传热传质过程报告

传热传质过程报告摘要：本文论述了传质冷却的机理和传质对传热的影响，建立了数学模型并推导出相应的计算公式。介绍了工程实际中传质冷却的应用和最新进展，列举了自然界中的热质交换实例并阐述了其传热传质机理。关键词：传质冷却传热直接蒸发冷却塔热管引言：在《传热学》中，把热量传递与质量传递当作独立的问题来分析，认为一个传递过程与其他传递过程互不相关。但是实际的换热过程中往往伴随着质量的传递，也就是说传热与传质是互相影响的。即使在等温过程中也会有热量的传递，因为随着质量的传递，物质本身的焓值将被带走，因而产生了热量的传递。蒸发冷却作为传质冷却的一种，原理简单，传热传质效果好，应用广泛。夏天天气炎热，下过一场雨，空气温度会降低，这就是自然界中最常见的蒸发冷却。传质冷却机理如图所示，有一股温度为t2的流体流经温度为t1的壁面。在质量传递过程中，组分A、B从壁面向流体主流方向进行传递，传递速率分别为NA、NB。可以认为在靠近壁面处有一层滞留薄层，假定厚度为0。在滞留层内取一厚度为dy的微元体，进入微元体的热流由两部分组成。（1）由温度梯度产生的导热热流为：dydt-1q（2）由于分子扩散，进入微元体的传递组分A、B本身具有的焓为：)t-t)(cc(2q0,,BPBBAPAAMNMNMA、MB是A、B的分子量；to为焓值计算温度。在趋于稳定时，进入微元体的热流等于流出微元体的热流。因此有：0)(,*,*22dydydtcMNcMNdydytdBPBBAPAA两边除以薄膜传热系数h，得0)(,*,*22dydtcMNcMNdytdBPBBAPAA由于薄膜传热系数与薄膜厚度之间有关系0h，定义传质阿克曼修正系数0C=传质自壁面向主流，则C00，反之C00。边界条件：y=0，t=t1；y=0，t=t2，求解得到流体在薄膜层内的温度分布为：1)exp(1)exp()()(000121CyCtttyt壁面上的导热热流为：在无传质时，C0=0,可知温度t为线性分布，传热量为：0,2100210)(1)exp()(lim0cccqtthCCtthq一般情形下：1)exp(000,CCqqcc总热流量应为（导热+有传质时的热流通量）：))((21,*,*ttcMNcMNqqBPBBAPAAct因此，，则有即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。hcMNcMNBPBBAPAA,*,*0ycdydtq1)exp()(0021CCtth)(1)exp()(2100021tthCCCtth)exp(1)(0021CCtth)exp(1000,CCqqct1)exp(000,CCqqcc而：)()(00CqCqct：传质的存在影响了壁面上的温度梯度，从而影响了壁面上的传热量。在工程中，利用这个原理来防护与高温流体接触的壁面，研究发展了一些特殊的冷却方法。在导弹、人造卫星及空间飞船等飞行器进入大气层时，其表面由于和空气的摩擦而产生很高的温度。为了冷却表面，在飞行器的表面上涂一层材料，当温度升高时涂层材料就升华、融化或分解，这些过程吸收热量，而反应所产生的气体的质量流从表面离去，从而有效地冷却壁面，此种方法称为烧蚀冷却。工程应用直接蒸发式冷却空调机直接蒸发冷却是指未饱和空气与循环水直接接触，水蒸发时从周围吸收汽化潜热而对空气进行冷却。下图为直接蒸发冷却空调机的结构简图、直接蒸发冷却空调系统原理图和焓湿图。当不饱和的空气与填料表面水膜直接接触时，在贴近水膜表面的地方或水滴周围，由于空气和水温差的存在以及水分子作不规则运动的结果，形成一个与水表面温度相等的饱和空气边界层；由于未饱和空气与边界层之间存在着温度差和水蒸汽浓度差或水蒸气分压力差，当水的温度低于空气的温度而水表面的蒸汽分压力大于周围空气的水蒸汽分压力时，则空气向水传递显热，空气温度下降，水温上升，水表面边界层的水蒸气分子向空气中转移，即蒸发，使空气变湿润；水膜从周围吸收汽化潜热并在紧贴水膜表面形成对应于水膜温度的饱和空气层，饱和空气层中的水蒸气在水蒸气分压力差的推动下，向掠过水膜表面的不饱和空气中迁移，进行着以质量传递为形式的潜热交换。在这两个同时发生并互相耦合的热量及质量传递过程中，其方向及强度受多因素的影响，形成典型的空气－水蒸气－水两相多组分中伴随质量迁移的复杂传递过程。冷却塔冷却塔是用水作为循环冷却剂，从一系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温的装置；其冷是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量达到蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业上或制冷空调中产生的余热来降低水温的蒸发散热装置，以保证系统的正常运行，装置一般为桶状，故名为冷却塔。冷却塔作为重要的散热设备，在化工、电力等领域中广泛应用。热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的播水系统内，通过播水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面；干燥的低晗值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内，热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度高晗值的热风从顶部抽出，冷却水滴入底盆内，经出水管流入主机。一般情况下，进入塔内的空气、是干燥低湿球温度的空气，水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，当风机运行时，在塔内静压的作用下，水分子不断地向空气中蒸发，成为水蒸气分子，剩余的水分子的平均动能便会降低，从而使循环水的温度下降。从以上分析可以看出，蒸发降温与空气的温度（通常说的干球温度）低于或高于水温无关，只要水分子能不断地向空气中蒸发，水温就会降低。但是，水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。当与水接触的空气不饱和时，水分子不断地向空气中蒸发，但当水气接触面上的空气达到饱和时，水分子就蒸发不出去，而是处于一种动平衡状态。蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量，水温保持不变。由此可以看出，与水接触的空气越干燥，蒸发就越容易进行，水温就容易降低。最新进展热管热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，是一种具有高导热性能的传热组件，热管技术首先于1944年由美国人高格勒所发现，并以“热传递装置”（HeatTransterDevice）为名取得专利，当时因未显示出实用意义，而没有受到应有的重视。直到六十年代初期，由于宇航事业的发展，要求为宇航飞行器提供高效传热组件，促使美国洛斯——阿拉莫斯科学实验室的格罗弗于1964年再次发现这种传热装置的原理，并命名为热管（HeatPipe），首先成功地应用于宇航技术，之后引起了各国学者的极大兴趣和重视。热管技术于上世纪七八十年代进入中国。热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。缺点是抗氧化、耐高温性能较差。此缺点可以通过在前部安装一套陶瓷换热器来予以解决，陶瓷换热器较好地解决了耐高温、耐腐蚀的难题。热管的应用用途非常广泛，可以用在发电厂用于烟气的余热回收；可以在计算机上用于CPU的散热；另外在我国的青藏铁路的冻土段也使用了热管技术。新型蒸发冷却式通风外墙复合墙体内空气与水两种流体域的流动传热,与常规的建筑墙体相比,利用水的蒸发冷却对外墙内表面进行降温的复合通风外墙结构具有很好的隔热效果,蒸发冷却式通风外墙只能采用水层位于通风空气层内侧的结构形式通过提高空气入口速度,可以达到更好的隔热效果而通风机的安装位置和送风方向的选择相对自由,水层厚度与空气层厚度对墙体稳态热工性。自然界实例植被对气候的调节科学家做过一个统记：一株玉米一生中要利用400斤的水，其中大部分的水要用于蒸腾作用。396斤的水散失到空气，只有4斤的水被植物生命活动利用。这说明根吸收的水99℅用于蒸腾作用，只有1℅用于植物体生命活动利用。在炎热的夏季，植物体内的水变成水蒸气，会吸收周围的热量，降低了叶片表面的温度。而成片的植被则能明显降低一个区域的气温。同样的原理，湖泊对周围地区气温的调节也是由于水蒸气的热质交换。结论和体会单一的传热过程往往不存在，实际中的传热过程通常伴随着质量传递，在设计计算时要充分考虑这一点，因为传质会给传热带来影响，所以掌握热质传递原理十分重要。现在人们的生活水平日益提高，空调的产量和使用场所将会激增，在这其中用到传热传质的原理，传热传质计算的准确度将会影响人员的实际感受和使用者的能耗消费，我们必须要掌握传热传质原理，并控制相关复杂过程的传热、认识到传质性能对于换热器的设计、性能优化的重要性，为以后的生产活动做好准备。参考文献[1]武俊梅,黄翔,等.直接蒸发冷却空调机性能研究[J].建筑热能通风空调,2000,19(4):12-14[2]连之伟.热质交换原理与设备（第三版)[M].中国建筑工业出版社,2011[3]万世清.利用热管回收锅炉余热[J].中国设备工程,2005,(4):53-56[4]王补宣.工程传热传质学（上下册）[M].北京:科学出版社,1982[5]赵顺安.海水冷却塔[M].北京：中国水利水电出版社，2007[6]汪超,等.盐水冷却塔传热传质特性的实验研究[J].浙江大学学报,2014,48(4):667-668[7]李巧萍,丁一汇.植被覆盖变化对区域气候影响的研究进展.南京气象学院学报,2004,27(1):131-140