热质试卷.pdf

广州大学广州大学2006 20072006 2007学年第学年第2 2学期考学期考试试卷卷 一 填空一 填空题题 每 每题题2 2分 共分 共1616分 分 1 当流体中存在着速度 温度和浓度的梯度时 则分别会发生 动动量量 传递 热热量量 传递和 质质量量 传递现象 2 质量传递的基本方式可分为 分子分子传质传质 与 对对流流传质传质 3 冰蓄冷系统中的制冰方式主要有两种 动态动态 制冰方式和 静静态态 制冰方式 4 一个完整的干燥循环由 吸湿吸湿 过程 再生再生 过程和冷却过程构成 5 用吸收 吸附法处理空气的优点是 独立除湿独立除湿 6 热质交换设备按不同的工作原理分类 可分为 间间壁式壁式 直接接触式直接接触式 蓄蓄热热式式 热热管式管式 7 蒸发冷却所特有的性质是 蒸蒸发发冷却冷却过过程中伴随着物程中伴随着物质质交交换换 水可以被冷 水可以被冷 却到比用以冷却它的空气的最初温度却到比用以冷却它的空气的最初温度还还要低的程度要低的程度 8 冷却塔的热工计算原则是 冷却数冷却数N N 特性数特性数N N 二 分析二 分析简简答答题题 每 每题题6 6分 共分 共3636分 分 1 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 箭头表示传质和传热的方向 水温t50 30 18 10 传热方向气水气水气水气水 传质方向气水气水气水气水 2 说明利用制冷剂直接蒸发制冰系统 如图所示 的工作原理 答 夜答 夜间电间电力力负负荷低荷低时时 开启制冷机 制冷 开启制冷机 制冷剂剂在蓄冰池的制冰在蓄冰池的制冰盘盘管内直接蒸管内直接蒸发发 盘盘管外表面形成管外表面形成500mm500mm左右厚的冰左右厚的冰层层 将冷量蓄存起来 将冷量蓄存起来 3分 1 白天空白天空调调系系统统运行运行时间时间内 空内 空调调系系统统 所需冷量由蓄冰池内蓄存的冰水提供所需冷量由蓄冰池内蓄存的冰水提供 此 此时时 制冷系 制冷系统统的制冷的制冷剂剂不在蓄冰池不在蓄冰池 内蒸内蒸发发制冷 而在并制冷 而在并联联蒸蒸发发器内蒸器内蒸发发 冷却由空冷却由空调调系系统统来的回水 被冷却后来的回水 被冷却后 的回水 的回水 经热经热交交换换器 由蓄冰池内的冰器 由蓄冰池内的冰 水再次冷却后供空水再次冷却后供空调调系系统统使用 使用 3分 3 以夏季完全使用新风的直流式空调系统为例 为了得到同一送风状态点 试 述三种空气处理方案 要求作焓湿图并给出方案 说明 答 如答 如图图所示 在夏季空所示 在夏季空调调系系统统 直流式系 直流式系统统 中中 为为了得到同一送了得到同一送风风状状态态点 可能有的不点 可能有的不 同空气同空气处处理途径 理途径 1 1 W W L L O O 喷喷淋室淋室喷喷冷水 或用表面冷却器 冷水 或用表面冷却器 冷却减湿冷却减湿 加加热热器再器再热热 2分 2 2 W W 1 1 O O 固体吸湿固体吸湿剂剂减湿减湿 表面冷却器等湿冷却表面冷却器等湿冷却 2分 3 3 W W O O 液体吸湿液体吸湿剂剂减湿冷却减湿冷却 2分 4 什么是吸附现象 什么是物理吸附和化学吸附 答 吸附答 吸附现现象是相异二相界面上的一种分子集聚象是相异二相界面上的一种分子集聚现现象 就是把分子配列程度象 就是把分子配列程度 较较低的气相分子低的气相分子浓缩浓缩到分子配列程度到分子配列程度较较高的固相中 高的固相中 2分 物理吸附属于一种表面物理吸附属于一种表面现现象 主要依靠普遍存在于分子象 主要依靠普遍存在于分子间间的范德的范德华华力起作用 力起作用 2 分 化学吸附是由于吸附化学吸附是由于吸附质质分子与吸附分子与吸附剂剂表面分子 原子 的化学作用 在吸附表面分子 原子 的化学作用 在吸附过过 程中程中发发生生电电子子转转移和共有原子重排以及化学移和共有原子重排以及化学键键断裂与形成等断裂与形成等过过程 程 2分 5 什么是析湿系数 它的物理意义是什么 答 析湿系数也称答 析湿系数也称为换热扩为换热扩大系数 表示由于存在湿交大系数 表示由于存在湿交换换而增大了的而增大了的换热换热量 量 是是总换热总换热量与量与显热换热显热换热量的比量的比值值 4分 其其值值的大小直接反映了表冷器上凝的大小直接反映了表冷器上凝结结水析出的多少 水析出的多少 2分 2 6 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 空气被加答 在冷却塔内 空气被加热热加湿 水被冷却 加湿 水被冷却 2分 不不论论水温高于水温高于还还是低于周是低于周围围空气温度 空气温度 总总能能进进行水的蒸行水的蒸发发 质质交交换换 蒸 蒸发发所所 消耗的消耗的热热量量总总是由水是由水传给传给空气 当水温高于空气温度空气 当水温高于空气温度时时 蒸 蒸发发散散热热和温差和温差传热传热都都 由水由水传传向空气 向空气 结结果使水温下降 当水温下降到等于空气温度果使水温下降 当水温下降到等于空气温度时时 温差 温差传热传热量量为为0 0 蒸 蒸发发散散热热仍在仍在进进行 当水温行 当水温继续继续下降到低于空气温度下降到低于空气温度时时 温差 温差传热传热和蒸和蒸发发散散热热 的方向相反 当水温下降到某一程度的方向相反 当水温下降到某一程度时时 由空气 由空气传给传给水的温差水的温差传热传热量等于由水量等于由水传传 给给空气的蒸空气的蒸发发散散热热量 量 总传热总传热量等于量等于0 0 水温也不再下降 水温也不再下降 这时这时的水温的水温为为水的冷却水的冷却 极限 近似等于空气的湿球温度 极限 近似等于空气的湿球温度 2分 但一般在但一般在实际实际生生产产中 要求冷却后的水温中 要求冷却后的水温 比湿球温度高比湿球温度高3 3 5 5 2分 三 三 1414分 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 假解 假设设当空气与水在一微元面当空气与水在一微元面 dAdA 上接触上接触时时 假 假设设空气温度空气温度变变化化为为 dtdt 含湿量 含湿量变变化化为为 d d d d 1 1 显热显热交交换换量 量 2分 湿空气的 湿空气的质质量流量 量流量 kg skg s 湿空气与水表面之湿空气与水表面之间间的的显热显热交交换换系数 系数 W mW m2 2 2 2 湿交 湿交换换量 量 2分 潜潜热热交交换换量 量 2分 温度 温度为为 t tb b 时时水的汽化潜水的汽化潜热热 kJ kgkJ kg 单 单位位时间单时间单位面位面积积蒸蒸发发 凝 凝结结 的水量 的水量 kg mkg m2 2 s s 3 3 总热总热交交换换量 量 对对空气空气 水系水系统统 存在刘易斯关系式 存在刘易斯关系式 2分 所以上式所以上式 2分 因因为为 当温度 当温度为为 t t 时时 湿空气 湿空气焓为焓为 3 当温度当温度为为 t tb b 时时 湿空气 湿空气焓为焓为 如果忽略水蒸汽从如果忽略水蒸汽从0 0 加加热热到到t t 时时的的焓焓 即 即 项项 并考 并考虑虑到到 t t 和和t tb b 差差别别不大 所以空气的比不大 所以空气的比热热和水的汽化潜和水的汽化潜热变热变化不大 即有 化不大 即有 所以从 所以从 3 3 式可以得到 式可以得到 4 4 麦麦凯尔凯尔方程方程 麦麦凯尔凯尔方程表明 在方程表明 在热质热质交交换换同同时进时进行行时时 如果 如果满满足刘伊斯关系式 足刘伊斯关系式 则总热则总热交交换换 的推的推动动力力为为空气空气 主流湿空气与主流湿空气与紧紧靠水面的靠水面的饱饱和和边边界界层层空气的空气的焓焓差 差 2分 由于是空气与水之由于是空气与水之间发间发生的生的热质热质交交换换 所以不 所以不仅仅空气的状空气的状态态会会发发生生变变化 水化 水 的状的状态态也会也会发发生生变变化 如果在化 如果在热质热质交交换换中 水的温度中 水的温度变变化化为为 dtdtw w 则则根据根据热热平衡 平衡 5 5 2分 水的水的质质量流量 量流量 kg skg s 水的定 水的定压压比比热热 kJ kg kJ kg 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 称 称为为空气与水直接接触空气与水直接接触时时的的热热湿交湿交换换基本方程式 基本方程式 四 四 计计算算题题 每 每题题1212分 共分 共2424分 分 1 一输送氧气的橡皮管外径为12mm 厚1 5mm 在压力稳定情况下内表面上氧气 的浓度为0 05 kmol m3 外表面上氧气的浓度为0 0107kmol m3 氧气在该橡皮管中的扩散率为1 5 10 9 m2 s 试计算每小时内每米长管子上通过橡皮管的氧气扩散量 解 由解 由题题意 意 是与固体内部是与固体内部结结构无关的气体在固体中的构无关的气体在固体中的稳态扩稳态扩散情况 散情况 传质传质速率速率 其中其中 6分 已知 已知 代入数据 得 代入数据 得 4 6分 即每小即每小时时内每米内每米长长管子上通管子上通过过橡皮管的氧气橡皮管的氧气扩扩散量散量为为4 634 63 1010 6 6kmol kmol 2 25 的不含萘的空气 在1 013 105 Pa的压力下流过一个萘平面 在离开前沿点2m处 Rex 9 104 试计算在此两米的区域内的平均质交换系数 取Sc 2 5 由于空气中萘的含量很少 其物性可取空气的值 解 依解 依题题意 意 由于空气中由于空气中萘萘的含量很少 其物性可取空气的的含量很少 其物性可取空气的值值 则则通通过查过查空空 气的物性参数表可知 气的物性参数表可知 t 25t 25 15 5315 53 1010 6 6m m2 2 s s 由于由于 所以 所以 2分 因因为为ReReL L 9 9 10104 4 10105 5 故 故为层为层流 流 有 有 6分 同同时时 所以有 所以有 4分 即在此两米的区域内的平均即在此两米的区域内的平均质质交交换换系数系数为为 8 48 4 1010 4 4m s m s 五 五 1010分 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 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 解 表冷器的表冷器的热热工工计计算原算原则则 1 1 该该冷却器能达到的冷却器能达到的 1 1应该应该等于空气等于空气处处理理过过程程 所需要的所需要的 1 1 3分 2 2 该该冷却器能达到的冷却器能达到的 2 2应该应该等于空气等于空气处处理理过过程所需要的程所需要的 2 2 5 3分 3 3 该该冷却器吸收的冷却器吸收的热热量量应该应该等于空气放出的等于空气放出的热热量量 2分 作出焓湿图 2分 注 如果将本注 如果将本题题答案写成表冷器的答案写成表冷器的热热工工计计算步算步骤骤形式 只要包形式 只要包 含上述三条含上述三条计计算原算原则则 也可作 也可作为为正确答案 正确答案 干空气的热物性 p 1 01325 105 Pa 干饱和水蒸气的热物性 t cp kJ kg K kg m3 106 m2 s t p 10 5 Pa r kJ kg 101 0051 24714 16100 012272477 7 201 0051 20515 06200 023382454 3 301 0051 16516 00300 042412430 9 401 0051 12816 96 400 073752407 0 广州大学广州大学2007 20082007 2008学年第学年第2 2学期考学期考试试卷 参考答案 卷 参考答案 一 填空一 填空题题 每 每题题2 2分 共分 共1616分 分 1 按照工作原理的不同可以将热质交换设备分为 间间壁式壁式 直接接触式直接接触式 蓄蓄热热式和式和热热管式 管式 2 2 分子分子扩扩散散传质传质 与与 对对流流扩扩散散传质传质 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 合适的相合适的相变变温度温度 较较大的相大的相变变潜潜热热 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 由由 干燥干燥剂剂表面的蒸汽表面的蒸汽压压与与环环境空气的蒸汽境空气的蒸汽压压差造成 当前者差造成 当前者较较低低时时 干燥 干燥剂剂吸湿 吸湿 反之放湿反之放湿 5 吸附剂的再生方式有 加加热热再生方式再生方式 减减压压再生方式再生方式 使用清洗气体的再生方式使用清洗气体的再生方式 置置换换脱附再生方式脱附再生方式 6 6 湿工况下表冷器的析湿系数的定义 总换热总换热量与量与显热换热显热换热量的比量的比值值 其值的大小直接反映了 表冷器上凝表冷器上凝结结水析出的多少水析出的多少 7 蒸发冷却所特有的性质是 蒸蒸发发冷却冷却过过程中伴随着物程中伴随着物质质交交换换 水可以被冷却 水可以被冷却 到比用以冷却它的空气的最初温度到比用以冷却它的空气的最初温度还还要低的程度要低的程度 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 3 5 5 二 分析二 分析简简答答题题 每 每题题6 6分 共分 共3636分 分 1 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t50 30 18 10 传热方向气水气水气水气水 传质方向气水气水气水气水 2 如何理解动量 热量和质量传递现象的类比性 答 当物系中存在速度 温度和答 当物系中存在速度 温度和浓浓度的梯度度的梯度时时 则则分分别别会会发发生生动动量 量 热热量和量和 质质量量传递现传递现象 象 动动量 量 热热量和量和质质量的量的传递传递 既可以是由分子的微 既可以是由分子的微观观运运动动引起的分引起的分 子子传递传递 也可以是由漩 也可以是由漩涡涡混合造成的流体微混合造成的流体微团团的宏的宏观观运运动动引起的湍流引起的湍流传递传递 对对三三 类现类现象的分子象的分子传递传递和湍流和湍流传递传递分析可以得出分析可以得出这这三种三种传递现传递现象背后的机理是相同象背后的机理是相同 的 它的 它们们依从的依从的规规律也律也类类似 都可以用共同的形式表示 似 都可以用共同的形式表示 传递传递速率 速率 扩扩散系数散系数 传传 递递推推动动力 清楚地表明了力 清楚地表明了 三三传传 之之间间的的类类比性 比性 4分 另外 从另外 从动动量方程 量方程 热热量方程和量方程和扩扩散方程及相散方程及相对应对应的的边边界条件可以看出它界条件可以看出它们们 在形式上是完全在形式上是完全类类似的 也清楚地表明了似的 也清楚地表明了 三三传传 之之间间的的类类比性 比性 2分 3 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 式答 式表明 表明 传质传质的存在的存在对对壁面壁面导热导热量和量和总传热总传热量的影响量的影响 是相反的 在是相反的 在C C0 0 0 0时时 随着 随着C C0 0的增大 壁面的增大 壁面导热导热量是逐量是逐渐渐减少的 而膜减少的 而膜总传热总传热量是逐量是逐渐渐增大的 增大的 3 分 7 在在C C0 0 0 0时时 随着 随着C C0 0的减小 壁面的减小 壁面导热导热量是逐量是逐渐渐增大的 而膜增大的 而膜总传热总传热量是逐量是逐渐渐减少的 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 吸附法答 利用吸收 吸附法处处理空气的理空气的优优点是独立除湿点是独立除湿 在空气在空气处处理理过过程中 将降温和除湿分开来独立程中 将降温和除湿分开来独立处处理 即由吸收或吸附来完成除湿理 即由吸收或吸附来完成除湿 任任务务 降温的任 降温的任务务只是将空气温度降低到送只是将空气温度降低到送风风状状态态点温度即可 而不需要点温度即可 而不需要额额外的外的 加加热处热处理 理 2分 传统传统的除湿方法是使用表冷器 冷却和除湿同的除湿方法是使用表冷器 冷却和除湿同时时完成 由于除湿需冷却完成 由于除湿需冷却剂剂 冷冷冻冻水 制冷水 制冷剂剂 的温度必 的温度必须较须较低 一般低 一般为为7 7 1212 就会 就会导导致致经过经过表冷器表冷器处处理后的空气温度也理后的空气温度也较较低 一般都需要通低 一般都需要通过过加加热热器将器将 空气加空气加热热 方能达到送 方能达到送风风温度 温度 2分 当使用表冷器当使用表冷器进进行降温和除湿行降温和除湿时时 会 会产产生以下一些缺点 生以下一些缺点 1 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 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 这样这样冷却冷却剂剂 冷 冷冻冻水 制冷水 制冷剂剂 的温度必 的温度必须较须较低 而低 而为为了得到了得到较较低温度的冷却低温度的冷却剂剂 冷冷冻冻水 制冷水 制冷剂剂 会使制冷机的性能系数 会使制冷机的性能系数COPCOP值值降低 降低 2 2 一些天然冷源不能直接得到利用 一些天然冷源不能直接得到利用 3 3 由于除湿析出的冷凝水 使表冷器 由于除湿析出的冷凝水 使表冷器长长期工作在湿工况下 容易滋生期工作在湿工况下 容易滋生细细菌菌 被 被处处理的空气理的空气经过经过表冷器表冷器时时会被 二次 会被 二次 污污染 染 继继而影响到室内空气品而影响到室内空气品质质 2分 5 说明集中空调系统采用冰蓄冷系统的优点 答 蓄冷空答 蓄冷空调调系系统统可使制冷机容量减少 且可使制冷机容量减少 且经经常在常在满负满负荷高效率下工作 它荷高效率下工作 它 利用夜利用夜间间廉价廉价电电 均衡 均衡电电网网负负荷 是符合我国国情的 从典型蓄冷空荷 是符合我国国情的 从典型蓄冷空调调系系统经济统经济 效益分析亦可知 系效益分析亦可知 系统统所增加的制冰及蓄冷所增加的制冰及蓄冷设备费设备费可由可由1 1 2 2年所年所节约节约的运行的运行费费 回收 目前空回收 目前空调电调电量常占建筑物内用量常占建筑物内用电电量的大部分 若能量的大部分 若能综综合分析空合分析空调负调负荷及建荷及建 筑物内能源利用状况 利用楼宇整体化手法筑物内能源利用状况 利用楼宇整体化手法设计设计蓄冰空蓄冰空调调系系统统 即可达到 即可达到调调峰填峰填 谷 降低运行谷 降低运行费费用的目的 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答 湿工况下 表冷器的表面温度低于被处处理空气的露点温度 空气不但被理空气的露点温度 空气不但被 冷却 而且其所含的水蒸气也部分地凝冷却 而且其所含的水蒸气也部分地凝结结出来 在表冷器的肋片管表面上形成水出来 在表冷器的肋片管表面上形成水 膜 膜 3分 水膜周水膜周围围形成一个形成一个饱饱和空气和空气边边界界层层 被 被处处理空气与表冷器之理空气与表冷器之间间不但不但发发 生生显热显热交交换换 而且也 而且也发发生生质质交交换换和由此引起的潜和由此引起的潜热热交交换换 空气被冷却减湿 空气被冷却减湿 3分 8 三 三 1212分 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 假解 假设设当空气与水在一微元面当空气与水在一微元面 dAdA 上接触上接触时时 假 假设设空气温度空气温度变变化化为为 dtdt 含湿量 含湿量变变化化为为 d d d d 1 1 显热显热交交换换量 量 2分 湿空气的 湿空气的质质量流量 量流量 kg skg s 湿空气与水表面之湿空气与水表面之间间的的显热显热交交换换系数 系数 W mW m2 2 2 2 湿交 湿交换换量 量 2分 潜潜热热交交换换量 量 2分 温度 温度为为 t tb b 时时水的汽化潜水的汽化潜热热 kJ kgkJ kg 单 单位位时间单时间单位面位面积积蒸蒸发发 凝 凝结结 的水量 的水量 kg mkg m2 2 s s 3 3 总热总热交交换换量 量 对对空气空气 水系水系统统 存在刘易斯关系式 存在刘易斯关系式 所以上式所以上式 2分 因因为为 当温度 当温度为为 t t 时时 湿空气 湿空气焓为焓为 当温度当温度为为 t tb b 时时 湿空气 湿空气焓为焓为 如果忽略水蒸汽从如果忽略水蒸汽从0 0 加加热热到到t t 时时的的焓焓 即 即 项项 并考 并考虑虑到到 t t 和和t tb b 差差别别不大 所以空气的比不大 所以空气的比热热和水的汽化潜和水的汽化潜热变热变化不大 即有 化不大 即有 所以从 所以从 3 3 式可以得到 式可以得到 4 4 麦麦凯尔凯尔方程方程 麦麦凯尔凯尔方程表明 在方程表明 在热质热质交交换换同同时进时进行行时时 如果 如果满满足刘伊斯关系式 足刘伊斯关系式 则总热则总热交交换换 的推的推动动力力为为空气空气 主流湿空气与主流湿空气与紧紧靠水面的靠水面的饱饱和和边边界界层层空气的空气的焓焓差 差 2分 9 由于是空气与水之由于是空气与水之间发间发生的生的热质热质交交换换 所以不 所以不仅仅空气的状空气的状态态会会发发生生变变化 水化 水 的状的状态态也会也会发发生生变变化 如果在化 如果在热质热质交交换换中 水的温度中 水的温度变变化化为为 dtdtw w 则则根据根据热热平衡 平衡 5 5 2分 水的水的质质量流量 量流量 kg skg s 水的定 水的定压压比比热热 kJ kg kJ kg 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 称 称为为空气与水直接接触空气与水直接接触时时的的热热湿交湿交换换基本方程式 基本方程式 四 四 计计算算题题 每 每题题1212分 共分 共2424分 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