《热质交换原理与设备》习题答案(第3版)

第一章绪论1、答：分为三类。动量传递：流场中的速度分布不均匀（或速度梯度的存在）；热量传递：温度梯度的存在（或温度分布不均匀）；质量传递：物体的浓度分布不均匀（或浓度梯度的存在）。2、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。3、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。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。第二章传质的理论基础1、答：单位时间通过垂直与传质方向上单位面积的物质的量称为传质通量。传质通量等于传质速度与浓度的乘积。以绝对速度表示的质量通量：,,AAABBBAABBmumumeueu以扩散速度表示的质量通量：(),(),AAABBBBABjuujuuujjj以主流速度表示的质量通量：1()()AAAABBAABeueeueuamme()BBABeuamm2、答：碳粒在燃烧过程中的反应式为22COCO，即为1摩尔的C与1摩尔的2O反应，生成1摩尔的2CO，所以2O与2CO通过碳粒表面边界界层的质扩散为等摩尔互扩散。3、从分子运动论的观点可知：D∽312pT两种气体A与B之间的分子扩散系数可用吉利兰提出的半经验公式估算：3241133435.71110()ABABTDpVV若在压强5001.01310,273PPaTK时各种气体在空气中的扩散系数0D，在其他P、T状态下的扩散系数可用该式计算32000PTDDPT（1）氧气和氮气：2233025.610/()32oVmkgkmol223331.110/()28NNVmkgkmol3425211523311435.72981032281.5410/1.013210(25.631.1)Dms（2）氨气和空气：51.013210PPa25273298TK501.013210PPa0273TK3221.0132980.2()0.228/1.0132273Dcms2-4、解：气体等摩尔互扩散问题124230.610(160005300)()0.0259/()8.3142981010AAADNPPkmolmsRTzm2sR0通用气体常数单位：J/kmol﹒K5、解：250C时空气的物性：351.185/,1.83510,kgmPas6242015.5310/,0.2210/msDms32420006640.2510/40.08Re2060515.531015.53100.620.2510ocPTDDmsPTudvvSD用式子（2-153）进行计算0.830.440.830.4440.0230.023206050.6270.9570.950.25100.0222/0.08mecmmshRSshDhmsd设传质速率为AG，则211220000()()()44ln4AAAmAsAAlAmAsAAsAmAsAdGddxhdudduddxhdulh2-6、解：20℃时的空气的物性：（注：状态不同，D需修正）353352244200505541.205/,1.8110,1.013102930.22100.2410/1.0132102730.0531.205Re99901.81101.81100.6261.2050.2410ockgmPasPTDDmsPTudvSD（1）用式0.830.440.023mecshRS计算mh0.830.4440.02399900.6260.24100.018750.05mmshDhd（2）用式13340.0395ecshRS计算mh134340.0395(9990)(0.626)0.24100.01621/0.05mshDhmsd2-7、错解：氨在水中的扩散系数921.2410/Dms，空气在标准状态下的物性为；353591.293/,1.7210,Pr0.708,1.00510/()1.721010727.741.2931.2410pckgmPascJkgkSD由热质交换类比律可得231PrmpchhcS223351Pr560.7087.0410/1.293100110727.74mpchmshcS1）（第3版P25）用水吸收氨的过程，气相中的NH3（组分A）通过不扩散的空气（组分B），扩散至气液相界面，然后溶于水中，所以D为NH3在空气中的扩散。2）刘易斯关系式只对空气——水系统成立，本题为氨——空气系统，计算时类比关系不能简化。3）定压比热的单位是J/kgK正解：组分A为NH3，组分B为空气，空气在0℃时物性参数查附录3-1)2-2P36(/102.0708.0Pr664.0102.01028.132446表查smDDSc231PrmpchhcShmsmScchhpm/10161/98.44708.0664.0005.1293.156Pr33/23/28、解：325100.04036/8314(27325)iCOPCkmolmRT22NCOCC222220.5NNCONCOCxxCC322544101.776/8314298COiCOMPkgmRT322528101.13/8314298NiNMPkgmRT22220.611COCOCONa20.389Na9、解：（a）已知AM，BM，Ax，BxAAAAAAABAABBAABBMnMxMaMMnMnMxMxMBBBBBBABAABBAABBMnMxMaMMnMnMxMxM已知Ba，Aa，AM，BMAAAAAAABABABABABmanMMxmmaannMMMMBBBBBBABABABABABmanMMxmmaannMMMM（b）222222222320.3077322844OOOOONNCOCOxMaxMxMxM20.2692Na20.4231COa若质量分数相等，则2222222221320.3484111322844OOOONCOONCOaMxaaaMMM20.3982Nx20.2534COx10、解；（a）2O，2N的浓度梯度沿垂直方向空气由上部向下部运动：（b）2O，2N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。2-11、解；12()aVAAaVAADAGNACCz21212()lnaVLrrArr1）柱形：LdVrrrrLAav2121241,ln)(2球形：32134,4dVrrAav2）d=100mm为内径，所以r1=50，r2=52若为球形Aav=0.033，质量损失速率为1.46×10-12kg/s；压力损失速率3.48×10-2Pa/s2-12、解：9812310(0.020.005)()1.510/()110AAADNCCkmolmsz1）jA为A的质量扩散通量，kg/m2s；JA为A的摩尔扩散通量kmol/m2s；2）题中氢氦分子量不同2-13、解：氨---空气4250000.210/,1.01310,273,350,OaDmsPPTKTKPP3322442003500.2100.2910/273ODPTDmsPT氢—空气420.51110/ODms3322442003500.511100.74210/273ODPTDmsPT2-14溶解度s需先转化成摩尔浓度：34311/105.103.0105mkmolsPCAAskmolCCZDAANGAAavavAA/1025.20105.101.05310104921skgMGMAAA/1005.4181025.29102-15、解、3221212()20.5100.12420lnln19.5aVLrrAmrr3111602320/AACsPkmolm3221600.116/AACsPkomlm1161231.8100.124()(32016)1.357100.510aVAAADAGCCz/komls质量损失661.3571022.71410/AGkgs16、解：02225CONC和在时，扩散系数420.16710/Dms33121013.6109.86664AAaPPP（100-50）511121.67106664()48.810/83142981AAAADPPGNAkomlsRTz18、解、该扩散为组分通过停滞组分的扩散过程(),0AAAABBAAAAdGNDxNNNdrdGNDxNdr,AAAAPPCxRTPAAAAdPPDNNRTdrP整理得()AAAdPDPNRTPPdr24AArGNAr24()AAAGdPDPrRTPPdr分离变量，并积分得0024ASAArPAGRTdPdrDPrPP得4lnASAPPDPrGRTP第3章传热传质问题的分析和计算1、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、热量和质量的传递现象。动量、热量和质量的传递，（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传递）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是类似的。2、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