化工原理第四章习题及答案.doc

第四章 传热一、名词解释1、导热若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称为热传导（导热）。2、对流传热热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。热对流仅发生在流体之中, 而且必然伴随有导热现象。3、辐射传热任何物体, 只要其绝对温度不为零度 (0K), 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时, 该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。4、传热速率单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）5、等温面 温度场中将温度相同的点连起来，形成等温面。等温面不相交。二、单选择题1、判断下面的说法哪一种是错误的（）。 B A 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大； B 在同一温度下，物体吸收率A与黑度在数值上相等，因此A与的物理意义相同； C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强； D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。 2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为_ 。 C A 传导和对流 B 传导和辐射 C 对流和辐射 3、沸腾传热的壁面与沸腾流体温度增大，其给热系数_。 CA 增大 B 减小C 只在某范围变大 D 沸腾传热系数与过热度无关4、在温度T时，已知耐火砖辐射能力大于磨光铜的辐射能力，耐火砖的黑度是下列三数值之一，其黑度为_。 AA 0.85 B 0.03 C 15、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度_耐火砖的黑度。 DA 大于 B 等于C 不能确定是否大于 D 小于6、多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_。 AA 成正比 B 成反比 C 没关系7、在列管换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否正确： A甲、传热管的壁温将接近加热蒸汽温度；乙、换热器总传热系数K将接近空气侧的对流给热系数。A 甲乙均对 B 甲乙均不对C 甲对，乙不对 D 乙对，甲不对8、列管换热器管程常用流速范围为：一般液体_，气体_。 A CA 0.5 - 3 m/s B 3 - 15 m/s C 5 - 30 m/s9、一管壳式换热器，管内走液体，管间走蒸汽，由于液体入口温度下降，在流量不变情况下，仍要达到原来的出口温度，此设备已不允许再提高蒸汽压力强度，采取简便有效措施_。 AA 管内加扰流内件 B 提高壳程数10、碳钢的导热率为_；不锈钢的导热率为_；铜的导热率为_，常压常温空气的导热率为_；常温水的导热率为_。 C, D, B, F, EA 151W/(m) B 370W/(m) C 45W/(m) D 16W/(m) E 0.62W/(m) F 0.025W/(m)11、套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸气，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时 A B B 传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变 空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 壁温 A 增大 B 略有减小 C 基本不变12、一定流量的液体在一F252.5mm的直管内作湍流流动，其对流给热系数a1000W/(m2)。如流量与物性都不变，改用一F192mm的直管，则其a值将变为_ W/(m2)。 DA 1059 B 1496 C 1585 D 167813、穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示。试比较第一层的热阻 R1与第二、三层热阻R2、R3的大小_。 C A CA R1 (R2+R3) B R1 (R2+R3) C R1= (R2+R3) D 无法比较14、在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，换热器最好_放置；冷却水应走_。 A C A 水平 B 垂直 C 管内 D 管外已知某平壁外两层不等厚(b1b2)保温材料的温度分布曲线如图示, 则A 层导热率_B 层的导热率。 C A 小于 B 不能确定是否大于 C 大于 D 等于15、稳定传热是指_。 BA 传热系统中各点的温度不随位置和时间而变。B 传热系统中各点的温度仅随位置变，而不随时间变。C 传热系统中各点的温度不随位置变而随时间变。D 传热系统中各点的温度随位置和时间而变。16、棉花保温性能好，主要是因为_。 CA 棉纤维素导热率小； B 棉花中含有相当数量的油脂；C 棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到阻碍； D 棉花白色，因而黑度小。17、无相变强制对流来自_。 CA 纯经验方法 B 纯理论方法 C 因次分析与实验结合（半理论、半经验方法） D 数学模型法 E 因次分析法18、在蒸汽冷凝中，不凝气体的存在对的影响是_。 BA 使值升高 B 使值大大降低C 使值有一定影响 D 对值无影响19、红砖的黑度为0.93，若温度为300，则红砖的发射能力为_W/m2。 BA 6112.3 W/m2 B 5684 W/m2 C 916.8 W/m2 D 1000 W/m220、换热器中冷热流体进出口温度一定时，下面说法中正确的是 。 DA Dtm并Dtm逆Dtm折 B Dtm逆Dtm并Dtm折C Dtm并Dtm逆Dtm折 D Dtm并Dtm折21、对在蒸汽与空气间壁换热过程中，为强化传热下列方案中的_在工程上可行。 AA 提高空气流速 B 提高蒸汽流速C 采用过热蒸汽以提高蒸汽温度 D 在蒸汽一侧管壁上加装翅片，增加冷凝面积并及时导走冷凝液。22、在间壁换热器中，当两流体均变温时，采用折流的目的是 。 AA 提高K B 提高Dtm C 增加传热面积A D 使K和A均增加。23、100时铜的导热率为_，18时钢的导热率近似为_，20时空气的导热率近似为_，20水的导热率近似为_。 C A B DA 45W/(mK) B 0.026W/(mK)C 377W/(mK) D 0.6W/(mK)24、在相同温度下，实际物体的吸收率A与黑体的吸收率A0的关系是 。 CA A A0 B A = A0 C Ab2b3，导热率l1 l2， ； =， =9、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_，主要原因是_。降低 因水的导热率大于保温材料的导热率,受潮后,水占据一定的孔隙空间，使保温层材料导热率增大,保温效果降低。 8、 蒸汽冷凝放热时，要经常注意排放_，这是因为 _。不凝气和冷凝水 不凝气构成附加的气膜传热阻力，而冷凝水的积累减小换热面积。11、设置隔热挡板是_辐射散热的有效方法。挡板材料的黑度愈低，辐射散热量 _。有一单层平壁如图所示。已知材料的导热率为常数，从左等温面至右等温面 的稳定导热热流量为，则平壁内的温度分布表达式为_。 减少 愈低 12、某物体（可近似为灰体）在20时，其黑度为=0.8，其吸收率为_。0813、浮头式或带膨胀节的换热器适用于_ 与_流体的温差很大的场合。 管程 壳程14、 根据有无热补偿或补偿方法不同，列管式热器的一般结构型式有_、 _、_。 换热器中，热流体由200 冷却到140，冷流体由20升高到35，热流体的热容量流率较小, 则传热效率为_。 膨胀节；浮头式；U型管 33.3%15、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_，采用_结构或采用_式结构。 膨胀节 浮头式 U型管16、如图所示，为尽量减少、两个温度不同的固体表面间的辐射传热，可以采取的措施是_。在两固体壁面间，平行放置多块黑度较小的遮热板。17、 用冷却水将一定量的热流体由100冷却到40，冷却水初温为15，在设计列管式换热器时，采用两种方案比较。方案是令冷却水终温为30，方案是令冷却水终温为35，则用水量W1_W2，所需传热面积A1_A2。 如图所示,蒸汽在管束外冷凝，(a)、(b)两种排列方式的其它条件均一样，比较它们的冷凝给热系数的大小_，因为_。 大于, 小于 大于,因为冷凝液从上面各排流到下面各排,液膜逐排增厚,沿垂直方向管数愈多,液膜愈厚。 18、两流体的间壁换热过程中计算式中，Dt表示 。T1-T2 或t2-t119、设备保温层外包一层表面_、颜色_的金属，可使设备的热损失减少。光滑 较浅20、举出五种间壁式换热器_、_、_、_、_。套管式换热器，列管式换热器，夹套式换热器，板式换热器，螺旋板式换热器，蛇管式换热器，板翅式换热器等任选五种。21、导热率的物理意义是_，其SI制的单位为_，工程制的单位为_。单位温度梯度、单位导热面积上所传导的热量 W/(m) 千卡/小时米22、 定性温度是指_。 沸腾传热可分为三个区域，它们是_、_和_，生产中的沸腾传热过程应维持在_区操作。 确定准数中各物性参数的温度 自然对流区 核状沸腾区 膜状沸腾区 核状沸腾 23、对多层圆筒壁的热传导，通过各层的传热速率_，热通量_,沿圆筒壁的径向温度分布为_线。相等 不相等 曲线24、 已知导热率=2.38810-3Cal/(cms), 此值在SI制中为_W/(mK)。 写出比热Cp的单位，工程制为_，SI制为_。 物体的辐射传热速率与其绝对温度的_次方成正比。 1 kCaL/(kg), J/(kg) 四25、在传热实验中，用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于_侧的对流传热系数，而壁温接近于_侧流体的温度。蒸汽冷凝时的对流给热系数较大。原因是_。空气 饱和水蒸气 蒸汽冷凝时释放较大冷凝潜热26、 估计列管式换热器中金属管壁的温度tw，壳程为0.1MPa的饱和水蒸气冷凝。 A 管程是平均温度为40的空气，tw约为_； B 管程是平均温度为40的水，水的对流给热系数为2000W/(m2)，基于内面积的总传热系数Ki=1600W/(m2) ，tw约为_。 在设计时，欲略为增大一卧式冷凝器的传热面积，从有利于传热角度看，宜采取的措施为_，因为_。 (1) 100 (2) 88 增加管长。 如果采用增加管数的办法,则沿垂直方向管数也增加,冷凝液从上面各排流到下面各排,液膜逐渐增厚,降低。 27、管内湍流传热，流体内温度梯度最大的部分是在_，原因是_。滞流底层 滞流底层的传热机理是导热, 流体的导热率一般比较低。 28、在稳态传热中，凡热阻大处其温差也_。滴状冷凝的给热系数_膜状冷凝给热系数。大 大于29、沸腾传热时，在核状沸腾区壁面与沸腾流体的温差愈大，则_。越大30、对于间壁式换热器：等式成立的条件是 、 、 。31、下列各种情况下的对流给热系数空气流速为6m/s时的； 空气流速为25m/s 时的；水的流速为1.2m/s时的； 水的流速为2.5m/s时的； 蒸汽膜状冷凝时的之间的数值按自大而小的顺序为 _ _ _ _ _。 32、不需要任何介质的传热称为（ ）传热。 辐射 33、在列管式换热器中，流体在管内流动称为流经（ ）。 管程 34、列管式换热器中，流体在（ ）流动称为流经壳程。 管间 35、能以相同的吸收率且部分地吸收由零到的所有波长范围的辐射能的物体称为（ ）。 灰体 36、在辐射传热中，气体的反射率为（ ）。 0 37、在辐射传热中，黑体的透过率为（ ）。 0 38、在辐射传热中，灰体的透过率为（ ）。 0 39、灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的（ ）。黑度 40、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则传热管的壁温接近（ ）的温度。 饱和蒸气 41、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则总传热系数接近（ ）的对流传热系数。 空气 42、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则空气应走（ ）。 管内 43、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则饱和蒸气应走（ ）。管间 44、判断下列物性数值大小l金属 _ l液 _l气。 四、判断题 （每题1分）1、在辐射传热中，黑体的反射率为1。 （ ）2、对流传热包括强制湍流传热和强制层流传热。 （ ）3、滴状冷凝比膜状冷凝效果好。 （ ）4、圆筒壁热传导是传热速率与热通量相等 （ ）5、一般固体、液体和气体相比较，导热系数值的大小顺序为固体气体液体。 （ ）6、夏季人们穿深色衣服不会感觉太热。 （ ）7、对流传热仅发生在流体中。 （ ）8、流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在流动边界层。 （ ）9、一套管换热器逆流操作与并流操作一样。 （ ）10、虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。 （ ）五、问答题1、在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，传热管的壁温接近哪一种流体的温度？ 为什么？ （3分）答： 壁温接近饱和蒸气的温度。 因为 ， 饱和蒸气的空气的，则 所以，,传热管的壁温接近饱和蒸气(大)的温度。 2、为什么内部孔隙多的材料保温效果好? （3分） 因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。 3、在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度? （3分） 由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以提高传热效果。 4、在传热实验中，试分析说明饱和水蒸气与管壁间的对流给给热系数()如何确定的？并指出相应测试的基本参量有哪些？ （4分）答： 即需测参数：空气流量； 空气进、出口温度（1、2）； 饱和蒸汽压力,然后查出饱和蒸汽温度Ts ；管壁温（w）5、在蒸汽冷凝时，其冷凝液为层流流动，若要提高蒸汽冷凝的给热系数，可考虑采取哪些措施？ （4分）答： 措施一：让液膜和蒸汽同向流动，则磨擦力使液膜流动加速，厚度减薄，从而使增大；措施二：若为单根管，将垂直放置改为水平放置。若为管束，则需减小垂直列上的管数，或把管子排列旋转一定的角度；措施三：及时排除不凝气体。6、 作图定性示出沸腾传热系数随相应的传热温差（壁面和沸腾液体之间）的变化关系。 列管换热器封头装置隔板的作用是什么？ （4分）答： 如图 隔板将管子分成若干组，构成多程换热器, 增大流速, 以提高管程。 7、现场有一列管式加热器，管程有dmm钢管n根，每根长L米,内通水。壳程为压力等于PPa(绝)的饱和水蒸气冷凝。今欲实测此换热器传热系数K，试问 需要测取哪些数据?说出所用仪表。 根据测得的数据列出计算K值的有关公式及计算方法。 （4分）答： 需要测水的进、出口温度和，可使用温度计测量;需要的加热蒸汽温度,可使用热电偶测量, 需要测水的流量, 可使用转子流量计测量。 换热器面积 平均推动力 基于外表面的总传热系数 五、计算题1、某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其导热系数分别为0.9 W/（）及0.7 W/（）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700, 外表面温度为130。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/（）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740, 外表面温度为90。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？ （10分）解：设单位面积炉壁的热损失为（），加保温层前，是双层平壁的热传导 （4分）加保温层后，是三层平壁的热传导 （4分）热损失减少的百分数 （2分）2、外径为426 mm的蒸气管道, 其外包扎一层厚度为426 mm的保温层, 保温材料的导热系数可取为0.615 W()。若蒸汽管道的外表面温度为177, 保温层的外表面温度为38, 求每米管长的热损失。 （10分）解：由已知 r2 = 0.426/2 = 0.213 m， r3 = 0.213 + 0.426 = 0.639 m （5分）每米管长的热损失 （5分）3、在一套管换热器中，用水蒸气加热空气，已知空气侧的对流给热系数为 40W/(m2),蒸汽冷凝侧的对流给热系数为5000W(m2)，现欲提高此传热过程的总传热系数,应从何着手解决？试用具体数据说明理由。（注：管壁热阻及污垢热阻可忽略,空气湍流） （15分）解： 当忽略管壁及污垢热阻时 W/(m2) (4分) 由于,故应设法增大之值 在管程允许的压力降范围内增大空气的流量,设将空气流量提高2.4倍,则 W/(m2) W/(m2) (5分) 若将增大一倍 W/(m) (3分) W/(m) (3分)4、某厂精馏塔顶,采用列管式冷凝器,共有252.5mm的管子60根, 管长为2m,蒸汽走管间,冷却水走管内,水的流速为1m/s 。进、出口温度分别为20和60,在定性温度下水的物性数据为:=992.2kg/m3 =0.6338W/(m) =6.5610-4Pa.s Pr=4.31 求管内水的对流给热系数 如使总管数减为50根,水量和水的物性视为不变,此时管内水的对流给热系数又为多大? (15分)解: (3分)可采用下式计算对流给热系数 流体被加热 n=0.4 (2分) W/(m2) (2分) (2) 当管子根数减少时,流速变大 (4分) (2分)） (2分)5、一套管换热器,由483mm和252.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为和，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。求将内管改322.5mm后,管内对流给热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流) (10分)解: 原内管外径 内径 新内管外径 内径 设 改用322.5钢管后,内管对流给热系数 (5分) (5分)6、一套管换热器用 133的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33加热到 73，氯苯流量为 5500Kg/h。现因某种原因，氯苯流量减少到 3300Kg/h，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？（设两种工况下的蒸汽冷凝热阻，管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化） (15分)解： (3分) (5分) (3分) (4分)7、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243和128；终温分别为167和157。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。解： 以下标“”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知： (3分) 两式相除，得： （a）将和比定律应用于下式，得： (4分)所以 (3分) 或 （b）由式a得： 即： （c） 联立式b和c解得： (5分)8、一套管式换热器管内流体的对流传热系数 = 20 W/（m2），管间流体的对流传热系数= 350 W/（m2）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）(10分)解：原流动情况 m2/W K=18.92 W/ m2 (2分)（1）管内对流传热系数增加一倍 = 2 = 220= 40 W/ m2 m2/W K=35.9 W/ m2 （35.9-18.92）/18.92 = 89.75% (4分)（2）管外对流传热系数增加一倍 = 2350 = 700 W/ m2 m2/W K = 19.44 W/ m2 （19.44-18.92）/18.92 = 2.75% (4分)9、在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数为349 W/（m2），管外油侧对流传热系数为258 W/（m2）。换热器在使用一段时间后，管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻Rsi 为0.00026 （m2）/W，油侧的污垢热阻为0.000176 （m2）/W。若此换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。(10分)求：（1）产生污垢后热阻增加的百分数； （2）总传热系