《热质交换原理与设备》习题答案

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：,,A A A B B B A A B B m u m u m e u e u ρρ===+ 以扩散速度表示的质量通量：(),(),A A A B B B B A B j u u j u u u j j j ρρ=-=-=+

以主流速度表示的质量通量：1()()

A A A A

B B A A B e u e e u e u a m m e ⎡⎤

=+=+⎢⎥⎣⎦

()B B A B e u a m m =+

2、答：碳粒在燃烧过程中的反应式为22C O CO +=，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 ∽31

2

p T -

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：

324

113

3

435.71

1

10()

A

B

T

D p V V μμ-=

+

⨯+

若在压强5

001.01310,273P Pa T K =⨯=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32

00

0P T D D P T ⎛⎫= ⎪⎝⎭

（1）氧气和氮气：

2233025.610/()32o V m kg kmol μ-=⨯⋅=

223331.110/()28N N V m kg kmol μ-=⨯⋅=

342

5211

52

3311435.7298103228 1.5410/1.013210(25.631.1)D m s --⨯⨯

+⨯==⨯⨯⨯+

（2）氨气和空气：

51.013210P Pa =⨯ 25273298T K =+= 50 1.013210P Pa =⨯ 0273T K =

3

221.0132980.2()0.228/1.0132273D cm s

=⨯⨯=

2-4、解：气体等摩尔互扩散问题

1242

3

0.610(160005300)()0.0259/()8.3142981010A A A D N P P kmol m s RT z --⨯⨯-=-==⋅∆⨯⨯⨯

m 2s R 0通用气体常数单位：J/kmol ﹒K

5、解：250

C 时空气的物性：35

1.185/, 1.83510,kg m Pa s ρμ-==⨯⋅

6242015.5310/,0.2210/m s D m s υ--=⨯=⨯

32

4200066

4

0.2510/40.08

Re 2060515.531015.53100.62

0.2510o c P T D D m s

P T u d v v S D ----⎛⎫

==⨯ ⎪⎝⎭⨯=

==⨯⨯===⨯

用式子（2-153）进行计算

0.830.440.830.444

0.0230.023206050.6270.95

70.950.25100.0222/0.08

m e c m m sh R S sh D h m s

d -==⨯⨯=⨯⨯===

设传质速率为A G ，则

2112

2000

0()()()

4

4ln

4A A A m A s A A l

A m A s A

A s A m A s A dG d dx h d u d du d dx h du l h ρρπ

πρρρρρρρρρρ⋅⋅⋅⋅=-=

=

--=-⎰

⎰

2-6、解：20℃时的空气的物性：（注：状态不同，D 需修正）

353

35

2

2

442

005

055

4

1.205/, 1.8110,1.013102930.22100.2410/1.0132102730.053 1.205

Re 9990

1.81101.81100.626

1.2050.2410o c kg m Pa s P T D D m s P T u d

v S D ρμρμρ------==⨯⋅⎛⎫⨯⎛⎫==⨯⨯⨯=⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭⨯⨯=

=

=⨯⨯===⨯⨯

（1）用式0.830.44

0.023m e c sh R S =计算m h

0.830.444

0.02399900.6260.24100.01875

0.05m m sh D h d -⨯⨯⨯⨯===

（2）用式

13

3

40.0395e c sh R S =计算m h

1

34

3

4

0.0395(9990)(0.626)0.24100.01621/0.05m sh D h m s

d -⨯⨯===

2-7、错解：氨在水中的扩散系数92

1.2410/D m s -=⨯，空气在标准状态下的物性为；