热质交换原理与设备名词解释及课后第二章习题.docx
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热质交换原理与设备名词解释及课后第二章习题
名词解释
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）、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、）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）、新风（从室外引进的新鲜空气，经过热质交换设备处理后送入室内的环境中）、回风（从室内引出的空气，经过热质交换设备的处理再送回室内的环境中）、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）
、机器露点（空气在机器上结露产生凝结水的温度值）
、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
、雷诺类比（对流传热和摩擦阻力间的联系）、宣乌特准则数（流体传质系数hm和定型尺寸的乘积与物体的互扩散系数（Di）的比值）、施密特准则数（流体的运动黏度（v）与物体的扩散系数（D）的比值
）、普朗特准则数（流体的运动黏度（v）与物体的导温系数a的比值）
简要回答问题
1、什么叫冰蓄冷空调？
其系统种类有哪些？
冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量
2、根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为哪几类？
试说明他们各自的特点？
水冷和风冷冷凝器水冷，空冷，水—空气冷却以及靠制冷剂蒸发或其他工艺介质进行冷却的冷凝器。
采用水冷式冷凝器可以得到比较低的温度，这对制冷系的制冷能力和运行经济性均比较有利。
3、冷却塔分为哪几类？
由哪些主要构件组成？
干式和湿式。
有淋水装置、配水系统、通风筒组成。
4、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。
5、表冷器与喷水室比较，有什么区别？
表冷器有两种：
一是风机盘管的换热器，它的性能决定了风机盘管输送冷（热）量的能力和对风量的影响。
一般空调里都有这个设备。
二是空调机组内的风冷的翅片冷凝器。
空调里的表冷器铝翅片采用二次翻边百页窗形，保证进行空气热交换的扰动性，使其处于紊流状态下，较大地提高了换热效率。
表冷器是给制冷剂散热的，把热量排到室外，它把压缩机压缩排出高温高压的气体冷却到低温高压的气体。
利用制冷剂在表冷器内吸热,使之被冷却空间温度逐渐降低。
空气处理机组的风机盘管表冷器，通过里面流动的空调冷冻水（冷媒水）把流经管外换热翅片的空气冷却，风机将降温后的冷空气送到使用场所供冷，冷媒水从表冷器的回水管道将所吸收的热量带回制冷机组，放出热量、降温后再被送回表冷器吸热、冷却流经的空气，不断循环。
喷水室是一种多功能的空气调节设备，可对空气进行加热、冷却、加湿及减湿等多种处理。
喷水室由喷嘴、喷水管路、挡水板、集水池和外壳等组成。
空气进入喷水室内，喷嘴向空气喷淋大量的雾状水滴，空气与水滴接触，两者产生热、湿交换，达到所要求的温、湿度。
喷水室的优点是可以实现空气处理的各种过程；主要缺点是耗水量大，占地面积大，水系统复杂，水易受污染，目前在舒适性空调中应用不多。
工程中选用的喷水室除卧式、单级外，还有立式、双级喷水室。
6、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。
7、试比较分析对流传质与对流传热的相关准数之间的关系？
传质
传热
Sc=v/di
Pr=v/a
Sh=hm.l/Di
Nu=hl/λ
Stm=Sh/Re.Sc
St=Nu/Re.Pr
8、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=主体速度+扩散速度
9、写出斐克定律的普遍表达形式并举例说明其应用？
NA=-DdCA/dz+xA（NA+NB）
10、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。
11、在什么条件下，描述对流传质的准则关联式与描述对流换热的准则关联式具有完全类似的形式？
请说明理由。
当边界层传递方程的扩散系数相等时即v=a=D或V/a=V/D=a/D=1时具有完全相同的形式
12、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。
13、分别写出对流换热与对流传质的基本计算式以及式中各项的单位和物理意义；并指出当热质传递同时存在时，对流换热系数h和对流传质系数hm之间存在什么样的关系？
hm=0.664DAB/LRe0.5Sc1/3
14、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。
15、请说明空气调节方式中热湿独立处理的优缺点？
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。
节约传统除湿中的缺点，节约能源，减少环境污染。
16、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。
17、吸附（包括吸收）除湿法和表冷器，除湿处理空气的原理和优缺点是什么？
吸附除湿是利用吸附材料降低空气中的含湿量。
吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩，且噪声低并可以得到很低的露点温度。
表冷器缺点：
仅为降低空气温度，冷媒温度无需很低，但为了除湿必须较低，
pp250的练习题1至9题
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0.1MPa，一端氮气浓度为1.0Kmol/m3，另一端浓度为0.4Kmol/m3，两端相距50cm，已知DAB=0.5×10-4m2/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/（m2.S）
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0.1MPa，一端氮气的分压力为0.06MPa，另一端为0.01MPa，两端相距30cm，已知DAB=0.687×10-4m2/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，
，
=
=4.59×10-6kmol/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/kg.K，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℃
=10.5℃
（2）冷凝总负荷
=5500+1500=7000W
=7000/（1.1×1013×8）=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101.325kPa，萘在空气中的扩散率为5.14×10-6m2/s；
（2）空气以0.15m/s的速度流过萘球，温度为259K，压力为101.325kPa，
。
解：
（1）Sh=2.0（2分）
=2.0×5.14×10-6/0.03=3.43×10-4m/s
（2）
=0.15×0.03/1.0×105=4.5×102，（1分）
=1.95
0.569（
）0.25=2.569
=2.569×5.14×10-6/0.03=4.4×10-4m/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℃
=35.7℃
（2）
=30000/（40×35.7）=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1.013×105Pa、温度为25℃的空气，以5.18m/s的速度流过直径为3.05×10-2m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=0.826×10-5㎡/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=15.15×10-6m2/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=51.4kJ/㎏；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=1.005kJ/（kg·℃），水定压比热cp=4.19kJ/（kg·℃），可选表冷器中水流速范围w=0.8-1.6m/s）。
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
12.15
0.944
JW20-4
8350-16700
24.05
1.87
JW30-4
16700-25000
33.40
2.57
JW40-4
25000-33400
44.50
3.43
排数
迎面风速（m/s）
1.5
2.0
2.5
3.0
2
0.590
0.545
0.515
0.490
4
0.841
0.797
0.768
0.740
6
0.940
0.911
0.888
0.872
8
0.977
0.964
0.954
0.945
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1.013×105Pa，温度为25℃的条件下作等摩尔互扩散，已知扩散系数为0.6㎝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。
加上作业题
综述题
1、空气与水接触时，由于水温的不同空气的状态变化过程也将不同，随着水温的不同可以得到多种空气状态变化过程，试用热湿交换理论简单分析这几种过程。
1空气与水直接接触时的状态变化过程130页（图4-6和图4-7掌握，其旁边的
文字介绍理解掌握，图4-8的图有误，但是也不需要掌握其图形，但旁边的文
字要掌握，就是以水和空气为研究的分析）
2、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。
3、建立湿空气通过表冷器冷却时的物理模型，写出传热传质的微分方程，并进行简单讨论。
4、试讨论空气与水直接时的状态变化过程。
解：
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/（m2.s）
（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）
因为：
当温度为t时，湿空气焓为：
当温度为tb时，湿空气焓为：
：
如果忽略水蒸汽从0℃加热到t℃时的焓，即
项，并考虑到t和tb差别不大，所以空气的比热和水的汽化潜热变化不大，即有：
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。
5、简述换热器热工计算常用的计算方法。
6、试比较分析对流传质与对流传热的相关准数之间的关系。
7、分别讨论空气在夏季、冬季热质处理的方案，并加以说明。
8、质量传递的推动力是什么？
浓度差。
传质有几种基本方式？
分子传质和对流传质。
其机理有什么不同？
9、简述斐克定律，并写出其数学表达式以及各项的意义；当混合物以整体平均速度
运动时，斐克定律又该如何表示？
NA=-DdCA/dz+xA（NA+NB）
10、下表以空气外掠平板的受迫对流为例，将二维稳态常物性层流条件下的对流换热与对流传质进行了类比，请将其补充完整。
11、空气与水直接接触时，在水量无限大、接触时间无限长的假象条件下，随着水温不同，可以得到如图所示的七种典型空气状态变化过程，请分析这七种过程的特点，然后将给出的表格填写完整。
12、说明集中空调系统采用冰蓄冷系统的优缺点？
1优点
1）平衡电网峰谷荷，减缓电厂和供配电设施的建设。
2）制冷主机容量减少，减少空调系统电力增容费和供配电设施费。
3）利用电网峰谷荷电力差价，降低空调运行费用。
4）电锅炉及其蓄热技术无污染、无噪声、安全可靠且自动化程度高不需要专人管理。
5）冷冻水温度可降到1－4℃，可实现大温差、低温送风空调，节省水、风输送系统的投资和能耗。
6）相对湿度较低，空调品质提高，可有效防止中央空调综合症。
7）具有应急冷〔热〕源，空调可靠性提高。
8）冷（热）量全年一对一配置，能量利用率高。
2缺点
1）通常在不计电力增容费的前提下，其一次性投资比常规空调大
2）蓄能装置要占用一定的建筑空间。
3）制冷蓄冰时主机效率比在空调工况下运行低、电锅炉制热时效率有可能较热泵低。
4）设计与调试相对复杂。
1.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。
2、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
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。
3、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。
4、混合式换热器分为哪几种类型？
各种类型的特点是什么？
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、湿式冷却塔可分为哪几类？
各类型的特点是什么？
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大。
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、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。
7、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。
8、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。
9、什么叫析湿系数?
它的物理意义是什么？
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。
课后第二章问答
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：
以扩散速度表示的质量通量：
以主流速度表示的质量通量：
2、答：
碳粒在燃烧过程中的反应式为
，即为1摩尔的C与1摩尔的
反应，生成1摩尔的
，所以
与
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、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。
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，传递因子等于传质因子①
②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参数及准则数用对流传质中相对应的代换即可，如：
③当流体通过一物体表面，并与表面之间既有质量又有热量交换时，同样可用类比关系由传热系数h计算传质系数
5：
答：
斯密特准则
表示物性对对流传质的影响，速度边界层和浓度边界层的相对关系
刘伊斯准则
表示热量传递与质量传递能力相对大小热边界层于浓度边界层厚度关系
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