热质交换原理与设备期末考题Word格式文档下载.doc
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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）0.6<
Pr<
60；
（2）0.6<
Sc<
3000；
（3）；
（4）湍流
2、写出麦凯尔方程式，并说明其物理意义答：
意义：
湿空气在冷却表面进行冷却降湿过程中，使空气主流与紧靠水膜饱和空气的焓差是热、质交换的推动势。
3、同一表面上传质过程如何影响传热过程答：
由于传质的存在，传质速率的大小和方向影响了壁面上的温度梯度，从而影响了壁面上的总传热量。
同时传质的存在对壁面热传导和总传热量的影响是方向相反的
传质阿克曼修正系数>
0，随着↑，总热量↑，导热量↓；
传质阿克曼修正系数<
0，随着↑，总热量↓，导热量↑。
4、吸附除湿法和表冷器除湿处理空气的优缺点如何答：
表冷器除湿：
（1）低温露点除湿，除湿要求较低的冷源温度（低于露点温度），降低了制冷机的效率，同时由于冷媒温度较低（较低露点要求），自然低温冷源难以利用；
（2）除湿后须将空气加热到适宜的温度，浪费了能源，增加污染，易出霉菌；
（3）设备结构简单，安装运行方便。
独立除湿：
（1）不需对空气进行冷却和压缩；
（2）降温和除湿分开独立处理，冷源只需将空气降低到送风温度即可；
（3）采用吸附或吸收方法除湿节省能源；
（4）结构复杂，属新概念空调。
五、分析题要将夏季和冬季分别为点的室外空气处理到送风状态O，针对下面几种处理方案在焓湿图上定性表示出来。
（1）夏季：
表冷器冷却减湿-加热器再热；
（2）冬季：
加热器预热-一部分喷淋室绝热加湿-与另一部分未加湿的空气混合。
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。
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
减
减湿冷却
A-2
不变
等湿冷却
A-3
增
减焓加湿
A-4
等焓加湿
A-5
增焓加湿
A-6
等温加湿
A-7
增温加湿
一、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？
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运动时，斐克定律又该如何表示？
斐克定律：
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：
，－分别为组分A的相对质扩散通量和摩尔扩散通量；
——分别为组分A的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度；
——组分A向组分B中的质扩散系数，单位；
当混合物以整体平均速度运动时
三、简述“薄膜理论”的基本观点。
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。
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）
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。
上式中，为潜热和显热的代数和；
为主流空气的焓，为边界层中饱和湿空气的焓，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、氢气和空气在总压强为1.013×
105Pa，温度为25℃的条件下作等摩尔互扩散，已知扩散系数为0.6㎝2/s，在垂直于扩散方向距离为10㎜的两个平面上氢气的分压强分别为16000Pa和5300Pa。
试求这两种气体的摩尔扩散通量。
解：
用A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
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×
105Pa、温度为25℃的空气，以5.18m/s的速度流过直径为3.05×
10-2m的圆管。
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=0.826×
10-5㎡/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）（15分）
管内受迫层流：
管内受迫紊流：
课程
热质交换原理与设备
考试形式（开/闭卷，考试/查）
一、填空题（每题2分，共16分）
1.
按照工作原理的不同可以将热质交换设备分为_________、__________、蓄热式和热管式。
2.
______与_质__两者的共同作用称为对流传质。
3.
蓄热用固液相变材料的热性能要求为：
合适的相变温度、较大的相变潜热以及合适的导热性能。
4.
吸附空气中水蒸气的吸附剂称为干燥剂，干燥剂的吸湿和放湿的机理是____由干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差造成，当前者较低时，干燥剂吸湿，反之放湿_______________。
5.
吸附剂的再生方式有____加热再生方式______、_____减压再生方式_____、____使用清洗气体的再生方式____、___________。
6.
湿工况下表冷器的析湿系数的定义：
_，，其值的大小直接反映了__
_
____。
7.
蒸发冷却所特有的性质是_______
_
________。
8.
在冷却塔的热工计算中，一般要求冷却水出口温度t2比当地气温条件下的湿球温度ts高____3～5______℃。
二、分析简答题（每题6分，共36分）
温度为30℃、水蒸气分压力为2kPa的湿空气吹过下面四种状态的水表面时，试用箭头表示传质和总传热的方向。
水温t
50℃
30℃
18℃
10℃
传热方向
气
水
传质方向
如何理解动量、热量和质量传递现象的类比性？
当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生动量、热量和质量传递现象。
动量、热量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子传递，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
对三类现象的分子传递和湍流传递分析可以得出这三种传递现象背后的机理是相同的，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：
传递速率＝扩散系数×
传递推动力，清楚地表明了“三传”之间的类比性。
（4分）
另外，从动量方程、热量方程和扩散方程及相对应的边界条件可以看出它们在形式上是完全类似的，也清楚地表明了“三传”之间的类比性。
（2分）
根据关系式，以及，说明同一表面上传质对传热过程的影响。
式表明，传质的存在对壁面导热量和总传热量的影响是相反的。
在C0>
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。
分析用吸收、吸附法处理空气的优点。
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。
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。
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。
说明集中空调系统采用冰蓄冷系统的优点。
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1－2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）
简述在表冷器进行冷却减湿时所发生的热质交换过程。
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。
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。
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：
——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：
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
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。
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）
——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=1.87×
10-6m2/s。
试计算氧的质量扩散通量。
已知＝13000Pa，＝6500Pa；
则＝100000－13000＝87000Pa，＝100000－6500＝93500Pa
平均分压强
（6分）
则氧的质量扩散通量：
2.一温度计的温包被湿布包覆。
当压力为1.013×
105Pa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。
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：
代入数据，得：
=66.2℃
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。
表冷器的热工计算原则：
（1）该冷却器能达到的ε1应该等于空气处理过程所需要的ε1
（2）该冷却器能达到的ε2应该等于空气处理过程所需要的ε2
（3）该冷却器吸收的热量应该等于空气放出的热量
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=1.01325×
105Pa）
干饱和水蒸气的热物性
t
（℃）
cp
（kJ/（kg.K））
ρ
（kg/m3）
×
106（m2/s）
p×
10-5（Pa）
r
（kJ/kg）
10
1.005
1.247
14.16
0.01227
2477.7
20
1.205
15.06
0.02338
2454.3
30
1.165
16.00
0.04241
2430.9
40
1.128
16.96
0.07375
2407.0
50
1.093
17.95
0.12335
2382.7
中 原 工 学 院
建环01热质交换原理与设备 课程期末试卷
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
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