《热质交换原理与设备》习题答案

以扩散速度表示的质量通量：jA=PA(uA-u),jB=PB(uB-u)uB,j=jA+jBeBu生成1摩尔的CO2，所以O2与CO2通过碳粒表面边界界层的质扩散为等摩尔互扩散。3、答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别发生动量、动量传递、能量传递和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都4、答：将雷诺类比律和柯尔本类比律推广应用于对流质交换可知，传递因子等于22t322②且可以把对流传热中有关的计算式用于对流传质，只要将对流传热计算式中的有关物理t艹c,a艹D,λ艹D,Pr艹Sc,Nu艹Sh,St艹Stm热系数h计算传质系数hmSvDi表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓表示热量传递与质量传递能力相对大小热边界层于323m3/(kg.kmol)μo2Pshm（1）用式shm=0.023Re0.83Sc0.44计算hm（2）用式sh=0.0395Re4Sc3计算hm1查表得：Do=0.22×10-4m2/s,250C饱和水蒸汽的浓度Pv=0.02383kg/m3shm200C时，饱和水蒸汽的浓度PA.s=0.0179kg/m3:代入上面的式子得：PA2=0.01193kg/m36 =(0.037Re0.8870)ScY3 3OOShLfgnH2O其中hfg为水的蒸发潜热(PH2O.SPH2O.∞)P0其中t∞=260C,tS=200C查表2—1，当tS=200C时水蒸汽的饱和蒸汽压力Pr=2454.3kJ/kg0.cp=1.005kJ/(0CN216、解a）已知MA，MB，xA，xB已知aB，aA，MA，MB22aN22xN2=0.3982xCO2=0.253417、解a）O2，N2的浓度梯度沿垂直方向空气由上部向下部运动：（b）O2，N2的浓度梯度沿垂直方向空气由下部向上部运动，有传质过程。m.s)DO,TDO-4m2/sCA13CA223-6kg/sPA1-PA2-33a整理得NA=-27、解：nA=hm(PA.S-PA.∞)查表得当温度为270C时，PA.S=0.026446kg/m3PA.∞=φPA.SnA-2kg/s4)6第四章空气热质处理方法1、（1）大气是由干空气和一定量的水蒸汽混合而成的。我们称其为湿空气，其主要成分是：氮、氧有、氩、二氧化碳、水蒸气等。（2）在湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化确对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要的影响。且使湿空气的物理性质随之改变。因此研究湿空气中水蒸气的含量在空气调节行业中占重要地位.2、（1）湿空气的密度等于干空气密度与蒸汽密度之和。P=B0.001315φPskg/m3287TT在大气压力B和T相同情况下，湿度增大时，湿空气的密度将变小。天气由晴转阴时，空气中水蒸汽的含量增加，由此降低了空气的密度，于是大气压要下降。减少了，所以密度增加了，于是冬季大气压高于夏季的。3、（1）在大气压强。温度一定的条件下，湿空气的水蒸汽分压力是指，在与湿空气同体积的条件下，将干空气抽走，水蒸汽单独存在时的压力。湿空气的水蒸汽饱和分压力是指，在与饱和湿空气同体积的条件下，将干空气抽走，水蒸汽单独存在时的压力。湿空气的水蒸汽饱和分压力是湿空气的水蒸汽分压力的上限。（2）它们的大小是受大气压力影响的。（2）由附录4—1可知：当房中漏点温度为9.5℃而冷水管表面温度为8℃所以会有凝结水产生。（3）若想管道表面不产生凝结水，则可以对房间内空气进行除湿。湿空气15℃,φ2=90%时，i=39kJ/kg(干空气)；所以空气的焓值没6、由已知得，ε=Q/W=14000/2=7000（kJ/kg）由初始状态B=0.1MPa,t1=18℃,φ1=50%终状态t2=25℃,查附录4—1得φ2=40%，i2=45.5kJ/kg(干空气)d2=7.9g/kg(干空气)7、由已知得，ε=5000（kJ/kg）由初始状态t1=20℃,终状态t2=30℃,φ2=50%查附录4—1得φ1=62%，i1=43kJ/kg(干空气)d1=9g/kg(干空气)由室内空气状态：温度20℃,压力101325Pa水蒸汽分压力为1400Pa，查附录4—1得d=8.8g/kg(干空气)φ=60%，i=42kJ/kg(干空气)（d）已知干空气的气体常数为287J/（kg*k）干空气分压力B-Pq=101325-1400=99925(Pa)干空气密度=1.188kg/m3(e)：室内水蒸汽质量:Mq=8.8*58.8=517.5g(f)：如果使室内空气沿等温线家湿至饱和状态，则角系数ε=2500kJ/kg当空气的状态是温度为20℃,φ=100%时，则d=14.6g/kg(干 室内水蒸汽质量为14.6×58.26=850.6g加入的水蒸汽量；850.6-517.5=333.1g9、解：由题意得，可知，假设室内空气的露点温度为7℃,则在标准大气压下，初始温度为20℃,露点温度为7℃的空气参数。可由附录4—1得d=6.2g/kg(干空气)φ=42.5%，所以允许最大相对湿度为42.5%，最大允许含湿量是6.2g/kg(干空气)t2=15℃,φ2=100%时，d2=10.5g/kg(干空气)失去的水蒸汽△d=d1-d2=14-10.5=3.5g空气状态变化时失去的总热量是19.1kJ/kg11、当大气压发生变化时，空气所有的状态参数都会发生变化。0C00C1000C则有tAtf>tBtftCtf>tDtfA、C与环境进行热交换主要是通过外表面热辐射和外表面与环境进B、D除拥有A、C的换热特点外，还有液体表面与环境直接进行的热质交换，因此它们的热量传递速率较A、C的快，更能在短时间内接近tf足够长的时间，A、B、C、D与环境平衡，而且A、C的温度应等于环境干球温度B、D应等于环境湿球温度。对湿度为50%i3查附录4—1则新风的焓为76kJ/kg(干空气)回气的焓为48kJ/kg(干空气)i混=59.2kJ/kg(干空气)(b)由已知查附录4—1得d1=15.8g/kg(干空气)d2=9.3g/kg(干空气)则由质量守衡M1×d1+M2×d2=(M1+M2)d32×15.8+3×9.3=5×d3d3=11.9g/kg(干空气)+d(2501+1.86t)14、解：由题意的空气温度为15℃,相对湿度为100%时，查附录4—1得当加热到22℃时，含湿量为d3=10.5g/kg(干空气)当t1=30℃,φ1=75%时，i1=82kJ/kg(干空气)d1=20.2g/kg(干空气) 当t2=15℃,φ2=100%时，i2=42kJ/kg(干空气)d2=10.5当t1=30℃,φ1=75%g/kg(干空气)当t3=22℃,d3=10.5g/kg(干空气)时i3=49kJ/kg(干空气)kJ/min凝结水量500kg/min×(20.2g/kg(干空气)-10.5g/kg(干空气))=4850g/min加热器加入的热量500kg/min×49kJ/kg(干空气)-42kJ/kg(干空气))=3500kJ/min15、解：查附录4—1得初态为50℃时，i1=62kJ/kg(干空气)d1=4.3g/kg(干空气)末状态为35℃时i2=129kJ/kg(干空气)d2=36.5g/kg(干空气)△d=36.5-4.3=22.2g/kg(干空气)所以从被干燥的物体中吸收1kg16、由附录4—1得d1=5.3g/kg(干空气)末态：t=30℃,φ=100%得i2=100kJ/kg(干空气)d2=27.3g/kg(干空所以△i=71.5kJ/kg(干空气)△d=22g/kg(干空气)3气3kg/h查附得从塔府进入的空气的温度为15℃,相对湿度为50%时其湿球温度为为9.7℃则冷却塔水从30℃冷却至9.7℃3气=1193kg/h17、解：总热交换量以空气初状态的湿球温度Ts显热交换量以空气初状态的干球温度T1为界，潜热交换量以空气初状态的露点温度T2为界，由的分压力为2000Pa得Ts=21.4℃T2=17.5℃传热方向气←水气←水传质方向气←水气←水18、解a）常压下气温为30℃,湿球温度为—1得d1=23g/kg(干空气)气气←水28℃,由附录4被冷却到10℃的饱和空气由附录4—1得知d2=7.5g/kg(干空气)所以每千克干空气中的水分减少了15.5g（b）若将气体加热到30℃,由附录4—1得湿球温度为17.8℃。末状态：含湿量为26g/kg干空气水蒸汽分压力：4100Pa相对湿度为：42%湿球温度为：32.4焓值为：113kJ/kg干空气20.解：物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，它是一种可逆过程，物理吸附是无选择的，只要条件适宜，任何气体都可以吸附在任何固体上。吸附热与冷凝热相似。适应的温度为低温。吸附过程进行的急快参与吸附的各相间的平衡瞬时化学吸附是固体表面与吸附物间的化学键力起作用的结果。吸附力较物理吸附大，并且放出的热也比较大，化学吸附一般是不可逆的，反应速率较慢，升高温度可以大大增加速率，对于这类吸附的脱附也不易进行，有选择性吸附层在高温下稳定。人们还发现，同一种物质，在低温时，它在吸附剂上进行物理吸附，随着温度升到一定程度，就开始发生化学变化转为化学吸附，有时两种吸附会同时发生。的相对湿度范围内对水蒸汽有较好的吸附特性，硅胶对水蒸汽的吸附热接近水蒸汽的汽化潜热，较低的吸附热使吸附剂和水蒸汽分子的结缺点是如果暴露在水滴中会很快裂解成粉末。失去除湿性能。与硅胶相比，活性铝吸湿能力稍差，但更耐用且成本降低一半。沸石具有非常一致的微孔尺寸，因而可以根据分子大小有选择的吸收或排除分子，故而称作“分子筛沸石”。22、目前比较常用的吸附剂主要是活性炭，人造沸石，分子筛等。活性炭的制备比较容易，主要用来处理常见有机物。目前吸附能力强的有活性炭纤维，其吸附容量大吸附或脱附速度快，再生容易，而且不易粉化，不会造成粉尘二次污染，对于无机气体如SO2、H2S、NOX等有也很强的吸附能力，吸附完全，特别适用`于吸附去除1069g/m3量级的有机物，所以在室内空气净化方面有着23、有效导热系数通常只与多孔介质的一个特性尺度----孔隙率有用来除湿，冷冻水供水温度提高1℃,效率可提高3%左右，采用独立除湿方式，同时结合空调余热回收，中央空调电耗降低30%以上，我国已开发成功溶液独立除湿空调方式的关键技术，以低温热源为动力高效除湿，所以节能空气品质，可感知的空气品质优异，个体满意度提高。粉和氡气之类的污染物，同时还能吸收空气中含的热量，最后使空气和水一起喷洒。利用水的蒸发吸热特性，使温度降到12℃,这种空调不需要压缩机，所以其耗能也就减少一半。因此这种空调处理的空气的品质更高，更能给人以舒适感，同时也更节能。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、冷流体管束连续流动实现传热。2、解：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。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。3、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。4、解：混合式换热器按用途分为以下几种类型：⑴冷却塔⑵洗涤塔⑶喷射式热交换器⑷混合式冷凝器a、冷却塔是用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。b、洗涤塔是以液体与气体的直接接触来洗涤气体以达到所需要的目的，例液体吸收气体混合物中的某些组分除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。c、喷射式热交换器是使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。d、混合式冷凝器一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝，最后得到的是水与冷凝液的混合物，或循环使用，或就地排放。5、解：湿式冷却塔可分为：（1）开放式冷却塔（2）风筒式自然冷却塔（3）鼓风逆流冷却塔（4）抽风逆流冷却塔、抽风横流冷却塔a、开放式冷却塔是利用风力和空气的自然对流作用使空气进入冷却塔，其冷却效果要受到风力及风向的影响，水的散失比其它形式的冷却塔b、风筒式自然冷却塔中利用较大高度的风筒，形成空气的自然对流作用，使空气流过塔内与水接触进行传热，冷却效果较稳定。c、鼓风逆流冷却塔中空气是以鼓风机送入的形式，而抽风冷却塔中空气是以抽风机吸入的形式，鼓风冷却塔和抽风冷却塔冷却效果好，稳定可靠。6、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。7、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Ks随迎风面积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。9、解：总热交换量与由温差引起的热交换量的比值为析湿系数，用表示，定义为表示由于存在湿交换而增大了换热量，其值大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少。0C<2:Δtm=/2=800C管束未加肋光管，管壁很薄，所以Rf、Rw可不记，则:传热量为Q=FKΔtm=10×50×80=40000W0C2Cp222’解得t2=52.90C即保持这样的负荷需要换热面积为9.8m212、解：设机油出口温度为t12Cp220CΔt’26.2 Q=KAΔtm由P-R值图5—27得φ=0.78:Δt:Δtm=0.78×23.1=1813、解：黄铜管的导热系数为：111W/(m2.k)（1）相对与管外表面积的总传热系数为：（2）管壁热阻可以忽略，则传热系数为：传热增加了97%传热增加了1%。Cp1p2=4200J/kg.K吸2Cp220C（1）顺流时（2）逆流时15、（1）计算需要的接触系数ε2，确定冷却器的排数，如图所示：根据附录5—4可知，在常用的Vy范围内，JW型6排表面冷却器能满足ε2=0.862的要求，所以决定选择6排。（2）确定表面冷却器的型号先假定一个Vy，算出所需冷却器的迎风面积Ay，再根据Ay选择合适的冷却器型号及并联台数，并算出实际的Vy值。’y’假定Vy=3m/s，根据VyP可得Ay2根据Ay40—4型号表面冷却器，其Ay=3.43m2，Vy=2.4m/s时，6排JW型表面冷却器实际的ε2=0.891，与需要的ε2=0.862差别不大，故可以继续计算，由附录5—5可知，所需的表冷器的每排传热面积为Ad=44.5，通水截面积为Aw=0.00553m2（3）求析湿系数：（4）求传热系数假定流水速率为w=1.5m/s，根据附录5—3中的相应公式可以计算出（5）求冷水量根据W=Aww103得W=0.00553×1.5×103=8.3kg/s（6）求表冷器能达到的ε1 先求传热单元数及水当量比根据式（5--63）得：根据式（5--62）得根据NTU和Cr值查图5—30或按式5—44计算得：ε1=0.71（7）求水温由公式（5--70）可得冷水初温0C（8）求空气阻力和水阻力：查附录5—3中的JW型6排表冷器的阻力计算1.93G=24000kg/h=6.67kg/sW=30000kg/h=8.33kg/s(1)求表冷器迎面风速Vy及水流速w由附录5—5知JW—30—4型表面冷却器迎风面积Ay=2.57m2，每排散热面积Ad=33.40m2，通水面积Aw=0.00553m2，所以（2）求冷却器可提供的ε2根据附录5—4，当Vy=2.16m/s时，N=8排时（3）先假定t2=9.50C0C查i—d图可知，当ts2=9.30C时，i2=27.5kJ/kg（4）求析湿系数（5）求传热系数：（6）求表面冷却器所能达到的ε1值传热单元数按式（5--63）得水当量比按照式（5--62）得根据NTU和Cr的值，查图5—30或按式（5--44）计算得ε1’=0.77（7）求所需要的ε1并与上面的ε1比较，得到空气得到终参数为t2=9.50Cts2=9.30Ci2=27.5kJ/kg（8）求冷量及终温根据公式（5--9）可得Q=6.67×（55.8-27.5）=188.76KW17、解：由空气的初状态t1=350C，ts1=270C可查i—d图得i1=85kJ/kg由t2=200C，φ=95%查i—d图得i2=55.5kJ/kg2）=wc(tw2-tw1)10000(85-55.5)=12000×4.19(tw2-16)tw2=21.90C即喷淋水后的水温为21.90C由t1=100C，ts=50Ct2=13，φ=100%0C查i—d图得i1=18.6kJ/kg，2=36.6kJ/kg2）=wc(tw2-tw1)10000(36.6-18.6)=12000×4.19(16-tw2)tw2=12.40C即第二种穷困感情况下喷淋后水的温度为12.40C18解：对空气进行加湿冷却过程，使空气由t=210C，d=9g/kg,变为t=210C,d=10g/kg状态，先对其进行等焓加湿，再等温加湿或先等温降湿，在等温加湿。：（（2）单排时，喷水方向可改为逆喷，双排时可改为对喷，三排时应理论上是可通过降低喷水水温来提高其热交换效率值的，但实际上不可以，因为喷水水温愈低，我们要设置价格较贵的制冷设备，这2.排双排对喷。所以喷淋室断面风速=2.3m/s（2）根据空气的初参数和处理要求可得需要的喷淋室接触系数为该空气的处理过程为冷却干燥过程，根据附录（5--8）查得相应的喷淋室的接触系数0.12μ0.270.12μ0.270.875=0.755(2.8)0.12μ0.27μ=1.09所以总喷水量W=μG=1.09×30200=32918kg/h(3)由附录（5--8）查出喷淋室η1实验公式，并列方程式（4）由ts1t1，ts2t2查i—d图得i1=64.5kJ/kg，i2=41.9kJ/kg根据热平衡方程（5--83）得i1-i2=μc(tw2-tw1)②0C（6）求喷嘴前水压：根据已知条件知喷淋室断面为：两排喷嘴的总喷嘴数为：N=2nAc=2×13×3=78所以每个喷嘴的喷水量为：根据每个喷嘴的喷水量422kg.h及喷嘴孔径d0=5mm，查图5—45，可得喷嘴前所需的水压为：1.7atm（工作压力）（7）需要的冷冻水量为：（8）阻力计算：空气在档水板断面上的迎面风速由（5-87）得前后档水板阻力为由5—89的水苗阻力为22、解：由tw10Ct1=300C,ts1=220C查i—d图知tc1=18.70C，则式（5—90）可求出新水温下的喷水系数为：于