熱質交換原理與設備復習題答案

1、第一章第一章緒論1、答：分為三類。動量傳遞：流場中的速度分布不均勻（或速度梯度的存在）熱量傳遞：溫度梯度的存在（或溫度分布不均勻）；質量傳遞：物體的濃度分布不均勻（或濃度梯度的存在）。；第二章熱質交換過程1、答：單位時間通過垂直與傳質方向上單位面積的物質的量稱為傳質通量。傳質通量等于傳質速度與濃度的乘積。以絕對速度表示的質量通量：mAAuA , mBB uB , m eAuA eB uB以擴散速度表示的質量通量：jAA (uA u), j BB (uBu)uB , jj A j BeAu eA 1 (eA uAeBuB )aA ( mAmB )以主流速度表示的質量通量：eeB uaB (mAm

2、B )2、答：碳粒在燃燒過程中的反應式為 C O2 CO2 ，即為 1 摩爾的 C與 1 摩爾的 O2 反應，生成 1 摩爾的 CO2 ，所以 O2 與 CO2 通過碳粒表面邊界界層的質擴散為等摩爾互擴散。3、答：當物系中存在速度、溫度和濃度的梯度時，則分別發(fā)生動量、熱量和質量的傳遞現(xiàn)象。動量、熱量和質量的傳遞， （既可以是由分子的微觀運動引起的分子擴散，也可以是由旋渦混合造成的流體微團的宏觀運動引起的湍流傳遞）動量傳遞、能量傳遞和質量傳遞三種分子傳遞和湍流質量傳遞的三個數(shù)學關系式都是類似的。4、答：將雷諾類比律和柯爾本類比律推廣應用于對流質交換可知，傳遞因子等于傳質因子G22JHJDSt P

3、r 3St m Sc 32 且可以把對流傳熱中有關的計算式用于對流傳質，只要將對流傳熱計算式中的有關物理參數(shù)及準則數(shù)用對流傳質中相對應的代換即可，如：tc, aD ,D ,PrSc , NuSh , StSt m當流體通過一物體表面，并與表面之間既有質量又有熱量交換時，同樣可用類比關系由傳h2熱系數(shù) h 計算傳質系數(shù) hmhmLe 3evSc5：答：斯密特準則Di表示物性對對流傳質的影響，速度邊界層和濃度邊界層的相對關系vScDaLevDPr伊斯準則a表示熱量傳遞與質量傳遞能力相對大小熱邊界層于濃度邊界層厚度關系36、從分子運動論的觀點可知：D p 1T 2兩種氣體 A 與 B 之間的分子擴散

4、系數(shù)可用吉利蘭提出的半經驗公式估算：3D435.7T 21110411p(VA3VB3 )AB若在壓強 P01.013105 Pa,T0273K 時各種氣體在空氣中的擴散系數(shù)D0 ，在其他 P、 T3DD0P0T2PT狀態(tài)下的擴散系數(shù)可用該式計算0（1）氧氣和氮氣：V025.610 3 m3 /(kg kmol)o2322VN 231.110 3 m3 /( kg kmol)N 22831110 4435.72982D32281.54105211m / s1.013210 5(25.6 331.13 )2（2）氨氣和空氣：P1.0132105 PaT 25273298KP01.0132105

5、PaT0273KD0.21.013( 298) 230.228cm2 / s1.013227310 47、解： N ADz (PA10.6(160005300)2RTPA2 )8.3142981010 30.0259 kmol /( m s)8、解： 250 C時空氣的物性：1.185kg / m,31.835 10 5 Pa s,15.53 10 6 m2 / s, D 0 0.22 10 4 m2 / s3D D0P0T20.25 10 4 m2 / sPT0uo d40.0820605Re15.5310 6vv15.5310 60.62Sc0.2510 4D用式子（ 2-153 ）進行計

6、算shm 0.023Re0.83Sc0.440.023206050.830.620.4470.95shmD70.950.25 104hm0.080.0222 m / sd設傳質速率為 G A ，則dGAd (dx)hm (A sA )d 2u0 (dA )4l du0dx0 4hmA2A1dAA sAldu0 lnA sA14hmA sA29、解： 200 C 時的空氣的物性：1.205kg / m,31.81 10 5 Pa s,P0T31.01310 5293324242DD0PT00.22101.0132 10 52730.24 10m/ suo d0.053 1.2059990Re1.

7、81 10 5vSc1.8110 50.6261.205 0.2410 4D（1）用式 shm0.023Re0.83Sc0.44計算 hmshm D0.0239990 0.830.6260.440.2410 40.01875hm0.05d13（2）用式 sh0.0395 Re4 Sc3計算 hm31sh D0.24 10 40.0395(9990) 4 (0.626)30.01621m / shm0.05d10、解：氨在水中的擴散系數(shù)D 1.24 10 9 m2 / s ，空氣在標準狀態(tài)下的物性為；1.293kg / m,31.7210 5 Pa s,Pr 0.708, cp 1.005 10

8、3 J /(kg k)1.7210 510727.74Sc9D 1.293 1.24 10由熱質交換類比律可得2hm1Pr3hcpSc2hm1Pr3hcpSc560.7081.293 100110727.74237.04 10 5 m / s11、解：定性溫度為tg2522022.5 0C , 此時空氣的物性=1.195kg/m 3 ,=15.29510-6 m2 /s查表得： Do =0.2210-4 2250C 飽和水蒸汽的濃度0.02383kg / m3m/s,v33DDO P0T20.22 1041.013298 20.25104m / sPT01.0132273u020209.48m

9、 / sd23600 3.14 0.025236001.195u0d44R e9.480.0251548815.29510-6ScD15.295 10-60.6140.25 10用式（ 2-153 ）計算shm0.023Re0.83Sc0.440.023 154880.830.610.4455.66,hmshm D55.660.2410 45.56610 2 m / sd0.025設傳質速率為 G A ，則dG Ad (dx)hm (A sA )4d 2u0 (dA )l du 0dx0 4hmA2A1dAA sAA2A sA sA1exp(4hm )du020 0C 時，飽和水蒸汽的濃度A

10、s 0.0179kg / m3A1dA1Ad0.003 1.1953.57 10 3 kg / m311 d10.0030.01193kg / m3代入上面的式子得：A2dA12.23g / kgA112、解： 40 0C時 ,空氣的物性=1.128kg/m 3,=16.96 10-6 m2 /sR eu0l2101.1810616.9610-6xcRe, l5 105 104.24mRe1.18 106轉折點出現(xiàn)在0.83(0.037 Re870) Sc因此，對此層流 -湍流混合問題，應用式（2-157 ） ShL3DDO P0T242PT00.264 10m/s查表 2 4 得，定性溫度為

11、350C 時，ScD16.96 10-60.640.264 10 40.037 (1.18 106 )0.887031548.9ShL0.64hmLLD1548.90.2881044.46103m / sShL102nAhmA SA每 m 池水的蒸發(fā)速率為300C 時，A S0.03037kg / m3 ;40 0C時,A S0.05116kg / m3nAhmA SA S4.4610 3(0.030370.5 0.05116)2.1410 513、解：在穩(wěn)定狀態(tài)下，濕球表面上水蒸發(fā)所需的熱量來自于空氣對濕球表面的對流換熱，即可得以下能量守衡方程式h(TTs )hfg nH2 O 其中 hfg

12、 為水的蒸發(fā)潛熱nH 2Ohm( H 2O SH 2 O)T Tshfghm (H 2 OSH 2O)h2hm1Pr3又 hc pSc查附錄21，當 Ts = 35 0C 時，水蒸汽的飽和蒸汽壓力PS5808 于是PSM H2O5808183SRTs83140.0408kg / m308014、解： h(TTs )0其 中 t26 C, tSPS2330 Pa 于是rnH 2O r hm ( S)200C查表 21， 當SPS M H2O233818RTs8314293tS20 0C 時 水 蒸 汽 的 飽 和 蒸 汽 壓 力0.01727kgr2454.3 kJ / kg當 t260Ct，時

13、定性溫度為hm1Pr由奇科比擬知hcpScdVd1t t s230C,22311.197 1.0051.193kg / m3cp 1.005kJ /( kg k)0.74231040.69.59dSh (T Ts )1 drh md=12.5g/kgd1.19326201d0.017279059 10 42454700Pi1053CCO215、解：RT8314(273 25)0.04036 kmol / mxN 2xCO2CN20.5CN 2CCO2CN 2CCO2M CO2Pi4410531.776kg / mCO2RT8314298M N2Pi28 1053N2RT83141.13kg /

14、 m298aCO2CO20.611CO2N 2aN2 0.38916、解：（ a）已知 M A ， M B ， xA ， xBaAM AnA M AxA M AM AM BnA M AnB M BxA M AxB M BaBM BnB M BxB M BM AM BnA M AnB M BxA M AxB M B已知 aB ， aA ， M A ， M BmAaAxAnAM AM AnAnBmAmBaAaBM AM BM AM BmBaBxBnBM BM BnAnBmAmBaAaBM AM BM AM BaO 2xO2 M O2320.3077xO2M O2xN2 M N 2xCO2 M CO

15、232 28 44（b）aN20.2692aCO20.4231aO21M O2xO 2320.3484aO2aN2aCO2111若質量分數(shù)相等，則M O 2MN2MCO2322844xN 20.3982xCO20.253417、解；（ a） O2 ， N2 的濃度梯度沿垂直方向空氣由上部向下部運動：（b） O2 ， N2 的濃度梯度沿垂直方向空氣由下部向上部運動，有傳質過程。GAN A AaVDAaV (C A1 C A 2 )18、解；z2 L(r2r1 )AaVln r2r1N AD (CA1 CA2)10 9 (0.02 0.005)1.5 10 8 kmol /(m s)19、解：z1

16、 10320、解：氨 - 空氣DO0.210 4 m2 / s, P01.013105 Pa ,T0273K ,T350K , PP03DO P0T 20.2 104 350DT0273P氫空氣320.29 10 4 m2 / sDO 0.51110 4 m2 / s3DO P0T 24350D0.511 10273PT0320.742 10 4 m2 / s2L(r2r )20.510 32AaV10.124mln r2ln2022、解、r119.5C A1sPA11602320kmol / m3C A2sPA21600.116koml / m3DAaV1.810 110.1246GAz(C

17、A1 CA2)0.510 3(32016) 1.357 10koml / s質量損失 GA1.35710 622.71410 6 kg / s0CO2和 N2在25 C時，4223、解：擴散系數(shù) D 0.167 10m/ sPA1 PA2（ 100-50 ） 10 3 13.6 103 9.8 6664 PaD(PA1 PA2)1.6710 56664GA48.81011koml / sN A A8314298 1RT z25、解、該擴散為組分通過停滯組分的擴散過程N AD dGAxA ( N A N B ), N B0drN AD dGAxAN AdrC APA , xAPARTPN ADd

18、PAPA NARTdrPN ADPdPART (PPA )dr整理得GAN A Ar4r 2GADPdPA4 r 2RT(P PA)drdrdPAGA RT0分離變量，并積分得4 DP r0 r 2PAS P PA得GA4 DPr ln PPASRTP27、解： nAhm (A SA )查表得當溫度為 270C 時，A S0.026446kg / m3AA ShmnA154.02m / h(1 3090)A SA0.02644628、解：（ a）當溫度為23 時， =0.021214 kg / m3A0hmnA1.5101A )170.27m / sA(A S0.02320.0212144nA

19、hm A(A SA S ) 170.270.02320.021214 (1 0.5) 0.075kg / s(b)4(c) 當溫度為 47， =0.073462 kg / m3nA hm A A S 170.270.02320.073462 0.519kg / s429、解：nA0.111032.7810 2 kg / s3600當溫度為305K 時， =0.03453 kg / m3hmnA2.78102A S(1)10.3453 (11.34m / sA0.4)30、解： mAhm (A1A2 )10 2(610 45 10 4 )10 6第四章空氣熱質處理方法1、（1）大氣是由干空氣和一

20、定量的水蒸汽混合而成的。我們稱其為濕空氣，其主要成分是：氮、氧有、氬、二氧化碳、水蒸氣等。（ 2）在濕空氣中水蒸氣的含量雖少，但其變化確對空氣環(huán)境的干燥和潮濕程度產生重要的影響。 且使?jié)窨諝獾奈锢硇再|隨之改變。 因此研究濕空氣中水蒸氣的含量在空氣調節(jié)行業(yè)中占重要地位 .2、（1）濕空氣的密度等于干空氣密度與蒸汽密度之和。BPs30.001315Tkg / m287T在大氣壓力 B 和 T 相同情況下，濕度增大時，濕空氣的密度將變小。天氣由晴轉陰時，空氣中水蒸汽的含量增加，由此降低了空氣的密度，于是大氣壓要下降。（ 2） 在冬季。天氣干燥。水蒸汽在空氣中含量減少，而且溫度 T 也減少了，所以密度

21、增加了，于是冬季大氣壓高于夏季的。3、（1）在大氣壓強。溫度一定的條件下，濕空氣的水蒸汽分壓力是指，在與濕空氣同體積的條件下，將干空氣抽走，水蒸汽單獨存在時的壓力。濕空氣的水蒸汽飽和分壓力是指， 在與飽和濕空氣同體積的條件下，將干空氣抽走，水蒸汽單獨存在時的壓力。濕空氣的水蒸汽飽和分壓力是濕空氣的水蒸汽分壓力的上限。（ 2）它們的大小是受大氣壓力影響的。4、（1）會有凝結水產生。（ 2）由附錄 41 可知：當房中漏點溫度為 9.5 而冷水管表面溫度為 8 所以會有凝結水產生。（ 3）若想管道表面不產生凝結水，則可以對房間空氣進行除濕。5、由附錄 41 可知：濕空氣 201 =50%時，i=39

22、kJ/kg(干空氣 )；濕空氣 15， 2 =90% 時， i=39kJ/kg(干空氣 ) ； 所以空氣的焓值沒有發(fā)生變化。6、由已知得， =Q/W =14000/2=7000 （kJ/kg ）t終狀態(tài)t2 =25 , 查 附錄 41 得 2 =40%， i2 =45.5 kJ/kg( 干空氣 )d 2 =7.9g/kg(干空氣 )7、由已知得， =5000 （kJ/kg ）由初始狀態(tài)t1 =20,終狀態(tài) t2 =30,2 =50% 查附錄 41 得 1 =62%， i1 =43 kJ/kg( 干空氣) d1 =9g/kg( 干空氣 )8、解：（a,b,c ）由室空氣狀態(tài)：溫度 20，壓力 1

23、01325Pa 水蒸汽分壓力為 1400Pa，查附錄 41得 d=8.8g/kg( 干空氣 )=6 0%，i=42kJ/kg( 干空氣 )（ d ） 已知干空氣的氣體常數(shù)為287J/ （ kg*k ）干空氣分壓力B-Pq=101325-1400=99925(Pa)p g999251.188kg / m3干空氣密度：g287T287 293室干空氣質量； M ggV 1.18853.3 3 58.8kg(e) ：室水蒸汽質量 :Mq=8.8*58.8=517.5g(f) ：如果使室空氣沿等溫線家濕至飽和狀態(tài)，則角系數(shù) =2500 kJ/kg 當空氣的狀態(tài)是溫度為 20， =100%時，則 d=1

24、4.6g/kg( 干空 氣 )水 蒸 汽 分 壓 力2350 Pa 此 時 室 的 干 空 氣 的 密 度 為g10132523501.177kg / m3287293室干空氣質量為 Mg=1.177 5 3.3 3=58.26kg 室水蒸汽質量為 14.6 58.26=850.6g 加入的水蒸汽量； 850.6-517.5=333.1g9、解：由題意得，可知，假設室空氣的露點溫度為 7，則在標準大氣壓下，初始溫度為 20，露點溫度為 7的空氣參數(shù)。可由附錄 41 得 d=6.2g/kg( 干空氣 ) =42.5%，所以允許最大相對濕度為42.5%，最大允許含濕量是6.2g/kg( 干空氣 )

25、10、解：a，由附錄 41 得 t1 =25, 1=70%時， d1 =14g/kg( 干空氣 )t2 =15, 2 =100%時， d2 =10.5g/kg( 干空氣 ) 失去的水蒸汽 d=d1 - d2 =14-10.5=3.5g (b,c,d )icp g由Q cp gt(2500cp q t )d1000t1 (2515)10kJ / kg( 干空氣 )Q1(2500 1.8425) 1435.644 kJ / kg1000Q2(2500 1.8415) 10.526.54kJ / kg1000Q29.1kJ / kg空氣狀態(tài)變化時失去的總熱量是19.1 kJ/kg11、 當大氣壓發(fā)生

26、變化時，空氣所有的狀態(tài)參數(shù)都會發(fā)生變化。12、 ABCD00t初100 Ct初 0 C設過一段時間后A、B、C、D溫度分別為 t A、 tB、 tC、 tD 環(huán)境溫度為 t f ，則有 tAt f tB t ftC t ftD t fA 、C與環(huán)境進行熱交換主要是通過外表面熱輻射和外表面與環(huán)境進行熱交換。B 、D 除擁有 A、C 的換熱特點外，還有液體表面與環(huán)境直接進行的熱質交換，因此它們的熱量傳遞速率較 A、C 的快，更能在短時間接近 t f足夠長的時間， A、B、C、D與環(huán)境平衡，而且 A、C 的溫度應等于環(huán)境干球溫度 B、D應等于環(huán)境濕球溫度。13、解：a由初始狀態(tài)濕球溫度為25，室空氣

27、溫度為24，相對濕度為 50%查附錄 4 1 則新風的焓為76 kJ/kg(干空氣 )回氣的焓為48kJ/kg( 干空氣 )由能量守衡， M 新 i新M 回i回 (M 新M 回 )i混2 76+3 48=5 i混i混 =59.2 kJ/kg( 干空氣 )(b)由已知查附錄41 得 d1 =15.8g/kg(干空氣 )d2 =9.3g/kg( 干空氣)則由質量守衡M1 d1+M2 d2=(M1+M2)d3 215.8+3 9.3=5d3d3=11.9 g/kg(干空氣 )(c)(d)hkJ / kg1.005td (2501 1.86t)59.21.005t11.9 (25071.86t )10

28、00t 29cm1 t1cm2t2 2(35-t)=3(t-24) t=28.414、解：由題意的空氣溫度為15，相對濕度為100%時，查附錄41 得當加熱到 22時，含濕量為 d3=10.5 g/kg( 干空氣 )當 t1 =30,1 =75%時， i1 =82 kJ/kg(干空氣 ) d1 =20.2g/kg( 干空氣 )當 t2 =15,2 =100%時， i2 =42kJ/kg( 干空氣 )d2=10.5 當 t1 =30 ,1 =75%g/kg(干空氣 )當 t3 =22,d3 =10.5g/kg(干空氣 )時 i3 =49 kJ/kg(干空氣 )則在冷卻器中放出的熱量為500 kg

29、/min （82 kJ/kg-42kJ/kg ）=20000kJ/min凝結水量500 kg/min(20.2g/kg( 干 空 氣 )-10.5g/kg(干 空氣)=4850g/min加熱器加入的熱量 500 kg/min49 kJ/kg ( 干空氣 )- 42 kJ/kg (干空氣 )=3500 kJ/min15、解：查附錄 4 1 得 初態(tài)為50時， i1 =62 kJ/kg( 干空氣 )d1 =4.3g/kg(干空氣 )末狀態(tài)為 35時 i2 =129 kJ/kg(干空氣 ) d2 =36.5g/kg(干空氣 )d=36.5-4.3=22.2 g/kg(干空氣 )所以從被干燥的物體中吸

30、收1 kg水分 時所需的 干空 氣量 G=1000/32.2=31 kg加熱量 Q=G i=31 (129-62)=2077 kJ16、由附錄 4 1 得空 氣 ： 初 態(tài) ： t=15 , =50% 得 i1 =28.5kJ/kg( 干 空 氣 )d1 =5.3g/kg(干空氣 )末態(tài)： t=30 , =100% 得 i2 =100 kJ/kg( 干空氣 )d2 =27.3g/kg(干空氣)所以 i=71.5 kJ /kg(干空氣 )d=22 g/kg(干空氣 )由 能 量 守 衡 的 c水 m水tG氣i4.2 10010315= G氣71.5G氣 =88 103kg/hM 水蒸汽 =G氣

31、d=88 10322=1936 kg/h查附得從塔府進入的空氣的溫度為15，相對濕度為50%時其濕球溫度為為 9.7 則冷卻塔水從 30冷卻至 9.7 G水m t= G氣 I4.2 100 103 20.3= G氣71.5G氣 =119 103 kg/h17、解：總熱交換量以空氣初狀態(tài)的濕球溫度Ts 為界，顯熱交換量以空氣初狀態(tài)的干球溫度T1 為界，潛熱交換量以空氣初狀態(tài)的露點溫度T2 為界，由 T1=30 ，水蒸汽的分壓力為 2000Pa得 Ts=21.4 T2=17.5水溫 t50301810 傳熱方向氣 水氣水氣水氣水傳質方向氣水氣水氣水氣水18、解：（a）常壓下氣溫為 30，濕球溫度為

32、 28，由附錄 41 得 d1 =23g/kg( 干空氣 )被冷卻到 10的飽和空氣由附錄41 得知 d2 =7.5g/kg( 干空氣 )所以每千克干空氣中的水分減少了15.5g（ b）若將氣體加熱到 30，由附錄 41 得濕球溫度為 17.8 。19、解：因為不計噴入水的焓值，則可以認為是等焓變化。查附錄得末狀態(tài)：含濕量為 26g/kg 干空氣水蒸汽分壓力： 4100Pa相對濕度為： 42%濕球溫度為： 32.4焓值為： 113kJ/kg 干空氣20. 解：物理吸附是被吸附的流體分子與固體表面分子間的作用力為分子間吸引力，它是一種可逆過程，物理吸附是無選擇的，只要條件適宜，任何氣體都可以吸附在任何固體上。吸附熱與冷凝熱相似。適應的溫度為低溫。吸附過程進行的急快參與吸附的各相間的平衡瞬時即可達到?；瘜W吸附是固體表面與吸附物間的化學鍵力起作用的結果。 吸附力較物理吸附大，并且放出的熱也比較大，化學吸附一般是不可逆的，反應速率較慢，升高溫度可以大大增加速率， 對于這類吸附的脫附也不易進行，有選擇性吸附層在高溫下穩(wěn)定。人們還發(fā)現(xiàn)，同一種物質，在低溫時，它在吸附劑上進行物理吸附，隨著溫度升到一定程度，就開始發(fā)生化學變化轉為化學吸附，有時兩種吸附會同