热质交换原理与设备 第3章
热质交换原理与设备习题答案第版
热质交换原理与设备习题答案第版Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#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。
《热质交换原理与设备》课程教学大纲(本科)
热质交换原理与设备(Principle and Equipment of Heat and Mass Transfer)课程代码：02410040学分：2.0学时：32 （其中：课堂教学学时：28实验学时：4上机学时：0课程实践学时:0 ）先修课程：《传热学》、《工程热力学》、《流体力学》适用专业：建筑环境与能源应用工程教材：热质交换原理与设备，连之伟，北京：中国建筑工业出版社，第四版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《热质交换原理与设备》是具有承上启下意义，同时起到连接相关专业基础课与专业课桥梁作用的专业基础课。
它是在《传热学》、《流体力学》和《工程热力学》的基础上，将专业中《冷热源工程》、《暖通空调》、《热泵原理与应用》等专业课中涉及流体热质交换原理及相应设备的共性内容抽出，经综合、充实和系统整理而形成的一门专业基础课程。
此课程兼顾理论知识和设备知识，培养学生较全面掌握动量传输、热量传输及质量传输共同构成的传输理论的基础知识，掌握本专业中的典型热质交换设备的热工计算方法，为进一步学习本专业的专业课程打下坚实的基础。
（二）课程目标课程目标1:掌握传质的理论基础，包括传质的基本概念，扩散传质、对流传质的过程及分析, 相际间的热质传递模型。
课程目标2：理解传热传质的分析和计算知识，包括动量、热量和质量的传递类比，对流传质的准则关联式，热量和质量同时进行时的热质传递；学会运用所学知识分析实际问题。
课程目标3：熟悉空气热质处理方法，包括空气处理的各种途径，空气与水/固体表面之间的热质交换过程及主要影响因素，吸附和吸收处理空气的原理与方法，用吸收剂处理空气和用吸附材料处理空气的原理与方法；学会理论联系实际，分析环境控制领域常用的空气热质处理原理。
课程目标4：掌握热质交换设备的热工计算方法，包括间壁式热质交换设备的热工计算，混合式热质交换设备的热工计算和复合式热质交换设备的热工计算，能够针对具体需求对常见热质交换设备进行设计计算和校核计算。
热质交换原理与设备练习与自测
第一章练习与自测1 当流体中存在速度、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。
2 热量、动量和质量的传递，既可以是由分子的微观运动引起的（分子）传递，也可以是由流体微团的宏观运动引起的（湍流）传递。
3.简答题：分子传递现象可以分为几类？各自是由什么原因引起？答案：分子传递现象可以分为动量传递、热量传递和质量传递现象。
在一种物体内部，或在两种彼此接触（包括直接接触或间接接触）的物体之间，当存在势差（梯度）时就会产生传递现象。
例如：当存在温度差时会发生热量传递现象，存在速度差时会发生动量传递现象，存在浓度差或分压力差时会发生质量传递现象。
第二章练习与自测1、有关扩散通量，下列说法正确的是___BCD____。
A、扩散通量是一个标量，只有大小没有方向；B、净扩散通量是相对于静坐标而言；C、相对扩散通量是相对于以混合物整体平均速度移动的动坐标而言；D、当混合物整体流动的平均速度为0时，净扩散通量＝相对扩散通量。
2、质量传递的基本方式为（分子扩散传质）和（对流扩散传质）。
（分子扩散传质）和（对流扩散传质）两者的共同作用称为对流质交换。
3.传质和传热方向相反时，总传热量会（减小）传质和传热方向相同时，总传热量会（增大）。
4.什么是分子扩散传质和对流扩散传质？什么是对流传质？答：在静止的流体或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体以及固体中的扩散，是由微观分子运动所引起，称为分子扩散传质。
在流体中由于对流运动引起的物质传递，称为对流扩散传质。
流体作对流运动，当流体中存在浓度差时，对流扩散亦必同时伴随分子扩散，分子扩散传质与对流扩散传质的共同作用成为对流传质。
5 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。
热质交换原理与设备-第3章
传热传质的分析和计算2015/3/31环设、内容80-2动量、热量和质量传递类比3.1对流传质的准则关联式3.2热量和质量同时进行时的热质传递3.32015/3/31环设、3.1.1 三种传递现象的速率描述及其之间的雷同关系流体系统中：速度梯度动量传递温度梯度热量传递浓度梯度质量传递3.1动量、热量和质量传递类比80-32015/3/31环设、环设、两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即:在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，通过导热方式传递的热量通量密度为：对于恒定热容量的流体，上式可改写为：环设、在无总体流动或静止的双组分混合物中，若组分A 的分布为一维的，则通过的质量通量密度为：中的扩散系数，m 2/s;环设、环设、dyud tt μτ-=湍流切应力dytd q tt λ-=湍流热流密度dyd D m A ABtAt ρ-=湍流质量通量密度2015/3/31环设、有效动力粘度系数:eff 有效导热系数:eff 有效质量扩散系数:ABeff 环设、•分子传递系数ν, a , DAB ：是物性，与温度、压力有关；通常各项同性。
•湍流传递系数νt, a t, DABt ：不是物性，主要与流体流动有关； 通常各项异性。
80-102015/3/31环设、节能12级环设、0=ww u u 1=ww u u 1,=--∞∞wwt t t t 环设、三个传递方程的扩散系数和边界条件数学表达式完全相同时，它们的解也应当是一致的。
即边界层中的无因次速度、温度和浓度分布曲线完全重合，因而其相应的无量纲准则数相等。
这是类比原理的基础。
Dv =速度分布与浓度分布曲线相重合，或速度边界层和浓度边界层厚度相等。
D=α温度分布与浓度分布曲线相重合，或温度边界层和浓度边界层厚度相等。
环设、三个性质类似的传递系数中，任意两个表示速度分布和温度分布的相互关系，体现流动和传热之间的相互联系表示速度分布和浓度分布的相互关系，体现流体的动量与传质间的联系环设、类似的，对流体沿平面流动或管内流动时质交换的准)Pr (Re,⎪⎭⎫D ul νν,基于热交换和质交换过Nu 环设、动量与热交换类比在质交换中的应用PrRe 2⋅f 环设、以上关系也可推广到质量传输，建立动量传输与质ReC 环设、类比（考虑了层流底层）类比（考虑了层流底层、过渡层）环设、和柯尔本发表了如下的类似的表达式：0.6Pr 60≤≤0.62500Sc ≤≤它与雷诺的不同之处是引入了一个包括了流体重要物性的Sc的气体和液体。
热质交换原理与设备教学大纲
“热质交换原理与设备”课程教学大纲课程名称：热质交换原理与设备英文名称：Principle and Equipment Heat-Mass Exchanging课程编码：CJX0540学时：48 学分：3适用对象：建筑环境与设备工程专业本科生先修课程：传热学，工程热力学，流体力学使用教材：《热质交换原理与设备》，连之伟编著，中国建筑工业出版社，2011主要参考书：[1]《建筑环境传质学》，张寅平、张立志、刘晓华编，中国建筑工业出版社，2006[2]《热质交换原理与设备》，许为全编，清华大学出版社，1999一、课程介绍本课程为建筑环境与设备工程专业主要的专业基础课之一。
主要用于增强学生的专业理论水平，开阔学生的科学视野，从动量、热量和质量传递的统一的传递过程理论的高度上学习和研究本专业工程实践中遇到的诸如：热质交换设备的设计、加工、运行管理方面遇到的一些问题。
起到联系本专业基础课与技术课的桥梁作用，培养学生理论联系实际的能力。
掌握传输过程的基本理论及三种传输过程的类比；掌握空气热质交换理论方法和常用热质交换设备的热工计算方法，具备初步的优化设计和性能评价能力。
二、教学基本要求掌握质传递的基本规律和热质传递的类比，了解制冷剂为主的沸腾、凝结的基本规律；掌握强迫流的相变传热及固液相变热质交换基本原理，熟悉空气处理的各种途径；掌握空气与水/固表面之间的热质交换，熟悉用吸收剂的吸附材料处理空气的机理，熟悉被处理空气与室内空气发生的热质交换，了解常用热质交换设备的形式与结构、基本性能参数；掌握间壁式、混合式，有相变热质交换设备的热工计算，了解热质交换设备的评价的优化设计。
三、课程内容第一章绪论：建筑环境与设备专业涉及的热质交换现象及其设备分类，本门课程在专业中的地位与作用，本门课程的主要研究内容与方法。
第二章传质的理论基础：传质概论，扩散传质，对流传质，相际间的对流传质模型。
基本要求:理解浓度，扩散通量等基本概念，传质的两大基本方式和常见的8种形式，掌握Fick定律，Stefan定律，扩散系数概念，薄膜理论，三传的传递方程，传热传质同时传递模型的建立，雷诺类似律；了解柯尔本类似律，动量交换与热交换的类比在质交换中的应用；掌握对流传质的准则关联式，刘易斯关系式。
热质交换原理与设备课后习题答案
7.04 10 5 m / s
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。
Re uod v
4 0.08 15.53 10 6
20605
v 15.53 10 6 Sc D 0.25 10 4 0.62
用式子（ 2-153）进行计算
shm
0.023
R 0.83 e
S 0.44 c
0.023 206050.83 0.620.44
4
hm shmD 70.95 0.25 10 0.0222m / s
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。
第二章 传质的理论基础
3
D DO P0 T 2 0.2 10 4 P T0
3
350 2
273
0.29 10 4m2 / s
氢— 空气
DO 0.511 10 4m2 / s
3
D DO P0 T 2 0.511 10 4 P T0
3
350 2
273
0.742 10 4m2 / s
2-14 溶解度 s 需先转化成摩尔浓度：
CA1 sPA1 5 10 3 0.03 1.5 10 4 kmol / m3
《热质交换原理与设备(第二版)》课堂笔记之第3章固液相变热质交换原理
第3章 固液相变热质交换原理3.1沸腾换热3.1.1 汽化核心分析工业应用都位于核态沸腾的区域，而在核态沸腾区域，气泡的扰动或者说汽化核心对换热起决定性的影响。
下面分析影响汽化核心的因素以及核心数和温差之间的关系。
汽泡在沸腾过程中受两种力作用，一个是表面张力 γ，一个是内外压强差（膨胀力）。
气泡要求能够存在的平衡条件是 ： dF dV PP γ=-)(12 Rdr R d R P P 24212334)(⋅=-λγπ整理γππτυR p p R 2)(2=- 注意：泡内饱和蒸汽 υτt p →，要使气泡扩大，泡壁要不断蒸发，所以液体湿度下的饱和温度 υt 。
υτp t ≥至少少于 ps p =τ，而由上式，要求 ts t ps p p >=>υτυ,∴在平衡时 ts t t >=∴υτ沸腾产生时，液体温度大于沸腾压力下的饱和温度，液体过热度为 ts t -υ。
这个过热度是气泡产生和长大的动力。
壁面处的液体温度 tw ，此时具有最大过热度 ts tw -，而壁面处由于凹穴的存在，气泡生成新需要的过热度也最低，所以气泡总是在壁面产生。
壁面上气泡生成时的最小半径s p p R -=υγ2s p p -υ越大（也就是越大成 ↑tw ）R 越小，气泡就越容易生成，气泡量 ↑，沸腾负担增强 ↑，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。
强迫对流沸腾重点关注两相流： 过程简述， 看图主要影响因素：放置情况，含汽量，流量，管长和管径长，情况复杂。
3.1.2 沸腾换热的计算之制冷剂的管内沸腾制冷剂呈气—液两相流，含气量逐渐增加。
),,,,,,,( 流向几何位置管长物性d p q h h o υ=同时物性， υ等又是在不断变化的。
①书上给出了一些物冷剂在特定条件下的平均放热系数的计算公式，此“平均”是指从蒸发器入中段的平均。
②由于气—液两相流动的含气量、流速、流动的结构都在不断的变化呈现出一种分段的特征，所以以上的公式试图用一个“平均放热系数”来描述整个过程，有其局限性。
热质交换pptch3第3章 固液相变原理和应用
1.1沸腾换热现象及分析 沸腾换热现象及分析 液界面上发生的蒸发， 固-液界面上发生的蒸发，称为沸腾，当表面 s超过对应 液界面上发生的蒸发 称为沸腾，当表面T 液体压力下的饱和温度t 发生沸腾， 液体压力下的饱和温度 s时，发生沸腾， s = h(t w − t s ) = h∆t q 热量由固体表面传向液体。 热量由固体表面传向液体。 1.沸腾过程的特点：有蒸汽泡形成，长大后脱离表面。 沸腾过程的特点： 沸腾过程的特点 有蒸汽泡形成，长大后脱离表面。 2.分类： 分类： 分类 (1)按沸腾空间分为池内沸腾 大容器沸腾 和强迫对流沸 按沸腾空间分为池内沸腾(or大容器沸腾 按沸腾空间分为池内沸腾 大容器沸腾)和强迫对流沸 腾； 池内沸腾(or大容器沸腾 大容器沸腾)指加热面沉浸在具有自由表面的 池内沸腾 大容器沸腾 指加热面沉浸在具有自由表面的 液体中发生的沸腾， 液体中发生的沸腾，液体的运动仅由自然对流或气泡的搅 动而引起的。 动而引起的。
18
3.3 一维凝固和融解问题及其分析方法 自学 一维凝固和融解问题及其分析方法(自学 自学) 3.3.1 常见一维相变传热问题 3.3.2 求解方法及举例 3.3.3多维相变传热问题 多维相变传热问题 3.3.4考虑固、液密度差的简单区域中的相变传热 考虑固、 考虑固 3.3.5相变潜热贮能系统的贮、传热模型和热性能 相变潜热贮能系统的贮、 相变潜热贮能系统的贮 分析
Rmin = pv − pl
式中： 汽泡内压力， 气泡外压力， 式中：Pv：汽泡内压力，Pl：气泡外压力，pl≈ps； γ：单位长度汽液界面的表面张力。 ：单位长度汽液界面的表面张力。 汽泡最小半径R≥Rmin，否则汽泡瓦解。 汽泡最小半径 ，否则汽泡瓦解。
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图3-11 卧式壳管蒸发器
图3-12 立管式冷水箱 1—水箱 2—管组 3—液体分离器 4—集油罐 5—均压管 6—螺旋搅拌器 7—出水口 8—溢流口 9—泄水口 10—隔板 11—盖板 12—保温层
2.非满液式蒸发器
(1)干式壳管蒸发器 干式壳管蒸发器属于非满液式，构造与壳 冷库中多采用安装在顶棚下或墙壁 管式蒸发器类似，如图3-13所示。 (2)直接蒸发式空气冷却器 8～12mm的肋片管。
第 3章 3.1 液体沸腾换热 3.2 蒸汽凝结换热 3.3 固-液相变 3.4 相变热质交换设备和系统
3.1 液体沸腾换热
3.1.1 沸腾换热现象 3.1.2 沸腾换热量和表面传热系数的计算
3.1.1 沸腾换热现象
1.核态沸腾汽化核心分析 2.强迫对流沸腾
2.强迫对流沸腾
(1)外部强迫对流沸腾 部强迫对流沸腾。 (2)内部强迫对流沸腾 水管锅炉和制冷系统的管式蒸发器中的 流体沿加热平板流动时产生的沸腾为外
8.100℃的饱和水蒸气在外径60mm，高1m，表面温度为60℃的
竖管表面上凝结，求凝结液量?
3.4.1 冷凝器
1.水冷式冷凝器 2.空冷式冷凝器 3.蒸发式冷凝器
1.水冷式冷凝器
(1)立式壳管冷凝器 (2)卧式壳管冷凝器 (3)套管式冷凝器 如图3-5所示为立式壳管冷凝器示意图。 如图3-6所示为卧式壳管冷凝器示意图。 如图3-7所示为套管式冷凝器示意图。
3.2.2 凝结换热量和表面传热系数的计 算
1.努塞尔分析解 2.膜状凝结实验解 3.制冷剂的凝结放热
3.制冷剂的凝结放热
(1)制冷剂在水平肋管表面上的冷凝 (2)制冷剂在水平管内的冷凝 根据肋片的结构，肋管的 总外表面积A等于水平部分的面积Ap和垂直面积Av之和。 当气流速度不大时，管内冷凝放
图3-16 直接蒸发制冷系统
图3-17 储冰桶
图3-18 盘管水槽系统
图3-19 冰球冰槽式系统
图3-20 过冷水动态制冰系统
3Z21.tif
3.为什么不凝结气体的存在对沸腾换热是有利的?
4.为什么在换热表面上造成多孔结构可以强化沸腾换热? 5.为什么不凝结气体的存在对凝结换热是不利的? 6.一台卧式蒸汽热水器，黄铜管外径d=20mm，表面温度为70
℃，水蒸气压力为4.76×105Pa，蒸汽为饱和蒸汽，热水器上垂
直列上共有14根管，求凝结传热系数。 7.压力为1个标准大气压的水蒸气在水平圆管上凝结，圆管外径 为40cm，壁温为96℃，求每米长管的换热量及凝结蒸汽量?
图3-5 立式壳管冷凝器
图3-6 卧式壳管冷凝器
图3-7 套管式冷凝器
图3-8 空冷式冷凝器
图3-9 蒸发式冷凝器
3.4.2 蒸发器
1.满液式蒸发器 2.非满液式蒸发器
3.4.2 蒸发器
图3-10 蒸发器的形式
1.满液式蒸发器
(1)卧式壳管蒸发器 (2)水箱式蒸发器 为了降低被冷却介质水或盐水的温度，制 如图3-12所示为立管式冷水箱示意图。 冷系统中多采用卧式壳管蒸发器，如图3-11所示。
热可按管外冷凝放热计算。
图3-2 肋片结构示意图
图3-3 管内凝结示意图
3.3 固-液相变
3.3.1 相变传热 3.3.2 一维半无限大物体相变传热问题的求解［25］
图3-4 半无限大物体凝固过程示意图
3.4 相变热质交换设备和系统
3.4.1 冷凝器 3.4.2 蒸发器 3.4.3 相变储能系统
面的排管来直接冷却库内的空气，排管可以用光管或用片距为
图3-13
干式壳管蒸发器
图3-14 直接蒸发式空气冷却器
图3-15 分液器示意图 a)离心式分液器 b)碰撞式分液器 c)降压式分液器
3.4.3 相变储能系统
1.相变围护结构 2.空调冰蓄冷系统
1.相变围护结构
(1)相变围护结构的节能原理 和相变地板。 (2)相变材料的种类和性能 醇。 (3)相变材料与建筑材料的结合方式 相变材料如何作为组元引 入现有建筑结构中是开发相变节能建筑结构的关键问题之一。 目前最有前途的用于墙体和地板中 相变围护结构主要包括相变墙体
的相变储能材料包括固液相变材料石蜡和固-固相变材料多元
2.空调冰蓄冷系统
(1)冰蓄冷系统的种类 来分的。 (2)制冰方法 静态制冰方法有管外制冰、管内制冰和密闭容器 冰蓄冷系统的分类主要是根据制冰方式
制冰。
(3)静态制冰系统 (4)动态制冰系统 所示。 复习思考题和习题 1.汽化核心形成的条件是什么? 2.为什么壁面过热度越大，沸腾越剧烈? 流动过冷水动态制冰系统的示意图如图3-20
沸腾属于内部强迫Байду номын сангаас流沸腾。
3.1.2 沸腾换热量和表面传热系数的计 算
1.大容器饱和核态沸腾的计算式 2.大容器膜态沸腾的计算式 3.制冷剂在管束外和管内沸腾换热计算式
3.2 蒸汽凝结换热
3.2.1 凝结换热现象 3.2.2 凝结换热量和表面传热系数的计算
3.2.1 凝结换热现象
图3-1 两种凝结形式示意图