熱質同傳實驗系統設計

丁 立，王澄謙，彭 勇，余立新

(清華大學 化學工程系，北京 100084)

熱量與質量同時傳遞是傳遞的基本形式之一。目前，化工實驗教學普遍側重于單元操作，還沒有可用于研究氣液兩相在不同條件下接觸、發生熱質同時傳遞過程的實驗裝置[1-3]。空氣與水直接接觸，同時發生傳熱和傳質現象在許多領域都具有廣泛應用。石油煉制等化工行業所用的冷卻水塔，民用、商用、工業用空調系統中的噴水室、蒸發冷卻式空調器，食品行業的冷卻、冷凍、干燥及食物存儲等過程，農業工程領域的真空預冷、噴霧和濕冷保鮮技術等，都是應用空氣與水的直接接觸，熱量與質量同時傳遞的實例[4-6]。掌握空氣與水直接接觸時，熱量與質量同時傳遞的原理、現象及其規律，對于相關領域內的關鍵設備的設計，如冷卻塔、蒸發冷卻式空調機、噴霧器和濕冷設備等有非常重要的意義。

1 實驗原理

當空氣與水直接接觸時，空氣與水之間將發生熱量的傳遞和質量的轉移。這種現象是由水在氣液兩相中的化學勢存在的大小差異推動的。根據水的溫度、空氣的溫度以及濕度等狀況存在的差異，可能僅發生顯熱交換，即只有熱量從高溫物體向低溫物質傳遞；也可能既有顯熱交換，又有潛熱交換，即發生熱量傳遞的同時伴有以水為介質的質量轉移。顯熱交換是空氣與水之間存在溫差時，發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移現象。潛熱交換是空氣中的水蒸氣凝結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。空氣與水的流動可以用牛頓流體力學模型來描述。在兩相接觸時，因速度、溫度存在差異，在水膜表面處形成一個飽和空氣邊界層，邊界層溫度等于水膜表面溫度。根據克-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。空氣與水之間的熱量與物質交換，與遠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。

圖1 空氣與水接觸時的顯熱交換

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量轉移的推動力。

2 實驗內容的設計

通過對熱質同傳原理的分析，當空氣與水直接相互接觸時，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生分子擴散與湍流擴散。邊界層的飽和空氣與空氣主體不斷地相互運動和傳遞，使得空氣主體狀態發生一定的變化。因此，空氣與水之間的熱量和質量同時傳遞過程，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為標準飽和空氣溫度。

表1 空氣與水直接接觸時各種過程的特點

表1中的1—7組可以分別對應空氣-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

在熱質同時傳遞過程中，專門研究幾種變量對熱質同時傳遞過程的影響，通過實驗測定空氣溫度與濕度的變化，可以有效幫助學生在學習化工原理課程中的干燥這一部分內容時，加深對干燥平衡關系以及影響因素的理解，提高對過程的認識，也有利于學生提高理論與實際應用相結合的能力[7-11]。

在實驗內容設計上，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。根據條件的不同，可以設計如下實驗研究內容：

(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組實驗分別研究水對空氣的增溫加濕、減溫增濕、只降溫無濕度變化、降溫減濕、同時減溫增濕、或者同時減溫減濕等過程。實驗在多種條件下進行，對多種因素采用控制變量的方法，分析變量對熱質同時傳遞過程的影響。

3 實驗裝置的設計與搭建

實驗設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塊塔板下面經氣體分布器進入塔內，不同溫度的水經過液體分布器從第1塊塔板上方進入塔內，在這兩塊塔板上進行氣液接觸，完成傳質與傳熱，測定離開精餾塔的空氣溫濕度以及水溫，然后根據實驗測定數據進行計算得到焓的變化值。實驗裝置流程圖見圖3[12]。

來自水箱T3的水經泵P1，進入換熱器E1進行加熱，獲得實驗所需的溫度，然后通過Z1流量計計量后，進入塔中；空氣經鼓風機P2，通過換熱器E2加熱，通過調節閥門開度，一部分氣體通過水池T2進行鼓泡增濕后，與另外一部分氣體混合，得到實驗所需溫濕度的空氣，通過Z2流量計計量后進入塔中。水直接通過管道回流到儲罐，空氣直接放空。

圖3 實驗裝置流程圖

4 實驗教學目標的實現與教學效果

在實驗裝置的測試過程中表明，設計的熱量與質量同時傳遞實驗裝置的實驗現象豐富，能滿足實驗訓練要求。實驗過程涉及多個設備的參數調節體現了工程特點；同時設備小型化、采用透明塔身的設計增加了可視性，有利于對實驗現象的觀察分析。實驗裝置既可以進行專一性的研究，也可以進行多種實驗條件下的分析測試，具有多功能的特點；實驗過程主要的控制設備均采用電氣控制，降低了實驗操作難度，實驗數據采集方便，有利于提高實驗的效率。在實驗過程中，通過對6種典型過程的實驗測定與和數據分析，可以看出：實驗過程可控，且在有限的實驗課時內，都能得到符合理論的實驗數據；實驗操作簡單，通過對閥門和加熱電壓的控制，就可構成多種組合；實驗現象明顯，通過對溫濕度的測量，就能發現被研究對象的變化規律；通過實驗數據的分析，可深入理解熱質同傳效果與氣液兩相流率、液相溫度、氣體溫濕度的關系。

根據實驗裝置的特點以及實驗教學對象的不同，能夠開展以下教學實驗：

(1) 驗證性實驗：根據氣液兩相溫濕的相對條件的不同，可以進行熱量、質量同時在氣液兩相間同向或異向傳遞，只發生傳質不發生傳熱(各相總能量前后守恒)以及只發生傳熱不發生傳質過程，還有不發生熱量-質量傳遞的過程。通過在特定的條件下的實驗，正確判斷傳熱、傳質過程的方向、限度和基本類型，并通過實驗數據加以分析驗證；對實驗結果進行合理分析，并與計算機仿真、人工計算結果進行比較，分析出現的差異及其原因，并對主要因素進行合理的控制。

(2) 探究性實驗：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，研究其變化對熱質傳遞效果的影響，通過分析得到強化熱量、質量同時傳遞過程的方法；研究分析溫差、濕度差、焓差與整個實驗過程推動力的關系，分析研究推動力的本質；通過對實驗現象的觀察，分析設備的變動對熱質同時傳遞效果的影響，分析各塔板在各種溫濕度條件下的接觸熱質同時傳遞過程中的主要作用。

5 結束語

該實驗裝置已經投入到我校化工系本科生的實驗教學中，使用學生共180人，3學時/人。歷經2年的實驗教學檢驗，裝置運行穩定，教學效果良好。充實了已有化工基礎實驗內容，提高了實驗研究的深度、廣度，在全國化工類高校中是首次開設此類實驗。

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