《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：D（ DPT ）。
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Nu??132Cf2Re?Pr、（Sh?Cf2Re?Sc）。
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mA??DABdCA2
（kg/m.s）中的mA为扩散物质A的（相对扩散）通量。当混合物以某一质dy平均速度υ移动时，其坐标应取随整体平均速度的动坐标。
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12、 系数D，a，ν具有扩散的性质，它们的单位均为m/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C0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?1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：
h?cp hmd条件：(1)0.6 a?1；(4)湍流 DABhw(ti?tw)?hmdcp(t?ti)?(H?Hi)r?hmd?i?im? 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C0>0，随着C0↑，总热量Qt↑，导热量Qc↓； 传质阿克曼修正系数C0<0，随着C0↑，总热量Qt↓，导热量Qc↑。 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W,W'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 mA??DABdCAkgm2?sdy；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： dQz?hmd?i?id?dA，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：q?h?tw?t??Wm 2q h ——流体与壁面之间的对流换热热流通量，Wm； ——对流换热系数，Wm?K； 22tw,t? ——壁面温度，K。 对流传质的基本计算式：mA?hm??A,S??A,?? mA——组分A的质扩散通量，kgm2?s； hm ——对流传质系数，ms； ?A,S,?A,?——组分在壁面处和在主流中的质量浓度，kgm3； （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： 2hh3hm??Le??cpLe3?cp或hm ?2三、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） 控制方程 对流换热 对流传质 ?u?v??0?x?y ?u?v??0?x?y ?u?u?2uu?v??2?x?y?y ?t?t?2tu?v?a2?x?y?y ?u?u?2uu?v??2?x?y?y ?CA?CA?2CAu?v?D?x?y?y2 微分方程 ??t??????y???h?tw?t????? ??CA??D???y???hm?CA,w?CA,????? y?0,u?0,v?vw?0,CA?CA,wy??,u?u?,CA?CA,?（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 边界条件 y?0,u?v?0,t?twy??,u?u?,t?t? 假设条件 常物性流体 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 A-1 A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7 水温特点 t 减 减 d 减 不变 增 增 增 增 增 i 减 减 减 不变 增 增 增 过程名称 减湿冷却 等湿冷却 减焓加湿 等焓加湿 增焓加湿 等温加湿 增温加湿 tw?tl tw?tl tl?tw?ts 减 tw?ts 减 ts?tw?tA 减 tw?tA tw?tA 不变 增 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？（10分） 答：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v运动时，斐克定律又该如何表示？（20分） 答：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： mA??DABdCAdnkgm2?sNA??DABAkmolm2?sdydy或 mA ，NA－分别为组分A的相对质扩散通量和摩尔扩散通量； dCAdnA,dydy——分别为组分A的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度； DAB ——组分A向组分B中的质扩散系数，单位m2/s； 当混合物以整体平均速度v运动时三、简述“薄膜理论”的基本观点。（15分） mA??DABdCAkgm2?s?Vc,Ady 答：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。（10分） 答：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） 答： dQz?hmd?i?id?dA 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。总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。 上式中，dQz为潜热和显热的代数和；i为主流空气的焓，b为边界层中饱和湿空气的焓，md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。 52 六、氢气和空气在总压强为1.013×10Pa，温度为25℃的条件下作等摩尔互扩散，已知扩散系数为0.6㎝/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。(10分) 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 ihDpA1?pA20.6?10?416000?5300NA??NB?????2.59?10?2mol/m2?sRmT?y8314?2980.01 ??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 ??15.15?10?6m2s）（15分） 管内受迫层流：Sh?1.86Re0.333Sc0.333 0.830.44Sh?0.023ReSc管内受迫紊流：