热质交换原理与设备第三版复习题答案

1、第一章绪论1、答：分为三类。动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）；热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。2、解：热质交换设备按照工作原理分为：间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物） 组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、

2、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体穷腔分别形成热、冷流体通道， 热、冷流体在通道横掠管束连续流动实现传热。第二章传质的理论基础1、答：单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积。以绝对速度表示的质量通量：mAAuA , mBB uB , m eAuA eB uB以扩散速度表示的质量通量：jAA (uA u), j

3、 BB (uBu)uB , jj A j B1以主流速度表示的质量通量：eAu eA e (eA uAeBuB )aA ( mAmB )eB u aB (mA mB )2、答：碳粒在燃烧过程中的反应式为C O2CO2，即为 1 摩尔的 C与 1 摩尔的 O2 反应，生成1 摩尔的 CO2 ，所以 O2 与 CO2 通过碳粒表面边界界层的质扩散为等摩尔互扩散。33、从分子运动论的观点可知：D p 1T 2两种气体A 与 B 之间的分子扩散系数可用吉利兰提出的半经验公式估算：3D435.7T 21110411p(VA3VB3 )AB若在压强P01.013105 Pa,T0273K时各种气体在空气中

4、的扩散系数D0，在其他 P、 T3DD0P0T2PT0状态下的扩散系数可用该式计算（1）氧气和氮气：V025.610 3 m3 /(kg kmol)o2322VN 231.110 3 m3 /( kg kmol)N 22831110 4435.72982D32281.541052/ s11m1.013210 5(25.6 331.13 )2（2）氨气和空气：P1.0132105 PaT25273298KP01.0132105 PaT0273KD0.21.013(298) 230.228cm2 / s1.01322732-4 、解：气体等摩尔互扩散问题N AD(PA1PA2 )0.610 4(1

5、60005300)2s)RT8.314 298 101030.0259 kmol /( mz2msR0 通用气体常数单位：J/kmol K5、解： 250 C时空气的物性：1.185kg / m,31.835 10 5 Pa s,15.5310 6 m2 / s, D 00.2210 4 m2 / s3D D0P0T20.25 10 4 m2 / sPT0Reuo d40.0820605v15.5310 6Scv15.531060.62D0.2510 4用式子（ 2-153 ）进行计算shm0.023Re0.83Sc0.440.023 206050.830.620.4470.95hmshmD7

6、0.950.2510 40.0222 m / sd0.08设传质速率为G A ，则dGAd (dx)hm ( A sA )d 2u0 (dA )du0d4lA2Adx4hm0A1A sAldu0lnA sA14hmA sA22-6 、解： 20时的空气的物性： （注：状态不同，D 需修正）1.205kg / m,31.8110 5 Pa s,P0T31.01310 52933DD2104242/ s0 PT00.221.0132 10 52730.24 10mReuo d0.053 1.2059990v1.81 10 5Sc1.8110 50.626D1.205 0.2410 4（1）用式sh

7、m0.023Re0.83Sc0.44hm计算hmshm D0.0239990 0.830.6260.440.24 1040.01875d0.0513（2）用式 sh0.0395 Re4 Sc3计算 hm31sh D0.0395(9990)0.2410 4hm4 (0.626) 30.01621m / sd0.0510 9 m2 / s ，空气在标准状态下的物性为；2-7 、错解 ：氨在水中的扩散系数 D1.241.293kg / m,31.7210 5 Pas,Pr0.708, cp1.005 10 3 J /(kg k)Sc1.7210 510727.74D1.293 1.24 10 9由热

8、质交换类比律可得2hm1Pr3hcpSc2hm1Pr3hcpSc560.7081.293 100110727.74237.04 10 5 m / s1）（第 3 版 P25）用水吸收氨的过程，气相中的NH3（组分 A）通过不扩散的空气（组分 B），扩散至气液相界面，然后溶于水中，所以D 为 NH3在空气中的扩散。2）易斯关系式只对空气水系统成立，本题为氨空气系统，计算时类比关系不能简化。3）定压比热的单位是J/kgK正解：组分A 为 NH3，组分 B 为空气，空气在0时物性参数查附录3-1Sc13.2810 60.664D0.210 4Pr0.708D0.2 104 m2/s查表2- 2)(P

9、362hm1Pr3hcpSchSc2 / 3560.6642 / 3hm44.98m / s 161 10 3 m / hc pPr1.2931.0050.708Pi1053CCO2RT8314(273 25)0.04036kmol / m8、解：xN 2xCO2CN0.52CN 2CCO2CN 2CCO2M CO 2Pi441053CO2RT8314 2981.776kg / mM N2Pi281053N2RT83142981.13kg / maCO2CO20.611CO2N 2aN20.3899、解：（ a）已知M A ， M B ， xA ， xBM AnA M AxA M AaAM B

10、nA M AnB M BxA M AxB M BM AM BnB M BxB M BaBM BnA M AnB M BxA M AxB M BM A已知 aB ， aA ， M A ， M BmAaAnAM AM AxAnBmAmBaAaBnAM AM BM AM BmBaBnBM BM BxBnBmAmBaAaBnAM AM BM AM BaO 2xO2 M O2320.3077xO2M O2xN2 M N 2xCO2 M CO232 28 44（b）aN20.2692aCO2 0.4231aO21M O2xO 2320.3484aO2aN2aCO2111若质量分数相等，则M O 2M N2

11、M CO2322844xN 20.3982xCO20.253410、解；（ a） O2 ， N2 的浓度梯度沿垂直方向空气由上部向下部运动：（b） O2 ， N2 的浓度梯度沿垂直方向空气由下部向上部运动，有传质过程。2L (r2 r1)AaVln r2GAN A AaVDAaV (C A1 C A 2 )2-11 、解；zr11）柱形： Aav2 L(r2r1 ) ,V1 d 2 Llnr24r1球形： Aav 4r1r2 ,V4d 332） d=100mm为径，所以r 1=50，r 2=52若为球形Aav=0.033 ，质量损失速率为1.46 10-12 kg/s ；压力损失速率3.48

12、10-2 Pa/s2-12 、解：N AD (CA1 CA2)10 9(0.02 0.005) 1.5 10 8 kmol /( m s)z1 1031） j A为 A的质量扩散通量，kg/m2s； JA 为 A 的摩尔扩散通量kmol/m 2s；2）题中氢氦分子量不同2-13 、解：氨 - 空气DO 0.2 10 4 m2 / s, P0 1.013 105 Pa ,T0273K ,T 350K , PP03DO P0T 20.2 104 350DT0273P氢空气320.29 10 4 m2 / sDO 0.51110 4 m2 / s3DO P0T24350DT00.511 10273P

13、320.742 10 4 m2 / s2-14 溶解度 s需先转化成摩尔浓度：C A1sPA1510 30.031.510 4 kmol / m3G AN A AavDAavC A1C A210 9351.5 10 402.25 10 10 kmol / sZ0.01M AG AM A2.2510 10184.0510 9 kg / sAaV2L(r2r1 )20.5 10 30.124m2ln r2ln202-15 、解、r119.5C A1sPA11602320kmol / m3C A2sPA21600.116koml / m3GADAaV(CA1CA2)1.810 110.124(320

14、16)1.35710 6z0.510 3koml / s质量损失 GA1.35710 622.71410 6 kg / s04216、解：CO2和N2在25 C时，0.16710m/ s扩散系数 DPA1PA2（ 100-50 ） 10 313.6 103 9.86664 PaGAN A AD(PA1PA2)1.6710 5666448.81011koml / sRT z8314298 118、解、该扩散为组分通过停滞组分的扩散过程N AD dGAxA ( N A N B ), N B0drN AD dGAxAN AdrC APA , xAPARTPN ADdPAPA NARTdrPN ADP

15、dPART (PPA )dr整理得GAN A Ar4r 2GADPdPA4 r 2RT(PPA )drdrdPAGA RT0分离变量，并积分得4DPr0 r 2PASP PA得GA4 DPr ln PPASRTP第 3 章传热传质问题的分析和计算1、答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、热量和质量的传递现象。动量、热量和质量的传递， （既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递）动量传递、能量传递和质量传递三种分子传递和湍流质量传递的三个数学关系式都是类似的。2、答：将雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可知，传

16、递因子等于传质因G22JH JDPr 3St m Sc 3St子2 且可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质，只要将对流传热计算式中的有关物理参数及准则数用对流传质中相对应的代换即可，如：tc, aD ,D ,PrSc , NuSh , StSt m当流体通过一物体表面，并与表面之间既有质量又有热量交换时，同样可用类比关系由传h2热系数 h 计算传质系数 hmhmLe 3eScvDi3：答：斯密特准则表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓度边界层的相对关系LevScDaPrvD伊斯准则a表示热量传递与质量传递能力相对大小热边界层于浓度边界层厚度关系tg252022.50C,此时空气的4、解

17、：定性温度为2物性=1.195kg/m 3 ,=15.29510-6 m2 /s查表得： Do =0.22-4 225 0C 饱和水蒸汽的浓度310m/s,v0.02383kg / m33DDO P0T20.22 1041.013298 20.25104m / sPT01.0132273u020209.48m / sd23600 3.14 0.025236001.19544R eu0d9.480.0251548815.295 10-6Sc15.295 10-60.61D0.25 10 4用式（ 2-153 ）计算shm0.023Re0.83Sc0.440.023154880.830.610.4

18、455.66,hmshm D55.66 0.2410 45.5662d0.02510 m / s设传质速率为 G A ，则dG Ad (dx)hm (A sA )d 2u0 (dA )4l du 0dx0 4hmA2A1dAA sAA sA1A2A sexp(4hm )du020 0C 时，饱和水蒸汽的浓度A s0.0179kg / m3A1dA1Ad0.0031.1953.57 10 3 kg / m311d1 0.0033代入上面的式子得：A20.01193kg / mdA12.23g / kgA15、解： 40 0C时 ,空气的物性=1.128kg/m 3 , =16.96 10 -6

19、m2 /sR eu0l2101.1810616.9610-6xcRe5 105 104.24m, l1.18 106转折点出现在Re0.83(0.037 Re870) Sc因此，对此层流 - 湍流混合问题，应用式（2-157 ） ShL3DO P0T 242D0.264 10m/s查表 2 4 得，定性温度为350C 时，PT0ScD16.96 10-60.640.264 10 40.037 (1.18 106 )0.88700.643ShL1548.9hmLShLD1548.90.28810 44.4610 3 m / sL102nAhmA SA每 m 池水的蒸发速率为300C 时，A S0

20、.03037kg / m3 ;40 0C时,A S0.05116kg / m3nAhmA SA S4.46 10 3(0.030370.5 0.05116)2.1410 56、解：在稳定状态下，湿球表面上水蒸发所需的热量来自于空气对湿球表面的对流换热，即可得以下能量守衡方程式h(TTs )hfg nH2 O 其中 hfg 为水的蒸发潜热nH 2Ohm( H2OSH2O)T Tshfg hm ( H O SH O)h222hm1Pr3又 hc pSc查附录21，当 Ts = 35 0C 时，水蒸汽的饱和蒸汽压力PS5808 于是PSM H2O5808183SRTs83143080.0408kg

21、/ m03-7 、三种方法1）含湿量是什么？d 与相对湿度的区别2）主体空气为湿空气，其Cf 不等于 0。2-14 分析方法 3解：h(T Ts ) r nH2Or hm (S)其 中 t26 0C, tS 20 0C查表 21，当PS M H2O2338 18PS2330 PaSRT8314293于是sdr2454.3 kJ / kgVd1当 t260C ，时定性温度为ttt s230C,2tS20 0C 时 水 蒸 汽 的 饱 和 蒸 汽 压 力0.01727kg1.193kg / m3 cp1.005kJ /( kg k)22hm1Pr310.743104hcpSc1.1971.005

22、0.69.59由奇科比拟知dSh(TTs )d1.1930.0172726201 d1 d9059 10 4rh m2454700d=12.5g/kg3-8 、解： nAhm (A SA)查表得当温度为270C 时，A S0.026446kg / m3AA SnAhmA SA154.02m / h(13090)0.0264463-9 、解：（ a）当温度为23 时， =0.021214 kg / m3A0hmnA1.510 1170.27m / sA )A(A S40.02320.021214nAhm A(A SA S ) 170.270.02320.021214(1 0.5) 0.075kg

23、 / s(b)4(c) 当温度为 47， =0.073462 kg / m3nA hm A A S 170.270.02320.073462 0.519kg / s4求 hm时需除以面积AnA0.11 1032.78 10 2 kg / s3-10 、解：3600当温度为305K 时， =0.03453 kg / m3hmnA2.7810 21.34m / sA AS(1)10.3453(10.4)11、解： mAhm (A1A2 )10 2(6 1045 104) 106第四章空气的热湿处理1、（ 1）大气是由干空气和一定量的水蒸汽混合而成的。我们称其为湿空气，其主要成分是：氮、氧有、氩、二

24、氧化碳、水蒸气等。（ 2）在湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化确对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要的影响。且使湿空气的物理性质随之改变。 因此研究湿空气中水蒸气的含量在空气调节行业中占重要地位 .B0.001315 Ps kg / m32、（ 1）湿空气的密度等于干空气密度与蒸汽密度之和。287TT在大气压力B 和 T 相同情况下，湿度增大时，湿空气的密度将变小。天气由晴转阴时，空气中水蒸汽的含量增加，由此降低了空气的密度，于是大气压要下降。（2）在冬季。天气干燥。水蒸汽在空气中含量减少，而且温度T 也减少了， 所以密度增加了，于是冬季大气压高于夏季的。3、（ 1）在大气压强。温度一定的条件下

25、，湿空气的水蒸汽分压力是指，在与湿空气同体积的条件下， 将干空气抽走，水蒸汽单独存在时的压力。湿空气的水蒸汽饱和分压力是指，在与饱和湿空气同体积的条件下，将干空气抽走，水蒸汽单独存在时的压力。湿空气的水蒸汽饱和分压力是湿空气的水蒸汽分压力的上限。（2）它们的大小是受大气压力影响的。4、（ 1）会有凝结水产生。（2）由附录4 1 可知：当房中漏点温度为9.5而冷水管表面温度为8 所以会有凝结水产生。（3）若想管道表面不产生凝结水，则可以对房间空气进行除湿。5、由附录41 可知：湿空气201 =50%时， i=39kJ/kg(干空气 )；湿空气15，2 =90%时， i=39kJ/kg(干空气 )

26、 ； 所以空气的焓值没有发生变化。6、由已知得，=Q/W =14000/2=7000（ kJ/kg）由初始状态B=0.1MPa,t1 =18 ,1 =50%终状态t2=25 , 查附录4 1得2 =40%， i2 =45.5 kJ/kg(干空气 )d2 =7.9g/kg(干空气)4-7 、由已知得，=5000（kJ/kg）由初始状态t1 =20 ,终状态 t2 =30 ,2 =50% 查 附录 4 1 得 1 =62%， i1 =43 kJ/kg( 干空气 )d1 =9g/kg( 干空气)8、解：（ a,b,c）由室空气状态：温度20，压力101325Pa水蒸汽分压力为1400Pa，查附录4

27、1 得d=8.8g/kg(干空气 ) =6 0%， i=42 kJ/kg(干空气 )（d） 已知干空气的气体常数为287J/ （ kg*k ）干空气分压力B-Pq=101325-1400=99925(Pa)干空气密度：gp g287T999252872931.188kg / m3室干空气质量； M gg V 1.188 53.3 358.8kg(e) ：室水蒸汽质量 :Mq=8.8*58.8=517.5g(f) ：如果使室空气沿等温线家湿至饱和状态，则角系数=2500 kJ/kg 当空气的状态是温度为 20， =100%时，则 d=14.6g/kg(干空气 )水蒸汽分压力 2350 Pa 此时室的干空气的g10132523501.177kg / m3密度为287293室干空气质量为Mg=1.17753.33=58.26kg室水蒸汽质量为14.658.26=850.6g加入的水蒸汽量；850.6-517.5=333.1g4-9 、解：由题意得，可知，假设室空气的露点温度为7，则在标准大气压下，初始温度为20，露点温度为7的空气参数。可由附录4 1 得 d=6.2g/kg(干