热质交换原理与设备考试试卷.doc

课程   热质交换原理与设备    考试形式（开 / 闭卷，考试 / 查）

一、填空题（每题2分，共16分）
1.      按照工作原理的不同可以将热质交换设备分为_________、___ _______、蓄热式和热管式。
2.      ___ ___与_质__两者的共同作用称为对流传质。
3.      蓄热用固液相变材料的热性能要求为：合适的相变温度、 较大的相变潜热 以及合适的导热性能。
4.      吸附空气中水蒸气的吸附剂称为干燥剂，干燥剂的吸湿和放湿的机理是____由干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差造成，当前者较低时，干燥剂吸湿，反之放湿_______________。
5.      吸附剂的再生方式有____加热再生方式______、_____减压再生方式_____、____使用清洗气体的再生方式____、___________。
6.    湿工况下表冷器的析湿系数的定义：_， ，其值的大小直接反映了__    _  ____。
7.      蒸发冷却所特有的性质是_______     _   ________。
8.      在冷却塔的热工计算中，一般要求冷却水出口温度 t2 比当地气温条件下的湿球温度 ts 高____3～5______℃。

二、分析简答题（每题6分，共36分）
1.      温度为30℃、水蒸气分压力为2kPa的湿空气吹过下面四种状态的水表面时，试用箭头表示传质和总传热的方向。
水温t
50℃
30℃
18℃
10℃
传热方向
气     水
气     水
气     水
气     水
传质方向
气     水
气     水
气     水
气     水

2.    如何理解动量、热量和质量传递现象的类比性？
答：当物系中存在速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生动量、热量和质量传递现象。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传递，也可以是由漩涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。对三类现象的分子传递和湍流传递分析可以得出这三种传递现象背后的机理是相同的，它们依从的规律也类似，都可以用共同的形式表示：传递速率＝扩散系数×传递推动力，清楚地表明了“三传”之间的类比性。（4分）
另外，从动量方程、热量方程和扩散方程及相对应的边界条件可以看出它们在形式上是完全类似的，也清楚地表明了“三传”之间的类比性。（2分）

3.      根据关系式，以及，说明同一表面上传质对传热过程的影响。
答：式表明，传质的存在对壁面导热量和总传热量的影响是相反的。在C0 > 0时，随着C0的增大，壁面导热量是逐渐减少的，而膜总传热量是逐渐增大的；（3分）
在C0 < 0时，随着C0的减小，壁面导热量是逐渐增大的，而膜总传热量是逐渐减少的。（3分）

4.    分析用吸收、吸附法处理空气的优点。
答：利用吸收、吸附法处理空气的优点是独立除湿——在空气处理过程中，将降温和除湿分开来独立处理。即由吸收或吸附来完成除湿任务，降温的任务只是将空气温度降低到送风状态点温度即可，而不需要额外的加热处理。（2分）
传统的除湿方法是使用表冷器，冷却和除湿同时完成，由于除湿需冷却剂（冷冻水、制冷剂）的温度必须较低，一般为7-12℃，就会导致经过表冷器处理后的空气温度也较低，一般都需要通过加热器将空气加热，方能达到送风温度。（2分）
当使用表冷器进行降温和除湿时，会产生以下一些缺点：
（1）由于除湿的需要，要将表冷器的表面温度降低到空气的露点温度以下，这样冷却剂（冷冻水、制冷剂）的温度必须较低，而为了得到较低温度的冷却剂（冷冻水、制冷剂），会使制冷机的性能系数COP值降低。（）
（2）一些天然冷源不能直接得到利用。
（3）由于除湿析出的冷凝水，使表冷器长期工作在湿工况下，容易滋生细菌，被处理的空气经过表冷器时会被（二次）污染，继而影响到室内空气品质。（2分）

5.      说明集中空调系统采用冰蓄冷系统的优点。
答：蓄冷空调系统可使制冷机容量减少，且经常在满负荷高效率下工作，它利用夜间廉价电，均衡电网负荷，是符合我国国情的。从典型蓄冷空调系统经济效益分析亦可知，系统所增加的制冰及蓄冷设备费可由1－2年所节约的运行费回收。目前空调电量常占建筑物内用电量的大部分，若能综合分析空调负荷及建筑物内能源利用状况，利用楼宇整体化手法设计蓄冰空调系统，即可达到调峰填谷、降低运行费用的目的。（6分）

6.    简述在表冷器进行冷却减湿时所发生的热质交换过程。
答：湿工况下，表冷器的表面温度低于被处理空气的露点温度，空气不但被冷却，而且其所含的水蒸气也部分地凝结出来，在表冷器的肋片管表面上形成水膜，（3分）水膜周围形成一个饱和空气边界层，被处理空气与表冷器之间不但发生显热交换，而且也发生质交换和由此引起的潜热交换，空气被冷却减湿。（3分）

三、（12分）试导出空气与水直接接触时发生热质交换的5个基本方程式，并说明麦凯尔方程表示的物理意义。
解：假设当空气与水在一微元面 dA 上接触时，假设空气温度变化为 dt ，含湿量变化为 d(d) 。
（1）显热交换量：          （2分）
 ——湿空气的质量流量，kg/s
——湿空气与水表面之间的显热交换系数，W/(m2.℃)
（2）湿交换量：     （2分）
潜热交换量：       （2分）
 ——温度为 tb 时水的汽化潜热，kJ/kg
 ——单位时间单位面积蒸发（凝结）的水量，kg/(m2.s)
（3）总热交换量：
对空气——水系统，存在刘易斯关系式：
所以上式 
             （2分）
因为：当温度为 t 时，湿空气焓为：
当温度为 tb 时，湿空气焓为：：
如果忽略水蒸汽从0℃加热到t℃时的焓，即  项，并考虑到 t 和tb 差别不大，所以空气的比热和水的汽化潜热变化不大，即有： 
所以从（3）式可以得到：
（4） —— 麦凯尔方程
麦凯尔方程表明：在热质交换同时进行时，如果满足刘伊斯关系式，则总热交换的推动力为空气——主流湿空气与紧靠水面的饱和边界层空气的焓差。（2分）
由于是空气与水之间发生的热质交换，所以不仅空气的状态会发生变化，水的状态也会发生变化。如果在热质交换中，水的温度变化为 dtw ，则根据热平衡：
（5）      （2分）
 ——水的质量流量，kg/s
 ——水的定压比热，kJ/(kg.℃)
（1）（2）（3）（4）（5）称为空气与水直接接触时的热湿交换基本方程式。
四、计算题（每题12分，共24分）
1. 在氧（A）通过静止气体一氧化碳（B）的一维稳态扩散系统中，压力为1bar，温度为0℃。已知2mm长的扩散途径两端氧的分压力分别为13000Pa和6500Pa，在给定状态下的扩散系数DAB = 1.87×10-6 m2/s。试计算氧的质量扩散通量。
解：已知＝13000Pa，＝6500Pa；
则＝100000－13000＝87000 Pa，＝100000－6500＝93500 Pa

平均分压强  （6分）
则氧的质量扩散通量：
 （6分）

2. 一温度计的温包被湿布包覆。当压力为1.013×105Pa的干燥空气吹过该温包时，温度计示值为22℃。试计算干空气的温度。计算时取Sc/Pr = 0.845。
解：由于水从湿球纱布上蒸发带入空气的热量等于空气通过对流换热传递给湿球的热量，即：

而单位时间单位面积湿纱布上蒸发的水量：
已知热、质传递同时存在的类比关系：
综合上述几式，可得：    （6分）
代入数据，得：
= 66.2℃   （6分）
即干空气的温度为66.2℃。

五、（12分）对表冷器给定已知条件：空气量G，空气初状态t1，ts1，终状态t2，ts2 ，冷水量W；求解内容：表冷器型号、台数、排数、冷水初温tw1、冷水终温tw2 。要求作焓湿图并给出热工计算原则。
解：表冷器的热工计算原则：

（1）该冷却器能达到的ε1应该等于空气处理过程所需要的ε1
（3分）

（2）该冷却器能达到的ε2应该等于空气处理过程所需要的ε2
（3分）

（3）该冷却器吸收的热量应该等于空气放出的热量
（3分）

作出焓湿图（3分）

注：如果将本题答案写成表冷器的热工计算步骤形式，只要包含上述三条计算原则，也可作为正确答案。

干空气的热物性( p = 1.01325×105 Pa)              干饱和水蒸气的热物性
t
(℃)
cp
(kJ/(kg.K))
ρ
(kg/m3)
×106 (m2/s)

t
(℃)
p×10-5 (Pa)
r
(kJ/kg)
10
1.005
1.247
14.16
10
0.01227
2477.7
20
1.005
1.205
15.06
20
0.02338
2454.3
30
1.005
1.165
16.00
30
0.04241
2430.9
40
1.005
1.128
16.96
40
0.07375
2407.0
50
1.005
1.093
17.95
50
0.12335
2382.7