . +T1 t)/2, k11，in 1,outH次空气与管壁之间的对流换热系数，可由下式计算：h =Nu X /d111 i2.2.2水膜与传热管外表面之间的热传递平衡方程mp (T -T )=nd Lh (T TJ+m c (T -T )1 1 1,in q,out 0 f w I f pf f1 f2式中：T水膜与二次空气交界面处的温度，K；d0-传热管外径，m；hw 过水平管外表面的对流换热系数，可由下式计算：wh=N *X/(v/g)1/3f uf f f式中：Xf 水膜导热系数，W/mK；vf水膜运动
11、粘性系数，m/s2；Nu 水膜 Nussult 数；2.2.3水膜之间热质传递平衡方程m r+m c (T -T )=nd Lh (T -T )e v 2 p2 21 22 0 2 1 2式中： r 一淋水温度下水的汽化潜热，可以作为定值T 2 一二次空气第 i 传热单元的平均温度 Kmev 一蒸发到空气中的水蒸气流量，kg/s.mev=nd右卩x (Tf)-x式中卩一一二次空气与水膜之间的质传递系数，kg/m2s,S=h /(c *Lei-n)2 p22.2.4一次空气和水膜及二次空气的热、质传递平衡方程m c (T -T )=m *r+m c (T -T )+m c (T-T )1 p1
12、1,in 1,oute v2 p2 22 21 f pf f f0该式表明在与环境没有热交换的假设下间接蒸发冷却器内水膜蒸发导致一 二次空气温度降低、淋水温度的降低。3 结语随着国家经济不断发展和实力的壮大，20世纪80年代中央空调的概念从理论走到 了现实，造福于社会。现在基本的高层公共建筑和高档的一些多层建筑都广泛采 用中央空调系统，这些大大小小的空调工程从策划、设计、安装、调试直至运行， 都留下了许多宝贵的经验，促进了设计师之间的空调技术交流，带动了空调的设 计水平，空调的设计方法和空调设备的技术改进与发展。但随着中央空调的广泛 应用，也暴露了现有空调工程的设计和运行的种种不足和缺陷。因此作为建环工 作者，我们必须要掌握最基础的一些知识原理，了解、掌握并控制相关复杂过程 的传热、传质性能对于换热器的设计、性能优化和正确使用，为我们将来更好地从事建环工作打下基础参考文献1 黄翔. 面向环保、节能、经济及室内空气品质联合挑战的蒸发冷却技术. 建筑 热能与通风空调, 20032 王芳 武俊梅 黄翔 汪周建.管式间接蒸发冷却器传热、传质模型的建立及验 证，20093 鱼剑琳. 管式间接蒸发冷却器水平单管外对流传质的实验研究. 西安交通大 学学报, 19994 连之伟.热质交换原理与设备（第三版）.中国建筑工业出版社，2011
