《热质交换原理与设备》习题答案分析

第5章吸附和吸收处理空气的原理与方法

1.解：物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作用力为分子间吸引力，它是一种可逆过程，物理吸附是无选择的，只要条件适宜，任何气体都可以吸附在任何固体上。吸附热与冷凝热相似。适应的温度为低温。吸附过程进行的急快参与吸附的各相间的平衡瞬时即可达到。

化学吸附是固体表面与吸附物间的化学键力起作用的结果。吸附力较物理吸附大，并且放出的热也比较大，化学吸附一般是不可逆的，反应速率较慢，升高温度可以大大增加速率，对于这类吸附的脱附也不易进行，有选择性吸附层在高温下稳定。人们还发现，同一种物质，在低温时，它在吸附剂上进行物理吸附，随着温度升到一定程度，就开始发生化学变化转为化学吸附，有时两种吸附会同时发生。

2、硅胶是传统的吸附除湿剂，比表面积大，表面性质优异，在较宽的相对湿度范围内对水蒸汽有较好的吸附特性，硅胶对水蒸汽的吸附热接近水蒸汽的汽化潜热，较低的吸附热使吸附剂和水蒸汽分子的结合较弱。

缺点是如果暴露在水滴中会很快裂解成粉末。失去除湿性能。 与硅胶相比，活性铝吸湿能力稍差，但更耐用且成本降低一半。

沸石具有非常一致的微孔尺寸，因而可以根据分子大小有选择的吸收或排除分子，故而称作“分子筛沸石”。

3、目前比较常用的吸附剂主要是活性炭，人造沸石，分子筛等。 活性炭的制备比较容易，主要用来处理常见有机物。

目前吸附能力强的有活性炭纤维，其吸附容量大吸附或脱附速度快，再生容易，而且不易粉化，不会造成粉尘二次污染，对于无机气体如

2SO 2X 、H S 、NO 等有也很强的吸附能力，吸

附完全，特别适用`于吸附去除693

1010/g m --、 量级的有机物，所以在室内空气净

化方面有着广阔的应用前景。

4、有效导热系数通常只与多孔介质的一个特性尺度----孔隙率有关。

第6章 间壁式热质交换设备的热工计算

1、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。

6-2、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。 6-3、

表冷器的传热系数定义为

1

11s m n y K AV Bw ρξ-??=+?????? 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。

6-4、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

()

t b

p b dQ i i dQ c t t ξ-=

=

- 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。

5、解：逆流流动时，t '?=100-90=100C ，t ''?=120-50=700

C

90

270t t '?=<''? ∴m t ?=（90+70）/2=800C

管束未加肋光管，管壁很薄，所以

f

R 、

w R 可不记，则

150

11

580050

k =

=+

∴传热量为Q=FK m t ?=10?50?80=40000W

顺流流动时：t '?=120-10=1100C t ''?=100-50=500

C

11050

76.1110ln 50

m t -?=

=0

C Q=10?50?76.1=38050W 6-6、解：设冷水的温度为

2t '

，

Q Q =吸

放

11p G C ''''''2112p 22（t -t ）=G C (t -t )

20.63 2.09(19365) 1.05 1.67(149)

t '??-=??-

解得

2t '

=52.90

C

(193149)(6552.9)

24.6

193149ln 6552.9

m t ---?=

=--0

C Q=KA

m t ?

2

30.63 2.09(19365)9.80.71024.6m Q A m K t ??-=

==???

即保持这样的负荷需要换热面积为2

9.8m 7、解：设机油出口温度为

1t ''

11p G C ''''''2112p 22（t -t ）=G C (t -t )

12.6 1.9(100) 1.0 4.18(8040)167.2t ''??-=??-=

0166.2t C

''=

66.24026.2t '?=-= 1008020t ''?=-= 26.2220t t '?=<''?

22118040

0.6710040

t t P t t '''--=

==-'''-

112210066.20.845

8040t t R t t '''--===-'''-

∴

()026.220

23.12t f

m C

t C +?=

=

Q=KA

m t ?由P-R 值图5—27得φ=0.78

∴ m t ?=0.78?23.1=18

∴3

20167.210464.4/()

2018k W m C ?==??φ

8、解：黄铜管的导热系数为：

2

111/()W m k ? （1）相对与管外表面积的总传热系数为：

211

88.3/()

1160.0161610.0002050.00004190.0111ln 60001321111390k W m k =

==?++?++?

（2）管壁热阻可以忽略，则传热系数为：

21174/()

1

0.000205180

k W m k =

=?+

传热增加了97%

（3）

21

89.3/()

116

0.01111200013k W m k =

=??+

传热增加了1%。 9、解：

14200/p C J kg K

==?2p C

Q Q =吸

放

11p G C ''''''2112p 22（t -t ）=G C (t -t )

2000(80)3000(3010)

''?-=?-1t

得

050C

''=1t

（1） 顺流时

0max 801070t C ?=-= 0min 503020t C ?=-= ∴

0m 7020

39.970ln 20t C -?=

=

（2）逆流时

0max 803050t C ?=-= 0min 501040t C ?=-=

0m 5040

44.850ln 40t C -?=

=

6-10、（1）计算需要的接触系数

2ε，确定冷却器的排数，如图所示：

21

2211311.7

110.862

2919.6

s s t t t t ε--=-

=-

=--

根据附录6—4可知，在常用的y

V 范围内，JW 型6排表面冷却器能满足

2ε=0.862的要求，

所以决定选择6排。 （2）确定表面冷却器的型号 先假定一个

y V '

，算出所需冷却器的迎风面积

y A '

，再根据

y A '

选择合适的冷却器型号及并联

台数，并算出实际的

y

V 值。

假定

y V '

=3m/s ，根据

y y G A V ρ

'=

'可得

2

10

2.83 1.2y A m '=

=? 根据y A '=2.82m ，查得附录6—5可以选用JW —40—4型号表面

冷却器，其

y

A =3.432

m ，

所以实际的

y

V 为

10

2.4/

3.43 1.2

y y G V m s A ρ=

==?在查附录6-4知，在

y

V =2.4m/s 时，6

排JW 型表面冷却器实际的

2ε=0.891，与需要的2ε=0.862差别不大，故可以继续计算，由

附录6—5可知，所需的表冷器 的每排传热面积为d A =44.5 ，通水截面积为w A =0.005532m

（3）求析湿系数：

125633.2

1.41

1.01(2913)

p i i C ε--=

==?-12（t -t ）

（4）求传热系数

假定流水速率为w=1.5m/s ，根据附录6—3 中的相应公式可以计算出传热系数：

1

1200.52 1.020.80.52 1.020.8111181.83/()41.5325.641.5 2.4 1.41325.6 1.5s y K W m C V w ξ--????=+=+=????????????

?（5）求冷水量

根据W=

w A w 310得 W=0.00553?1.5?310=8.3kg/s

（6）求表冷器能达到的

1ε

先求传热单元数及水当量比 根据式（6--63）得：

3

81.8344.56

1.53/1.4110 1.0110NTU kg s ??=

=???

根据式（6--62）得

3

3

1.4110 1.01100.418.3 4.1910r C ???==??

根据NTU 和

r C 值查图6—12或按式6—44计算得：1ε=0.71

（7）求水温

由公式（5--70）可得冷水初温

102913

29 6.50.71w t C -=-

=

冷水终温：

21012()10(5633.2)

6.513.18.3 4.19w w G i i t t C WC -?-=+

=+=?

（8）求空气阻力和水阻力：

查附录6—3中的JW 型6排表冷器的阻力计算公式得：

1.93 1.9314.4514.5 1.531.7a h w kp ?==?=

1.11 1.116

2.2362.23 2.4164S y H V Pa

?==?=

11、解：如图所示；

G=24000kg/h=6.67kg/s W=30000kg/h=8.33kg/s (1)求表冷器迎面风速

y

V 及水流速w

由附录6—5知JW —30—4型表面冷却器迎风面积

y

A =2.572

m ，每排散热面积

d A =33.402m ，通水面积w A =0.005532m ，所以

6.67

2.16/2.57 1.2

y y G V m s A ρ=

==?

33

8.33

1.5/100.0055310w W w m s

A =

==??

（2）求冷却器可提供的2ε

根据附录6—4 ，当

y

V =2.16m/s 时，N=8排时，

2ε=0.9608≈0.961

（3）先假定

29.5 t C = 根据

210212()(1)10.5(2419.5)(10.961)9.3s s t t t t C

ε=---=---=

查i —d 图可知，当209.3

s t C =时，

2=27.5kJ/kg i

（4）求析湿系数

根据

12p i i C ε-=

12（t -t ）

得：

55.827.5

1.93

1.01(249.5)ε-=

=?-

（5）求传热系数：

根据附录6—3 ，对于JW 型的8排冷却器，

1

200.58 1.00.81187.9/()35.5 2.16 1.93353.6 1.5s K W m C -??

=+=????????

（6）求表面冷却器所能达到的1ε'值

传热单元数按式（6--63）得

387.933.408

1.84

1.93 6.67 1.0110NTU ??=

=???

水当量比按照式（6--62）得

3

3

1.93 6.67 1.01100.378.33 4.1910r C ???==??

根据NTU 和

r C 的值，查图6—12或按式（6--44）计算得1ε'=0.77

（7）求所需要的

1ε并与上面的1ε'比较，

11211249.5

0.763245

w t t t t ε--=

==--

而

110.01

εεδ'-≤=，所以假设

29.5 t C =合适，于是在此题的条件下，得到空气得到终参数为0

29.5 t C =209.3 s t C =2=27.5kJ/kg i

（8）求冷量及终温 根据公式（5--9）可 得

Q=6.67?（55.8-27.5）=188.76KW

206.67(55.827.5)

510.48.33 4.19w t C

-=+

=?

第7章混合式热质交换设备的热工计算

1、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。

2、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。 3、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。

4、解：由空气的初状态1t =350C ，1s t =270C 可查i —d 图得1i =85kJ/kg

由

2t =200C ，φ=95%查i —d 图得2i =55.5 kJ/kg

G （1i - 2i

）=wc(

2w t -

1

w t )

10000(85-55.5)=12000?4.19(

2

w t -16)

2

w t =21.90

C

即喷淋水后的水温为21.90

C

由1t =100C ，s t =50C 2t =13，φ=100%0C 查i —d 图得1i =18.6kJ/kg ，2i =36.6kJ/kg

G （1i - 2i

）=wc(

2w t -

1

w t )

10000(36.6-18.6)=12000?4.19(16-

2

w t )

2

w t =12.40C 即第二种穷困感情况下喷淋后水的温度为12.40

C

5、解：对空气进行加湿冷却过程，使空气由t=210C ，d=9g/kg, 变为t=210

C ,d=10g/kg

状态，先对其进行等焓加湿，再等温加湿或先等温降湿，在等温加湿。 6、解：措施：（1）喷嘴不是双排的改为双排。

（2）单排时，喷水方向可改为逆喷，双排时可改为对喷，三排时应为一顺二逆。 理论上是可通过降低喷水水温来提高其热交换效率值的，但实际上不可以，因为喷水水温愈低，我们要设置价格较贵的制冷设备，这个不合理。

8、解：（1）

22

05,13/d mm n m m υρ==??个（排），=2.8kg/(s) 双排对喷。所以喷淋室断面风速

2.8

2.3/1.2m s υ=

=

（2）根据空气的初参数和处理要求可得需要的喷淋室接触系数为

21

2211615

110.875

3022

s s t t t t η--=-

=-

=--

该空气的处理过程为冷却干燥过程，根据附录（5--8）查得相应的喷淋室的接触系数

()

0.12

0.27

20.755ηυρμ=

所以

()

0.12

0.27

0.8750.755υρμ=

()

0.12

0.27

0.8750.7552.8μ= μ=1.09

所以总喷水量W=μG=1.09?30200=32918kg/h (3) 由附录（5--8）查出喷淋室

1η实验公式，并列方程式

()

22110.07

0.265

110.745s w s w t t t t ηυρμ-=-

=- ①

（4）由

1s t 1

t ，

2s t 2t 查i —d 图得1i =64.5kJ/kg ，2i =41.9kJ/kg

根据热平衡方程（5--83）得1i -2i

= μc( 2w t -

1

w t ) ②

(5) ①②联立得，

()

21

210.07

0.2651510.7452.8 1.090.819

2264.541.9 1.09 4.19()

w w w w t t t t --

=?=--=?-

解得：

107.41w t C

=

2064.541.9

7.4112.311.09 4.19w t C

-=+

=?

（6）求喷嘴前水压：

根据已知条件知喷淋室断面为：

2

30200

3.03600 2.83600c G A m υρ=

==??

两排喷嘴的总喷嘴数为：N=2n c A =2?13?3=78

所以每个喷嘴的喷水量为：

32918422/78W kg h N ==

根据每个喷嘴的喷水量422kg.h 及喷嘴孔径05d mm =，查图5—45，可得喷嘴前所需的水

压为：1.7atm （工作压力） （7）需要的冷冻水量为：

12()30200(64.541.9)

22132/4.19(12.365)

c G i i W kg h

C --=

==-2w c （t -t ）

可得循环水量为：

329182213210786/x W kg h =-=

（8）阻力计算：空气在档水板断面上的迎面风速

1.2 1.2

2.3 2.76/d V v m s ==?=

由（5-87）得前后档水板阻力为

2

2.7620 1.291.42d H Pa

?=??=

由5—89的水苗阻力为

2

2.30.12 1.20.632p H Pa

?=???=

1180.075 1.09 1.716.4w H Pa ?=???=

9、解：由

1w t '

=90

C 1

00

130,22s t C t C ==查i —d 图知1c t =18.70C ，则依据式（5—90）可求出新水温下的喷水系数为：

1

1

11()

1.09(18.77.41)

1.27

18.79c w c w t t t t μμ--'=

=

=-'（-）

于是可得新条件下的喷水量为；W=1.27?30200=38345kg/h 利用新的μ'

=1.27，

1w t '

=90

C 求

所求的问题 求()

2211

0.07

0.265

110.745s w s w t t t t ηυρμ-=-

=-

代入数据得：

()

220.07

0.26510.7452.8 1.270.853

229

s w t t --

==-

所以 2210.09

s w t t -= ①

由

122112()

s s w w a t a t c t t μ-=-

根据表5—4，当101 2.88,22s a t C

==

由于

2

s t 未知 ，故暂设

2a =2.87代入上式有；

22.8822 2.87 1.27 4.19(9)

w t ?-=??-

整理得；

220.5420.91

w s t t += ② 联立①②并求得

2020.1s t C =

2010.1w t C

=

由 ()

21

0.12

20.27

2110.755s s t t t t ηυρμ-=-

=-

代入数据得

()

20.12

20.27

10.7552.8 1.273022

s t t --

=?-

0220.8t C =

由

2

s t =20.10

C ，查表5—4得2a =2.87 所以空气的参数为2010.1w t C =20

20.1s t C = 水的

终温为20.80

C

第8章复合式热质交换设备的热工计算

1.空气冷却除湿有什么特点？

答：原理：利用湿空气被冷却到露点温度以下，将冷凝水脱除的除湿方法，又称露点法或冷冻法；空气冷却器除湿或喷淋室除湿的方法属于冷却除湿； 缺点：

仅为降温，表冷器中冷媒温度为20 ℃左右即可；为除

湿，冷媒温度降低到7℃以下，使制冷机COP 降低。无法使用自然冷源；再热、双重能量浪费；霉菌

2、说明空气调节方式中热湿独立处理的优缺点。 答： 优点：

1) 热湿负荷分开处理，即采用独立除湿以消除潜热，独立降温以消除显热；由于不承担湿

负荷，冷冻水的温度为15～18℃，高于室内的露点温度，不会产生凝水，从而消除了室内的一大污染源。提高了室内空气品质。

2) 再生器可以采用低温热源驱动，可方便实现能量储存，尤其适合以城市热网连续均匀供

热作热源。

3) 减小电能消耗，有效缓解用电量峰谷现象，优化城市能源结构。 4) 整个装置在常压下运行，旋转部件少，噪声低、运行维护方便；

缺点：对湿度的控制不够精确，有时候会造成室内温度过干；成本较高。 3、蒸发冷却器可以实现哪些空气处理过程？

答：直接蒸发冷却器：在降低空气温度的同时，使空气的含湿量和相对湿度有所增加，实现

了加湿，等焓过程。

间接蒸发冷却器：实现的便不再是等焓加湿降温过程，而是减焓等湿降温过程，从而得以避免由于加湿，而把过多的湿量带入室内。 4、蒸发冷却器的工作过程有什么特点？什么条件下使用较好？

答：1）直接蒸发冷却器是利用淋水填料层直

接与待处理空气接触来冷却空气。适用于低湿度地区，如我国海拉尔——在降低空气温度的同时，使空气的含湿量和相对湿度有所增加，实现了加湿，等焓过程。

2）间接蒸发冷却器是利用一股辅助气流先经喷淋水（循环水）直接蒸发冷却，温度降低后，再通过空气－空气换热器来冷却待处理空气（即准备进入室内的空气），并使之降低温度。所实现的便不再是等焓加湿降温过程，而是减焓等湿降温过程，从而得以避免由于加湿，而把过多的湿量带入室内。适用于低湿度地区和中等湿度地区，要求较低含湿量或比焓的场合。

5、液体除湿器分为哪几类？各有什么特点？

1)绝热型除湿器：在空气和液体除湿剂的流动接触中完成除湿，除湿器与外界的热传递很

小，可以忽略，除湿过程可近似看出绝热过程。

2)内冷型除湿器：除湿器中空气和液体除湿剂之间进行除湿的同时，被外加的冷源所冷却，

借以带走除湿过程中所产生的潜热，该除湿过程近似于等温过程。

6、常用的固体除湿空调系统有哪些？各自的工作原理和特点是什么？

答：图8-37、8-38和8-39

7、答：盐水空调吸入懂得新鲜空气通过盐水，吸收其中的潮气、花粉和氡气之类的污染物，同时还能吸收空气中含的热量，最后使空气和水一起喷洒。利用水的蒸发吸热特性，使温度降到12℃，这种空调不需要压缩机，所以其耗能也就减少一半。因此这种空调处理的空气的品质更高，更能给人以舒适感，同时也更节能。

常规空调具有盐水空调所不具有的特点：常规空调体积小，占地面积少：常规空调的材料要求低，它无需像盐水空调那样要求无腐，同时盐水空调有污染，对盐水处理时，可能对环境有影响。

第9章热质交换设备的优化设计及性能评价

1、解：任何一个优化设计方案都要用一些相关的物理量和几何量来表示。由于设计问题的类别和要求不同，这些量可能不同，但不论那种优化设计，都可将这些量分成给定的和未给定的两种。未给定的那些量就需要在设计中优选，通过对他们的优选。最终使目标函数达到最优值。

热质交换设备的优化设计，就是要求所设计的热质交换设备在满足一定的要求下，人们所关注的一个或数个指标达到最好。

2、性能评价方法及优缺点：

（1）单一性能评价法：

可直观地从能量的利用或消耗角度描述了热质交换设备的传热或阻力性能，给实用带来了方便，易为用户所接受，但在应用上有其局限性，而且可能顾此失彼。只能从能量利用的数量上，并且常是从能量利用的某一方面来衡量其热性能。

（2）传热量与流动阻力损失相结合的性能评价法：

它把传热量与阻力损失结合在一起一个指标中加以考虑了，可以比较不同热质交换设备之间或热质交换设备传热强化前后的热性能的高低，但此指标只能从能量利用的数量上来反映热质交换设备的热性能。

（3）熵分析法

提出使用熵产单元数Ns作为评定热质交换设备热性能的指标，此一方面可以用来指导热质交换设备的设计，使它更接近于热力学上的理想情况；另一方面可以从能源合理利用角度来比较不同的形式热质交换设备传热和流动性能的优劣。它将热质交换设备的热性能评价指标从以往的能量数量上的衡量提高到能量质量上的评价

（4）佣分析法

从能量的质量上综合考虑传热与流动的影响而且也能用于优化设计，佣分析法是从可用能的被利用角度来分析的ηe值愈大愈好，但实用不方便。

(5）纵向比较法

结果比较明确，具有一定的实用价值，但还不够全面。

（6）两指标分析法

此种分析方法可得到一些有参考价值的结论，它对于换热设备的优化，特别是解决肋片管簇换热器的优化问题，提供了一个良好的思路与方法，但此种方法也存在一些局限性需要的关系或获得也有一定困难。也要求一系列准确可靠的经济参数。

（7）热经济学分析法它是一种把技术和经济融为一体，用热力学第二定律

分析法与经济优化相结合的热经济学分析法。对一个系统或一个设备作出全面的热经济性评价，热经济学分析法牵涉面很广，比较复杂，使用中还有一种目前所提出的各种方法中最为完善的方法。