《热质交换原理与设备》第三版习题答案

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。

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 ⎡⎤

=+=+⎢⎥⎣⎦

?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 ∽3

1

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：

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： （2）氨气和空气：

2-4、解：气体等摩尔互扩散问题 ×10−3=2.59×10−5kmol/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-==⨯⋅ 用式子（2-153）进行计算

?设传质速率为A G ，则

?2-6、解：20℃时的空气的物性：（注：状态不同，D 需修正）

（1）用式0.830.44

0.023m e c sh R S =计算m h

（2）用式

1

3

3

40.0395e c sh R S =计算m h

?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；

由热质交换类比律可得

✧ 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 ρ=1.293 kg

m 3;c p =1.005kJ/kg?K

8、解：325

100.04036/8314(27325)i CO P C kmol m

RT ===+

9、解：（a ）已知A M ，B M ，A x ，B x

已知B a ，A a ，A M ，B M

（b ）

22

2222222

32

0.3077

322844

O O O O O N N CO CO x M a x M x M x M =

=

=++++

若质量分数相等，则

2

222222

2

2

1320.3484111322844

O O O O N CO O N CO a M x a a a M M M =

==++++

??10、解；（a ）2O ，2N 的浓度梯度沿垂直方向空气由上部向下部运动： （b ）2O ，2N 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。

2-11、解；

12()aV

A A aV A A DA G N A C C z ==

-∆212

1

2()

ln aV L r r A r r π-=

✧ ?1）柱形：L d V r r r r L A av 2121241

,ln )(2ππ=-=

球形：3213

4

,4d V r r A av ππ==

✧ 2）d=100mm 为内径，所以r 1=50，r 2=52

若为球形A av =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

?2-12、解：98

123

10(0.020.005)() 1.510/()110A A A D N C C kmol m s z ---⨯-=-==⨯⋅∆⨯

✧ ?1）j A 为A 的质量扩散通量，kg/m 2s ；J A 为A 的摩尔扩散通量kmol/m 2s ；

✧ 2）题中氢氦分子量不同 ?2-13、解： 氨---空气 氢—空气

?2-14溶解度s 需先转化成摩尔浓度：

2-15、解、3

2

212

1

2()20.5100.12420

ln ln 19.5aV L r r A m r r ππ--⨯⨯===

质量损失66

1.357102

2.71410/A

G kg s --=⨯⨯=⨯ ?16、解：0

2225CO N C 和在时，扩散系数42

0.16710/D m s -=⨯ ?18、解、该扩散为组分通过停滞组分的扩散过程

整理得

()A A A dP DP

N RT P P dr =-

- 分离变量，并积分得0024AS A A

r P A

G RT dP dr DP r P P π∞=--⎰⎰得

第3章传热传质问题的分析和计算

1、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。

?2、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

①22

33

r P 2m H D t t c G

J J S S S ===⋅=⋅

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：r ,,,P ,,m

c u h t t t c a D D S N S S S λ↔↔↔↔↔↔

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m h 2

3

m h

h Le e φ-=⋅