熱質(zhì)交換原理自測(cè)試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）1.下列哪種熱質(zhì)交換過(guò)程中，熱量傳遞與質(zhì)量傳遞是通過(guò)同一載體實(shí)現(xiàn)的（）A.固體壁面間的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱B.空氣與水膜的蒸發(fā)冷卻C.對(duì)流換熱D.輻射換熱2.關(guān)于熱導(dǎo)率λ的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是（）A.金屬材料的λ遠(yuǎn)大于非金屬材料B.材料的λ隨溫度升高可能增大或減小C.多孔材料的λ通常較小D.熱導(dǎo)率是物質(zhì)的固有屬性，與物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)3.膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)相比，其凝結(jié)換熱系數(shù)（）A.更大B.更小C.相等D.無(wú)法確定4.下列哪種傳熱方式不屬于對(duì)流傳熱的強(qiáng)化途徑（）A.增大傳熱面積B.提高流體流速C.采用導(dǎo)熱系數(shù)更大的固體壁面D.破壞邊界層5.熱質(zhì)交換設(shè)備中，逆流布置與順流布置相比，其平均傳熱溫差（）A.更大B.更小C.相等D.取決于流體溫度范圍6.關(guān)于擴(kuò)散系數(shù)D的說(shuō)法，正確的是（）A.擴(kuò)散系數(shù)僅與擴(kuò)散物質(zhì)有關(guān)B.溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)減小C.壓力升高，氣體擴(kuò)散系數(shù)減小D.液體中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于氣體中的擴(kuò)散系數(shù)7.空氣與水接觸時(shí)，若空氣的露點(diǎn)溫度高于水的溫度，則會(huì)發(fā)生（）A.蒸發(fā)過(guò)程B.凝結(jié)過(guò)程C.既不蒸發(fā)也不凝結(jié)D.先蒸發(fā)后凝結(jié)8.努塞爾數(shù)Nu的物理意義是（）A.慣性力與粘性力之比B.對(duì)流傳熱系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)之比C.浮升力與粘性力之比D.表征對(duì)流傳熱相對(duì)于導(dǎo)熱傳熱的強(qiáng)弱9.在穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中，通過(guò)多層平壁的熱流量Q（）A.與各層厚度成正比B.與各層熱導(dǎo)率成正比C.與總溫差成正比D.與總熱阻成正比10.下列哪種熱質(zhì)交換設(shè)備屬于間壁式換熱器（）A.噴淋室B.冷卻塔C.殼管式換熱器D.板式塔二、填空題（每空2分，共20分）1.熱質(zhì)交換過(guò)程中，熱量傳遞的三種基本方式是________、________、________。2.質(zhì)量傳遞的兩種基本形式是________和________。3.對(duì)流傳熱系數(shù)h的單位是________，擴(kuò)散系數(shù)D的單位是________。4.膜狀凝結(jié)的主要熱阻來(lái)源于________；珠狀凝結(jié)的熱阻遠(yuǎn)小于膜狀凝結(jié)，原因是________。5.空氣與水進(jìn)行熱質(zhì)交換時(shí)，其熱質(zhì)交換強(qiáng)度取決于空氣與水之間的________差和________差。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共32分）1.簡(jiǎn)述熱質(zhì)交換過(guò)程中邊界層的概念及其對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響。2.比較強(qiáng)制對(duì)流傳熱與自然對(duì)流傳熱的異同點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述間壁式換熱器中傳熱系數(shù)K的影響因素，并說(shuō)明如何提高傳熱系數(shù)K。4.什么是相際傳質(zhì)的雙膜理論？其核心假設(shè)是什么？四、計(jì)算題（18分）有一厚度δ=50mm的平壁，材料熱導(dǎo)率λ=0.5W/(m·K)。平壁一側(cè)溫度t?=150℃，另一側(cè)溫度t?=50℃，平壁面積A=2m2。假設(shè)為穩(wěn)態(tài)一維導(dǎo)熱，忽略接觸熱阻。試求：（1）通過(guò)平壁的熱流量Q；（2）平壁內(nèi)的溫度梯度；（3）距離高溫側(cè)20mm處的溫度t。--------------------------答案分割線--------------------------一、單項(xiàng)選擇題答案及解析（每題3分，共30分）1.B解析：空氣與水膜的蒸發(fā)冷卻過(guò)程中，水蒸發(fā)時(shí)吸收空氣的熱量，同時(shí)水蒸氣擴(kuò)散到空氣中，熱量傳遞與質(zhì)量傳遞通過(guò)水蒸氣這一載體實(shí)現(xiàn)。A、C、D僅存在熱量傳遞，無(wú)質(zhì)量傳遞。2.D解析：熱導(dǎo)率是物質(zhì)的固有屬性，但與物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，例如水的固態(tài)（冰）、液態(tài)、氣態(tài)的熱導(dǎo)率差異較大。A、B、C說(shuō)法均正確。3.B解析：膜狀凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)液形成連續(xù)的液膜覆蓋在壁面上，液膜是主要熱阻；珠狀凝結(jié)時(shí)，凝結(jié)液以液珠形式存在，壁面大部分區(qū)域直接與蒸汽接觸，熱阻遠(yuǎn)小于液膜熱阻，因此珠狀凝結(jié)換熱系數(shù)更大，膜狀凝結(jié)更小。4.C解析：對(duì)流傳熱的強(qiáng)化途徑包括增大傳熱面積、提高流體流速、破壞邊界層、改變流體流動(dòng)狀態(tài)等。采用導(dǎo)熱系數(shù)更大的固體壁面主要影響導(dǎo)熱熱阻，對(duì)流傳熱強(qiáng)化的核心是減小對(duì)流熱阻，因此C不屬于對(duì)流傳熱強(qiáng)化途徑。5.A解析：在相同的進(jìn)出口溫度條件下，逆流布置的平均傳熱溫差最大，順流布置的平均傳熱溫差最小，這是逆流布置在換熱器中應(yīng)用更廣泛的主要原因。6.C解析：擴(kuò)散系數(shù)D與擴(kuò)散物質(zhì)、介質(zhì)、溫度、壓力均有關(guān)。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散系數(shù)增大；壓力升高，氣體分子間距減小，擴(kuò)散阻力增大，擴(kuò)散系數(shù)減??；液體分子間距小，擴(kuò)散阻力大，擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于氣體。因此A、B、D錯(cuò)誤，C正確。7.B解析：空氣的露點(diǎn)溫度是空氣水汽開(kāi)始凝結(jié)的溫度。當(dāng)空氣露點(diǎn)溫度高于水的溫度時(shí)，空氣水汽的飽和蒸汽壓低于水表面的蒸汽壓，水汽會(huì)從空氣向水表面凝結(jié)，發(fā)生凝結(jié)過(guò)程。8.D解析：努塞爾數(shù)Nu=hL/λ，其中h為對(duì)流傳熱系數(shù)，L為特征長(zhǎng)度，λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，其物理意義是表征對(duì)流傳熱相對(duì)于導(dǎo)熱傳熱的強(qiáng)弱。A是雷諾數(shù)Re的意義，C是格拉曉夫數(shù)Gr的意義。9.C解析：穩(wěn)態(tài)多層平壁導(dǎo)熱中，熱流量Q=Δt/ΣR，其中Δt為總溫差，ΣR為總熱阻，因此Q與總溫差成正比，與總熱阻成反比。A、B錯(cuò)誤，熱流量與各層厚度成反比，與各層熱導(dǎo)率成反比。10.C解析：間壁式換熱器的特點(diǎn)是兩種流體被固體壁面隔開(kāi)，不直接接觸，通過(guò)壁面?zhèn)鬟f熱量，殼管式換熱器屬于此類(lèi)。A、B、D均為混合式熱質(zhì)交換設(shè)備，兩種流體直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換。二、填空題答案（每空2分，共20分）1.導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射2.分子擴(kuò)散、對(duì)流擴(kuò)散（或渦流擴(kuò)散）3.W/(m2·K)、m2/s4.凝結(jié)液膜；凝結(jié)液不覆蓋壁面，壁面與蒸汽直接接觸，熱阻顯著減小5.溫度；蒸汽分壓力（或濃度）三、簡(jiǎn)答題答案（每題8分，共32分）1.邊界層概念：當(dāng)流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體粘性的作用，壁面附近的流體速度會(huì)從壁面處的零逐漸增加到主流速度，這個(gè)速度發(fā)生劇烈變化的薄層稱(chēng)為速度邊界層；同理，當(dāng)流體與壁面存在溫度差時(shí)，壁面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的薄層稱(chēng)為溫度邊界層；當(dāng)存在濃度差時(shí)，形成濃度邊界層（傳質(zhì)邊界層）。（4分）對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響：邊界層是傳熱和傳質(zhì)的主要區(qū)域，熱阻和傳質(zhì)阻力主要集中在邊界層內(nèi)。邊界層越薄，流體的流動(dòng)和溫度、濃度的變化越劇烈，對(duì)流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)越大，傳熱傳質(zhì)效果越好；反之，邊界層越厚，傳熱傳質(zhì)效果越差。（4分）2.相同點(diǎn)：均屬于對(duì)流傳熱，熱量傳遞均依靠流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和分子熱運(yùn)動(dòng)共同作用；都存在邊界層，熱阻主要集中在邊界層內(nèi)。（3分）不同點(diǎn)：①流動(dòng)動(dòng)力不同：強(qiáng)制對(duì)流傳熱是由外界機(jī)械力（如泵、風(fēng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)；自然對(duì)流傳熱是由流體內(nèi)部溫度差引起的密度差產(chǎn)生的浮升力驅(qū)動(dòng)。（3分）②換熱強(qiáng)度不同：強(qiáng)制對(duì)流的流體流速通常較大，邊界層較薄，換熱系數(shù)較大，換熱強(qiáng)度高；自然對(duì)流的流速較小，邊界層較厚，換熱系數(shù)較小，換熱強(qiáng)度低。（2分）3.傳熱系數(shù)K的影響因素：①流體的物性（如導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱容、密度等）；②流體的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）和流速；③傳熱壁面的材料、厚度、表面狀況（粗糙度、結(jié)垢情況）；④換熱器的結(jié)構(gòu)形式（如管殼式、板式等）；⑤污垢熱阻（是影響K的重要因素，污垢會(huì)顯著增大熱阻，降低K）。（4分）提高傳熱系數(shù)K的方法：①提高流體流速，破壞邊界層，減小對(duì)流熱阻；②采用湍流促進(jìn)器（如翅片、波紋板等），強(qiáng)化對(duì)流換熱；③定期清洗換熱器壁面，減小污垢熱阻；④選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的壁面材料，減小導(dǎo)熱熱阻；⑤優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)，增大流體擾動(dòng)程度。（4分）4.雙膜理論是解釋相際傳質(zhì)過(guò)程的經(jīng)典理論，其核心內(nèi)容是：在相際傳質(zhì)過(guò)程中，氣液兩相間存在著一層穩(wěn)定的氣膜和液膜；質(zhì)量傳遞首先從氣相主體通過(guò)氣膜擴(kuò)散到氣液界面，再?gòu)慕缑嫱ㄟ^(guò)液膜擴(kuò)散到液相主體；傳質(zhì)阻力主要集中在這兩層膜內(nèi)，界面處的氣液兩相處于平衡狀態(tài)。（4分）核心假設(shè)：①氣液兩相間存在穩(wěn)定的氣膜和液膜，傳質(zhì)阻力僅存在于膜內(nèi)；②界面處氣液兩相達(dá)到相平衡，無(wú)傳質(zhì)阻力；③膜內(nèi)的傳質(zhì)形式為分子擴(kuò)散，膜外的主體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)阻力的影響可忽略。（4分）四、計(jì)算題答案（18分）解：已知條件：δ=50mm=0.05m，λ=0.5W/(m·K)，t?=150℃，t?=50℃，A=2m2，穩(wěn)態(tài)一維導(dǎo)熱，忽略接觸熱阻。（1）根據(jù)傅里葉定律，通過(guò)平壁的熱流量Q為：（6分）Q=λA(t?-t?)/δ代入數(shù)據(jù)：Q=0.5×2×(150-50)/0.05=0.5×2×100/0.05=2000W=2kW（2）平壁內(nèi)的溫度梯度dt/dx：（6分）傅里葉定律的微分形式：q=-λ(dt/dx)，其中熱流密度q=Q/A溫度梯度dt/dx=-q/λ=-Q/(Aλ)=-2000/(2×0.5)=-2000K/m負(fù)號(hào)表示溫度沿x方向（從高溫側(cè)到低溫側(cè)）降低，溫度梯