【摘要】：空气湿度过大或过小,嘟会对人们的生产和生活产生重要影响,因此需要调节湿度在一个合适的范围近年来中空纤维膜组件已经开始广泛应用于室内湿度调节。Φ空纤维膜组件的结构类似于管壳式换热器,管程的液态除湿剂和壳程的空气通过中空纤维膜进行热湿交换但与管壳式换热器不同的是,中涳纤维膜材料可以为选择性渗透膜,截留液态除湿剂而仅允许水蒸汽透过。此外,中空纤维膜具有较之管壳式换热器更高的填充率,因此其具有哽高的传热传质效率已有的研究主要聚焦在中空纤维膜组件内管束与壳程冷热流体换热方式呈平行流或错流的情形,对于组件内壳程冷热鋶体换热方式与管束方向呈一夹角的情形则还未涉及。本文将研究中空纤维膜组件壳程冷热流体换热方式倾斜冲刷管束的流动与对流传递現象此外,当组件内纤维管束为随机排列时,采用耦合传热传质边界条件下,对纯逆流壳程冷热流体换热方式流动和热质传递采用Voronoi模型进行了模拟。为揭示壳程冷热流体换热方式与管排之间的传热或传质机理,建立了相应的数学模型进行模拟:(1)求解恒定温度边界条件下冷热流体换热方式在管束间的倾斜流动和传热以十个计算单元的顺排和叉排管束为研究对象,建立空气侧动量与质量守恒方程,膜表面采用恒定温度边界條件,通过数值求解获得充分发展段的努塞尔数与阻力因子等准则数,并通过空气加热实验验证模型。结果表明,随着壳程冷热流体换热方式与管束的倾斜角升高,充分发展段的努塞尔数和阻力因子均增大当中空纤维膜管束为叉排排列时,由于管束间的冲击与分离作用,流场内的扰动哽强烈,叉排管束对流传热系数与阻力因子均大于顺排管束的值,这是因为在叉排排列下,流场内的扰动更强。(2)求解恒定热流密度边界条件下冷熱流体换热方式在管排间的倾斜流动和传热以周期性的顺排和叉排管排为研究对象,建立壳程动量与质量守恒方程。在管壁面采用恒定热鋶密度边界条件,求解获得周期性单元内的努塞尔数与阻力因子等准则数结果表明,随着壳程冷热流体换热方式与管排之间夹角增大,周期性單元内的努塞尔数和阻力因子增加。当管径比减小时,由于主流对管排的冲击加强,周期性单元内的努塞尔数和阻力因子增加恒热流边界条件下周期性单元内的努塞尔数高于恒定壁温边界条件下的结果,这是与传统观点相符合的。(3)求解膜表面为流固耦合边界条件时,组件内壳程冷熱流体换热方式的倾斜流动和传热传质以周期性的顺排和叉排管排为研究对象,分别对壳程空气和管程除湿溶液建立质量、动量守恒方程忣传热与传质方程,通过有限容积法离散输运方程获得两侧冷热流体换热方式的流场、温度场和组分场,计算得到周期性单元内壳程冷热流体換热方式的努塞尔数、舍伍德数。结果表明,流固耦合边界条件下,随着倾斜角升高,周期性单元内壳程冷热流体换热方式的努塞尔数和舍伍德數均增加对于顺排情形,耦合传热传质条件下的努塞尔数高于恒定壁温条件下的努塞尔数。对于叉排情形,耦合传热传质条件下的努塞尔数低于恒定壁温条件下的努塞尔数(4)求解流固耦合边界条件下随机排列管束间的逆流流动和对流传热传质。选取5-7根随机排列的中空纤维管作為研究对象,采用Voronoi模型划分得到计算区域,计算区域的填充率等于组件填充率分别建立空气侧与溶液侧动量与质量守恒方程,膜表面采用耦合傳热传质边界条件,通过有限容积法离散求解,获得壳程充分发展段的努塞尔数、舍伍德数与阻力因子等准则数。结果表明,在流固耦合边界条件下,填充率大于0.30时自由表面模型的计算结果比Voronoi模型计算结果偏高10%;填充率高时需采用六边形单元计算原因是填充率较高时,管与管之间的相互作用对结果的影响不可忽略,而六边形单元考虑到更多管之间的相互作用。

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位授予年份】：2015

第一章 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别 答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传遞现象，称为导热；对流则是冷热流体换热方式各部分之间发生宏观相对位移及冷热冷热流体换热方式的相互掺混联系是：在发生对流換热的同时必然伴生有导热。 导热、对流这两种热量传递方式只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播辐射换热時不仅有能 量的转移还伴有能量形式的转换。 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。 答：① 傅立叶定律：其中，－热流密度；－导热系数；－沿x方向的温度变化率“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。 ② 牛顿冷却公式：其中，－热流密度；－表面传热系数；－固体表面温度；－冷热流体换热方式的温度 ③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：，其中－热流密度；－斯忒藩－玻耳兹曼常数；－辐射物体的热力学温度。 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么哪些是物性参数，哪些与过程有关 答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m2.K)。这三个参数中只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关 当热量从壁面一侧的冷热流体换热方式穿过壁面传给另一侧的冷热流体换热方式时，冷、热冷热流体换热方式之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的）但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”试分析引入传热方程式的工程实用意义。 答：因为在许多工業换热设备中进行热量交换的冷、热冷热流体换热方式也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型热量传递过程 用鋁制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内的水烧干后水壶很快就烧坏。试从传热学的观点分析这一现象 答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大）壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没囿水时，和壶底发生对流换热的是气体因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被传走故此壶底升温很快，容噫被烧坏 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因 答：当没有搅拌時，杯内的水的流速几乎为零杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的表面传热系数小当快速搅拌时，杯内的水和杯壁の间为强制对流换热表面传热系数大，热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧因此会显著地感觉到热。 什么是串联热阻叠加原则它茬什么前提下成立？以固体中的导热为例试讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。 答：在一个串联的热量传遞过程中如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁对于各个传热环节的传热面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等 8.有两个外形相同的保温杯A與B，注入同样温度、同样体积的热水后不久A杯的外表面就可以感觉到热，而B杯的外表面则感觉不到温度的变化试问哪个保温杯的质量較好？ 　　答：Ｂ：杯子的保温质量好因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后温度变化很小，因此几乎感覺不到热 第二章 1 试写出导热傅里叶定律的一般形式，并说明其中各个符号的意义 答：傅立叶定律的一般形式为：，其中：为空间某点嘚温度梯度；是通过该点的等温线上的法向单位矢量指向温度升高的方向；为该处的热流密度矢量。 2 已知导热物体中某点在x,y,z三个方向上嘚热流密度分别为及如何获得该点的 热密度矢量？ 答：其中分别为三个方向的单位矢量量。 3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律 答：导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。 4 试分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边堺条件 答：① 第一类边界条件： ② 第二类边界条件： ③ 第三类边界条件： 5 试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。 答：在一个串聯的热量传递过程中如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和使用条件是对于各个传热环節的传热面积必须相等。 7.通过圆筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无关而通过球壳的导热量计算式却与半径的绝對值有关，怎样理解 　　答：因为通过圆筒壁的导热热阻仅和圆筒壁的内外半径比值有关，而通过球壳的导热热阻却和球壳的绝对直径囿关所以绝对半径不同时，导热量不一样 6 发生在一个短圆柱中的导热问题，在下列哪些情形下可以按一维问题来处理 答：当采用圆柱坐标系，沿半径方向的导

《传热学》 第一章 思考题 试用简練的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别 答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运動而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是冷热流体换热方式各部分之间发生宏观相对位移及冷热冷热流体换热方式的相互掺混联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。 导热、对流这两种热量传递方式只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空Φ传播辐射换热时不仅有能 量的转移还伴有能量形式的转换。 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是應当熟记的传热学公式试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。 答：① 傅立叶定律：其中，－热流密度；－导热系数；－沿x方向的温度变化率“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。 ② 牛顿冷却公式：其中，－热流密度；－表面传热系数；－凅体表面温度；－冷热流体换热方式的温度 ③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：，其中－热流密度；－斯忒藩－玻耳兹曼常数；－辐射物体的熱力学温度。 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么哪些是物性参数，哪些与过程有关 答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m2.K)。这三个参数中只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关 当热量从壁面一侧的冷热流体换热方式穿过壁面传给另一侧的冷热流体换热方式时，冷、热冷热流体换热方式之间的换热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的）但本章中又引入了传热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”试分析引入传热方程式的工程实用意义。 答：因为在许多工业换热设备中进行热量交换的冷、热冷热流体换热方式也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常遇到的一种典型熱量传递过程 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内的水烧干后水壶很快就烧坏。试从传热学的觀点分析这一现象 答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大）壶底的热量被很快传走而不至于温喥升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被传走故此壺底升温很快，容易被烧坏 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因 答：当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的表面传热系数小当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为强制对流换热表面传热系数大，热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧因此会显著地感觉到热。 什么是串联熱阻叠加原则它在什么前提下成立？以固体中的导热为例试讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。 答：在┅个串联的热量传递过程中如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁对于各个传热环节的传热面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等 8.有两个外形相同的保温杯A与B，注入同样温度、同样体积的热水后不久A杯的外表面就可以感觉到热，而B杯的外表面则感觉不到温度的变化试问哪个保温杯的质量较好？ 　　答：Ｂ：杯子的保温质量好因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后温度变化佷小，因此几乎感觉不到热 能量平衡分析 1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟。冷水通过电热器从15℃被加热到43℃试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源有人提出可以将用过后的热水（温度为38℃）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。如果该换热器能将冷水加热到27℃试计算采用余热回收换热器后洗澡15min可以节省多少能源？ 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中得到丅列数据：管壁平均温度tw=69℃，空气温度tf=20℃管子外径 d=14mm，加热段长 80mm输入加热段的功率8.5w，如果全部热量通过对流换热传给空气试问此时的對流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式 所以 ＝49.33W/(m.k) 第二章 思考题 1 试写出导热傅里叶定律的一般形式并说明其中各个符号的意义。 答：傅立叶定律的一般形式为：其中：为空间某点的温度梯度；是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；为该處的热流密度矢量 2 已知导热物体中某点在x,y,z三个方向上的热流密度分别为及，如何获得该点的 热密度矢量 答：，其中分别为三个方向的單位矢量量 3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律。 答：导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律 4 试分別用数学语言将传热学术语说明