《热质交换原理与设备》习题答案(第3版)

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 AB 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 ∽312p 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：410D -=若在压强5001.01310,273PPa 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32000P 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-=⨯⋅=525233 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 =3221.0132980.2()0.228/1.0132273D cm s=⨯⨯=2-4、解：气体等摩尔互扩散问题124230.610(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 ﹒K5、解：250C 时空气的物性：351.185/, 1.83510,kg m Pa s ρμ-==⨯⋅6242015.5310/,0.2210/m s D m s υ--=⨯=⨯32420006640.2510/40.08Re 2060515.531015.53100.620.2510o c P T D D m s P T u d v v S D ----⎛⎫==⨯ ⎪⎝⎭⨯===⨯⨯===⨯用式子（2-153）进行计算0.830.440.830.4440.0230.023206050.6270.9570.950.25100.0222/0.08m e c m m sh R S sh D h m sd -==⨯⨯=⨯⨯===设传质速率为A G ，则211220000()()()44ln4A A A m A s A A lA m A s AA s A m A s A dG d dx h d u d du d dx h du l h ρρππρρρρρρρρρρ⋅⋅⋅⋅=-==--=-⎰⎰2-6、解：20℃时的空气的物性：（注：状态不同，D 需修正）353352244200505541.205/, 1.8110,1.013102930.22100.2410/1.0132102730.053 1.205Re 99901.81101.81100.6261.2050.2410o c kg m Pa s P T D D m s P T u dv S D ρμρμρ------==⨯⋅⎛⎫⨯⎛⎫==⨯⨯⨯=⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭⨯⨯===⨯⨯===⨯⨯（1）用式0.830.440.023m e c sh R S =计算m h0.830.4440.02399900.6260.24100.018750.05m m sh D h d -⨯⨯⨯⨯===（2）用式13340.0395e c sh R S =计算m h134340.0395(9990)(0.626)0.24100.01621/0.05m sh D h m sd -⨯⨯===2-7、错解：氨在水中的扩散系数921.2410/D m s -=⨯，空气在标准状态下的物性为；353591.293/, 1.7210,Pr 0.708, 1.00510/()1.721010727.741.293 1.2410p c kg m Pa s c J kg k S D ρμμρ----==⨯⋅==⨯⋅⨯===⨯⨯ 由热质交换类比律可得231Pr m p c h h c S ρ⎛⎫= ⎪⎝⎭223351Pr 560.7087.0410/1.293100110727.74m p c h m s h c S ρ-⎛⎫⎛⎫==⨯=⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭✧ 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)2-2P36(/102.0708.0Pr 664.0102.01028.132446表查s m D D S c ---⨯===⨯⨯==υ231Pr m p c h h c S ρ⎛⎫= ⎪⎝⎭h m s m Sc c h h pm /10161/98.44708.0664.0005.1293.156Pr 33/23/2⨯==⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=--ρ8、解：325100.04036/8314(27325)i CO P C kmol m RT ===+22N CO C C =222220.5N N CO N CO C x x C C ===+32254410 1.776/8314298CO iCO M P kg mRT ρ⨯⨯===⨯32252810 1.13/8314298N i N M P kg mRT ρ⨯⨯===⨯22220.611COCO CO Na ρρρ==+20.389N a =9、解：（a ）已知A M ，B M ，A x ，B xA A A A AA AB A A B B A A B B M n M x M a M M n M n M x M x M ===+++ B B B B BB A B A A B B A A B B M n M x M a M M n M n M x M x M ===+++ 已知B a ，A a ，A M ，B MA A AA AA AB A B A B A B A B m a n M M x m m a a n n M M M M ===+++B BB B BB A BA BA B A B A B m a n M M x m m a a n n M M M M ===+++（b ）222222222320.3077322844O O O O O N N CO CO x M a x M x M x M ===++++20.2692N a = 20.4231CO a =若质量分数相等，则2222222221320.3484111322844O O O O N CO O N CO a M x a a a M M M ===++++20.3982N x = 20.2534CO x =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()aVA A aV A A DA G N A C C z==-∆21212()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：32134,4d 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/s2-12、解：9812310(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4250000.210/, 1.01310,273,350,O a D m s P P T K T K P P -=⨯=⨯===3322442003500.2100.2910/273O D P T D m sP T --⎛⎫⎛⎫==⨯⨯=⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭氢—空气420.51110/O D m s -=⨯3322442003500.511100.74210/273O D P T D m sP T --⎛⎫⎛⎫==⨯⨯=⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭2-14溶解度s 需先转化成摩尔浓度： 34311/105.103.0105m kmol sP C A A --⨯=⨯⨯==()()s kmol C C Z DA A N G A A av av A A /1025.20105.101.05310104921---⨯=-⨯⨯⨯=-∆=⋅= s kg M G M A A A/1005.4181025.2910--*⨯=⨯⨯=⨯=τ2-15、解、3221212()20.5100.12420ln ln 19.5aV L r r A m r r ππ--⨯⨯=== 3111602320/A A C sP kmol m ==⨯= 3221600.116/A A C sP koml m ==⨯=1161231.8100.124()(32016) 1.357100.510aVA A A DA G C C z ---⨯⨯'=-=⨯-=⨯∆⨯/koml s 质量损失661.3571022.71410/A G kg s --=⨯⨯=⨯16、解：02225CO N C 和在时，扩散系数420.16710/D m s -=⨯33121013.6109.86664A A aP P P --=⨯⨯⨯⨯=（100-50）51112 1.67106664()48.810/83142981A A A A D P P G N A koml sRT zπ--⨯⨯⨯-====⨯∆⨯⨯18、解、该扩散为组分通过停滞组分的扩散过程(),0AA A AB B A A A AdG N Dx N N N dr dGN D x N dr =-++==-+ ,A AA A P P C x RT P == A AA AdP P D N N RT dr P =-+整理得()A A A dP DPN RT P P dr =-- 24A A r G N A r π==24()A A A G dP DPr RT P P dr π=--分离变量，并积分得0024AS A Ar P AG RT dP dr DP r P P π∞=--⎰⎰得4lnASA P P DPr G RT P π-=-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。