熱質(zhì)同傳實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 立，王澄謙，彭 勇，余立新

(清華大學(xué) 化學(xué)工程系，北京 100084)

熱量與質(zhì)量同時(shí)傳遞是傳遞的基本形式之一。目前，化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍側(cè)重于單元操作，還沒有可用于研究氣液兩相在不同條件下接觸、發(fā)生熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程的實(shí)驗(yàn)裝置[1-3]?？諝馀c水直接接觸，同時(shí)發(fā)生傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象在許多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。石油煉制等化工行業(yè)所用的冷卻水塔，民用、商用、工業(yè)用空調(diào)系統(tǒng)中的噴水室、蒸發(fā)冷卻式空調(diào)器，食品行業(yè)的冷卻、冷凍、干燥及食物存儲等過程，農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的真空預(yù)冷、噴霧和濕冷保鮮技術(shù)等，都是應(yīng)用空氣與水的直接接觸，熱量與質(zhì)量同時(shí)傳遞的實(shí)例[4-6]。掌握空氣與水直接接觸時(shí)，熱量與質(zhì)量同時(shí)傳遞的原理、現(xiàn)象及其規(guī)律，對于相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)，如冷卻塔、蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)、噴霧器和濕冷設(shè)備等有非常重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)空氣與水直接接觸時(shí)，空氣與水之間將發(fā)生熱量的傳遞和質(zhì)量的轉(zhuǎn)移。這種現(xiàn)象是由水在氣液兩相中的化學(xué)勢存在的大小差異推動的。根據(jù)水的溫度、空氣的溫度以及濕度等狀況存在的差異，可能僅發(fā)生顯熱交換，即只有熱量從高溫物體向低溫物質(zhì)傳遞；也可能既有顯熱交換，又有潛熱交換，即發(fā)生熱量傳遞的同時(shí)伴有以水為介質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。顯熱交換是空氣與水之間存在溫差時(shí)，發(fā)生熱量從高溫物體向低溫物體傳遞直至兩種物體溫度相等的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。潛熱交換是空氣中的水蒸氣凝結(jié)而放出汽化潛熱或流動的水吸收來自空氣和周圍水分的熱量而蒸發(fā)的過程。

圖1所示為空氣與水接觸的兩種普遍方式，即:空氣與敞開水面接觸,飛濺水滴表面與空氣接觸?？諝馀c水的流動可以用牛頓流體力學(xué)模型來描述。在兩相接觸時(shí)，因速度、溫度存在差異，在水膜表面處形成一個(gè)飽和空氣邊界層，邊界層溫度等于水膜表面溫度。根據(jù)克-克方程(Clausius-Clapeyron方程)，邊界層的水蒸氣分壓力取決于水膜表面溫度?？諝馀c水之間的熱量與物質(zhì)交換，與遠(yuǎn)離邊界層的空氣主體的溫度、水蒸氣分壓和水主體的溫度相關(guān)。

圖1 空氣與水接觸時(shí)的顯熱交換

如果水的主體溫度高于空氣的主體溫度，則熱量從邊界層向周圍空氣傳遞；反之，則熱量由空氣主體向邊界層傳熱。

如果空氣中水蒸氣分壓較小，不飽和程度比較大，使得邊界層內(nèi)水蒸氣分壓力大于空氣主體的水蒸氣分壓力，則水蒸氣分子將由水的主體通過邊界層向空氣主體遷移；反之，則水蒸氣分子將由空氣主體通過邊界層向水的主體遷移。

通過上述分析可知，溫差是產(chǎn)生熱交換即能量傳遞的推動力，而特定溫度下的水蒸氣分壓力差則是質(zhì)量轉(zhuǎn)移的推動力。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

通過對熱質(zhì)同傳原理的分析，當(dāng)空氣與水直接相互接觸時(shí)，在水分子傳遞和水的主體與空氣主體的相對流動的影響下，水表面形成的飽和空氣邊界層與空氣主體之間發(fā)生分子擴(kuò)散與湍流擴(kuò)散。邊界層的飽和空氣與空氣主體不斷地相互運(yùn)動和傳遞，使得空氣主體狀態(tài)發(fā)生一定的變化。因此，空氣與水之間的熱量和質(zhì)量同時(shí)傳遞過程，是空氣主體與邊界層空氣不斷混合的過程,其典型過程如表1所示。表1中tw為水溫，tA為空氣溫度,tl為邊界層溫度,ts為標(biāo)準(zhǔn)飽和空氣溫度。

表1 空氣與水直接接觸時(shí)各種過程的特點(diǎn)

表1中的1—7組可以分別對應(yīng)空氣-水濕焓圖(見圖2)中的A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7過程。

圖2 空氣-水濕焓圖

在熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程中，專門研究幾種變量對熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程的影響，通過實(shí)驗(yàn)測定空氣溫度與濕度的變化，可以有效幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)化工原理課程中的干燥這一部分內(nèi)容時(shí)，加深對干燥平衡關(guān)系以及影響因素的理解，提高對過程的認(rèn)識，也有利于學(xué)生提高理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的能力[7-11]。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，可以操作的變量有：水的體積流率、水溫度、空氣的體積流率、空氣溫度，以及空氣在溫度條件下的相對濕度。根據(jù)條件的不同，可以設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容：

(1)熱水-干冷空氣；(2)熱水-濕冷空氣；(3)冷水-干熱空氣；(4)冷水-濕熱空氣；(5)溫水-同溫干空氣；(6)溫水-同溫濕空氣。

通過上述6組實(shí)驗(yàn)分別研究水對空氣的增溫加濕、減溫增濕、只降溫?zé)o濕度變化、降溫減濕、同時(shí)減溫增濕、或者同時(shí)減溫減濕等過程。實(shí)驗(yàn)在多種條件下進(jìn)行，對多種因素采用控制變量的方法，分析變量對熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程的影響。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與搭建

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的核心裝置是具有兩塊塔板的篩板精餾塔，不同溫濕度的空氣從第2塊塔板下面經(jīng)氣體分布器進(jìn)入塔內(nèi)，不同溫度的水經(jīng)過液體分布器從第1塊塔板上方進(jìn)入塔內(nèi)，在這兩塊塔板上進(jìn)行氣液接觸，完成傳質(zhì)與傳熱，測定離開精餾塔的空氣溫濕度以及水溫，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到焓的變化值。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖3[12]。

來自水箱T3的水經(jīng)泵P1，進(jìn)入換熱器E1進(jìn)行加熱，獲得實(shí)驗(yàn)所需的溫度，然后通過Z1流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入塔中；空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)P2，通過換熱器E2加熱，通過調(diào)節(jié)閥門開度，一部分氣體通過水池T2進(jìn)行鼓泡增濕后，與另外一部分氣體混合，得到實(shí)驗(yàn)所需溫濕度的空氣，通過Z2流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入塔中。水直接通過管道回流到儲罐，空氣直接放空。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與教學(xué)效果

在實(shí)驗(yàn)裝置的測試過程中表明，設(shè)計(jì)的熱量與質(zhì)量同時(shí)傳遞實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象豐富，能滿足實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練要求。實(shí)驗(yàn)過程涉及多個(gè)設(shè)備的參數(shù)調(diào)節(jié)體現(xiàn)了工程特點(diǎn)；同時(shí)設(shè)備小型化、采用透明塔身的設(shè)計(jì)增加了可視性，有利于對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察分析。實(shí)驗(yàn)裝置既可以進(jìn)行專一性的研究，也可以進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)條件下的分析測試，具有多功能的特點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)過程主要的控制設(shè)備均采用電氣控制，降低了實(shí)驗(yàn)操作難度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方便，有利于提高實(shí)驗(yàn)的效率。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對6種典型過程的實(shí)驗(yàn)測定與和數(shù)據(jù)分析，可以看出：實(shí)驗(yàn)過程可控，且在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，都能得到符合理論的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)操作簡單，通過對閥門和加熱電壓的控制，就可構(gòu)成多種組合；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，通過對溫濕度的測量，就能發(fā)現(xiàn)被研究對象的變化規(guī)律；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可深入理解熱質(zhì)同傳效果與氣液兩相流率、液相溫度、氣體溫濕度的關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)對象的不同，能夠開展以下教學(xué)實(shí)驗(yàn)：

(1) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：根據(jù)氣液兩相溫濕的相對條件的不同，可以進(jìn)行熱量、質(zhì)量同時(shí)在氣液兩相間同向或異向傳遞，只發(fā)生傳質(zhì)不發(fā)生傳熱(各相總能量前后守恒)以及只發(fā)生傳熱不發(fā)生傳質(zhì)過程，還有不發(fā)生熱量-質(zhì)量傳遞的過程。通過在特定的條件下的實(shí)驗(yàn)，正確判斷傳熱、傳質(zhì)過程的方向、限度和基本類型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以分析驗(yàn)證；對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理分析，并與計(jì)算機(jī)仿真、人工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，分析出現(xiàn)的差異及其原因，并對主要因素進(jìn)行合理的控制。

(2) 探究性實(shí)驗(yàn)：通過分析氣液兩相流量、兩相溫度以及氣相濕度等5種變量的不同作用，研究其變化對熱質(zhì)傳遞效果的影響，通過分析得到強(qiáng)化熱量、質(zhì)量同時(shí)傳遞過程的方法；研究分析溫差、濕度差、焓差與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程推動力的關(guān)系，分析研究推動力的本質(zhì)；通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，分析設(shè)備的變動對熱質(zhì)同時(shí)傳遞效果的影響，分析各塔板在各種溫濕度條件下的接觸熱質(zhì)同時(shí)傳遞過程中的主要作用。

5 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)投入到我?；は当究粕膶?shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用學(xué)生共180人，3學(xué)時(shí)/人。歷經(jīng)2年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)檢驗(yàn)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，教學(xué)效果良好。充實(shí)了已有化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)研究的深度、廣度，在全國化工類高校中是首次開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)。

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