热质交换原理与设备_试卷1

中原工学院
2003～2004学年第2学期
分）
二、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v运动时，斐克定律又该如何表示？（20分）
三、简述“薄膜理论”的基本观点。

（15分）
四、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。

（10分）
五、写出麦凯尔方程的表达式并说明其物理意义。

（5分）
六、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。

(10分)
七、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s m 2
61015.15-⨯=ν）（15分）
管内受迫层流：333.0333
.0Re
86.1Sc Sh =
管内受迫紊流：44
.083.0Re 023.0Sc Sh =
八、已知空调系统送风量G ＝5㎏/s ，空气初状态参数t 1=35℃，t s1=26.9℃， i 1=85kJ/㎏；终状态参数为t 2=19℃，t s2=18.1℃，i 2=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
=1.2 kg/m 3
，定压比热c p =1.005 kJ/( kg ·℃)，水定压比热c p =4.19 kJ/( kg ·℃)，可选表冷器中水流速范围w=0.8-1.6m/s ）。

（15分）
已知水冷式表面冷却器作为冷却用之传热系数（W/ ㎡·℃）:
4排:
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.003.152.06.33217.3911
ωξy k V
6排:
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.002.152.06.32515.4111
ωξy k V
8排:
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.00.158.06.35315.3511
ωξy k V
JW 型表面冷却器技术数据
中 原 工 学 院
2003
～2004 学年 第 2 学期 建环01 专业 热质交换原理
分）
答：质量传递的推动力是浓度梯度。

传质有两种基本方式：分子扩散与对流扩散。

在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体及固体中的扩散，本质上由微观分子的不规则运动引起，称为分子扩散，机理类似于热传导；流体作宏观对流运动时由于存在浓度差引起的质量传递称为对流扩散，机理类似于热对流。

二、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v 运动时，斐克定律又该如何表示？（20分）
答：斐克定律克：在浓度场不随时间而变的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中组分A 和B 发生互扩散，其中组分A 向组分B 的扩散通量与组分A 的浓度梯度成正比，其表达式为：
s m kg dy dC D m A AB
A ⋅-=2或s m kmol dy dn
D N A AB A ⋅-=2
A m ，A N －分别为组分A 的相对质扩散通量和摩尔扩散通量；
dy dn dy dC A
A ,
——分别为组分A 的质量浓度梯度和摩尔浓度梯度；
AB D ——组分A 向组分B 中的质扩散系数，单位s m /2；
当混合物以整体平均速度v 运动时
A c
A
AB
A V s m kg dy dC D m ,2+⋅-=
三、简述“薄膜理论”的基本观点。

（15分）
答：当流体流经固体或液体表面时，存在一层附壁薄膜，靠近壁面一侧膜内流体的浓度分布为线性，而在流体一侧，薄膜与浓度分布均匀的主流连续接触，且薄膜内流体与主流不发生混和与扰动。

在此条件下，整个传质过程相当于集中在薄膜内的稳态分子扩散传质过程。

四、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。

（10分）
答：如果组分浓度比较低，界面上的质扩散通量比较小，则界面法向速度与主流速度相比很小可以忽略不计时，描述对流换热系数和对流传质的准则关联式具有完全类似的形式。

此时，对流换热与对流传质的边界层微分方程不仅控制方程的形式类似，而且具有完全相同的边界条件，此时对流换热和对流传质问题的解具有完全类似的形式。

五、写出麦凯尔方程的表达式并说明其物理意义。

（5分） 答：()dA i i h dQ d m d z -=
麦凯尔方程表明，当空气与水发生直接接触，热湿交换同时进行时。

总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。

上式中，z dQ 为潜热和显热的代数和；i 为主流空气的焓，b i 为边界层中饱和湿
空气的焓，md h 为湿交换系数或空气与水表面之间按含湿量之差计算的传质系数。

六、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。

(10分)
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
()
s
m mol y p p T R D N N A A m B A ⋅⨯=-⋅⨯⨯=∆-⋅=-=--22421/1059.201.05300
160002988314106.0
负号表示两种气体组分扩散方向相反。

七、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s m 2
61015.15-⨯=ν）（15分） 管内受迫层流：333
.0333.0Re 86.1Sc Sh =
管内受迫紊流：44.083
.0Re 023.0Sc Sh =
解：88.110826.01053.155
6
=⨯⨯==--D v Sc
10173
1053.151005.318.5Re 6
2
=⨯⨯⨯==--v ud ()()35.6488.110173
023.0Re 023.044.083.044.083.0=⨯⨯==Sc Sh s m d Sh D h m 017.01005.310826.035.642
5
=⨯⨯⨯=⋅=-- ()s m kmol n n h N m m m A ⋅=-=2017.00
八、已知空调系统送风量G ＝5㎏/s ，空气初状态参数t 1=35℃，t s1=26.9℃， i 1=85kJ/㎏；终状态参数为t 2=19℃，t s2=18.1℃，i 2=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
=1.2 kg/m 3
，定压比热c p =1.005 kJ/( kg ·℃)，水定压比热c p =4.19 kJ/( kg ·℃)，可选表冷器中水流速范围w=0.8-1.6m/s ）。

（15分）
已知水冷式表面冷却器作为冷却用之传热系数（W/ ㎡·℃）:
4排:
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.003.152.06.33217.3911
ωξy k V
6排:
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.002.152.06.32515.4111
ωξy k V
⎥⎥⎤⎢⎢⎡+-=8.00.158.06.35315.3511
ωξy k V
解：（1）计算需要的接触系数2ε，确定冷却器的排数
889
.09.26351
.181********=---=---=s s t t t t ε
查表可知，在常用的y V 范围内，JW 型6排表冷器能满足889.02=ε的要求，故选用6排。

（2）假定s m V y 5.2='，则 ()
2
667.15.22.15
m V G A y y =⨯='=
'ρ
查表可选用JW20－4型表冷器一台，其迎风面积2
87.1m A y =
故实际迎面风速()s m A G V y y 23.287.12.15=⨯==ρ
查2ε表可知，在s m V y 23.2=时，JW 型6排表冷器实际的2ε值可以满足要求，
所选JW20－4型表冷器每排散热面积
,05.202
m A d =通水断面积2
00407.0m A w =。

（3）求析湿系数
()()1
.21935005.14
.51852121=-⨯-=--=
t t c i i p ξ
（4）由已知，可选水流速范围s m 6.18.0-=ω
代入
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-=8.002.152.06.3251
5.4111
ωξy k V
当8
.0=ω()
K
m W y k V 21
9.898.002.152.06.32515.411==⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-ωξ
当
8.0=ω()
K
m W y k V 21
6.1048.002.152.06.32515.411==⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-ωξ。