[工学]热质交换与设备第2章2.pptVIP

2.3 对流传质 概念：流体做对流运动时，当流体中存在浓度差时，对流扩散和分子扩散的共同作用称为对流传质。包括由流体位移所产生的对流作用以及流体分子间的扩散作用 举例：（1）表冷器中空气与管壁上水膜接触 （2）冷却塔中空气与填料表面水膜接触 研究方法：对流传质与对流传热现象类似，采用类比方法研究对流传质 对流传质与对流换热 2.3.1 对流传质系数 局部和总体的对流传质系数 （a）任意形状表面；（b）平面 固体壁面与流体之间的对流传质速率 式中 ——对流传质速率， ； ——壁面浓度， ； ——流体的主体浓度或称为平均浓度， ； ——对流传质系数 。 计算对流传质速率NA的关键在于确定对流传质系数。但对流传质系数的确定很复杂，它与流体的性质、壁面的几何形状和粗燥度、流体的速度等因素有关，一般很难确定。 速度边界层 温度边界层 求解对流传质系数的步骤 1）求解运动方程和连续性方程，得出速度分布 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、边界层的重要意义 速度边界层 特征：存在速度梯度和较大切应力，表现形式：表面摩擦，参数：摩擦系数 热边界层 特征：存在温度梯度和传热，表现形式：对流换热，参数：对流换系数 浓度边界层 特征：存在浓度梯度和组分传递，表现形式：对流传质，参数：对流传质系数 不同边界层对比 边界层确定的重要意义 将整个求解的区域划分为主流区和边界区。在主流区，为等温、等浓度的势流，各种参数为常数；在边界层内部具有较大的速度梯度、温度梯度和浓度梯度； 在边界层内的连续性方程、动量方程和能量方程可以根据边界层的特性进行简化； 当流体与它流过的固体表面之间，因浓度差而发生质量传递时，在固体表面形成具有浓度梯度的薄层，这是对流传质过程阻力所在的区域。边界层外，浓度梯度可以忽略，不存在传质阻力； 边界层厚度 与壁面尺寸L相比是个很小的量，远不只一个数量级。 2.3.3 紊流传质的机理 在实际工程中，以湍流传质最为常见。当流体湍流流过壁面时，速度边界层最终发展成为湍流边界层。 湍流边界层由层流内层，缓冲层和湍流主体三部分组成。 在层流内层中，流体与壁面的质量传递是通过分子扩散进行的。浓度梯度很大。 在缓冲层中，质量传递是通过分子扩散和紊流扩散进行的。 在湍流主体中，质量传递主要是通过紊流扩散进行的，分子扩散的影响可忽略不计。浓度梯度曲线较为平坦。 湍流边界层 2.3.4 对流传质的数学描述 在多组分系统中，当进行多维、非稳态、伴有化学反应的传质，需采用传质微分方程描述 其推导过程与传热微分方程类似 推导的基本原理：质量守恒定律  （1）质量守恒定律表达式 （输入流体微元的质量速率）＋（反应生成的质量速率） ＝（输出流体微元的质量速率） ＋（流体微元内累积的质量速率） 或 （输出-输入）+（累积）-（生成）=0 （2）各项质量速率的分析 1）输出与输入微元的质量流速差 流体速度在直角坐标系中的分量为 组分A因流动所形成的质量通量为 组分A在三个坐标方向上的扩散质量通量为 组分A沿x方向输入流体微元的总质量流量为 由x方向输出流体微元的质量流量为 流体微元中任一瞬时组分A的质量 质量累积速率为 3）反应生成的质量流量 2、传质微分方程 2.3.4.4 对流传质方程的边界层近似 二维边界层 稳态（和时间无关） 流体物性是常数λ 、μ、DAB 不可压缩ρ是常数 物体力忽略不计，（X = 0；Y =0) 无化学反应 没有能量产生 根据边界层的特点可以对方程进行进一步简化 速度边界层 温度边界层