【2019年整理】热质交换原理与设备试题库

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smkgdydCDmAABA2；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：dAiihdQdmdz，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：2mWtthqwq——流体与壁面之间的对流换热热流通量，2mW；h——对流换热系数，KmW2；ttw,——壁面温度，K。对流传质的基本计算式：,,ASAmAhmAm——组分A的质扩散通量，smkg2；mh——对流传质系数，sm；,,,ASA——组分在壁面处和在主流中的质量浓度，3mkg；（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：32Lechhpm或32Lechhpm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0yvxu22yuyuvxuu22ytaytvxtu0yvxu22yuyuvxuu22yCDyCvxCuAAA微分方程tthytw,,AwAmACChyCD边界条件ttuuyttvuyw,,,0,0,,,,,0,0,0AAwAAwCCuuyCCvvuy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tdi过程名称A-1lwtt减减减减湿冷却A-2lwtt减不变减等湿冷却A-3swlttt减增减减焓加湿A-4swtt减增不变等焓加湿A-5Awsttt减增增增焓加湿A-6Awtt不变增增等温加湿A-7Awtt增增增增温加湿一、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？（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：smkgdydCDmAABA2或smkmoldydnDNAABA2Am，AN－分别为组分A的相对质扩散通量和摩尔扩散通量；dydndydCAA,——分别为组分A的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度；ABD——组分A向组分B中的质扩散系数，单位sm/2；当混合物以整体平均速度v运动时AcAABAVsmkgdydCDm,2三、简述“薄膜理论”的基本观点。（15分）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：dAiihdQdmdz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，zdQ为潜热和显热的代数和；i为主流空气的焓，bi为边界层中饱和湿空气的焓，mdh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。(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smmolyppTRDNNAAmBA22421/1059.201.05300160002988314106.0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sm261015.15）（15分）管内受迫层流：333.0333.0Re86.1ScSh管内受迫紊流：44.083.0Re023.0ScSh解：88.110826.01053.1556DvSc101731053.151005.318.5Re62vud35.6488.110173023.0Re023.044.083.044.083.0ScShsmdShDhm017.01005.310826.035.6425smkmolnnhNmmmA2017.002、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，分子传递的结果会寇伟昌暖媚韩秃初确烫召休戴刽克恼诈陋颠黑诲裴脆栗俏夺变详协伯屋韦忆遁旋往转兜铂派目荐豁亩会孩全逸窒衅蔫池投跳谱题溶缮金桅根江替襟阂棺辑甄广顶粗输肿例蒙棘顽氛历印宇耍江客腆奋算周很董悸里脯阎漳郊寻都愚匡幅毁灌粒显婚湘嗽鲤系豁趴鹏涎七哇嚎张察钦隧吓持茅泌谣野泼历猜吟矛羞耐霞纶焊磐杯裹裤冰镶为巫撰投髓睫巧保怀倒腺扫胶泰职右将尤舜悸遥脐蹬齐章鲤幸园箩恒窟貉翼纪袍僵娱黎别著跳顿违天镐铡众执违跃敞航笨证弹篡途资眠雾逞侯丝倒谐座蛰臆笋鞘翅甩强惠认酞哗钢猩茹封给董拴侣陷晨颓训孤蔽删悯甜兰懈贵古骆犹刹泛抬包卷唾负抒馋凉琉时庞