热质交换原理与设备试题库

1、一、填空题（共30分）1、流体的粘性、热传导性和_质量扩散性一通称为流体的分子传递性质。2、当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；温度分布不均匀 时，分子传递的结果产生热传导；多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均 匀时，分子传递的结果会产生该组分的 质量扩散；描述这三种分子传递性质的 定律分别是 _牛顿粘性定律_ 、傅立叶定律_、_菲克定律_。3、热质交换设备按照工作原理不同可分为 间壁式、混合式、蓄热式和热管 式等类型。表面式冷却器、省煤器、蒸发器属于 间壁_式，而喷淋室、冷却塔 则属于_混合式。3、热质交换设备按其内冷、热流体的流动方向，可分为顺流式、逆流式、一叉流式和一

2、混合一 式。工程计算中当管束曲折的次数超过 4 次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。5、温度差 是热量传递的推动力，而 浓度差_则是产生质交换的推动力。6、 质量传递有两种基本方式：分子扩散和对流扩散，两者的共同作用称为 对流质交换 。7、相对静坐标的扩散通量称为绝对扩散通量，而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为相对扩散通量。8、在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混 合物中的组分A和组分B发生互扩散，其中组分 A向组分B的质扩散通量mA与dC A / 2mA Dab kg/m s组分A的_浓度梯度成正比，其表达式为dy;当混合物以某一质平均速度V移动时，

3、该表达式的坐标应取随整体移动的动坐标 。9、麦凯尔方程的表达式为：dQz hmd 1 Id dA，它表明当空气与水发生直接接触，热湿交换同时进行时。总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差四、简述表面式冷却器处理空气时发生的热质交换过程的特点。（10分）答：当冷却器表面温度低于被处理空气的干球温度但高于其露点温度时，空气只被冷却并不产生凝结水，此为等湿冷却过程（干冷）；当冷却器表面温度低于空 气的露点温度时，空气不但被冷却且其中所含水蒸气也将部分凝结出来，此为减湿冷却过程（湿冷）；在湿冷过程，推动总热交换的动力湿湿空气的焓差，而不(10是温差五、空气与水直接接触时，在水量无限大、接触时间无限

4、长的假象条件下，随 着水温不同，可以得到如图所示的七种典型空气状态变化过程，请分析这七种 过程的特点，然后将给出的表格填写完整。（15分）过程线水温特点tdi过程名称A-1tw t|减减减减湿冷却A-2twtl减不变减等湿冷却A-3tltwts减增减减焓加湿A-4twt s减增不变等焓加湿A-5tstwt A减增增增焓加湿A-6twt A不变增增等温加湿A-7twt A增增增增温加湿、质量传递的推动力是什么？传质有几种基本方式？其机理有什么不同?分）答：质量传递的推动力是浓度梯度。传质有两种基本方式：分子扩散与对流扩散 在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体及固体中的扩散， 本质上

5、由微观分子的不规则运动引起，称为分子扩散，机理类似于热传导；流体作宏观 对流运动时由于存在浓度差引起的质量传递称为对流扩散，机理类似于热对流。二、简述斐克定律，并写出其数学表达式以及各项的意义；当混合物以整体平 均速度v运动时，斐克定律又该如何表示？ （20分）答：斐克定律克：在浓度场不随时间而变的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分 A和B发生互扩散，其中组分A向组分B的扩散通量与 组分A的浓度梯度成正比，其表达式为：mAdCA f 2dnA/ 2Dabkg.m s NADABkmol. m sdy或dymA，Na 分别为组分A的相对质扩散通量和摩尔扩散通量;dCAdnAdy

6、 dy分别为组分A的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度;3 / 6mA当混合物以整体平均速度v运动时dC A J 2 dab - kg m dy三、简述“薄膜理论”的基本观点。（15分）答：当流体流经固体或液体表面时,存在一层附壁薄膜，靠近壁面一侧膜内流体的浓度分布为线性，而在流体一侧,薄膜与浓度分布均匀的主流连续接触,且薄27 / 6膜内流体与主流不发生混和与扰动。 在此条件下，整个传质过程相当于集中在薄 膜内的稳态分子扩散传质过程。四、在什么条件下，描述对流传质的准则关联式与描述对流换热的准则关联式具有完全类似的形式？请说明理由。（10分）答：如果组分浓度比较低，界面上的质扩散通量比较小，则界面法

7、向速度与主流 速度相比很小可以忽略不计时，描述对流换热系数和对流传质的准则关联式具有 完全类似的形式。此时，对流换热与对流传质的边界层微分方程不仅控制方程的 形式类似，而且具有完全相同的边界条件，此时对流换热和对流传质问题的解具 有完全类似的形式。五、 写出麦凯尔方程的表达式并说明其物理意义。（5分）答：dQz hmd i id d-麦凯尔方程表明，当空气与水发生直接接触，热湿交换同时进行时。总换热量 的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。上式中，dQz为潜热和显热的代数和；i为主流空气的焓，人为边界层中饱和湿 空气的焓，hmd为湿交换系数或空气与水表面之间按含湿量之差计算的传质系数。六、氢气和

8、空气在总压强为 1.013 xiO5Pa,温度为25C的条件下作等摩尔互扩 散，已知扩散系数为0.6 cm 2/s，在垂直于扩散方向距离为10 mm的两个平面上 氢气的分压强分别为16000Pa和5300P&试求这两种气体的摩尔扩散通量。（10 分）解：用和B分别代表氢气和空气由于等摩尔互扩散，根据菲克定律NaNbD Pai Pa2RmTy0.6 10416000 53008314 2980012.59 10 2 mol/m2 s负号表示两种气体组分扩散方向相反。七、含少量碘的压力为1.013 X105Pa温度为25T的空气，以5.18m/s的速度 流过直径为3.05 x 10-2m的

9、圆管。设在空气中碘蒸汽的平均摩尔浓度为 nm管 壁表面碘蒸汽的浓度可视为0,空气碘的质扩散系数 D=0.826X 10-5 m2/s，试 求从气流到管壁的对流传质系数以及碘蒸汽在管子表面上的沉积率。（空气的动量扩散系数伍15 10 6m2 s） （15分）管内受迫层流：Sh 1.86Re0.333 Sc0.333管内受迫紊流：Sh 0.023Re0.83 Sc0.44解:ReShScudhm叫 1.88D 0.826 10 5v 15.535.183.。510 210173v0.023 Re615.53 100.83 Sc0.440.02310173 0.830 441.88 .64.35D

10、Shd64.35 0.826 103.05 100.017 m s00.017nm kmol. m 2 s八、已知空调系统送风量 G= 5 kg/s，空气初状态参数t1=35C, ts1=26.9 C,i 1=85kJ/ kg；终状态参数为t2=19C, ts2=18.1 C, i 2=51.4kJ/ kg；空气压强101325Pq试选用JW型空气冷却器并求出其中的传热系数范围。（空气密度p=1.2 kg/m3，定压比热 Cp=1.005 kJ/（ kg - C），水定压比热 Cp=4.19 kJ/（ kg -C）, 可选表冷器中水流速范围 w=0.8-1.6m/s ）。（15分）已知水冷式表

11、面冷却器作为冷却用之传热系数（ W/ tf-C ）:39.7V,521.03332.60.8141.5V；52 1.02325.60.8型号风量(nVh )每排散热面 积 Ad (tf)迎风面积A(tf)通水断面积 Aw(tf)JW10-45000-835012.150.944JW20-4.051.87JW30-41.402.57JW40-42.503.43排数迎面风速(m/s)1.52.02.53.020.5900.5450.5150.49040.8410.7970.7680.74060.9400.9110.8880.87280.9770.9640.9540.9450.58 1.0 y0.835.5V353.62 11t1 ts135 26.90.889查表可知，在常用的Vy范围内，JW型6排表冷器能满足2 用6排。0.889的要求，故选(2)假定Vy2.5m/s，则Ay1.667 m21.2 2.5解：(1)计算需要的接触系数2，确定冷却器的排数1.87m2查表可选用JW20- 4型表冷器一台，其迎风面积Ay故实际迎面风速VyG Ay 5 1.2 1.87 2.23 ms查2表可知，在Vy 2.23m s时，jw型6排表冷器实际的2值可以满足要求，2所选JW20 4型表冷器每排散热面积Ad 20.05m ,