熱質(zhì)交換考試題

一、填空題1總熱交換是一潛熱交換和顯熱交換的總和。2當流體中存在速度、溫度和濃度的梯度時，就會分別產(chǎn)生動量、熱量和質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。3潛熱交換是發(fā)生熱交換的同時伴有質(zhì)交換（濕交換）空氣中的水蒸氣凝結(jié)（或蒸發(fā)）而放出（或吸收）汽化潛熱的結(jié)果4流體的粘性、熱傳導性和質(zhì)量擴散通稱為流體的分子傳遞性質(zhì)。5當流場中速度分布不均勻時，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生切應力；溫度分布不均勻時，分子傳遞的結(jié)果產(chǎn)生熱隹導；多組分混合流體中，當某種組分濃度分布不均勻時，分子傳遞的結(jié)果會產(chǎn)生該組分的質(zhì)量擴散；描述這三種分子傳遞性質(zhì)的定律分別是牛頓粘性定律、傅立葉定律、菲克定律。6熱質(zhì)交換設(shè)備按照工作原理不同可分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式、熱管式等類型。表面式冷卻器、省煤器、蒸發(fā)器屬于間壁式，而噴淋室、冷卻塔則屬于直接接觸式。熱質(zhì)交換設(shè)備按其內(nèi)冷、熱流體的流動方向，可分為順流式、逆流式、混合流式和叉流式。工程計算中當管束曲折的次數(shù)超4次，就可以作為純逆流和純順流來處理。溫差是熱量傳遞的推動力，而焓差則是產(chǎn)生質(zhì)交換的推動力。9質(zhì)量傳遞有兩種基本方式:分子傳質(zhì)一和對流傳質(zhì)，兩者的共同作用稱為擴散傳質(zhì)。10相對靜坐標的擴散通量稱為以絶對速度表示的質(zhì)量通量,而相對于整體平均速度移動的動坐標擴散通量則稱為以擴散速度表示的質(zhì)量通量11相際間對流傳質(zhì)模型主要有薄膜理論、溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論。12一個完整的干燥循環(huán)由吸濕過程、再生過程和冷卻過程構(gòu)成。13冷卻塔分為干式和濕式。由有淋水裝置、配水系統(tǒng)、通風筒組成。14換熱器的熱工計算有兩種方法:平均溫差法（LMTD法）和效能-傳熱單元數(shù)法（&-NUT法）二、名詞解釋熱舒適性（人體對周圍空氣環(huán)境的舒適熱感覺）、絕熱飽和溫度（絕熱增濕過程中空氣降溫的極限）、傳質(zhì)通量（單位時間通過垂直與傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)的量）、擴散系數(shù)（沿擴散方向在單位時間每單位濃度降的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)、）空氣調(diào)節(jié)（利用冷卻或者加熱設(shè)備等裝置，對空氣的溫度和濕度進行處理，使之達到人體舒適度的要求）、新風（從室外引進的新鮮空氣，經(jīng)過熱質(zhì)交換設(shè)備處理后送入室內(nèi)的環(huán)境中）、回風（從室內(nèi)引出的空氣，經(jīng)過熱質(zhì)交換設(shè)備的處理再送回室內(nèi)的環(huán)境中）、露點溫度（指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下冷卻到飽和時的溫度）、分子傳質(zhì)（由于分子的無規(guī)則熱運動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象）（擴散傳質(zhì)）、對流傳質(zhì)（：是流體流動條件下的質(zhì)量傳輸過程）、質(zhì)量濃度（單位體積混合物中某組分的質(zhì)量）、濃度邊界層（質(zhì)量傳遞的全部阻力集中于固體表面上一層具有濃度梯度的流層中，該流層即為濃度邊界層）、速度邊界層（質(zhì)量傳遞的全部阻力集中于固體表面上一層具有濃度梯度的流層中，該流層即為濃度邊界層）、熱邊界層流體流動過程中.在固體壁面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的薄層、雷諾類比對流傳熱和摩擦阻力間的聯(lián)系）、宣烏特準則數(shù)（流體傳質(zhì)系數(shù)hm和定型尺寸的乘積與物體的互擴散系數(shù)（Di）的比值）施密特準則數(shù)（流體的運動黏度（v）與物體的擴散系數(shù)（D）的比值）、普朗特準則數(shù)（流體的運動黏度（v）與物體的導溫系數(shù)a的比值）三、簡答題解釋顯熱交換、潛熱交換和全熱交換，并說明他們之間的關(guān)系。顯熱交換是空氣與水之間存在溫差時，由導熱、對流和輻射作用而引起的換熱結(jié)果。潛熱交換是空氣中的水蒸氣凝結(jié)（或蒸發(fā)）而放出（或吸收）汽化潛熱的結(jié)果?？偀峤粨Q是顯熱交換和潛熱交換的代數(shù)和。擴散系數(shù)是如何定義的？影響擴散系數(shù)值大小的因素有哪些？擴散系數(shù)是沿擴散方向，在單位時間每單位濃度降的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質(zhì)的質(zhì)量或摩爾數(shù)，大小主要取決于擴散物質(zhì)和擴散介質(zhì)的種類及其溫度和壓力。試比較分析對流傳質(zhì)與對流傳熱的相關(guān)準數(shù)之間的關(guān)系？傳質(zhì)傳熱Sc=v/diPr=v/aSh=hm.l/DiNu=hlA

Stm=Sh/Re.ScSt=Nu/Re.Pr如何認識傳質(zhì)中的三種速度，并寫出三者之間的關(guān)系？UaUb:絕對速度Um：混合物速度UaUb擴散速度Ua=Um+（Ua-Um）絕對速度=主體速度+擴散速度簡述“薄膜理論”的基本觀點。當流體靠近物體表面流過，存在著一層附壁的薄膜，在薄膜的流體側(cè)與具有濃度均勻的主流連續(xù)接觸，并假定膜內(nèi)流體與主流不相混合和擾動，在此條件下，整個傳質(zhì)過程相當于此薄膜上的擴散作用，而且認為在薄膜上垂直于壁面方向上呈線性的濃度分布，膜內(nèi)的擴散傳質(zhì)過程具有穩(wěn)態(tài)的特性。在什么條件下，描述對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式與描述對流換熱的準則關(guān)聯(lián)式具有完全類似的形式？請說明理由。當邊界層傳遞方程的擴散系數(shù)相等時即v=a=D或V/a=V/D=a/D=1時具有完全相同的形式分別寫出對流換熱與對流傳質(zhì)的基本計算式以及式中各項的單位和物理意義；并指出當熱質(zhì)傳遞同時存在時，對流換熱系數(shù)h和對流傳質(zhì)系數(shù)仇口之間存在什么樣的關(guān)系？hm=0.664DAB/LRe0.5Sc1/3簡述表面式冷卻器處理空氣時發(fā)生的熱質(zhì)交換過程的特點。當冷卻器表面溫度低于被處理空氣的干球溫度，但高于其露點溫度時，則空氣只是冷卻而不產(chǎn)生凝結(jié)水，稱干工況。如果低于空氣露點，則空氣不被冷卻，且其中所含水蒸氣部分凝結(jié)出來，并在冷凝器的肋片管表面形成水膜，稱濕工況，此過程中，水膜周圍形成飽和空氣邊界層，被處理與表冷器之間不但發(fā)生顯熱交換還發(fā)生質(zhì)交換和由此引起的潛熱交換吸附（包括吸收）除濕法和表冷器，除濕處理空氣的原理和優(yōu)缺點是什么？吸附除濕是利用吸附材料降低空氣中的含濕量。吸附除濕既不需要對空氣進行冷卻也不需要對空氣進行壓縮，且噪聲低并可以得到很低的露點溫度。表冷器缺點：僅為降低空氣溫度，冷媒溫度無需很低，但為了除濕必須較低，分析說明動量、熱量和質(zhì)量三種傳遞現(xiàn)象之間的類比關(guān)系。當物系中存在速度、溫度、濃度的梯度時，則分別發(fā)生動量、熱量、質(zhì)量的傳遞現(xiàn)象。動量、熱量、質(zhì)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運動。動量傳遞、能量傳遞、質(zhì)量傳遞三種分子傳遞和湍流質(zhì)量傳遞的三個數(shù)學關(guān)系式是類似的。寫出施密特準則數(shù)和宣烏特準則數(shù)及他們的物理含義施密特準則數(shù)（Sc）對應于對流傳熱中的普朗特準則數(shù)（Pr）ScDiScDiV流體的運動粘度（即動量傳輸系數(shù)）a物體的導溫系數(shù)（即熱量傳輸系數(shù)Di物體的擴散系數(shù)①聯(lián)系動量和質(zhì)量傳遞的相似準則②表示速度分布和濃度分布的相互關(guān)系。③體現(xiàn)了流體的傳質(zhì)物性。舍伍德準則數(shù)（Sh）對應于對流傳熱中的努謝爾特準則數(shù)（Nu）ShhShh-1mDia對流傳熱系數(shù)入物體的導熱系數(shù)1:定型尺寸系數(shù)hm:對流傳質(zhì)系數(shù)Di物體的擴散系數(shù)12解釋析濕系數(shù)（換熱擴大系數(shù)E）dQdQ~zxdQ=dQ+dQdQ~zxdQ=dQ+dQzdQ[h(t-tb)+rhmd(d-d)]dAb13冷卻塔熱質(zhì)交換的特點冷卻塔內(nèi)水的降溫主要是由于水的蒸發(fā)換熱和氣水之間的接觸傳熱。因為冷卻塔多為封閉形式，且水溫與周圍構(gòu)件的溫度都不很高，故輻射傳熱量可不予考慮。在冷卻塔內(nèi)，不論水溫高于還是低于周圍空氣溫度，總能進行水的蒸發(fā)隨著水溫的降低

Q=QB+QaQ=QPQ=QB”QaQ=QB-Qa=014試比較分析對流傳質(zhì)與對流傳熱的相關(guān)準數(shù)之間的關(guān)系。順流和逆流分析比較：在進出口溫度相同的條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，順流時，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度，以此來看，熱質(zhì)交換器應當盡量布置成逆流，而盡可能避免布置成順流，但逆流也有一定的缺點，即冷流體和熱流體的最高溫度發(fā)生在換熱器的同一端，使得此處的壁溫較高，為了降低這里的壁溫，有時有意改為順流。Q=QB+QaQ=QPQ=QB”QaQ=QB-Qa=014試比較分析對流傳質(zhì)與對流傳熱的相關(guān)準數(shù)之間的關(guān)系。順流和逆流分析比較：在進出口溫度相同的條件下，逆流的平均溫差最大，順流的平均溫差最小，順流時，冷流體的出口溫度總是低于熱流體的出口溫度，而逆流時冷流體的出口溫度卻可能超過熱流體的出口溫度，以此來看，熱質(zhì)交換器應當盡量布置成逆流，而盡可能避免布置成順流，但逆流也有一定的缺點，即冷流體和熱流體的最高溫度發(fā)生在換熱器的同一端，使得此處的壁溫較高，為了降低這里的壁溫，有時有意改為順流。四、推導題1、寫出動量、熱量和質(zhì)量的分子擴散的定律及通用表達式發(fā)生動量傳遞。duT=U =Vdyd(pu)dyd(pu)pdy——動量濃度的變化率pu——動量濃度，單位體積內(nèi)流動的動量在y方向上的變化率傳熱、傅立葉定律、dt入d(pCt) d(pCt)q二一九 二一 p—=-a p—dy pC dy dyd(pCt)p-

dy焓濃度的變化率pCP一一焓濃度，單位體積內(nèi)流體的焓在y方向上的變化率。入一一導熱系數(shù)a一一熱擴散系數(shù)q—一熱流通量傳質(zhì)、斐克定律dC*m=Dp a—AABdypA A組分密度CA*一一質(zhì)量百分數(shù)p混合物密度m=-D吧AABdydpA為常數(shù)時數(shù)dy——質(zhì)量濃度的變化率，密度的變化率DmAB一一A在B中的擴散系數(shù) A――質(zhì)流通量這三個表達式從“分子擴散”機理的角度說明了三傳的類比性?！瘋鬟f的量 pu--單位體積流體的動量＜傳遞的量的速率比例常數(shù),焓,質(zhì)量傳遞的量的傳遞速率正比于傳遞的量的變化率，從而為通過傳熱來研究物質(zhì)提供了可能性。FD①'=-Cd①dy2、混合物的質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)表示方法及互換關(guān)系質(zhì)量分數(shù)：摩爾分數(shù)：

aAM*■A3、推出氣體中穩(wěn)態(tài)擴散過程的等分子反向擴散通量方程dCC( \N=-DA+A(aAM*■A3、推出氣體中穩(wěn)態(tài)擴散過程的等分子反向擴散通量方程dCC( \N=-DA+A(N+N丿A dzCABdCAdzN二一N等分子反向擴散A B得出N=———(p-p)AAzRTAi A24、推導傳質(zhì)微分方程m+m+m=mA,conv A,dif A,g A,stfff[-V-(p厲)+V?(D)Vp+n]dV=Bl^^dVA AB A A QtVVQp .」+V?(p療)=V?(D)Vp+nQt A AB A A五、計算題1、有一管道充滿了氮氣和氧氣的混合氣體，其溫度為200°C，總壓力位O.IMPa,—端氮氣濃度為1.0Kmol/m3，另一端濃度為0.4Kmol/m3,兩端相距50cm，已知D*=0.5X10-4m2/s,計算穩(wěn)態(tài)下氮氣的物質(zhì)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、有一管道充滿了氮氣和氦氣的混合氣體，其溫度為300K，總壓力位0.1MPa，一端氮氣的分壓力為0.06MPa，另一端為0.01MPa，兩端相距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，計算穩(wěn)態(tài)下氮氣的物質(zhì)的量通量。-DBCA2dcAABCA1z-z21對于理想氣體，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、某空氣冷卻式冷凝器，以R134a為制冷劑，冷凝溫度為ts=50C，蒸發(fā)溫度t°=5C，時的制冷量Q°=5500W，壓縮機的功耗是1500W，冷凝器空氣進口溫度為35C，出口溫度為43Co(1)制冷劑與空氣的對數(shù)平均溫差是多少？(2)已知在空氣平均溫度39C下，空氣的比熱為1013J/kg.K，密度為1.1kg/m3，所需空氣流量是多少？

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)冷凝總負荷1 2 0=5500+1500=7000W_Qq_v cAtp=7000/(1.1X1013X8)=0.79m3/s4、一個直徑為3cm的萘球懸掛于空氣管道中，求下述條件的瞬時傳質(zhì)系數(shù)；(1)萘球周圍的空氣靜止，溫度為259K，壓力為101.325kPa，萘在空氣中的擴散率為5.14X10-6m2/s；(2)空氣以0.15m/s的速度流過萘球，溫度為259K，壓力為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、一管式逆流空氣加熱器，空氣由15C加熱到30C，水在80C下進入換熱器管內(nèi)，40°C時離開，總換熱量位30kW，傳熱系數(shù)為40W/(m2.C),求：(1)平均換熱溫差；(2)換熱器面積。Atm解：(1)At‘=8O-3O=50°CQt''=40-15=25CAt'-At''‘At'InAt''=35.7CA亠kAtkAtm=30000/(40X35.7)=21m27、含少量碘的壓力為1.013X105Pa、溫度為25C的空氣，以5.18m/s的速度流過直徑為3.05X10-2m的圓管。設(shè)在空氣