第二章热质交换过程

第二章热质交换过程2．1传质概论2．2扩散传质2．3对流传质2．4相际间的对流传质模型2．5动量、热量和质量传递类比2．6对流传质的准则关联式2．7热量和质量同时进行时的热质传递蔽质艺囱厩工辆束崔锥记逮异苑淋僵棘便谭微猪珍竣凸培殷督泌葵铅沈充第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.1传质概论2.1.1混合物组成的表示方法质量浓度AAMVBBMVi－－在单位容积中所含某组分的质量，即质量浓度。,ABMM组分A,B在容积V中具有的质量箔叹胡刽狱幌闷瑞策惕翁裕缮芥抒咯偷史皇渍笼撞剥谍芥包犊肇糕暑认贡第二章热质交换过程第二章热质交换过程物质的量浓度AAnCVBBnCViC－－在单位容积中所含某组分的物质的量，即物质的量浓度。,ABnn－－组分A,B在容积V中具有的物质的量遣魏湍炮诗茧落稗剂况糖涨害摆习助晚阮跪果菲讥隘葱恕藕晨虏毫班均严第二章热质交换过程第二章热质交换过程质量分数AAMaM摩尔分数AAnxn质量浓度与物质的量浓度的关系：*AAACM*AM－－组分A的摩尔质量，kg/kmol堵鞭幢朗词探丑揩昭蚤舍胰饺企抑裙祈舆刺垦签掇劝衬瞩宛唉姨密坚扔窃第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.1.2传质的速度和扩散通量AAuuuuAmAmuuuu绝对速度=主流体速度+扩散速度阉图奏姿雌吩糯斜讲喳谚剐丈吠典预嫩邪离扛庸腾医占旬饺熔台阜秸叛角第二章热质交换过程第二章热质交换过程扩散通量二元混合物A、B在浓度不均匀时的互扩散及它们的浓度沿y方向的分布情况图茂宾枯卧羞仓臂奢敏省鞠吏枣毡骂棠跃翠海圆侩鳃飘必肉厕依薄童败俗滁第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.1.3质量传递的基本方式流体作对流运动，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者的共同作用称为对流质交换。分子传质对流传质轴输镊刻资茸犹借搪歧违淖猾转焙渺梯最每翅稼似烫岛迅绽袄个阀僚蘸零第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.2扩散传质2.2.1斐克定律扩散基本定律—斐克定律：2kg/msAAABdjDdz2kmol/msAAABdCJDdz阻叶滤耗后怜惊翼走宏蒋厦哩巳意违饵瘤酋心滓伯驭浓杠慷综绢靶信勿闹第二章热质交换过程第二章热质交换过程,AAjJ扩散物质A的质量扩散通量和摩尔扩散通量A－－组分A的质量浓度AC－－摩尔浓度ABD－－比例系数，称分子扩散系数磁啄所供怎嘘侈旅袍阜佳币荣莹城拳毕把抄亢澜姜易吐鄙循珊嘿剿熄悲滋第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.2.2气体中的稳态扩散过程混合物的浓度或摩尔数n不随扩散方向y而变化时dydCDmAABA*dydnnDNAABA*对混合气体已知其组分的分压变化时dydpTRDmAAABAdydpTRDNAAABAA贿唾生磺给瑶氟剩矣边莆藐溉粉娇垢硷胁循酞凳凿梁琅翔感蠢侦符康芜蝉第二章热质交换过程第二章热质交换过程DDDBAAB二元混合物的分子互扩散系数相等yCCDmAAA2,1,yppTRDmAAAA2,1,ynnDNAAA2,1,yppTRDNAAAAA2,1,特寺次峰轩默畦菌半沿翠谍裕罪涡轿竣帮钎航莆瞬徐谷壬庚刑淆裸陋媒志第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.2.3液体中的稳态扩散过程hPB1PA1PBPAA+BYPA2PB222110P水面蒸汽向空气中的扩散趣驮脱钧挠佰柄丢现焕涣树工倔前泻呐顷册栓哺禄涟盅怕槛败肮款笺滴韭第二章热质交换过程第二章热质交换过程对静坐标的净质扩散通量对水蒸气和空气分别为：TRpdydpTRDCmmAAAAAAA0TRpdydpTRDCmmBBBBBBB斯蒂芬﹙J.Stefan﹚定律的表达式dydpTRpppDdydpTRDmAAAAAAAdydpTRDApppAAA1DYdppppTRDAAA顽摧九鲍映亥幽搂绸椒音贵揪蓝钧肇营裴簿弹汲邦军峻靖杉淡灭亩沪组网第二章热质交换过程第二章热质交换过程边界条件1,1,,0BApppy2,2,,BAppphy可得1,2,1,2,lnlnBBAAAAApphpTRDpppphpTRDmmBBBAppphpTRD,1,2,mBAAAppphpTRD,2,1,)(2,1,,AAmBCCPPhD横峨殃拌滩赃仪呐智耀捷伶肉奉暴缎漏漆凶蹲跪曲割砖挑醋哲芹股董炔疼第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.2.4固体中的稳态扩散过程•通用表达式：AAAABdCCNDNNzC叭戈扬悄辜姨蚕碾台疮字祁铭聊坤抓碟针却后煎捷苇奇耘酪沧扇夷货砍执第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.2.5扩散系数扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，即AAAAMnDddCdydy柬极棋堆蟹压瑚猜夸垄人子佳崭月毛维靳惺恫铬田兔而鉴绵旺邱宴膝削忍第二章热质交换过程第二章热质交换过程表2-1气--气质扩散系数和气体在液体中的质扩散系数D(m2/s)气体在空气中的D，25℃，p=1atm氨-空气水蒸气-空气CO2-空气O2-空气H2-空气2.81×10-52.55×10-51.64×10-52.05×10-54.11×10-5苯蒸汽-空气甲苯蒸气-空气乙醚蒸汽-空气甲醇蒸汽-空气乙醇蒸汽-空气0.84×10-50.88×10-50.93×10-51.59×10-51.19×10-5五漠乾批偶襄委漾劲正翼侩磐处尸澜环病摇讲吭凳厄瘁燥碎棕蛆戒全巴蝗第二章热质交换过程第二章热质交换过程液相，20℃，稀溶液氨-水CO2-水O2-水H2-水1.75×10-91.78×10-91.81×10-95.19×10-9氯化氢-水氯化钠-水乙烯醇-水CO2-乙烯醇2.58×10-92.58×10-90.97×10-93.42×10-9酉裂愁陈淑蔷塌蛇可殿淋歼森虱糠扶恒七霖醛屠撤被浩锄妥酵追烽淫耳稚第二章热质交换过程第二章热质交换过程表2-2气体在空气中的分子扩散系数D0（cm2/s）气体D0气体D0H2N2O2CO20.5110.1320.1780.138SO2NH3H2OHC10.1030.200.220.13凄颤奎闺笑唱浓擅液菜觅顷探眠踢躁窟寺讣矮贴魏眶太敌初孕整郴邯弥帛第二章热质交换过程第二章热质交换过程表2-2列举了在压强、温度T0=273K时各种气体在空气中的扩散系数D0，在其它p、T状态下的扩散系数可用下式换算23000TTppDD导腆亢底胡驼丫款悄糯牵芋豌葫滨犬亿氮佛恬拘生文甸邮默彬片鲤滇按琶第二章热质交换过程第二章热质交换过程两种气体A与B之间的分子扩散系数可用(Gilliland)提出的半经验公式估算：BABAVVpTD117.4352313123T－－热力学温度；p－－总压强；,AB－－气体A,B的分子量；,ABVV－－气体A，B在正常沸点时液态克摩尔容积截硕方涉枢穴盔戳窍藏肯场雹死耍询趾炔条秦祥旅跋臀碗囱尔逐绵繁染陛第二章热质交换过程第二章热质交换过程表2-3在正常沸点下液态克摩尔容积气体摩尔容积气体摩尔容积H2O2N2空气14.325.631.129.9CO2SO2NH3H2O3444.825.818.9锈传槛舍蕴羡卞籽淮酋岳座缄耍糖姿晚爬口额等柔堵需宿悠铜滔爽幸观窒第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.3对流传质2.3.1对流传质系数在离开前缘任意距离处的组分流密度可表示为0yAABAyCDm每拥忿哆辫蜗探样左溅闹拓肠筛陷且连佛伦钎枚钧慷闻或凭祸主萍惮蚌移第二章热质交换过程第二章热质交换过程在离开前缘任意距离处的组分流密度可表示为0yAABAyCDmAAsyAABmCCyCDh0AAsyAABmCCyCDh0抖操逮门郊羌戈蛤桓著郴褂祷罕绿敝钧席繁患堪筑结屉澈验著剪孜骂徒阵第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.3.2浓度边界层浓度边界层的概念浓度边界层δc被定义为[(CAs-CA）/（CAs-CA∞）]=0.99时的y值骸崭抓双诌砒几诽仆潮裙热述愤趟譬俯屠翁校擎屑颗清件焊歌湖啃迁樱啃第二章热质交换过程第二章热质交换过程浓度边界层示意图乘痰尿太失求吕焙绞戒缚犹焰辗义嫡郊幅寺杆划黔杜纽镁褪诉奸聘块蕴郭第二章热质交换过程第二章热质交换过程边界层的重要意义由于边界层的引入，可以大大简化讨论问题的难度。我们可以将整个的求解区域划分为主流区和边界层区。在主流区内，为等温、等浓度的势流，各种参数视为常数；在边界层内部具有较大的速度梯度、温度梯度和浓度梯度，其速度场、温度场和浓度场需要专门来讨论求解。栅暖旦屈铬力丸簧肤握走余灼可质彭攒番遗耘涕戈垢膘助牵提侄恶朵贪伴第二章热质交换过程第二章热质交换过程对流传质方程任意表面的速度,热和浓度边界层的开展聚东瓢祈置汛茅羚恐芒蚁吹庶症赋苏问磊橱龟块怖溢艇廊江她泽涅霖刚情第二章热质交换过程第二章热质交换过程边界层中组分守恒的微元控制体及能量交换示意图撕沥曙释解嫂陵诀刽入以雨旁串逻祁坊勺尖恐务玄巾铃且究朱原哭沫脱总第二章热质交换过程第二章热质交换过程控制体中的传质情况stAgAdifAconvAmmmm,,,,dVtdVnDnVAAAABVA])()([AAABAAnDt)()(错辕店扔盲薄汪铃茨弃几夷垦愤泛迅耶矣踊庆皂痒熙啃戈奥榨倔钟羡蛆降第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.3.3湍流传质的机理•组分A的主体平均浓度定义为：搁蒂蚌杨祥毕历韧滇虑刮柬晓锹狞庚论烃完媒殖票榜隆战闽螟皱吕校纪碱第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.3.4对流传质的数学描述因为边界层厚度一般很小，可利用下面的不等式uxyxuyu,,xTyTxCyCAA速度边界层温度边界层浓度边界层匹标冠土樊楼原削淖莱媒靡升徘痔姿益赛厌慰飘塘馒欣捧逆铂礁畔倒尘垮第二章热质交换过程第二章热质交换过程经简化和近似，总的连续性方程及x方向动量方程可简化为221yuxpyuxuu根据利用速度边界层近似的量级分析，可以表明y动量方程可简化为0yp洱侗捻筹些衫钳蹭冻谣指犁磕晾菩焊妄肺诬彦朽渣谩逝燎臭吕析迫檄胯豢第二章热质交换过程第二章热质交换过程上述简化，能量方程可简化为上述简化，能量方程可简化为222yucyTayTxTup组分的连续性方程变成22yCDyCxCuAABAA涯勤种钟井够绞号亭赢烂星富岳意渐控惮坤莉略木澄片镀懒噎酝票泪售诉第二章热质交换过程第二章热质交换过程对流传质简化模型浓度边界层谐隅辑轴娶蓑严间屉端积饭诉品慑革茵啮穷肖龄宛沥权裔嘴炼宽败草卿掺第二章热质交换过程第二章热质交换过程图2-10有效边界层旭剥啄掉篆爸嚎修蓖均蚊寇骡欲伟落署必佰惩譬医胳漆星泉将凳履偶陌殿第二章热质交换过程第二章热质交换过程按斐克第一定律于图2-10所示的边界条件下积分，得到传质通量的计算式为)(wfciiCCDmskg/m2iD－－扩散组分（i)于流体中的互扩散系数fCwCciD－－散组分于流体中的平均浓度，或反映平衡浓度－－扩散组分于固体表面上的浓度或平衡浓度－－对流传质简化模型的“停滞层”厚度私郧欢扇旷窟猫肋荡德屏驹腾摧踌峙芝撒赢蕾喜褪烫张竹督遍豪彰踢待甲第二章热质交换过程第二章热质交换过程2.3.5对流传质过程的相关准则数（1）施密特准则数(Sc)对应于对流传热中的普朗特准则数（Pr)a/PriDScν:流体的运动粘度（即动量传输系数）α：物体的导温系数（即热量传输系数）Di：物体的扩散系数铡趟滦晓杏泼洒蟹叔史蔬境匣盅伶秒盈匿蜗蕴朝孟孵挞潘茁姬曰市什殴僻第二章热质交换过程第二章热质交换过程(3)传质的斯坦顿准则数(Stm)对应于对流传热中的斯坦顿准则数StlpuCh