热质试卷.doc

广州大学2006-2007学年第2学期考试卷
一、填空题（每题2分，共16分）
1.当流体中存在着速度、温度和浓度的梯度时，则分别会发生___动量___传递、__热量____传递和___质量___传递现象。
2.质量传递的基本方式可分为_____分子传质______与____对流传质______。
3.冰蓄冷系统中的制冰方式主要有两种：_动态_制冰方式和_静态_制冰方式。
4.      一个完整的干燥循环由___吸湿___过程、___再生___过程和冷却过程构成。
5.    用吸收、吸附法处理空气的优点是_____独立除湿______________________。
6.      热质交换设备按不同的工作原理分类，可分为_______间壁式____________、_____直接接触式______、_______蓄热式_________、_______热管式________。
7.      蒸发冷却所特有的性质是__蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷
却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度_______________________。
8.      冷却塔的热工计算原则是____冷却数N = 特性数N＇______________。
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.    说明利用制冷剂直接蒸发制冰系统（如图所示）的工作原理。
答：夜间电力负荷低时，开启制冷机，制冷剂在蓄冰池的制冰盘管内直接蒸发，盘管外表面形成500mm左右厚的冰层，将冷量蓄存起来。（3分）
白天空调系统运行时间内，空调系统所需冷量由蓄冰池内蓄存的冰水提供。此时，制冷系统的制冷剂不在蓄冰池内蒸发制冷，而在并联蒸发器内蒸发，冷却由空调系统来的回水，被冷却后的回水，经热交换器，由蓄冰池内的冰水再次冷却后供空调系统使用。（3分）
3.    以夏季完全使用新风的直流式空调系统为例，为了得到同一送风状态点，试述三种空气处理方案，要求作焓湿图并给出方案说明。
答：如图所示，在夏季空调系统（直流式系统） 中,为了得到同一送风状态点，可能有的不 同空气处理途径：
（1）W→L→O  喷淋室喷冷水（或用表面冷却器） 冷却减湿→加热器再热  （2分）
（2）W→1→O  固体吸湿剂减湿→表面冷却器等湿冷却  （2分）
（3）W→O  液体吸湿剂减湿冷却  （2分）
4.    什么是吸附现象？什么是物理吸附和化学吸附？
答：吸附现象是相异二相界面上的一种分子集聚现象，就是把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中。（2分）
物理吸附属于一种表面现象，主要依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用。（2分）
化学吸附是由于吸附质分子与吸附剂表面分子（原子）的化学作用，在吸附过程中发生电子转移和共有原子重排以及化学键断裂与形成等过程。（2分）
5.    什么是析湿系数？它的物理意义是什么？
答：析湿系数也称为换热扩大系数，表示由于存在湿交换而增大了的换热量，是总换热量与显热换热量的比值，。（4分
其值的大小直接反映了表冷器上凝结水析出的多少。（2分）
6.    简述在冷却塔（湿式）中所发生的热质交换过程。
答：在冷却塔内，空气被加热加湿，水被冷却。（2分）
不论水温高于还是低于周围空气温度，总能进行水的蒸发（质交换），蒸发所消耗的热量总是由水传给空气。当水温高于空气温度时，蒸发散热和温差传热都由水传向空气，结果使水温下降；当水温下降到等于空气温度时，温差传热量为0，蒸发散热仍在进行；当水温继续下降到低于空气温度时，温差传热和蒸发散热的方向相反，当水温下降到某一程度时，由空气传给水的温差传热量等于由水传给空气的蒸发散热量，总传热量等于0，水温也不再下降，这时的水温为水的冷却极限，近似等于空气的湿球温度，（2分）但一般在实际生产中，要求冷却后的水温比湿球温度高3－5℃。（2分）
三、（14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：   （2分）
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）
1.一输送氧气的橡皮管外径为12mm，厚1.5mm。在压力稳定情况下内表面上氧气的浓度为0.05 kmol/m3，外表面上氧气的浓度为0.0107kmol/m3，氧气在该橡皮管中的扩散率为1.5×10–9 m2/s。试计算每小时内每米长管子上通过橡皮管的氧气扩散量。
解：由题意，是与固体内部结构无关的气体在固体中的稳态扩散情况。
传质速率  其中   （6分）
已知：
代入数据，得：
      （6分）
即每小时内每米长管子上通过橡皮管的氧气扩散量为4.63×10－6kmol。
2. 25℃的不含萘的空气，在1.013×105 Pa的压力下流过一个萘平面，在离开前沿点2m处，Rex =9×104。试计算在此两米的区域内的平均质交换系数。取Sc = 2.5。由于空气中萘的含量很少，其物性可取空气的值。
解：依题意，由于空气中萘的含量很少，其物性可取空气的值，则通过查空气的物性参数表可知：t=25℃，ν＝15.53×10－6m2/s 。
由于，所以  （2分）
因为ReL =9×104﹤105，故为层流。
有：    （6分）
同时：
所以有：    （4分）
即在此两米的区域内的平均质交换系数为8.4×10－4m/s。
五、（10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 ；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
（2分）
作出焓湿图（2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
广州大学2007-2008学年第2学期考试卷（参考答案）
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_____间壁式__________、_____直接接触式_______、蓄热式和热管式。
2.      ___分子扩散传质___与____对流扩散传质__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____、_____置换脱附再生方式______。
6.    湿工况下表冷器的析湿系数的定义：_ 总换热量与显热换热量的比值， ，其值的大小直接反映了__    表冷器上凝结水析出的多少_.
7.      蒸发冷却所特有的性质是_____蒸发冷却过程中伴随着物质交换，水可以被冷却到比用以冷却它的空气的最初温度还要低的程度.
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：喷淋室的热工计算原则：
（1）该冷却器能达到的η1应该等于空气处理过程所需要的η1
  （3分）
（2）该冷却器能达到的η2应该等于空气处理过程所需要的η2
  （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）
作焓湿图（3分）
注：如果将本题答案写成喷淋室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。

11