《热质交换原理与设备》-复习重点
热质交换原理与设备 复习重点 （个人总结可能不全，请大家补充指正）
考试时间：2013年5月8日下午1：30 考试地点：
考试题型：问答题、计算题（10~20分） 苏新军老师 Tel ： E-mail ：
第一章 绪论
1.1.1 三种传递现象的联系
当物质中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由涡旋混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
各类系数 总的效应
通常，充分发展湍流中，湍流传递系数远远大于分子传递系数。
两种传递系数的比较
? 分子传递系数ν, a , D AB ：
? 是物性，与温度、压力有关； ? 通常各项同性。
? 湍流传递系数νt , a t , D ABt ：
? 不是物性，主要与流体流动有关； ? 通常各项异性。
1.1.3 热质交换设备的分类
热质交换设备的分类方法很多，可以按工作原理、流体流动方向、设备用途、传热传质表面结构、制造材质等分为各种类型。最基本的是按工作原理分类。
★ （1）按工作原理分类（可参考书后思考题第二题）
热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。 间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。
直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。
dy
u
d dy u d eff
t t S μμμτττ-=+-=+=)
(有效动力粘度系数
:eff μdy
t d dy t d q eff
t S λλλ-=+-=)
(有效导热系数
:eff λdy
d D dy d D D m A
ABeff
A ABt A
B S ρρ-=+-=)
(有效质量扩散系数
:ABeff D
蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。
热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。
（2）按热流体与冷流体的流动方向分类（可参考书后思考题第三题）
热质交换设备按照其内热流体与冷流体的流动方向，可分为：顺流式、逆流式、叉流式和混合式等类型。
顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。
逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。
叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。
混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。
思考题
1、分子传递现象可以分为几类？各自由什么原因引起的？
答：分为三类：动量传递、热量传递和质量传递现象。
动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）；
热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；
质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。
2、热质交换设备按照工作原理分为哪几类？他们各自的特点是什么？
答：热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。
间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。
直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。
蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。
热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。
3、简述顺流、逆流、叉流和混合流各自的特点，并对顺流和逆流做一比较和分析。
答：顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。
逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。
叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。
混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。
顺流和逆流分析比较：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温
差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。
第二章 传质的理论基础
7个基本的物理量
物质的量是国际单位制中7个基本物理量之一（长度、质量、时间、电流强度、发光强度、温度、物质的量），它和“长度”，“质量”等概念一样，是一个物理量的整体名词。单位为摩尔(mol)。物质的量是表示物质所含微粒数(N)与阿伏伽德罗常数(NA)之比,即n=N/NA 。它是把微观粒子与宏观可称量物质联系起来的一种物理量。
2.1.2.1 传质的速度 多组分的传质过程中，u A 、u B 代表组分A 、B 的实际移动速度，称为绝对速度。u 代表混合物的移动速度，称为主体流动速度或平均速度(以质量为基准)（若以摩尔为基准，用u m 表示）；u A -u 及u B -u 代表相对于主体流动速度的移动速度，称为扩散速度。
u A =u+(u A -u) u B =u+(u B -u)
u A =u m +(u A -u m ) u B =u m +(u B -u m )
绝对速度＝主体流动速度（平均速度）＋扩散速度 2.1.2.2 传质通量【重点看三种传质通量、表示】
单位时间通过垂直于传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。 传质通量＝传质速度×浓度 质量传质通量：m (kg/m 2·s)； 摩尔传质通量：N (kmol/m 2·s)。 （1）以绝对速度表示的质量通量
上式为质量平均速度定义式
（总摩尔通量）N=N A +N B =C A u A +C B u B =Cu m
u m =（C A u A +C B u B ）/C
（2）以扩散速度表示的质量通量 传质通量＝扩散速度×浓度 质量通量： 摩尔通量： 总通量：
（3）以主体流动速度表示的质量通量 传质通量＝主体流动速度×浓度 质量通量： 同理：
摩尔通量： 同理： A A A u m ρ =B
B B u m ρ =u
u u m m m B B A A B A ρρρ=+=+= )(1B B A A u u u ρρρ+=)()(u u j u u j B B B A A A -=-=ρρ)()(m B B B m A A A u u C J u u C J -=-=B
A B A J J J j j j +=+=)()()(1B A A B B A A A B B A A A A m m a u u u u u +=+=?
?
????+=ρρρρρρρρρ)(B A B B m m a u +=ρ)(1B B A A A m A u C u C C
C u C ??
???
?+=)(B A B m B N N x u C +=
? 稳态扩散：扩散范围内各点参数不变（恒定） 2.2扩散传质（了解） 两组分扩散系统中，组分A 在组分B 中的扩散系数等于组分B 在组分A 中的扩散系数。 （扩散系数：物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。
定义：扩散系数是言扩散方向，在单位时间单位浓度降得条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数。单位m2/s ）
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)
( 2 ) 宣乌特准则数（Sh ）对应于对流传热中的努谢尔特准则数( Nu )
( 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St
2.4.1薄膜理论
简述“薄膜理论”的基本观点。
答：当流体流经固体或液体表面时，存在一层附壁薄膜，靠近壁面一侧膜内流体的浓度分布为线性，而在流体一侧，薄膜与浓度分布均匀的主流连续接触，且薄膜内流体与主流不发生混和与扰动。在此条件下，整个传质过程相当于集中在薄膜内的稳态分子扩散传质过程。
思考题：
简述质扩散通量的几种表示方法：以绝对速度表示的质量通量；以扩散速度表示的质量通量；以主体流动速度表示的质量通量。
单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积。
以绝对速度表示的质量通量：
以扩散速度表示的质量通量：
以主流速度表示的质量通量：
第三章 传热传质问题的分析和计算【此章有计算题，重点看例题】
例题3-1
常压下的干空气从“湿球”温度计球部吹过。它所指示的温度是少量液体蒸发到大量饱和蒸汽——空气混合物的稳定平均温度，温度计的读数是16℃，如图所示。在此温度下的
,,A A A B B B A A B B
m u m u m e u e u ρρ===+(),(),A A A B B B B A B
j u u j u u u j j j ρρ=-=-=+1()()
A A A A
B B A A B e u e e u e u a m m e ??
=+=+????()
B B A B e u a m m =+a ν=
Pr i D Sc ν=i
m
D l
h Sh ?=λl h Nu =l p u C h ρ=?=Pr Re Nu St u h Sc m
=?=Re Sh
St m
物性参数为：
水的蒸汽压 PW=0.01817bar ； 空气的密度 ρ=1.215kg/m3； 空气的比热 Cp=1.0045kJ/kg.℃； 水蒸汽的汽化潜热 r = 2463.1kJ/kg ；
Sc=0.60，Pr = 0.70 。 试计算干空气的温度。
[解]：求出单位时间单位面积上蒸发的水量为 （1） 水从湿球上蒸发带入空气的热量等于空气通过对流传热传给湿球的热量： 干空气的温度为： （2）
所以， （3）
将（1），（3）带入（2）中整理得
因为 所以 根据题意，C f = 0，水的分子量为18 g /mol ，则
思考题：
1、如何理解动量、热量和质量传递的类比性
答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生动量、热量和质量传递现象。动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子传递，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。对三类现象的分子传递和湍流传递分析可以得出这三种传递现象背后的机理是相同的，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：传递速率＝扩散系数×传递推动力，清楚地表明了“三传”之间的类比性。
另外，从动量方程、热量方程和扩散方程及相对应的边界条件可以看出它们在形式上是完全类似的，也清楚地表明了“三传”之间的类比性。
2、把雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可以得到什么结论。
答：将雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可知，传递因子等于传质因子①
22
33
r P 2m H D t t c G
J J S S S ===?=?()f W m C C h
m -=水()
A m r t t hA f 水=-?W f t h m r t +?=水
M H J J =32
Pr 1?
?? ??=Sc c h h p m ρ()w f w 2/3
p f t C C c S Pr c r t +-??? ??ρ=11.1)6.0/7.0()(Pr/3/23/2==Sc )/(314.80molK kJ R =3
4350/10783.7289
10314.8100187.0m mol T R P C w w -?=???==℃38.471638.3116
10783.71811.10045.1215.11
.24634=+=+?????=-f t
② 且可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质，只要将对流传热计算式中的有关物理参数及准则数用对流传质中相对应的代换即可，如：
③当流体通过一物体表面，并与表面之间既有质量又有热量交换时，同样可用类比关系由传
热系数h 计算传质系数
3、定义施米特准则和刘伊斯准则，从动量传递、热量传递和质量传递类比的观点来说明他们的物理意义。
答：斯密特准则
表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓度边界层的相对关系
刘伊斯准则
表示热量传递与质量传递能力相对大小 热边界层于浓度边界层厚度关系
第四章 空气的热湿处理
第五章 吸附和吸收处理空气的原理与方法
5.1.1 吸附的基本知识和概念 （2）吸附的种类
吸附可分为物理吸附和化学吸附。（差别 特征 过程 特点 除湿 吸附剂） 物理吸附主要依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。物理吸附是一种表面现象，可以是单层吸附，也可以是多层吸附，主要特征为：
1）吸附质与吸附剂之间无化学反应； 2）对吸附气体选择性不强；
3）吸附过程快，参与吸附的各相之间瞬间达到平衡； 4）吸附为低放热过程，放热量略大于液化潜热；
5）吸附剂与吸附质间的吸附力不强，在条件改变时可以脱附。（化学吸附做不到） 化学吸附起因于吸附质分子与吸附剂表面分子（原子）的化学作用，在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形成等过程。化学吸附多是单层吸附。
物理吸附和化学吸附的比较
r ,,,P ,,m
c u h t t t c a D D S N S S S λ??????m h 2
3
m h
h Le e φ-=?c i v S D =
r P c v S D a Le v D a ===
发生条件如适当选择物理条件（温度、压力、
浓度），任何固体、流体之间都可发
生
发生在有化学亲和力的固体、液体之间
作用范围与表面覆盖程度无关，可多层吸附随覆盖程度的增加而减弱，只能单层吸
附
等温线特点吸附量随平衡压力（浓度）正比上升关系较复杂
等压线特点吸附量随温度升高而下降（低温吸
附、高温脱附）
在一定温度下才能吸附（低温不吸附，
高温下有一个吸附极大点）（3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线
对于给定的吸附剂和吸附质，平衡时吸附剂对吸附质的吸附量q为：吸附等压线：
吸附等温线：
典型等温吸附线
I-合成沸石等吸附系的；
II-Lamgmuri型；III-活性铝等吸附
系的；IV-活性炭吸附水蒸气；
V-BET型；VI-线性吸附
等压吸附线
（4）吸附剂结构，多孔介质，比表面积
比表面积：单位质量吸附剂具有的表面积
比表面积越大，吸附能力越强。
多孔介质比表面积大，所以吸附剂多为多孔介质。
多孔介质孔隙越小，比表面积越大，孔隙内吸附能力越强
（5）吸附剂的特性参数
1）多孔吸附剂的外观体积
2）吸附剂密度
)
,
(T
p
f
q=
常数
=
=p
T
f
q),
(
1
常数
=
=T
p
f
q),
(
2
骨架体积
颗粒内细孔体积
颗粒间隙体积
真
孔
隙
真
孔
隙
堆
-
-
-
+
+
=
V
V
V
V
V
V
V
堆积密度： 真密度： 颗粒密度：
3）孔径分布（测定－吸附等温线、压汞仪等） 4）颗粒当量直径、单位体积表面积
5.1.3 常用吸附剂的类型和性能 ? 极性吸附剂（亲水）
硅胶：亲水性，易吸附水分，而难于吸附非极性物质。
多孔活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化。
沸石：通常为人工合成沸石分子筛，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。对极性分子，不饱和有机物具有独特的吸附特性，选择吸附能力。
? 非极性吸附剂（憎水）
活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX 等恶臭物质的净化； 优点：性能稳定、抗腐蚀。
5.1.5.2静态吸附除湿【概念】 所谓静态除湿，是指吸附剂和密闭空间内的静止空气接触时，吸附空气中水蒸气的方法，也可以说是间歇操作方法。设计任务：计算吸附剂量、或计算达到平衡的时间
5.1.5.3 动态吸附除湿
动态吸附除湿法是让湿空气流经吸附剂的除湿方法。
与静态吸附除湿法相比，动态吸附除湿所需要吸附剂量少、设备体积小，花费较少的运转费就能进行打空气流量的除湿。
5.2 吸收剂处理空气的原理和方法【机理】 吸收能力与气体分压（压差）、温度、吸收液浓度等有关。
堆V M =ρ真V M =s ρ隙
堆真孔V V M
V V M -=
+=
p ρV s
s d 6=（颗粒体积）颗粒表面积）p
V S s (p V =