热质交换考试题

一、填空题1总热交换是一潜热交换和显热交换的总和。2当流体中存在速度、温度和浓度的梯度时，就会分别产生动量、热量和质量的传递现象。3潜热交换是发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果4流体的粘性、热传导性和质量扩散通称为流体的分子传递性质。5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隹导；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。6热质交换设备按照工作原理不同可分为间壁式、直接接触式、蓄热式、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、冷却塔则属于直接接触式。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、混合流式和叉流式。工程计算中当管束曲折的次数超4次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。温差是热量传递的推动力，而焓差则是产生质交换的推动力。9质量传递有两种基本方式:分子传质一和对流传质，两者的共同作用称为扩散传质。10相对静坐标的扩散通量称为以絶对速度表示的质量通量,而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为以扩散速度表示的质量通量11相际间对流传质模型主要有薄膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论。12一个完整的干燥循环由吸湿过程、再生过程和冷却过程构成。13冷却塔分为干式和湿式。由有淋水装置、配水系统、通风筒组成。14换热器的热工计算有两种方法:平均温差法（LMTD法）和效能-传热单元数法（&-NUT法）二、名词解释热舒适性（人体对周围空气环境的舒适热感觉）、绝热饱和温度（绝热增湿过程中空气降温的极限）、传质通量（单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量）、扩散系数（沿扩散方向在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数、）空气调节（利用冷却或者加热设备等装置，对空气的温度和湿度进行处理，使之达到人体舒适度的要求）、新风（从室外引进的新鲜空气，经过热质交换设备处理后送入室内的环境中）、回风（从室内引出的空气，经过热质交换设备的处理再送回室内的环境中）、露点温度（指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下冷却到饱和时的温度）、分子传质（由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象）（扩散传质）、对流传质（：是流体流动条件下的质量传输过程）、质量浓度（单位体积混合物中某组分的质量）、浓度边界层（质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层）、速度边界层（质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层）、热边界层流体流动过程中.在固体壁面附近流体温度发生剧烈变化的薄层、雷诺类比对流传热和摩擦阻力间的联系）、宣乌特准则数（流体传质系数hm和定型尺寸的乘积与物体的互扩散系数（Di）的比值）施密特准则数（流体的运动黏度（v）与物体的扩散系数（D）的比值）、普朗特准则数（流体的运动黏度（v）与物体的导温系数a的比值）三、简答题解释显热交换、潜热交换和全热交换，并说明他们之间的关系。显热交换是空气与水之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。潜热交换是空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。总热交换是显热交换和潜热交换的代数和。扩散系数是如何定义的？影响扩散系数值大小的因素有哪些？扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。试比较分析对流传质与对流传热的相关准数之间的关系？传质传热Sc=v/diPr=v/aSh=hm.l/DiNu=hlA

Stm=Sh/Re.ScSt=Nu/Re.Pr如何认识传质中的三种速度，并写出三者之间的关系？UaUb:绝对速度Um：混合物速度UaUb扩散速度Ua=Um+（Ua-Um）绝对速度=主体速度+扩散速度简述“薄膜理论”的基本观点。当流体靠近物体表面流过，存在着一层附壁的薄膜，在薄膜的流体侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假定膜内流体与主流不相混合和扰动，在此条件下，整个传质过程相当于此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上垂直于壁面方向上呈线性的浓度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。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。当边界层传递方程的扩散系数相等时即v=a=D或V/a=V/D=a/D=1时具有完全相同的形式分别写出对流换热与对流传质的基本计算式以及式中各项的单位和物理意义；并指出当热质传递同时存在时，对流换热系数h和对流传质系数仇口之间存在什么样的关系？hm=0.664DAB/LRe0.5Sc1/3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。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，则空气只是冷却而不产生凝结水，称干工况。如果低于空气露点，则空气不被冷却，且其中所含水蒸气部分凝结出来，并在冷凝器的肋片管表面形成水膜，称湿工况，此过程中，水膜周围形成饱和空气边界层，被处理与表冷器之间不但发生显热交换还发生质交换和由此引起的潜热交换吸附（包括吸收）除湿法和表冷器，除湿处理空气的原理和优缺点是什么？吸附除湿是利用吸附材料降低空气中的含湿量。吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩，且噪声低并可以得到很低的露点温度。表冷器缺点：仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿必须较低，分析说明动量、热量和质量三种传递现象之间的类比关系。当物系中存在速度、温度、浓度的梯度时，则分别发生动量、热量、质量的传递现象。动量、热量、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运动。动量传递、能量传递、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是类似的。写出施密特准则数和宣乌特准则数及他们的物理含义施密特准则数（Sc）对应于对流传热中的普朗特准则数（Pr）ScDiScDiV流体的运动粘度（即动量传输系数）a物体的导温系数（即热量传输系数Di物体的扩散系数①联系动量和质量传递的相似准则②表示速度分布和浓度分布的相互关系。③体现了流体的传质物性。舍伍德准则数（Sh）对应于对流传热中的努谢尔特准则数（Nu）ShhShh-1mDia对流传热系数入物体的导热系数1:定型尺寸系数hm:对流传质系数Di物体的扩散系数12解释析湿系数（换热扩大系数E）dQdQ~zxdQ=dQ+dQdQ~zxdQ=dQ+dQzdQ[h(t-tb)+rhmd(d-d)]dAb13冷却塔热质交换的特点冷却塔内水的降温主要是由于水的蒸发换热和气水之间的接触传热。因为冷却塔多为封闭形式，且水温与周围构件的温度都不很高，故辐射传热量可不予考虑。在冷却塔内，不论水温高于还是低于周围空气温度，总能进行水的蒸发随着水温的降低

Q=QB+QaQ=QPQ=QB”QaQ=QB-Qa=014试比较分析对流传质与对流传热的相关准数之间的关系。顺流和逆流分析比较：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。Q=QB+QaQ=QPQ=QB”QaQ=QB-Qa=014试比较分析对流传质与对流传热的相关准数之间的关系。顺流和逆流分析比较：在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。四、推导题1、写出动量、热量和质量的分子扩散的定律及通用表达式发生动量传递。duT=U =Vdyd(pu)dyd(pu)pdy——动量浓度的变化率pu——动量浓度，单位体积内流动的动量在y方向上的变化率传热、傅立叶定律、dt入d(pCt) d(pCt)q二一九 二一 p—=-a p—dy pC dy dyd(pCt)p-

dy焓浓度的变化率pCP一一焓浓度，单位体积内流体的焓在y方向上的变化率。入一一导热系数a一一热扩散系数q—一热流通量传质、斐克定律dC*m=Dp a—AABdypA A组分密度CA*一一质量百分数p混合物密度m=-D吧AABdydpA为常数时数dy——质量浓度的变化率，密度的变化率DmAB一一A在B中的扩散系数 A――质流通量这三个表达式从“分子扩散”机理的角度说明了三传的类比性。’传递的量 pu--单位体积流体的动量＜传递的量的速率比例常数,焓,质量传递的量的传递速率正比于传递的量的变化率，从而为通过传热来研究物质提供了可能性。FD①'=-Cd①dy2、混合物的质量分数与摩尔分数表示方法及互换关系质量分数：摩尔分数：

aAM*■A3、推出气体中稳态扩散过程的等分子反向扩散通量方程dCC( \N=-DA+A(aAM*■A3、推出气体中稳态扩散过程的等分子反向扩散通量方程dCC( \N=-DA+A(N+N丿A dzCABdCAdzN二一N等分子反向扩散A B得出N=———(p-p)AAzRTAi A24、推导传质微分方程m+m+m=mA,conv A,dif A,g A,stfff[-V-(p厉)+V•(D)Vp+n]dV=Bl^^dVA AB A A QtVVQp .」+V•(p疗)=V•(D)Vp+nQt A AB A A五、计算题1、有一管道充满了氮气和氧气的混合气体，其温度为200°C，总压力位O.IMPa,—端氮气浓度为1.0Kmol/m3，另一端浓度为0.4Kmol/m3,两端相距50cm，已知D*=0.5X10-4m2/s,计算稳态下氮气的物质的量通量。ABjBz2dz=-DBCA2dcA解：由斐克第一定律得：n,Az1 ABCA1j=DAB(CA1-CA2I0.5%I。-4X(1.0-0.4)z-z 052 1 = =6X10-5kmol/(m2.S)2、有一管道充满了氮气和氦气的混合气体，其温度为300K，总压力位0.1MPa，一端氮气的分压力为0.06MPa，另一端为0.01MPa，两端相距30cm，已知DaABjBz2dz=解：由斐克第一定律得：n,Az1D(C-C)j=―AB——A1 A2—=0.687X10-4m2/s，计算稳态下氮气的物质的量通量。-DBCA2dcAABCA1z-z21对于理想气体，pAV=nARTAVPA后7jn,ADAB(PA1-PA2)0.678x10-4xjn,A=4.59X10-6kmol/m2.sRT(z2-z1)= 8.314x=4.59X10-6kmol/m2.s3、某空气冷却式冷凝器，以R134a为制冷剂，冷凝温度为ts=50C，蒸发温度t°=5C，时的制冷量Q°=5500W，压缩机的功耗是1500W，冷凝器空气进口温度为35C，出口温度为43Co(1)制冷剂与空气的对数平均温差是多少？(2)已知在空气平均温度39C下，空气的比热为1013J/kg.K，密度为1.1kg/m3，所需空气流量是多少？

解：(1)^t‘=50-35=15°CAt‘‘=50-43=7°CAt'-At解：(1)^t‘=50-35=15°CAt‘‘=50-43=7°CAt'-At''9 _m At'In—At''At =10.5CQ二Q+W(2)冷凝总负荷1 2 0=5500+1500=7000W_Qq_v cAtp=7000/(1.1X1013X8)=0.79m3/s4、一个直径为3cm的萘球悬挂于空气管道中，求下述条件的瞬时传质系数；(1)萘球周围的空气静止，温度为259K，压力为101.325kPa，萘在空气中的扩散率为5.14X10-6m2/s；(2)空气以0.15m/s的速度流过萘球，温度为259K，压力为Gr-Sc=1101.325kPa，解1)Sh=2.0(2分)shxD= ABd=2.0X5.14X10-6/0.03=3.43X10-4m/sudRe=-(2) U=0.15X0.03/1.0X105=4.5X102，(1分)uSc二DAB=1.95Sh二2.0+0.569(Gr"SC)0.25=2.569shxDh_abc dd=2.569X5.14X10-6/0.03=4.4X10-4m/s5、一管式逆流空气加热器，空气由15C加热到30C，水在80C下进入换热器管内，40°C时离开，总换热量位30kW，传热系数为40W/(m2.C),求：(1)平均换热温差；(2)换热器面积。Atm解：(1)At‘=8O-3O=50°CQt''=40-15=25CAt'-At''‘At'InAt''=35.7CA亠kAtkAtm=30000/(40X35.7)=21m27、含少量碘的压力为1.013X105Pa、温度为25C的空气，以5.18m/s的速度流过直径为3.05X10-2m的圆管。设在空气