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动量热量和质量传递类比本节给出三种传递过程的典型微分方程式将传热学中动量传递和热量传递类比的方法应用于传质过程中边界条件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普朗特准则表示速度分布和温度分布的相互关系体现流动和传热之间的相互联系施密特准则表示速度分布和浓度分布的相互关系体现流体的传质特性刘易斯准则表示温度分布和浓度分布的相互关系体现传热与传质之间的联系在给定的准则条件下当流体的即流体的或时空气中的热湿交换基于热交换和质交换过程对应的定型准则数值相等因此这个关系称为刘易斯关系式即热
2.4 动量、热量和质量传递类比 本节给出三种传递过程的典型微分方程式,将传热学中动量传递和热量传递类比的方法应用于传质过程中。 边界条件 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。 普朗特准则Pr=ν/α表示速度分布和温度分布的相互关系,体现流动和传热之间的相互联系; 施密特准则Sc=ν/D表示速度分布和浓度分布的相互关系,体现流体的传质特性; 刘易斯准则Le=α/D=Sc/Pr表示温度分布和浓度分布的相互关系,体现传热与传质之间的联系。 在给定的Re准则条件下,当流体的α=D即流体的Pr=Sc或Le=1时(空气中的热湿交换),基于热交换和质交换过程对应的定型准则数值相等,因此 这个关系称为刘易斯关系式,即热质交换类比律。 2.4.2 动量交换与热量交换的类比在质交换中的应用 2.4.2.1雷诺类似律 当Pr数等于1时,在动量传递和热量传递之间就存在类似。 根据动量传输与热量传输的类似性,雷诺通过理论分析建立 对流传热和摩擦阻力之间的联系,称雷诺类似律。 动量传输与质量传输之间的雷诺类似律 2.4.2.2柯尔本类似律 雷诺类似律或忽略了层流底层的存在,普朗特正对此进行改进,推导出普朗特类似律: 冯卡门认为紊流核心与层流底层之间还存在一个过渡层,于是又推导出了卡门类似律: 工程中为便于直接算出换热系数和传质系数,往往把几个相关的特征数集和在一起,用一个负号表示,称为计算因子。传热因子JH,传质因子JD。 实验证明,JH、JD和摩阻系数Cf之间有下列关系: 2.4.2.3热质传输同时存在的类比关系 当流体流过一物体表面,并与表面之间既有质量交换 又有热量交换时。同时可用类比关系由传热系数h计 算传质系数hm。 Pr准则数的大小表示动量边界层和热边界层厚度的相 对关系; Sc准则数的大小表示动量边界层和浓度边界层厚度的 相对关系。 Le准则数的大小表示热边界层和浓度边界层厚度的相 对关系。 例题 : 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=0.6.,Pr=0.7 试计算干空气的温度。 2.4.3 对流交换的准则关系式 2.4.3.1 流体在管内受迫流动时的质交换。 例题: 试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每 小时从水面上蒸发的水量。已知空气的流速 u=3m/s,沿气流方向的水面长度l=0.3m,水面的温 度为15 ℃ ,空气的温度为20 ℃ , 空气的总压力 1.013*105Pa,其中水蒸汽分压力p2=701Pa,相当于 空气的相对湿度为30%。 2.5 热质传递模型 分析热质交换同时进行的过程,讨论传质与传热 过程的相互影响。 2.5 同时进行传热与传质的过程和薄膜理论 等温过程,组分的质量传递,单位时间、单位面积 所传递的热量为: 传递系数中系统存在温差,则传递热量为 根据薄膜理论,通过静止气层扩散过程的传质系数可定义为: 在紧贴壁面处,湍动渐渐消失,分子扩散起主导作用,在湍流核心区,湍流扩散起主导,传质系数与扩散系数成下列关系 2.5.2 同一表面上传质过程对传热过程的影响 设有一股温度为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,假设其厚度为y0 ,求壁面与流体之间的热交换量。 在薄层内取一微元体,那么进入微元体的热流为由温度梯度引起的导热热流、由进入微元体的传递组分本身具有的焓。 壁面上的导热热流为: 壁面上的总热流量: 进入冷凝器的总热量应等于冷凝器内侧的冷却流体带走的热量。 2.5.4 湿球温度的基础 作业 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=0.6.,Pr=0.7 试计算干空气的温度。 2.试计算空气沿水面流动时的对流质交换系数hm和每小时从 水面上蒸发的水量。已知空气的流速u=3m/s,沿气流方向的 水面长度l=0.3m,水面的温度为15 ℃,空气的温度20℃, 空气的总压力1.013*105
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