热质同传实验系统设计

丁 立，王澄谦，彭 勇，余立新

(清华大学 化学工程系，北京 100084)

热量与质量同时传递是传递的基本形式之一。目前，化工实验教学普遍侧重于单元操作，还没有可用于研究气液两相在不同条件下接触、发生热质同时传递过程的实验装置[1-3]。空气与水直接接触，同时发生传热和传质现象在许多领域都具有广泛应用。石油炼制等化工行业所用的冷却水塔，民用、商用、工业用空调系统中的喷水室、蒸发冷却式空调器，食品行业的冷却、冷冻、干燥及食物存储等过程，农业工程领域的真空预冷、喷雾和湿冷保鲜技术等，都是应用空气与水的直接接触，热量与质量同时传递的实例[4-6]。掌握空气与水直接接触时，热量与质量同时传递的原理、现象及其规律，对于相关领域内的关键设备的设计，如冷却塔、蒸发冷却式空调机、喷雾器和湿冷设备等有非常重要的意义。

1 实验原理

当空气与水直接接触时，空气与水之间将发生热量的传递和质量的转移。这种现象是由水在气液两相中的化学势存在的大小差异推动的。根据水的温度、空气的温度以及湿度等状况存在的差异，可能仅发生显热交换，即只有热量从高温物体向低温物质传递；也可能既有显热交换，又有潜热交换，即发生热量传递的同时伴有以水为介质的质量转移。显热交换是空气与水之间存在温差时，发生热量从高温物体向低温物体传递直至两种物体温度相等的能量转移现象。潜热交换是空气中的水蒸气凝结而放出汽化潜热或流动的水吸收来自空气和周围水分的热量而蒸发的过程。

图1所示为空气与水接触的两种普遍方式，即:空气与敞开水面接触,飞溅水滴表面与空气接触。空气与水的流动可以用牛顿流体力学模型来描述。在两相接触时，因速度、温度存在差异，在水膜表面处形成一个饱和空气边界层，边界层温度等于水膜表面温度。根据克-克方程(Clausius-Clapeyron方程)，边界层的水蒸气分压力取决于水膜表面温度。空气与水之间的热量与物质交换，与远离边界层的空气主体的温度、水蒸气分压和水主体的温度相关。

图1 空气与水接触时的显热交换

如果水的主体温度高于空气的主体温度，则热量从边界层向周围空气传递；反之，则热量由空气主体向边界层传热。

如果空气中水蒸气分压较小，不饱和程度比较大，使得边界层内水蒸气分压力大于空气主体的水蒸气分压力，则水蒸气分子将由水的主体通过边界层向空气主体迁移；反之，则水蒸气分子将由空气主体通过边界层向水的主体迁移。

通过上述分析可知，温差是产生热交换即能量传递的推动力，而特定温度下的水蒸气分压力差则是质量转移的推动力。

2 实验内容的设计

通过对热质同传原理的分析，当空气与水直接相互接触时，在水分子传递和水的主体与空气主体的相对流动的影响下，水表面形成的饱和空气边界层与空气主体之间发生分子扩散与湍流扩散。边界层的饱和空气与空气主体不断地相互运动和传递，使得空气主体状态发生一定的变化。因此，空气与水之间的热量和质量同时传递过程，是空气主体与边界层空气不断混合的过程,其典型过程如表1所示。表1中tw为水温，tA为空气温度,tl为边界层温度,ts为标准饱和空气温度。

表1 空气与水直接接触时各种过程的特点

表1中的1—7组可以分别对应空气-水湿焓图(见图2)中的A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7过程。

图2 空气-水湿焓图

在热质同时传递过程中，专门研究几种变量对热质同时传递过程的影响，通过实验测定空气温度与湿度的变化，可以有效帮助学生在学习化工原理课程中的干燥这一部分内容时，加深对干燥平衡关系以及影响因素的理解，提高对过程的认识，也有利于学生提高理论与实际应用相结合的能力[7-11]。

在实验内容设计上，可以操作的变量有：水的体积流率、水温度、空气的体积流率、空气温度，以及空气在温度条件下的相对湿度。根据条件的不同，可以设计如下实验研究内容：

(1)热水-干冷空气；(2)热水-湿冷空气；(3)冷水-干热空气；(4)冷水-湿热空气；(5)温水-同温干空气；(6)温水-同温湿空气。

通过上述6组实验分别研究水对空气的增温加湿、减温增湿、只降温无湿度变化、降温减湿、同时减温增湿、或者同时减温减湿等过程。实验在多种条件下进行，对多种因素采用控制变量的方法，分析变量对热质同时传递过程的影响。

3 实验装置的设计与搭建

实验设备的核心装置是具有两块塔板的筛板精馏塔，不同温湿度的空气从第2块塔板下面经气体分布器进入塔内，不同温度的水经过液体分布器从第1块塔板上方进入塔内，在这两块塔板上进行气液接触，完成传质与传热，测定离开精馏塔的空气温湿度以及水温，然后根据实验测定数据进行计算得到焓的变化值。实验装置流程图见图3[12]。

来自水箱T3的水经泵P1，进入换热器E1进行加热，获得实验所需的温度，然后通过Z1流量计计量后，进入塔中；空气经鼓风机P2，通过换热器E2加热，通过调节阀门开度，一部分气体通过水池T2进行鼓泡增湿后，与另外一部分气体混合，得到实验所需温湿度的空气，通过Z2流量计计量后进入塔中。水直接通过管道回流到储罐，空气直接放空。

图3 实验装置流程图

4 实验教学目标的实现与教学效果

在实验装置的测试过程中表明，设计的热量与质量同时传递实验装置的实验现象丰富，能满足实验训练要求。实验过程涉及多个设备的参数调节体现了工程特点；同时设备小型化、采用透明塔身的设计增加了可视性，有利于对实验现象的观察分析。实验装置既可以进行专一性的研究，也可以进行多种实验条件下的分析测试，具有多功能的特点；实验过程主要的控制设备均采用电气控制，降低了实验操作难度，实验数据采集方便，有利于提高实验的效率。在实验过程中，通过对6种典型过程的实验测定与和数据分析，可以看出：实验过程可控，且在有限的实验课时内，都能得到符合理论的实验数据；实验操作简单，通过对阀门和加热电压的控制，就可构成多种组合；实验现象明显，通过对温湿度的测量，就能发现被研究对象的变化规律；通过实验数据的分析，可深入理解热质同传效果与气液两相流率、液相温度、气体温湿度的关系。

根据实验装置的特点以及实验教学对象的不同，能够开展以下教学实验：

(1) 验证性实验：根据气液两相温湿的相对条件的不同，可以进行热量、质量同时在气液两相间同向或异向传递，只发生传质不发生传热(各相总能量前后守恒)以及只发生传热不发生传质过程，还有不发生热量-质量传递的过程。通过在特定的条件下的实验，正确判断传热、传质过程的方向、限度和基本类型，并通过实验数据加以分析验证；对实验结果进行合理分析，并与计算机仿真、人工计算结果进行比较，分析出现的差异及其原因，并对主要因素进行合理的控制。

(2) 探究性实验：通过分析气液两相流量、两相温度以及气相湿度等5种变量的不同作用，研究其变化对热质传递效果的影响，通过分析得到强化热量、质量同时传递过程的方法；研究分析温差、湿度差、焓差与整个实验过程推动力的关系，分析研究推动力的本质；通过对实验现象的观察，分析设备的变动对热质同时传递效果的影响，分析各塔板在各种温湿度条件下的接触热质同时传递过程中的主要作用。

5 结束语

该实验装置已经投入到我校化工系本科生的实验教学中，使用学生共180人，3学时/人。历经2年的实验教学检验，装置运行稳定，教学效果良好。充实了已有化工基础实验内容，提高了实验研究的深度、广度，在全国化工类高校中是首次开设此类实验。

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