第三章传热传质问题的分析和计算

第三章传热传质问题的分析和计算SouthwestPetroleumUniversity第三章传热传质问题的分析和计算3．1动量、热量和质量传递类比3．2对流传质的准则关联式3．3热量和质量同时进行时的热质传递3．4传质应用举例（自学）SouthwestPetroleumUniversity第三章传热传质问题的分析和计算主要内容：1、动量传递、热量传递和质量传递的类比2、传热和传质同时进行时的热质传递模型3、热质传递的基本规律，传质过程对传热的影响规律SouthwestPetroleumUniversity3.1动量、热量和质量传递类比•利用三种...

SouthwestPetroleumUniversity第三章传热传质问题的分析和计算3．1动量、热量和质量传递类比3．2对流传质的准则关联式3．3热量和质量同时进行时的热质传递3．4传质应用举例（自学）SouthwestPetroleumUniversity第三章传热传质问题的分析和计算主要内容：1、动量传递、热量传递和质量传递的类比2、传热和传质同时进行时的热质传递模型3、热质传递的基本规律，传质过程对传热的影响规律SouthwestPetroleumUniversity3.1动量、热量和质量传递类比•利用三种传递现象的类比关系，由已知传递系数求解未知传递系数•类比方法有局限性，一般应满足以下几个条件：（1）物性参数可视为常数或取平均值（2）无内热源（3）无辐射传热（4）无边界层分离，无形体阻力（5）传质速率很低，速度场均不受传质的影响SouthwestPetroleumUniversity3.1动量、热量和质量传递类比3.1.1三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系流体系统中：速度梯度动量传递温度梯度热量传递浓度梯度质量传递estPetroleumUniversitySouthw三种传递现象的类比•传递可以是分子微观运动引起的分子扩散；也可以是流体微团的宏观运动引起的湍流传递；•流体的黏性、热传导性和质量扩散性通称为流体的分子传递性质。dud()u牛顿粘性定律dydydt(dcp)td(pct)傅立叶定律qaqcdydydypdd斐克定律mDAmDAAABdyAABdyestPetroleumUniversitySouthw湍流传递性质总切应力dududuttdySttdyeffdy总热通量密度dtdtdtqqS()teffttdydydyA的总质量通量密度dAdAmAtABtDmDDdySABABtdydDAABeffdySouthwestPetroleumUniversity确定湍流传递系数困难的原因•分子传递系数均是与温度、压力有关的流体的固有属性，是物性。然而湍流传递系数主要取决于流体的平均运动，故不是物性；•分子传递性质由逐点局部平衡的定律来确定；对于湍流传递性质，应该考虑其松弛效应，即历史和周围流场对某时刻、某空间点湍流传递性质的影响；•分子传递系数是各向同性的；但是在大多数情况下，湍流传递系数是各向异性的。SouthwestPetroleumUniversity三传方程在有质交换时，对二元混合物的二维稳态层流流动，当不计流体的体积力和压强梯度，忽略耗散热、化学反应热以及由于分子扩散而引起的能量传递时，对流传热传质交换微分方程组应包括：uu连续性方程xy0xy2uxuyux动量方程uxuyxyy2tt2t能量方程uuxxyyy22CACACA扩散方程uxuyDxyy2estPetroleumUniversitySouthw边界条件uuxuw动量方程y0,x0或0uuuwuuxuwy,x1或1uuuwtttt能量方程y0,w0y,w1ttwttwCCCCAA,w扩散方程y0,AA,w0y,1CCA,A,wCCA,A,wSouthwestPetroleumUniversity三传方程这三个性质类似的物性系数中，任意两个系数的比值均为无量纲量，即普朗特准则P速度分布和温度分布的相互关系，r体现流动和传热之间的相互联系施密特准则Sc速度分布和浓度分布的相互关系，D体现流体的传质特性Sc温度分布和浓度分布相互关系，刘伊斯准则LeDPr体现传热和传质之间的联系estPetroleumUniversitySouthw三传方程流体沿平面流动或管内流动时质交换的准则关联式为：hlulShf(Re,或Scm)f,DD刘伊斯关系式（热质交换类比律）：Dahhlhml或hmhhDcpestPetroleumUniversitySouthw动量交换与热交换的类比在质交换中的应用雷诺类比（动量传输与热量传输）NuCfCSt或NuRefPrRePr22Cf当Pr=1时NuRe2Cf----摩阻系数SouthwestPetroleumUniversity雷诺类比（动量传输与质量传输）ShCfStmReSc2C或ShfReSc2Cf当Sc=1，即ν=D时ShRe2ν----运动粘度，动量扩散系数SouthwestPetroleumUniversity柯尔本类比hC2/普朗特类比mf1u5C/f2(Sc1)卡门类比hC2/mf15u/2C(f1Sc)ln(Sc15)/6hC契尔顿和-柯尔本类比mfSc3/2u2适用于Sc介于0.6和2500的气体和液体estPetroleumUniversitySouthw计算因子h2/3传热因子JHPrCpu传质因子hm2/3JDScu对流传热和流体2CStPr3Jf摩阻之间的关系H22C对流传质和流体StSc3Jf摩阻之间的关系mD21JJCHD2fSouthwestPetroleumUniversity由JH=JD可以将对流传热中有关的计算式用于对流传质SouthwestPetroleumUniversity热、质传输同时存在的类比关系已知Pr和Sc准则数，它们分别表示物性对对流传热和对流传质的影响。•Pr准则数表示动量边界层和热量边界层的相对关系。•Sc准则数表示速度边界层和浓度边界层的相对关系。•Le准则数表示热边界层与浓度边界层厚度关系。estPetroleumUniversitySouthw热、质传输同时存在的类比关系2233StPrStmSc223Sc3StStmStmLePr2h得到3hmLecp成立条件：0.6 尺寸是管壁内径，速度为管内平均流速，定性温度取空气温度。SouthwestPetroleumUniversity0.44Sh/ScShf(Re,Sc)estPetroleumUniversitySouthw用类比律来计算管内流动质交换系数,由于fSt2Sc/3m8若采用布拉修斯光滑管内的摩阻系数公式10.f31644Re1Sh2/3则可得0Sc.03954ReReSc0Sh.03953/4ScRe1/3SouthwestPetroleumUniversity流体沿平板流动时的质交换沿平板流动换热的准则关联式0.Nu6641/Re21/3Pr层流时0Sh.6641/2ReSc1/3(0.Nu037Re8.08703/1)Pr紊流时(0.Sh037Re8.0Sc8703/1)SouthwestPetroleumUniversity例3-2(3-36)SouthwestPetroleumUniversity40.5SouthwestPetroleumUniversity例3-33-13-13-1SouthwestPetroleumUniversity(3-37)86400SouthwestPetroleumUniversity例3-4rrr(3-32)r3-1SouthwestPetroleumUniversity3-1restPetroleumUniversitySouthw3.3热量和质量同时进行时的热质传递同时进行传热和传质的过程等温过程，单位时间、单位面积传递热量n*qNiMip，()ci0tti1Ni－－－组分i的传递速率t－－－组分i的温度Mi－－－组分i的分子量t0－－－焓值计算温度Cp,i－－－组分i的定压比热存在温差，传递热量ndt*qNiMip,c()it0tdyi1SouthwestPetroleumUniversitySouthwestPetroleumUniversity同时进行传热和传质的过程目前对同时进行热质交换过程的理论计算，尤其是当传质速率较大时，一般都采用的薄膜理论。3-2SouthwestPetroleumUniversity同时进行传热和传质的过程二元系统中，通过静止气层扩散过程的传质系数DABhm0热量传递中，膜传热系数h0需要注意，实际情况中0.5~1.0hmDABSouthwestPetroleumUniversity同一表面上传质过程对传热过程的影响3-3SouthwestPetroleumUniversity已知：一股温度为t2的流体流经温度为t1的壁面。传递过程中，组分A,B从壁面向流体方向进行传递，传递速率分别为NNA,B，壁面有一层滞留薄层，厚度为求：壁面与流体间的热交换量。0q11q3求解：在0内的一微元dydyqdt2q4由温度梯度产生的导热热流q41dy由于分子扩散，进入微元体的传递组分A、B本身具有焓**qN2AAPABBPBM(c,NM,)(c0)ttqqqq1dyqdqqq2dyqdqqqqq31y1142y221234流体滞留薄膜层内的温度分别必须满足d2tdtN(M*cN*M)c0dy2AAPABBPB,,dyestPetroleumUniversitySouthwNd2tM*cN*Mdtc两边除以薄膜传热系数hAAPABBPB,,0hdy2hdy由于薄膜的传热系数与薄膜厚度之间有关系h0**NAAPABBPBMc,NM,c传质阿克曼C修正系数0hy0t1t（壁温）2边界条件dtdttt表示传质速率的大小与方向y0对2（主流温度）02C00dydy传热的影响，随着传质的方向不同，值有正有负。当传质的C0yC0方向是从壁面到流体主流方向exp()1yy00时，为t()()正值y；反之，为1t2t负值1t。tC1C2eexp(C0)1estPetroleumUniversitySouthwdtCq00ttcdyexpC211壁面上的y00导热热流量C02t1tC0h1t2t0expC01expC01传质速率的大小和方向，影响壁面的温度梯度，从而影响壁面的传热量。无传质时滞留层的导热无传质时C0热流通量0C0qclimh1t2th1t2tcq,0c0DexpC01一般情况下qCNuc0qc,0expC01estPetroleumUniversitySouthw总热流量**qqtNAAPABBPBcMc,N,M1c2ttC0h1t2tC0h1t2texpC01C0h1t2t1expC0qCt0qc,10expC0SouthwestPetroleumUniversityqCqCc0t0q1expCqc0,expC01c0,03-4当C0为正值时，壁面上的总热流量明显减少，当C0值接近4时，壁面上的总热流量几乎等于零。estPetroleumUniversitySouthwq()()tC0qc0C传质的存在对壁面热传导和总传热量的影响是方向相反的。dt由于qdyy0c0(t'0)qc,0h()()t1t21t2t可知因传质的存在，传质速率的大小与方向影响了壁面上的温度梯度，从而影响了壁面上的总传热量。SouthwestPetroleumUniversity——传质阿克曼修正系数（AckermanCorrection）C0物理含义：表示传质速率的大小和方向对传热的影响。分析随传质方向不同，C0有正有负（正值）传质方向：由壁面到主流，换热减弱C00随C0的增大，壁面导热量逐渐减少，膜总传热量逐渐增大C00（负值）传质方向：由主流到壁面，强化换热随C0的减小，壁面导热量逐渐增大，膜总传热量逐渐减少SouthwestPetroleumUniversity工程中应用•用来防护与高温流体接触的壁面如：火箭发动机的尾喷管受高温气体作用的燃气涡轮叶片导弹、人造卫星、空间飞船等飞行器外表面•空调领域：冷凝器、蒸发器等•其他各类换热设备上的应用SouthwestPetroleumUniversity用来防护与高温流体接触的壁面用来防护与高温流体接触的壁面传质冷却冷却过程受一个不断从表面离去的质量流的影响。如：普通对流冷却，薄膜冷却，发汗冷却，蒸发薄膜冷却普通冷却过程及三种传质冷却过程示意estPetroleumUniversitySouthw冷凝器表面和蒸发器表面的热质交换过程假定在传递过程中，只有组分A凝结，则冷凝器表面的总传热量为Qq(NM*)rAKtAAAChA()tt0hC()CM*rAsmsAA1exp(C0)根据契尔顿-柯尔本类似律，得2hLe3hmcpestPetroleumUniversitySouthw2ChAQhA()tt0LeM3*()rCCKsAAs1exp(C0c)p2C1hA()tt0LeM3*()rCCsAAs1exp(C0)pc进入冷凝器的总热量，应该等于冷凝器内侧的冷却流体带走的热量。''QKh()stwtA2CLe3hA()tt0M*r()CCsAAs1exp(C0c)pestPetroleumUniversitySouthw23C0Le*QKhA()ttMr()CCsAAs1exp(C0c)p•冷凝表面：tstCCsQK0表示热量从主流传向壁面；表示热量从主流传向壁面；•蒸发表面：tstCCsQK0表示热量从壁面传向主流；表示热量从壁面传向主流；由于传质的存在，均使传热量大大提高由于传质的存在，均使传热量大大提高estPetroleumUniversitySouthw刘伊斯关系式在相同的雷诺数条件下，根据契尔顿-柯本尔2热质交换的类似律hLe3mhCpmAhmCA,S,CAmA,hS,A在空调温度范围内，干空气的质量密度变化不大，故TST,,estPetroleumUniversitySouthw因AmmhA,,,M(dAS)dAhmd(dA,,Sd)AhmdmhA,M2又在空气温度范围内3hmdLeAM，Ahcp对于水-空气系统刘伊斯2关系式h3Le1cphmdSouthwestPetroleumUniversity干空气和饱和湿空气的热质扩散系数温度(℃)饱和度a×102D×102(m2/h)(m2/h)a/D1007.158.370.85517.140.85415.607.428.700.85417.400.85220.107.699.020.85317.070.85026.707.959.360.85217.930.84832.208.249.070.85118.200.84637.308.5310.040.85018.460.84343.308.8210.390.84818.710.83848.909.1110.750.84818.940.83254.409.4011.110.84619.150.8236009.7011.470.84519.600.812SouthwestPetroleumUniversity刘易斯关系式成立的条件(1)0.6 总结 •三传现象类比•传质关联准则式•传质模型•同时进行传质传热过程

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