[工程科技]热质交换原理与设备chapter2 B.ppt

2）流体微元内累积的质量 设组分A的质量浓度为 微元中任一瞬时组分A的质量为 质量累积速率为 3）反应生成的质量 系统内有化学反应发生，单位体积流体中组分A的 生成质量速率为 。，当A为生成物时， 为正，当 为反应物时， 为负 2.3.4.2传质微分方程 由全微分方程 扩散质量通量由斐克定律给出 写成向量形式 以摩尔基准推导 摩尔平均速度um在x y z三个方向上的分量 （l）不可压缩流体的传质微分方程 （2）分子传质微分方程 对于固体或停滞流体的分子扩散过程，由于U（或Um）为零，即没有流动： 若系统内部不发生化学反应， 2.3.4.4 对流传质方程的边界层的简化 建筑环境专业的许多有关的物理现象方程可化简为二维稳态情形。通常的情况，二维边界层可描写为：稳态（和时间无关），流体物性是常数， ，不可压缩（ 是常数），体积力忽略不计（X＝Y＝0），无化学反应 ＝0）及没有能量产生（ =0）。 边界层厚度一般是很小的，所以 （物理意义） 传质方程的简化过程 （1）稳态 因为 所以 （2）二维流动 （3）无化学反应 简化为 所以 又因为 即在y向的扩散量远远大于x向 因此可以略去x向的扩散量 最后简化为 利用上述的简化，总的连续性方程及X方向动量方程可简化为 能量方程可简化为 y动量方程可简化为 2.3 对流传质 ?? 建筑环境与设备工程领域对流传质问题举例 ?? 对流传质问题求解关键hm(x) 浓度分布 ?? 边界层概念和问题简化 引言 对流传质：流体流过物体表面时所发生的传质行为。 譬如： （1） 空调除湿系统 （2） VOCs 的吸附或光催化反应 （3） IAQ 的通风控制 （4） 人体汗蒸发 (5) VOC 散发问题 (6) 污染物传播规律问题 目的：了解对流传质的物理本质和机理； 2.3.1 对流传质问题 由上章知，传热、传质规律有很多相似之处。因此，首先回顾一下对流传热。见图。 由上可知，欲求传热速率，关键问题是求流体边界处的温度梯度，而温度梯度的求解，关键是求流体中的温度分布，为解决此问题，传热学中引入温度边界层的概念。 与温度边界层的概念一样，虽是人为引入的，但使问题直观化并简化。 分析对流传质问题的方法与传热分析方法很类似。 2.3.2 浓度边界层 正如热边界层决定壁面对流换热一样，浓度边界层决定了对流传质。如果在表面处流体中的某种组分A 的浓度CA,S 和自由流中的CA,∞不同，就将产生浓度边界层。它是存在浓度梯度的流体区域，并且它的厚度δc 被定义为[CA,S-CA]/[CA,S-CA,∞]=0.99时的y 值。在表面和自由流的流体之间的对流造成的组分的传递是由这个边界层中的条件决定的。 对流传质系数 固体壁面与流体之间的对流传质速率可定义为，可以表示成通量 = 系数 * 浓度差（与传热学类似） hm——对流传质系数，m／s。 对流传质过程描述： 由于粘性存在，紧贴平板处，流体速度为0，当组分A进行传递时，首先以分子传质的方式通过该静止流层，然后再向流体主体对流传质。通过边界层的对流传质，是由分子扩散和对流扩散组成的串联过程。 在稳态传质下，组分A通过静止流层的传质速率应等于对流传质速率，因此，有 以质量浓度为基准来表示 求解对流传质系数的步骤如下： l）求解运动方程和连续性方程，得出速度分布（对流传质的流动基础）； 2）求解传质微分方程，得出浓度分布； 3）由浓度分布，得出浓度梯度； 4）由壁面处的浓度梯度，求得对流传质系数。 2.3.3 三个边界层的意义 速度边界层的范围是δ(x)，是由存在速度梯度和切应力为特征的；热边界层的范围是δt(x)，它是由存在温度梯度和传热为特征；浓度边界层的范围是δc(x)，由存在浓度梯度和组分传递为特征。 三种边界层的表现形式分别是表面摩擦、对流换热以及对流传质。于是，对应的边界层参数分别是摩擦系数Cf、对流换热系数h 以及对流传质系数hm 对于流过任意表面的流动，将总是存在速度边界层，因而存在表面摩擦。但是只有当表面自由流的温度不相同时，才存在温度边界层，从而存在对流换热。类似地，只有当表面地组分浓度和它的自由流浓度不同时才存在浓度边界层，从而存在对流传质。 有可能发生三种边界层都存在的情况。这样的情况下，这三种边界层很少以相同的速率增大，而在一给定的x 值上，δ，δt 和δc 值也不一样。 2.3.3紊流传质的机理 实际中应用最多的是湍流传质，由3部分组成： 层流内层：质量传递通过分子扩散进行 缓冲层：分子扩散和紊流扩散共同作用 湍流主体：紊流传质作用 2.3.4对流传质的数学描述 2.3.4.1传质微分方程的推导 (1)质量守恒 （输出一输人）＋（累积）－（生成）＝0 1）输出