完整版《热质交换原理与设备》习题答案第版doc.docx
《完整版《热质交换原理与设备》习题答案第版doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版《热质交换原理与设备》习题答案第版doc.docx（108页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版《热质交换原理与设备》习题答案第版doc
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：
mA
AuA,mB
BuB,m
eAuAeBuB
以扩散速度表示的质量通量：
jA
A（uAu）,jB
B（uB
u）uB,j
jA
jB
eAueA1（eAuA
eBuB）
aA（mA
mB）
以主流速度表示的质量通量：
e
eBuaB（mA
mB）
2、答：
碳粒在燃烧过程中的反应式为
CO2
CO2，即为1摩尔的C与1摩尔的O2反应，
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
3、从分子运动论的观点可知：
D∽p1T2
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：
3
D
435.7T2
1
1
4
1
1
10
p（VA
3
VB
3）
A
B
0
5
0
273K时各种气体在空气中的扩散系数
D
0，在其他P、T
若在压强P
1.01310Pa,T
3
D
P0
T
2
D0
状态下的扩散系数可用该式计算
PT0
（1）氧气和氮气：
V02
25.6
3
3
32
10
m/（kgkmol）
o2
VN2
31.1
103m3/（kgkmol）
N2
28
3
1
1
104
435.7
2982
D
32
28
1.54
10
5
2
/s
1
1
m
1.0132
105
（25.63
31.13）2
（2）氨气和空气：
P
1.0132
105PaT
25
273
298K
P0
1.0132
105PaT0
273K
D
0.2
1.013
（298）23
0.228cm2/s
1.0132
273
2-4、解：
气体等摩尔互扩散问题
D
0.6
104
（16000
5300）
2
NA
RT
z（PA1
PA2）
8.314
29810
103
0.0259kmol/（m
s）
m2s
R0
通用气体常数单位：
J/kmol﹒K
5、解：
25
0C时空气的物性：
1.185kg/m,3
1.835105Pa
s,
15.53
106m2/s,D0
0.22104m2/s
3
DD0P0
T
2
0.25104m2/s
P
T0
Re
uod
4
0.08
20605
v
15.53
106
Sc
v
15.53
10
6
0.62
D
0.25
104
用式子（2-153）进行计算
shm
0.023Re
0.83Sc
0.44
0.023206050.83
0.620.44
70.95
hm
shmD
70.95
0.25
104
d
0.08
0.0222m/s
设传质速率为GA，则
dGA
d（dx）hm（As
A）
4
d2u0（d
A）
du0
d
l
dx
A2
A
0
4hm
A1
As
A
l
du0
ln
As
A1
4hm
As
A2
2-6、解：
20℃时的空气的物性：
（注：
状态不同，
D需修正）
1.205kg/m,3
1.81105Pas,
P0
T
3
1.013
105
293
3
2
4
2
4
2
D
D0
P
T0
0.22
10
1.0132105
273
0.24
10
m
/s
Re
uod0.05
3
1.205
9990
v
1.81105
Sc
1.81
105
0.626
D
1.2050.24
104
（1）用式shm
0.023Re0.83Sc
0.44
计算hm
hm
shmD
0.023
99900.83
0.6260.44
0.24
104
0.01875
d
0.05
1
3
（2）用式sh
0.0395Re
4Sc
3
计算hm
3
1
0.24104
shD
hm
0.0395（9990）4（0.626）3
0.01621m/s
d
0.05
2-7、错解：
氨在水中的扩散系数D1.24109m2/s，空气在标准状态下的物性为；
1.293kg/m,3
1.72
105Pa
s,
Pr0.708,cp1.00510
3J/（kg
k）
1.72
105
10727.74
Sc
D1.2931.24109
由热质交换类比律可得
2
hm
1
Pr
3
h
cp
Sc
2
hm
1
Pr
3
h
cp
Sc
560.708
1.293100110727.74
2
3
7.04105m/s
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
Sc
13.28
106
0.664
D
0.2
104
Pr
0.708
D
0.210
4m2
/
s
查
表
2-2）
（
P36
2
hm
1
Pr
3
h
cp
Sc
h
Sc
2/3
56
0.664
2/3
hm
44.98m/s161103m/h
cp
Pr
1.293
1.005
0.708
Pi
10
5
3
CCO2
RT
8314（27325）
0.04036kmol/m
8、解：
xN2
xCO2
CN2
0.5
CN2
CN
CCO
CCO2
2
2
MCO2Pi
44
105
3
CO2
RT
8314298
1.776kg/m
MN2
Pi
28
105
3
N2
RT
8314
298
1.13kg/m
aCO2
CO2
0.611
CO2
N2
aN2
0.389
9、解：
（a）已知MA，MB，xA，xB
aA
MA
nAMA
xAMA
MA
MB
nAMA
nBMB
xAMA
xBMB
aB
MB
nBMB
xBMB
MA
MB
nAMA
nBMB
xAMA
xBMB
已知aB，aA，MA，MB
mA
aA
xA
nA
MA
MA
nA
nB
mA
mB
aA
aB
MA
MB
MA
MB
mB
aB
xB
nB
MB
MB
nA
nB
mA
mB
aA
aB
MA
MB
MA
MB
aO2
xO2MO2
32
0.3077
xO2
MO2
xN2MN2xCO2MCO2
322844
（b）
aN2
0.2692aCO2
0.4231
aO2
1
MO2
xO2
32
0.3484
aO2
aN2
aCO2
1
1
1
若质量分数相等，则
MO2
MN2MCO2
32
28
44
xN2
0.3982xCO2
0.2534
10、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。
2
L（r2r1）
AaV
lnr2
GANAAaV
DAaV（CA1CA2）
2-11、解；
z
r1
1）柱形：
Aav
2L（r2
r1）,V
1d2L
r2
4
ln
r1
球形：
Aav4
r1r2,V
4
d3
3
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/s
D
（CA1
CA2）
109
（0.02
0.005）
1.510
8
2-12
NA
1
10
3
kmol/（ms）
、解：
z
1）jA为A的质量扩散通量，kg/m
2s；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
DO
0.2
104m2/s,P0
1.013
105Pa,T0
273K,T
350K,P
P0
3
D
DOP0
T2
0.210
4350
P
T0
273
氢—空气
3
2
0.29104m2/s
DO
0.511
104m2/s
DOP0
T
3
350
3
D
2
4
2
0.74210
4
2
P
T0
0.51110
273
m/s
2-14溶解度s需先转化成摩尔浓度：
CA1
sPA1
5
103
0.03
1.5
104kmol/m3
GA
NAAav
DAav
CA1
CA2
10
9
35
10
4
0
2.2510
10
kmol/s
Z
1.5
0.01
MAGAMA2.251010184.05109kg/s
AaV
2
L（r2
r1）
2
0.5103
0.124m2
lnr2
ln
20
2-15、解、
r1
19.5
320kmol/m3
CA1
sPA1
160
2
CA2
sPA2
160
0.1
16koml/m3
GA
DAaV
（CA1
CA2）
1.8
10110.124
（320
16）
1.357106
z
106
0.5
103
106kg/s
koml/s
质量损失GA
1.357
2
2.714
16、解：
CO2和N
2在250C时，
D
0.167
10
4
m
2
/s
扩散系数
PA1PA2
（100-50）10313.6
103
9.8
6664Pa
升级会员 