《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：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

1

eAu eA (eAuA eBuB) aA(mA mB)

e 以主流速度表示的质量通量：

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。

3、从分子运动论的观点可知：D∽pT

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：

1

32

D

5

10 4

32

0 1.013 10Pa,T0 273K时各种气体在空气中的扩散系数D0，在其他P、T若在压强P

P0 T

D D0

P T0 状态下的扩散系数可用该式计算

（1）氧气和氮气：

V02 25.6 10 3m3/(kg kmol) o2 32 VN2 31.1 10 3m3/(kg kmol) N2

28

52

D 1.54 10m/s1.0132 105 (25.63 31.13)2

P 1.0132 105Pa T 25 273 298K

5

P 1.0132 10Pa T0 273K 0

（2）氨气和空气：

2-4、解：气体等摩尔互扩散问题

1.0132983

D 0.2 ()2 0.228cm2/s

1.0132273

D0.6 10 4 (16000 5300)

NA (PA1 PA2) 0.0259kmol/(m2 s) 3

RT z8.314 298 10 10

错误！未找到引用源。m2s

R0通用气体常数单位：J/kmol﹒K

5、解：25C时空气的物性： 1.185kg/m,

3

1.835 10 5Pa s,

15.53 10 6m2/s,D0 0.22 10 4m2/s

D D0Re

P0 T 42

0.25 10m/sP T0

32

uod4 0.08

20605v15.53 10 6v15.53 10 6

Sc 0.62 4

D0.25 10

用式子（2-153）进行计算

shm 0.023Re0.83Sc0.44 0.023 206050.83 0.620.44 70.95

shmD70.95 0.25 10 4

hm 0.0222m/s

d0.08

设传质速率为GA，则

dGA d(dx)hm( A s A)

4

d2u0(d A)

l

dx

du0 A2d A4hm A1 A s A

l

2-6、解：20℃时的空气的物性：

du0 A s A1

ln

4hm A s A2

1.205kg/m,3 1.81 10 5Pa s,

P0 T 1.013 10 293 42

D D0 0.22 10 4 0.24 10m/s5

P T0 1.0132 10 273 0.05 3 1.205

9990 5

v1.81 10 1.81 10 5

Sc 0.626

D1.205 0.24 10 4

0.830.44

sh 0.023RSc计算hm me（1）用式Re

shmD0.023 99900.83 0.6260.44 0.24 10 4

hm 0.01875

d0.05

（2）用式sh 0.0395ReSc计算hm

1

3

32

5

32

uod

shD0.0395(9990)(0.626) 0.24 10 4

hm 0.01621m/s

d0.05

92

2-7、错解：氨在水中的扩散系数D 1.24 10m/s，空气在标准状态下的物性为；

13

1.293kg/m,3 1.72 10 5Pa s,

Pr 0.708,cp 1.005 10 3J/(kg k)

由热质交换类比律可得

1.72 10 5

Sc 10727.74 9

D1.293 1.24 10 hm1 Pr h cp Sc

hm1 Pr 56 0.708 5

7.04 10m/s h cp Sc 1.293 1001 10727.74

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

2

3

23

23

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 错误！未找到引用源。

13.28 10 6

Sc 0.664 4

D0.2 10Pr 0.708

D 0.2 10 4m2/s(查P36表2-2)hm1 Pr h cp Sc

h Sc hm

cp Pr

2/3

23

56 0.664 1.293 1.005 0.708

2/3

44.98m/s 161 103m/h

3Pi105

CCO2 0.04036kmol/m

RT8314(273 25)8、解：

CN2

xN2 xCO2 0.5

CN2 CCO2CN2 CCO2 344 105

CO2 1.776kg/m

RT8314 298MN Pi328 1052

N2 1.13kg/m

RT8314 298

MCO2 Pi

aCO2

CO

2

2

CO N

0.611

2

aN2 0.38 9

9、解：（a）已知MA，MB，xA，xB

MAnAMAxAMA

MA MBnAMA nBMBxAMA xBMB MBnBMBxBMB

aB

MA MBnAMA nBMBxAMA xBMB 已知aB，aA，MA，MB aA

nA

AnA nBA B

B

MAMBMAMB

mBaB

nBMBMB

xB

AnA nBA B

B

MAMBMAMB

xO2MO232

aO2 0.3077

xM xM xM32 28 44O2O2N2N2CO2CO2（b） xA

mA

MAaAMA

aN2 0.2692 aCO2 0.4231

aO2

xO2

若质量分数相等，则

O2MO2

MO2N2MN2

CO2MCO2

1 0.3484 322844

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。

2-11、解；

GA NAAaV

DAaV

(CA1 CA2) z

AaV

2 L(r2 r1)

ln2

r1

2 L(r2 r1)1

,V d2L 4ln2r1

43

球形：Aav 4 r1r2,V d

3

1）柱形：Aav

2）d=100mm为内径，所以r1=50，r2=52