热质交换原理与设备.docx

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热质交换原理与设备

1、有空气和氨组成的混合气体，压力为2个标准大气压，温度为273K，则空气向氨的扩散系数是1。

405*10-5m2/s。

2、当表冷器的表面温度低于空气的露点湿度时，就会产生减湿冷却过程。

3、某一组分的速度与整体流动的平均速度之差，成为该组分的扩散速度。

4、冷却塔填料的作用是将进塔的热水尽量细化，增加水和空气的接触面，延长接触时间，增进水汽之间的热值交换延长冷却水停留时间，增加换热面积，增加换热量，均匀布水。

5、刘伊斯关系式文中叙述为h/hmad=Cp刘伊斯关系式文中叙述为即在空气一水系统的热质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定的量值关系，条件的变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一系数也相应地发生同样的变化。

6、一套管换热器、谁有200℃被冷却到120℃，油从100℃都被加热到120℃，则换热器效能是25%。

7、总热交换是潜热交换和显热交换的总和。

8、当流体中存在速度、温度、和浓度的梯度时，就会分别产生动量、热量和质量的传递现象。

9、锅炉设备中的过热器、省煤器属于间壁式式换热器。

10、潜热交换是发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。

11、有一空气和二氧化碳组成的混合物，压力为3个标准大气压，温度为0℃，则此混合物中空气的质扩散系数为*10-5m2/s。

12、一管式逆流空气加热器，平均换热温差为40℃，总换热量位40kW，传热系数为40W/（m2.℃）则换热器面积为25m2。

13、流体的粘性、热传导性和质量扩散通称为流体的分子传递性质。

14、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、傅里叶定律、菲克定律。

15、热质交换设备按照工作原理不同可分为间壁式、直接接触式、蓄热式、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、冷却塔则属于直接接触式。

16、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、_混合流_式和_叉流_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。

17、_温差_是热量传递的推动力，而_焓差_则是产生质交换的推动力。

18、质量传递有两种基本方式：

分子传质和对流传质，分子扩散和对流扩散的总作用称为对流传质

19、相对静坐标的扩散通量称为以绝对速度表示的质量通量，而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为以扩散速度表示的质量通量。

20、麦凯尔方程的表达式为：

hw（ti–tw）=hmd（i-ii），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传热系数与焓差驱动力的乘积

21、相际间对流传质模型主要有薄膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论。

22、一个完整的干燥循环由___吸湿___过程、___再生___过程和冷却过程构成。

23、用吸收、吸附法处理空气的优点是_独立除湿。

24、蒸发冷却所特有的性质是__蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷

却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度_。

25、冷却塔的热工计算原则是____冷却数N=特性数N＇______________。

26、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。

27、扩散类型的判别压力越大,密度越大,λ值越小.故高压下的气体和常压下液体密度大,λ很小,因此在多孔固体中扩散时,一般发生Fick型扩散.压力越小,λ值越大,因此处于低压下气体,λ值较大,在多孔固体中扩散一般发生Kundsen扩散.当Kn＜时,扩散主要为Fick型扩散.当Kn＞10时,扩散主要为Kundsen扩散.当≤Kn≤10时为过渡区扩散

名词解释

湿工况下表冷器的析湿系数的定义：

_总换热量与显热换热量的比值，

，其值的大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少_.

斐克定律：

稳态扩散下,当无整体流动时,二元混合物中组分A和组分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,这就是扩散基本定律—斐克定律

热舒适性（人体对周围空气环境的舒适热感觉）绝热饱和温度（绝热增湿过程中空气降温的极限）传质通量（单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量，传质通量=传质速度×浓度）扩散系数（沿扩散方向在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数、物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一）空气调节（利用冷却或者加热设备等装置，对空气的温度和湿度进行处理，使之达到人体舒适度的要求）露点温度（指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下冷却到饱和时的温度）分子传质（由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象）（扩散传质）、对流传质（是流体流动条件下的质量传输过程）质量浓度（单位体积混合物中某组分的质量）浓度边界层（质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层）速度边界层（质量传递的全部阻力集中于固体表面上一层具有浓度梯度的流层中，该流层即为浓度边界层）热边界层（流体流动过程中.在固体壁面附近流体温度发生剧烈变化的薄层）

刘易斯准则数

表示温度分布和浓度分布的相互关系，体现传热和传质之间的联系

施密特准则数反映了流体动量传递能力和质量传递能力的相对大小。

宣乌特准则数是以流体的边界扩散阻力对对流传质阻力之比来标志过程的相似特征，反映了对流传质的强弱。

1、解释显热交换、潜热交换和全热交换，并说明他们之间的关系。

显热交换是空气与水之间存在温差时，由导热、对流和辐射作用而引起的换热结果。

潜热交换是空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。

总热交换是显热交换和潜热交换的代数和。

2、扩散系数是如何定义的？

影响扩散系数值大小的因素有哪些？

扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。

3、如何认识传质中的三种速度，并写出三者之间的关系？

UaUb:

绝对速度Um：

混合物速度UaUb扩散速度Ua=Um+（Ua-Um）

绝对速度（实际速度）=主体速度+扩散速度

4、简述“薄膜理论”的基本观点。

当流体靠近物体表面流过，存在着一层附壁的薄膜，在薄膜的流体侧与具有浓度均匀的主流连续接触，并假定膜内流体与主流不相混合和扰动，在此条件下，整个传质过程相当于此薄膜上的扩散作用，而且认为在薄膜上垂直于壁面方向上呈线性的浓度分布，膜内的扩散传质过程具有稳态的特性。

5、写出麦凯尔方程的表达式并说明其物理意义。

hw（ti–tw）=hmd（i-ii）湿空气在冷却降湿过程中，湿空气主流与仅靠水膜饱和空气的焓差是热值交换的推动势，其在单位时间内单位面积上的总传热量可近似的用传值系数hmd与焓差动力Δi的乘积来表示。

6、请说明空气调节方式中热湿独立处理的优缺点？

表冷器除湿：

优点：

冷却和除湿同时完成缺点

（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（较低露点的要求），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。

独立除湿是对空气的降温和除湿分开处理，除湿不依赖于降温方式实现。

优点

（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缺点结构复杂，需再生设备，属新概念空调

7、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，则空气只是冷却而不产生凝结水，称干工况。

如果低于空气露点，则空气不被冷却，且其中所含水蒸气部分凝结出来，并在冷凝器的肋片管表面形成水膜，称湿工况，此过程中，水膜周围形成饱和空气边界层，被处理与表冷器之间不但发生显热交换还发生质交换和由此引起的潜热交换。

8、分析说明动量、热量和质量三种传递现象之间的类比关系。

当物系中存在速度、温度、浓度的梯度时，则分别发生动量、热量、质量的传递现象。

动量、热量、质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的分子扩散，也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流运动。

动量传递、能量传递、质量传递三种分子传递和湍流质量传递的三个数学关系式是类似的。

9、间壁式换热器可分为哪几种类型？

如何提高其换热系数？

解:

间壁式换热器从构造上可分为：

管壳式、胶片管式、板式、板翘式、螺旋板式等。

提高其换热系数措施：

⑴在空气侧加装各种形式的肋片，即增加空气与换热面的接触面积。

⑵增加气流的扰动性。

⑶采用小管径。

10、在湿工况下，为什么一台表冷器，在其他条件相同时，所处理的空气湿球温度越高则换热能力越大？

解：

空气的湿球温度越高所具有的焓值也愈大，在表冷器减湿冷却中，推动总热质交换的动力是焓差，焓差越大，则换热能力就愈大。

11.热质交换设备按照工作原理分为几类，他们各自的特点是什么？

解：

热质交换设备按照工作原理分为：

间壁式，直接接触式，蓄热式和热管式等类型。

间壁式又称表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递任务，彼此不接触，不掺混。

直接接触式又称混合式，在此类换热器中，两种流体直接接触并且相互掺混，传递热量和质量后，在理论上变成同温同压的混合介质流出，传热传质效率高。

蓄热式又称回热式或再生式换热器，它借助由固体构件（填充物）组成的蓄热体传递热量，此类换热器，热、冷流体依时间先后交替流过蓄热体组成的流道，热流体先对其加热，使蓄热体壁温升高，把热量储存于固体蓄热体中，随即冷流体流过，吸收蓄热体通道壁放出的热量。

热管换热器是以热管为换热元件的换热器，由若干热管组成的换热管束通过中隔板置于壳体中，中隔板与热管加热段，冷却段及相应的壳体内穷腔分别形成热、冷流体通道，热、冷流体在通道内横掠管束连续流动实现传热。

12、简述顺流、逆流、汊流、和混合流各自的特点，并对顺流和逆流做一比较和分析

顺流式又称并流式，其内冷、热两种流体平行地向着同方向流动，即冷、热两种流体由同一端进入换热器。

逆流式，两种流体也是平行流体，但它们的流动方向相反，即冷、热两种流体逆向流动，由相对得到两端进入换热器，向着相反的方向流动，并由相对的两端离开换热器。

叉流式又称错流式，两种流体的流动方向互相垂直交叉。

混流式又称错流式，两种流体的流体过程中既有顺流部分，又有逆流部分。

顺流和逆流分析比较：

在进出口温度相同的条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，顺流时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，而逆流时冷流体的出口温度却可能超过热流体的出口温度，以此来看，热质交换器应当尽量布置成逆流，而尽可能避免布置成顺流，但逆流也有一定的缺点，即冷流体和热流体的最高温度发生在换热器的同一端，使得此处的壁温较高，为了降低这里的壁温，有时有意改为顺流。

13、简述冷却塔的各主要部件及其作用。

解：

冷却塔的主要部件及作用：

（1）淋水装置，又称填料，作用在于将进塔的热水尽可能的形成细小的水滴或水膜，增加水和空气的接触面积，延长接触时间，从而增进水气之间的热质交换。

（2）配水系统，作用在于将热水均匀分配到整个淋水面积上，从而使淋水装置发挥最大的冷却能力。

（3）通风筒：

冷却塔的外壳气流的通道。

14、简述在冷却塔（湿式）中所发生的热质交换过程。

答：

在冷却塔内，空气被加热加湿，水被冷却。

不论水温高于还是低于周围空气温度，总能进行水的蒸发（质交换），蒸发所消耗的热量总是由水传给空气。

当水温高于空气温度时，蒸发散热和温差传热都由水传向空气，结果使水温下降；当水温下降到等于空气温度时，温差传热量为0，蒸发散热仍在进行；当水温继续下降到低于空气温度时，温差传热和蒸发散热的方向相反，当水温下降到某一程度时，由空气传给水的温差传热量等于由水传给空气的蒸发散热量，总传热量等于0，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限，近似等于空气的湿球温度，但一般在实际生产中，要求冷却后的水温比湿球温度高3－5℃。

15、试讨论空气与水直接时的状态变化过程（湿空气在冷表面上的冷却降湿）。

解：

空气的主体部分与冷却器表面的热交换是由于空气的主流与凝结水膜之间的温差而产生的，质交换则是由于空气主流与凝结水膜相邻的饱和空气层中的水蒸气的分压力差，即含湿量差而引起的。

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/

Hmd—以含湿量差为推动力的传质系数，W/（m2.℃）

（3）总热交换量：

对空气——水系统，存在刘易斯关系式：

（2分）

所以上式

（2分）

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。

16、说明水冷式表面冷却器在以下几种情况其传热系数是否发生变化？

如何变化？

a,b,c,b,表冷器的传热系数定义为Ks随迎风面积Vy的增加而增加：

随水流速w的增加而增加。

析水系数ξ与被处理的空气的初状态和管内水温有关，所以二者改变也会引起传热系数Ks的变化。

17、理想情况下空气状态变化的特点

假想过程：

空气与水接触的时间无限长、水量无限大则空气的终态达到饱和，且等于水温，状态变化过程为一直线.理想过程：

空气与水接触的时间无限长、水量有限。

则空气的终态仍达到饱和，终温等于水终温（顺流）或水初温（逆流），状态变化过程为一曲线.

实际情况下空气状态变化的特点

实际过程：

空气与水接触的时间有限、水量有限。

则空气的终态不可能达到饱和，通常用连接空气初、终状态点的直线表示空气状态的变化过程

18、表冷器处理空气的工作特点是什么？

与空气进行热质交换的介质不和空气直接接触，是通过表冷器管道的金属壁面来进行的。

空气与水的流动方式主要为逆交叉流。

19、根据关系式，

以及

，说明同一表面上传质对传热过程的影响。

答：

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；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。

计算题

1、有一管道充满了氮气和氧气的混合气体，其温度为200℃，总压力位，一端氮气浓度为m3，另一端浓度为m3，两端相距50cm，已知DAB=×10-4m2/s，计算稳态下氮气的物质的量通量。

解：

由斐克第一定律得：

=

=6×10-5kmol/

2、有一管道充满了氮气和氦气的混合气体，其温度为300K，总压力位，一端氮气的分压力为，另一端为，两端相距30cm，已知DAB=×10-4m2/s，计算稳态下氮气的物质的量通量。

解：

由斐克第一定律得：

对于理想气体，

，

=

=×10-6kmol/m2·s

3、某空气冷却式冷凝器，以R134a为制冷剂，冷凝温度为ts=50℃，蒸发温度t0=5℃，时的制冷量Q0=5500W，压缩机的功耗是1500W，冷凝器空气进口温度为35℃，出口温度为43℃。

（1）制冷剂与空气的对数平均温差是多少？

（2）已知在空气平均温度39℃下，空气的比热为1013J/，密度为1.1kg/m3,所需空气流量是多少？

解：

（1）△t‘=50-35=15℃,△t’’=50-43=7℃

=℃

（2）冷凝总负荷

=5500+1500=7000W

=7000/（×1013×8）=0.79m3/s

4、一个直径为3cm的萘球悬挂于空气管道中，求下述条件的瞬时传质系数；

（1）萘球周围的空气静止，温度为259K，压力为，萘在空气中的扩散率为×10-6m2/s；

（2）空气以0.15m/s的速度流过萘球，温度为259K，压力为，

。

解：

（1）Sh=（2分）

=××10-6/=×10-4m/s

（2）

=××105=×102，（1分）

=

（

）=

=××10-6/=×10-4m/s

5、一管式逆流空气加热器，空气由15℃加热到30℃，水在80℃下进入换热器管内，40℃时离开，总换热量位30kW，传热系数为40W/（m2.℃）,求：

（1）平均换热温差；

（2）换热器面积。

解：

（1）△t‘=80-30=50℃,△t’’=40-15=25℃

=℃

（2）

=30000/（40×）=21m2

6、试推导空调计算中常用的刘伊斯关系式

。

7、含少量碘的压力为×105Pa、温度为25℃的空气，以5.18m/s的速度流过直径为×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=×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ν=×10-6m2/s）

管内受迫层流：

，管内受迫紊流：

解：

8、已知空调系统送风量G＝5㎏/s，空气初状态参数t1=35℃，ts1=26.9℃，i1=85kJ/㎏；终状态参数为t2=19℃，ts2=18.1℃，i2=㎏；空气压强101325Pa，试选用JW型空气冷却器并求出其中的传热系数范围。

（空气密度ρ=1.2kg/m3，定压比热cp=（kg·℃），水定压比热cp=（kg·℃），可选表冷器中水流速范围w=-1.6ms）。

已知水冷式表面冷却器作为冷却用之传热系数（W/㎡·℃）:

4排:

6排:

8排:

型号

风量

（m3/h）

每排散热面积d

（m2）

迎风面积Ay

（m2）

通水断面积Aw（m2）

JW10-4

5000-8350

JW20-4

8350-16700

JW30-4

JW40-4

25000-33400

排数

迎面风速（m/s）

2

4

6

8

解：

（1）计算需要的接触系数

，确定冷却器的排数

查表可知，在常用的

范围内，JW型6排表冷器能满足

的要求，故选用6排。

（2）假定

，则

查表可选用JW20－4型表冷器一台，其迎风面积

故实际迎面风速

查

表可知，在

时，JW型6排表冷器实际的

值可以满足要求，所选JW20－4型表冷器每排散热面积

通水断面积

。

（3）求析湿系数

（4）由已知，可选水流速范围

代入

当

当

9、氢气和空气在总压强为×105Pa，温度为25℃的条件下作等摩尔互扩散，已知扩散系数为㎝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。