热质交换原理与设备期末考题.doc

热质交换原理与设备综合复习资料一、填空题1、 流体的黏性、热传导和质量（分子扩散）通称为流体的分子传递性质。2、 将热质交换设备系统由于过程不可逆而产生的熵增与两种流体中热容量较大的流体的热容量之比称之为（熵产单元数），常用来作为热质交换设备的评价指标。3、 按不同的工作原理，热质交换设备可分为：（间壁式）、（直接接触式）、蓄热式和热管式。4、 （浓度差）是产生质交换的驱动力，质交换有两种基本方式为分子扩散和对流扩散。5、 由于扩散传质引起的热传递，这种现象称为（杜弗尔）效应。6、 二元混合气体作为理想气体用分子动力理论可以得出质量扩散系数与温度、压力关系为：（ ）。7、 （ 相变贮能）是利用固-液相变、液-汽相变、固-汽相变和固-固相变过程来吸收和释放热量，进行蓄冷和蓄热的一项技术。8、 准则数Pr表示速度分布和温度分布的相互关系；准则数（Le ）表示温度分布和浓度分布的相互关系。9、 雷诺类似率表述了对流传热、传质和摩擦阻力之间的关系，它们以准则数（Sh，Nu，Re，Pr，Sc）形式的表述形式分别为、（）。10、 吸附剂吸附除湿过程是（ 放热 ）过程，吸附热一般( 大于 )水蒸气的凝结热。11、 菲克扩散基本定律（kg/m2.s）中的为扩散物质A的（相对扩散）通量。当混合物以某一质平均速度移动时，其坐标应取随整体平均速度的动坐标。12、 系数D，a，具有扩散的性质，它们的单位均为m2/s，它们分别称为（分子扩散系数）、热扩散系数和（动量扩散系数）。13、 浓度差是产生质交换的驱动力，质交换有两种基本方式为（分子扩散）和（对流扩散）。14、 二元体系中，由于存在温度差引起的扩散，称为热扩散，也称（索瑞特）效应。15、 吸附剂的再生方式有加热再生、（减压再生）、使用清洗气体再生和（置换脱附再生）。16、 舍伍德准则数Sh的物理意义是（反映流体的边界扩散阻力与对流传质阻力之比 ）。17、 （吸附）现象是产生在相异两相的边界面上的一种分子积聚现象。二、判断题1、 在没有浓度差的二元体系中即使各处存在温度差或总压差，也不会产生质扩散。（ ）2、 当传质方向从流体主流到壁面，即传质阿克曼修正系数的值为负，此时壁面上的导热量就大为增加。（ ）3、 把冷水和温水同时放入冰箱中，则冷水将比温水结冰快。（ ）4、 送风射流较之回风气流的作用范围大得多，因而在空调房间中，气流流型及温度与浓度分布主要取决于送风射流。（ ）5、 喷淋室的前挡水板具有挡住飞溅出来的水滴和使进风均匀流动的双重作用，所以也称为均风板。（ ）6、 湿球温度受传递过程中各种因素的影响，它不完全取决于湿空气的状态，所以不是湿空气的状态参数。（ ）7、 水在冷却塔中进行蒸发冷却，其温度只能被冷却到空气的最初温度，此时水温称为水的冷却极限。（ ）8、 表冷器用来减湿冷却，喷淋室可以完成除减湿冷却以外的所有空气处理过程。（ ）9、 湿式冷却塔和喷淋室都属气水直接接触式热质交换设备，均是用来处理空气用的。（ ）10、 预混燃烧热强度比扩散燃烧高很多，燃烧完全程度也高，燃烧火焰的稳定性也好，不易产生回火。（ ）11、 表冷器的热交换效率是指表冷器中的实际换热量与最大可能换热量的比值，其实质就是换热器的传热效能。（ ）12、 湿空气与水直接接触时，当接触时间足够长，但水量有限时，水温在任何热湿交换过程中都将发生变化。（ ）13、 物质的分子扩散系数表示物质的扩散能力，是物质的物理性质之一，与物质的浓度直接相关。（ ）1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、三、名词解释1、 烧蚀冷却：为了冷却表面，在物体的表面上涂上一层材料，当温度升高时涂层材料就会升华、熔化或分解，这些化学过程吸收热量，而反应所产生的气体的质量流从表面离去，从而有效地冷却壁面，这种冷却方法称为烧蚀冷却。2、 浓度边界层：在流体表面处，存在一个浓度梯度很大的流体薄层区域，这个区域就称为浓度边界层。3、 换热扩大系数：在热湿交换中，把总热交换量与显热交换量之比称为换热扩大系数。4、 斐克定律：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，组成二元混合物中组分A和组分B发生扩散。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，这就是斐克定律。5、 析湿系数：在热湿交换中，把总热交换量与显热交换量之比称为换热扩大系数，也称为析湿系数。6、 传质冷却：为了冷却表面，通过一个不断从表面离去的质量流开冷却高温表面的方法，这种冷却方法称为传质冷却。四、简答题1、 写出刘易斯关系式，并阐明其成立的条件答： 条件：(1)0.6Pr60；(2)0.6Sc0，随着，总热量，导热量；传质阿克曼修正系数 0时，随着C0的增大，壁面导热量是逐渐减少的，而膜总传热量是逐渐增大的；（3分）在C0 0时，随着C0的减小，壁面导热量是逐渐增大的，而膜总传热量是逐渐减少的。（3分）4. 分析用吸收、吸附法处理空气的优点。答：利用吸收、吸附法处理空气的优点是独立除湿在空气处理过程中，将降温和除湿分开来独立处理。即由吸收或吸附来完成除湿任务，降温的任务只是将空气温度降低到送风状态点温度即可，而不需要额外的加热处理。（2分）传统的除湿方法是使用表冷器，冷却和除湿同时完成，由于除湿需冷却剂（冷冻水、制冷剂）的温度必须较低，一般为7-12，就会导致经过表冷器处理后的空气温度也较低，一般都需要通过加热器将空气加热，方能达到送风温度。（2分）当使用表冷器进行降温和除湿时，会产生以下一些缺点：（1）由于除湿的需要，要将表冷器的表面温度降低到空气的露点温度以下，这样冷却剂（冷冻水、制冷剂）的温度必须较低，而为了得到较低温度的冷却剂（冷冻水、制冷剂），会使制冷机的性能系数COP值降低。（）（2）一些天然冷源不能直接得到利用。（3）由于除湿析出的冷凝水，使表冷器长期工作在湿工况下，容易滋生细菌，被处理的空气经过表冷器时会被（二次）污染，继而影响到室内空气品质。（2分）5. 说明集中空调系统采用冰蓄冷系统的优点。答：蓄冷空调系统可使制冷机容量减少，且经常在满负荷高效率下工作，它利用夜间廉价电，均衡电网负荷，是符合我国国情的。从典型蓄冷空调系统经济效益分析亦可知，系统所增加的制冰及蓄冷设备费可由12年所节约的运行费回收。目前空调电量常占建筑物内用电量的大部分，若能综合分析空调负荷及建筑物内能源利用状况，利用楼宇整体化手法设计蓄冰空调系统，即可达到调峰填谷、降低运行费用的目的。（6分）6. 简述在表冷器进行冷却减湿时所发生的热质交换过程。答：湿工况下，表冷器的表面温度低于被处理空气的露点温度，空气不但被冷却，而且其所含的水蒸气也部分地凝结出来，在表冷器的肋片管表面上形成水膜，（3分）水膜周围形成一个饱和空气边界层，被处理空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换，空气被冷却减湿。（3分）三、（12分）试导出空气与水直接接触时发生热质交换的5个基本方程式，并说明麦凯尔方程表示的物理意义。解：假设当空气与水在一微元面 dA 上接触时，假设空气温度变化为 dt ，含湿量变化为 d(d) 。（1）显热交换量： （2分）湿空气的质量流量，kg/s湿空气与水表面之间的显热交换系数，W/(m2.)（2）湿交换量： （2分）潜热交换量： （2分）温度为 tb 时水的汽化潜热，kJ/kg单位时间单位面积蒸发（凝结）的水量，kg/(m2.s)（3）总热交换量：对空气水系统，存在刘易斯关系式：所以上式 （2分）因为：当温度为 t 时，湿空气焓为：当温度为 tb 时，湿空气焓为：如果忽略水蒸汽从0加热到t时的焓，即 项，并考虑到 t 和tb 差别不大，所以空气的比热和水的汽化潜热变化不大，即有： 所以从（3）式可以得到：（4） 麦凯尔方程麦凯尔方程表明：在热质交换同时进行时，如果满足刘伊斯关系式，则总热交换的推动力为空气主流湿空气与紧靠水面的饱和边界层空气的焓差。（2分）由于是空气与水之间发生的热质交换，所以不仅空气的状态会发生变化，水的状态也会发生变化。如果在热质交换中，水的温度变化为 dtw ，则根据热平衡：（5） （2分）水的质量流量，kg/s水的定压比热，kJ/(kg.)（1）（2）（3）（4）（5）称为空气与水直接接触时的热湿交换基本方程式。四、计算题（每题12分，共24分）1. 在氧（A）通过静止气体一氧化碳（B）的一维稳态扩散系统中，压力为1bar，温度为0。已知2mm长的扩散途径两端氧的分压力分别为13000Pa和6500Pa，在给定状态下的扩散系数DAB = 1.8710-6 m2/s。试计算氧的质量扩散通量。解：已知13000Pa，6500Pa；则1000001300087000 Pa，100000650093500 Pa平均分压强 （6分）则氧的质量扩散通量：（6分）2. 一温度计的温包被湿布包覆。当压力为1.013105Pa的干燥空气吹过该温包时，温度计示值为22。试计算干空气的温度。计算时取Sc/Pr = 0.845。解：由于水从湿球纱布上蒸发带入空气的热量等于空气通过对流换热传递给湿球的热量，即：而单位时间单位面积湿纱布上蒸发的水量：已知热、质传递同时存在的类比关系：综合上述几式，可得： （6分）代入数据，得：= 66.2 （6分）即干空气的温度为66.2。五、（12分）对表冷器给定已知条件：空气量G，空气初状态t1，ts1，终状态t2，ts2 ，冷水量W；求解内容：表冷器型号、台数、排数、冷水初温tw1、冷水终温tw2 。要求作焓湿图并给出热工计算原则。解：表冷器的热工计算原则：（1）该冷却器能达到的1应该等于空气处理过程所需要的1（3分）（2）该冷却器能达到的2应该等于空气处理过程所需要的2（3分）（3）该冷却器吸收的热量应该等于空气放出的热量 （3分）作出焓湿图（3分）注：如果将本题答案写成表冷器的热工计算步骤形式，只要包含上述三条计算原则，也可作为正确答案。干空气的热物性( p = 1.01325105 Pa) 干饱和水蒸气的热物性t()cp(kJ/(kg.K)(kg/m3)106 (m2/s)t()p10-5 (Pa)r(kJ/kg)101.0051.24714.16100.012272477.7201.0051.20515.06200.023382454.3301.0051.16516.00300.042412430.9401.0051.12816.96400.073752407.0501.0051.09317.95500.123352382.7中原工学院建环01 热质交换原理与设备课程期末试卷一、填空题（共30分）1、流体的粘性、热传导性和_质量扩散性_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、_叉流_式和_混合_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与组分A的_浓度梯度成正比，其表达式为；当混合物以某一质平均速度V移动时，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：，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。二、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hm之间存在什么样的关系？（10分）答：（1）对流换热的基本计算式：流体与壁面之间的对流换热热流通量，；对流换热系数，；壁面温度，。对流传质的基本计算式：组分A的质扩散通量，；对流传质系数，；组分在壁面处和在主流中的质量浓度，；（2）当热质传递同时存在时，对流换热系数h和对流传质系数hm之间满足下列关系式：或三、下表以空气外掠平板的受迫对流为例，将二维稳态常物性层流条件下的对流换热与对流传质进行了类比，请将其补充完整。（20分）对流换热对流传质控制方程微分方程边界条件假设条件常物性流体（1）组分A在空气中浓度很低（2）界面法线方向速度可忽略不计四、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）过程线水温特点过程名称A-1