(完整版)《热质交换原理与设备》习题答案(第版)

3
3
D
DO P0 P
T
T0
2
0.2 104
350 273
2
0.29104 m2
/s
氢—空气
DO 0.511104 m2 / s
3
3
D
DO P0 P
T
T0
2
0.511104
350 2 273
0.742104 m2
/
s
2-14 溶解度 s 需先转化成摩尔浓度：
CA1 sPA1 5 10 3 0.03 1.5 10 4 kmol / m3
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 eAuA eBuB
以扩散速度表示的质量通量： jA A (uA u), jB B (uB u)uB , j jA jB
aO2 M O2
M O2
aN2 aCO2
M M N2
CO2
32 11
1
0.3484
32 28 44
xN2 0.3982 xCO2 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。
r1
19.5
CA1 sPA1 160 2 320kmol / m3
CA2 sPA2 160 0.1 16koml / m3
GA
DAaV z
(CA1
CA2)
1.8
1011 0.124 0.5 103
(320
16)
1.357 106
koml / s
质量损失 GA 1.357 106 2 2.714 106 kg / s
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
D
13.28 106 0.2 104
0.664
Pr 0.708
D 0.2 104 m2 / s(查P36表2 - 2)
2
hm h
1 cp
Pr Sc
3
hm
h c p
16、解： CO2和N2在25 0C时，扩散系数 D 0.167 104 m2 / s
PA1 PA2 （100-50）103 13.6103 9.8 6664Pa
GA
NAA
D(PA1 PA2 ) RT z
1.67 105 6664
4
8314 2981
8.81011koml / s
18、解、该扩散为组分通过停滞组分的扩散过程
3
3、从分子运动论的观点可知：D∽ p1T 2
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
435.7T 2
1
1
p(VA3 VB3 )
1 1 104 A B
若在压强 P0 1.013105 Pa,T0 273K 时各种气体在空气中的扩散系数 D0 ，在其他 P、T
/
s
Re
uod v
4 0.08 15.53 106
20605
Sc
v D
15.53 106 0.25 104
0.62
用式子（2-153）进行计算
shm
0.023Re
S 0.83 c
0.44
0.023 206050.83
0.620.44
70.95
hm
shm D d
70.95 0.25104 0.08
0.0222m / s
CO2
M CO2 Pi RT
44 105 8314 298
1.776kg / m 3
N2
M N2 Pi RT
28 105 8314 298
1.13kg / m 3
aCO2
CO2
CO2 N2
0.611 aN2
0.389
9、解：（a）已知 M A ， M B ， xA ， xB
aA
MA MA MB
Sc 2 / 3
Pr
56
0.664 2 / 3
1.2931.005 0.708
44.98m /
s
161103 m / h
8、解： CCO2
Pi RT
105 8314(273 25)
0.04036kmol / m 3
CN2
CCO2
xN2
xCO2
CN2
CN2 CCO2
0.5
GA
N A Aav
DAav Z
C A1
C A2
10
9 3 0.01
5
1.5 10 4
0
2.25 10 10 kmol / s
MA
GA
M
A
2.251010
18
4.05109 kg / s
AaV
2 L(r2 r1) ln r2
2
0.5103 ln 20
0.124m2
2-15、解、
（2）氨气和空气：
P 1.0132105 Pa T 25 273 298K
P0 1.0132105 Pa T0 273K
D
0.2
1.013
(
298
)
3 2
0.228cm2
/s
1.0132 273
2-4、解：气体等摩尔互扩散问题
NA
D RT z
Fra Baidu bibliotek
( PA1
PA2
)
0.6104 (16000 5300) 8.314 29810103
3
状态下的扩散系数可用该式计算
D
D0
P0 P
T
T0
2
（1）氧气和氮气：
V02 25.6103m3 /(kg kmol)o2 32
VN2 31.1103m3 /(kg kmol)N2 28
3
435.7 2982
1 1 104
D
32 28
1
1
1.54 105 m2 / s
1.0132 105 (25.63 31.13 )2
2-11、解； GA
N A AaV
DAaV z
(CA1 CA2 )
AaV
2 L(r2 r1) ln r2 r1
1）柱形：
Aav
2L(r2 r1) ,V ln r2
1 d 2L 4
r1
球形：
Aav
4r1r2 ,V
4 d 3 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
0.0259kmol
/(m2
s)
m2s R0 通用气体常数单位：J/kmol﹒K
5、解：25 0 C 时空气的物性： 1.185kg / m,3 1.835105 Pa s,
15.53106 m2 / s, D0 0.22 104 m2 / s
3
D
D0
P0 P
T
T0
2
0.25104 m2
3
3
D
D0
P0 P
T
T0
2
0.22 104
1.01310 5 1.013210 5
293 2 273
0.24 104 m2
/s
Re
uod v
0.05 31.205 1.8110 5
9990
Sc
D
1.8110 5 1.205 0.24 104
0.626
（1）用式 shm 0.023Re0.83Sc0.44 计算 hm
以主流速度表示的质量通量：
eAu
eA
1 e
(eAuA
eBuB
)
aA (mA
mB
)
eBu aB (mA mB ) 2、答：碳粒在燃烧过程中的反应式为 C O2 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。
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
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
56 1.2931001
0.708 10727.74
3
7.04105 m
/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。
2-12、解：
NA
D z
(CA1
CA2 )
109
(0.02 1 103
0.005)
1.5108 kmol
/(m
s)
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
DO 0.2 104 m2 / s, P0 1.013105 Pa ,T0 273K ,T 350K , P P0
aB
xB
nB nA nB
MB mA mB
MB aA aB
MA MB MA MB
aO2
（b）
x M O2 O2
x M O2 O2 x M N2 N2 x M CO2 CO2
32 0.3077 32 28 44
aN2 0.2692 aCO2 0.4231
aO2
1
xO2
若质量分数相等，则
nAM A nAM A nBM B
xAM A xAM A xBM B
aB
MB MA MB
nB M B nAM A nBM B
xBM B xAM A xBM B
已知 aB ， aA ， M A ， M B
mA
aA
xA
nA nA nB
MA mA mB
MA aA aB
MA MB MA MB
mB
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
hm
shm D d
0.023 99900.83 0.6260.44 0.24 104 0.05
0.01875
3
1
（2）用式 sh 0.0395Re 4 Sc 3 计算 hm
hm
sh D d
3
1
0.0395(9990) 4 (0.626)3
0.05
0.24 104
0.01621m / s
2-7、错解：氨在水中的扩散系数 D 1.24109 m2 / s ，空气在标准状态下的物性为；
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。
NA
D
dGA dr
xA ( N A
NB ),
NB
0
NA
D
dGA dr
xA N A
CA
PA RT
,
xA
PA P
NA
D RT
dPA dr
PA P
NA
整理得
NA
DP RT (P
PA )
dPA dr
GA N A Ar 4 r 2
GA 4 r2
DP RT (P PA )
dPA dr
GART dr 0 dPA
1.293kg / m,3 1.72105 Pa s,
Pr 0.708, cp 1.005103 J /(kg k)
Sc
D
1.72 105 1.293 1.24 109
10727.74
由热质交换类比律可得
2
hm h
1 cp
Pr Sc
3
2
2
hm h
1 Pr 3
cp
Sc
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：
设传质速率为 GA ，则
dGA
d (dx)hm (As
A)
4
d 2u0 (d A )
l dx du0 A2 d 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 1.81105 Pa s,