传热学报告
摘要论述了传质冷却的机理，并给出工程实际的应用及其最新进展，以管式间接蒸发冷却器为实例建立数学模型，论证传热传质机理
关键字冷却机理管式间接蒸发冷却器
引言
质量传递过程设计的领域很广，如空调工程中空气的处理问题，化学工程中常见的有蒸馏、吸收、萃取和干燥等，质量传递过程还与反应工程、离子交换、反渗透技术和生物工程等过程密切相关。传质机理是说明传质过程的基础，有了正确的传质理论，便可以据此对具体的传质过程及设备进行分析，优化选择合理的操作条件，对设备的强化、新型高效设备的开发做出指导。传质理论一般首先是对传质过程提出一个说明传质机理的数学物理模型，研究该模型的解，讨论影响传质过程的各种因素，以实验验证该传质理论的正确程度，进而可以用实验的结果，修正数学物理模型，最后得到比较切换实际工程问题的传质模型。下面将简单介绍传热传质机理并在管式间接蒸发空气冷却器的传热、传质过程分析的基础上，建立适宜的管式间接蒸发空气冷却器的热工模型。
1、传质冷却机理及其实际应用
在传热学中已经分析过和壁面间的对流换热过程，所涉及的流体是单一物质或称一元体系。而在某些实际情况下，流体可能是二元体系，并且其中各组分的浓度不均匀，物系中的某组分存在浓度梯度，将发生该组分由高浓度区向低浓度区的传递过程，就会有质量传递或质交换发生。日常生活中遇到的水分蒸发和煤气在空气的弥漫以及室内装修造成的空气污染等都是传质现象。同样在自然界和工程实际中，海洋的水面蒸发在潮湿的大气层中形成云雨；生物组织对营养成分的吸收；油池起火和火焰的扩散；冷却塔、喷气雾化干燥、填充吸收塔等的工作过程都是传质过程的具体体现。
传质过程又常和传热过程符合在一起，例如空调工程中常用的表面式空气冷却器在冷却去湿工况下，除了热交换外还有水分在冷表面凝结洗出；还有在吸收式制冷装置的吸收器重发生的吸收过程等，均是既有热交换又有质交换的现象，即传质冷却现象。
1.1 质量传递的方式分为两种：分子传质和对流传质
1.1.1分子传质
分子传质又称分子扩散，它是由分子无规则扩散热运动而形成的物质传递现象。如图所示，用一块隔板将容器分为左右两室，两室中分别冲入温度和压力相同而浓度不同的A、B两种气体。设在左室中，A的浓度高于右室，而组分B的浓度低于右室。当隔板抽离后，流体之中的物质分子，由于在流体内部各部位存在浓度差，凭借微观热运动，自发地从浓度高处向低处转移，直至其浓度在整个流体空间中分布均匀。此时，通过任一界面物质A、B的净扩散同量为零，但扩散仍在
进行。
物质在某个位置处的扩散通量，大小与该处的浓度梯度成正比。
J A ∝dc a /dz
改写为等式 J A
=-D A,B dc a /dz
J A ——组分A 在z 方向上的扩散通量，kmol/(m 2⋅s)；
dCa /dz ——组分A 在z 方向上的浓度变化率（浓度梯度），kmol/m 4； D A,B ——组分A 在介质B 中的扩散系数，m 2/s 。
——斐克定律
斐克定律告诉我们：只要有浓度梯度，就会发生扩散。公式中负号表示物质的扩散沿着浓度梯度的反方向，即浓度降低的方向。
1.1.2对流传质
对流传质是具有一定浓度的混合物流体流过不同浓度的壁面时，或两个有限互溶的流体层发生运动时的质量传递。流体做对流运动，当流体中存在浓度差时，对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散与对流扩散两者的共同作用称为对流质交换，这一机理与对流换热相类似，单纯的对流扩散室不存在的。对流交换是在楼梯或固体的两相交界面上完成的。例如空气掠过水面时水的蒸发。
1.2传质冷却机理
传质冷却机理以间接蒸发空气冷却器为例子讲述。间接蒸发冷却器还包括闭式冷却塔、蒸发式冷凝器、间接蒸发液体冷却器等，它们的共同点是，换热器间壁的一侧（湿侧）喷淋循环水，在换热面上形成很薄的水膜，空气掠过水膜使水不断蒸发，并且不断带走蒸发产生的水蒸气，以维持蒸发过程的持续进行，水的蒸发不仅吸收水膜自身的热量，而且会吸收换热器另一侧流体的热量，使另一侧的
流体温度降低。间接蒸发冷却器湿侧是一个同时存在流动、传热和传质的多个传递过程耦合并相互交叉影响的复杂的不可逆热力过程，该过程直接影响到另一侧流体被冷却的效果。
A B
P,T P,T
2 、管式间接蒸发冷却器传
热、传质过程分析
管式间接蒸发冷却器在工程实践
中有着大量应用，尤其是表冷器，几乎
应用于所有的空调系统中，如风机盘
管，空气处理机组等，此外在热管等凄
然方面也有它的踪影。
2.1 过程分析
传热管束水平布置，一次空气在管内流过，管束上方布置的淋水装置将循环水淋洒在管外表面，二次空气在风机的作用下从换热器底部进入，与淋水方向逆向流动在传热管外与水膜发生热、湿交换，水蒸发吸热使管内一次空气得以被冷却。发生在管式间接蒸发空气冷却器的传热、传质过程分为以下几个环节：1）一次空气和管壁之间的热传递，一次空气温度下降，湿度不变。影响一次空气温度变化的主要因素有一次空气在管内的流速、管长、管径以及空气物性等。
2）管壁与水膜之间的热交换，管壁将一次空气传来的热量交给水膜，该环节的主要影响因素包括淋水密度、逆向流过水膜表面的二次空气的流速、管径、淋水和二次空气的物性等。
3）二次空气和水膜之间的热、质交换，决定该过程能否进行的关键不是二次空气温度和淋水温度的高低，而是二次空气的焓与淋水温度下饱和空气的焓的大小，即只要淋水温度下饱和空气的焓大于二次空气的焓，就可以实现热量由水膜传给二次空气，即使淋水温度高于二次空气的温度。
2.2 管式间接蒸发冷却器在传热、传质过程的模型建立
该模型是在以下假设条件下建立的：
1）蒸发冷却器与周围的环境无热传递；2）
蒸发冷却器管子外表面被稳定不间断的水
膜完全包覆；3）二次空气在管束外分布均
匀，二次空气与水膜的传热、传质系数各
处相等4）淋水、一、二次空气的物性为均
常数；5）忽略管壁导热热阻。
如图右所示的一根传热管作为建立模
型的换热单元。其中上角标i 表示第i 个
换热单元，换热单元总数等于自上而下总
的管排数。下脚标1、2 分别表示一次空气
和二次空气，下脚标f、w 分别表示水膜管壁。
2.2.1一次空气和管壁面之间的热传递平衡方程
M1 c p1（T1，in−T1,out）=πd L h
（T1−T w）（1-1）
1
式中：m1—一次空气在管内的质量流量，kg/s；
T1—一次空气在传热管内的平均温度{（T1，in +T1,out）/2}, k
