工程流体力学第五章习题课.ppt

第五章 传热复习与习题 传 热基本概念和基本理论 传热是由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可 知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热对 流（对流）和热辐射。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分 子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流 体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温 度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流） ，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流 传热（给热）；热辐射是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何 物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能 成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。 传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（W）；热通量q是指每单位 面积的传热速率（W/m2）。 一热传导 1.导热 基本方程傅立叶定律 导热 系数，表征物质导热 能力的大小，是物质的 物理性质之一，单位为W/（m）。纯金属的导热 系数 一般随温度升高而降低，气体的导热 系数随温度升高而增 大。 式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反。 2平壁的稳定热传导 单层 平壁： 多层（n层）平壁： 公式表明导热 速率与导热 推动力（温度差）成正比，与导热热 阻（R） 成反比。 由多层等厚平壁构成的导热 壁面中所用材料的导热 系数愈大，则该 壁面 的热阻愈小，其两侧的温差愈小，但导热 速率相同。 1.圆筒壁的稳定热传导 单层圆 筒壁： 或 当S2/S12时，用对数平均值，即： 当S2/S12时，用算术平均值，即： Sm=（S1+S2）/2 多层（n层）圆筒壁： 或 一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低， 主要原因是因水的导热 系数大于保温材料的导热 系数，受潮后，使保温层材 料导热 系数增大，保温效果降低。 在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该 将导热 系数小的材料包 在内层，其原因是为了减少热损 失，降低壁面温度。 二、对流传热 1.对流传热 基本方程牛顿冷却定律 对流传热 系数，单位为：W/（m2），在换热 器中与传热 面 积和温度差相对应 。 1.与对流传热 有关的无因次数群（或准数） 表1 准数的符号和意义 准数名称 符 号意 义 努塞尔特准 数 L Nu= 含有特定的传热 膜系数，表示 对流传热 的强度 雷诺准数 Lu Re= 反映流体的流动状态 普兰特准数 Cp Pr= 反映流体物性对传热 的影响 格拉斯霍夫 准数 g t L32 Gr= 反映因密度差而引起自然对流状 态 1.流体在圆形直管中作强制湍流流动时 的传热 膜 系数 对对气体或低粘度的液体 Nu=0.023Re0.8Prn 或 Lu Cp =0.023 0.8 n d 流体被加热时 ，n=0.4；液体被冷 却时，n=0.3。 定型几何尺寸为管子内径di。 定性温度取流体进、出口温度的 算术平均值。 应用范围为Re10000， Pr=0.7160，(l/d)60。 对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。 沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传 热过程应维持在泡壮沸腾区操作。 无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措 施是提高流体湍动程度。 引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的 流动。 用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系： 无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr） 自然对流传热 Nu=f（Gr，Pr） 强制对流传热 Nu=f（Re，Pr） 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSt，式中t表示为两流体温度差的平均值；S表示 为泛指传热面，与K相对应。 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=St，式中t=tw-tm 或 Tm-Tw；S表示为一侧的传 热壁面。 滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。 水在管内作湍流流动时，若使流速提高至原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 20.8倍 。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的40.820.2倍。（设条件改变 后，仍在湍流范围） 三、间壁两侧流体的热交换 间壁两侧流体热交换的传热 速率方程式 Q=KStm 式中K为总传热 系数，单位为：W/（m2）；tm为两流体的平均温度差 ，对两流体作并流或逆流时的换热 器而言， 当t1/t2 2时，tm可取算术平均值，即：tm=（t1+t2）/2 基于管外表面积So的总传热 系数Ko 四、换热器 间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。 提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢， 及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节， 采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积； 增强流体的湍动程度以提高。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和 冷凝水。 间壁换热器管壁温度tw接近大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大 的一侧的值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对 流传热膜系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。 对于间壁换热器m1Cp1(T1-T2)=m2Cp2(t1-t2)=KStm等式成立的条件是稳定传热 、无热损失、无相变化。 列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传 热，提高值，支撑管子。 在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管 内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。 1. 蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设 计采用_冷凝。 2. 大容积的饱和沸腾传热可分为_、 _和_三个阶段，而在工业生产中常在 _阶段操作。 3. 在对流传热中，按其产生的原因，可分为 _对流与_对流。 4. 在包有二层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导 热系数_（填大，小）的材料包在内层。 5. 定性温度指_。 6. 工业上冷热流体的接触方式有_， _和_。 填空题 1. 间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( ) A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系 （答案 A） 2. 翅片管换热器的翅片应安装在( )。 A. 小的一侧 B. 大的一侧 C. 管内 D. 管外 （答案 A） 3. 套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果 蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时: （1）传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （2）空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （3）壁温 A 增大B 略有减小 C 基本不变 ( ) （答案 A、B、 C） 选择题 4. 工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（ ） 。 A. 增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观 C. 增加传热面积，提高传热效果。 （答案 C） 5. 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的( )滴状冷凝的。 A. 等于 B. 大于 C. 小于 （答案 C） 6. 导热是（ ）热量传递的主要方式。 A. 固体中 B. 液体中 C. 气体中 （答案 A） 7. 热量传递的基本方式是（ ）。 A. 恒温传热和稳态变温传热 B. 导热给热和热交换 C. 气化、冷凝与冷却 D. 传导传热、对流传热与辐射传热 （答案 D） 8. 湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主 要存在于（ ）。 A. 流体内; B. 器壁内; C. 湍流体滞流内层中; D. 流体湍流区域内。 （答案 C） 9. 对一台正在工作的列管式换热器，已知1116，2 11600， 要提高传热系数（K），最简单有效的途径是 （ ）。 A. 设法增大1 ; B. 设法增大2 ;C. 同时增大 1 和2（答案 A） 10. 在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，此过程的 总传热系数K值接近于（ ）。 A. 蒸汽 B. 空气 C. 蒸汽与空气的平均值 （答案 B） 11. 对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（ ） 沸腾下操作。 A.核状 B. 稳定的膜状 C. 不稳定的膜状 （答案 A） 12. 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数 值（ ）。 A. 降低 B. 升高 C. 不变 （答案 A） 13. 为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金 属皮，一般而言，应该选择_材料。 A. 表面粗糙，颜色较深 B.表面粗糙，颜色较浅 C. 表面 光滑，颜色较深 D.表面光滑，颜色较浅 （答案 D） 1 在定态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这 层的导热温差就小。（ ） 2 保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（ ） 3 强化传热过程最有效的途径是增大传热面积。 （ ） 4 自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。 （ ） 5 辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐 射传热可以在真空中传播。 （ ） 6 辐射能力强的物体其吸收能力也强。 （ ） 7 物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率 。 （ ） 判断题 1). 在内管为18910mm的套管换热器中，将 流量为 3500kg/h的某液态烃从 100冷却到 60，其平均比热 CP烃=2.38kJ/kg.， 环隙 走冷却水，其进出口温度分别为40和50， 平均比热p水4.17kJ/kg.，基于传热外面 积的总传热系数K0=2000W/m2, 设其值恒定 , 忽略热损失。试求： A)冷却水用量；B)分别 计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及 所需管长。 解：冷却水用量 h P h (1 -2 )c P c (2 -1 ) 35002.38(100-60)c 4.17(50-40) c 7990Kg/h 逆(50-20)(50/20)32.75 并(60-10)(60/10)27.93 m 79904.17(50-40)=3.332 5KJ/h 逆3.3325/(2000/1000)32.7536001.41 (m2) 0 L1.41 3.140.18L1.41 L逆2.5 (m ) 并3.3325/(2000/1000)27.9336001.66 (m2) 3.140.18L并1.66 L并2.93 (m ) 2）用平板法测定材料的导热 系数，其主要部件为被测材料构成的平板，其 一侧用电热 器加热，另一侧用冷水将热量移走，同时板的两侧用热电 偶测 量其表面温度。设平板的导热 面积为 0.03m2，厚度为0.01m。测量数据如下 ： 电热 器 材料的表面温度 安培数 A伏特数 V高温面低温面 2.8 2.3 140 115 300 200 100 50 试求：该材料的平均导热 系数。如该材料导热 系数与温度的关系为线 性： ，则0和a值为 多少？ 3）通过三层平壁热传导 中，若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分 别为 500、400、200和100，试求合平壁层热 阻之比，假定 各层壁面间接触良好。 4）382.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损 失，在管外保温。 50 第一层是mm厚的氧化锌粉，其平均导热 系数为0.07 W/(m)；第二层是 10mm厚的石棉层，其平均导热 系数为0.15 W/(m)。若管内壁温度为 180，石棉层外表面温度为35，试求每米管长的热损 失及两保温层界 面处的温度？ 解：r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 m r2 = r11 = 0.0190.05 = 0.069 m r3 = r22 = 0.0690.01 = 0.079 m 0 = 45 W/(m) W/m 即 t2 = 41.8 5）水流过603.5mm的钢管，由20被加热至60。已知 ，水流速为1.8m/s，试求水对管内壁的给热 系数。 6）某列管换热 器，用饱和水蒸汽加热某溶液，溶液在管内呈湍流。已知 蒸汽冷凝给热 系数为104 W/(m)，单管程溶液给热 系数为400W/(m) ，管壁导热 及污垢热阻忽略不计，试求传热 系数。若把单管程改为双管程 ，其它条件不变，此时总传热 系数又为多少？ 热阻分配： 污垢： 管外： 管内： 管壁： = 0.01010 m2/W W/( m2) ， = 0.01521 m2/W W/( m2) 7) 9) 10) 120饱和水蒸汽将空气从20加热至80，空气流量1.20104kg/h。现 有单程列管换热 器，252.5mm钢管300根，管长3m，0 = 104W/(m2)，污 垢及管壁热阻不计。问此换热 器能否满足要求。 解： 50空气， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)， = 0.02824W/(m) = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s 10000 W/(m2) 0i Ki = i = 124.5 W/(m2) Q = WcCpct = 1.00560 = 201 kJ/s tm = Q = Ki