化工原理期末备考传热复习题.pdf

传热 一 填空题 1 工业上冷热流体间的传热方式有 答案 间壁式 蓄热式 直接混合式 2 热量传递的方式主要有三种 答案 热传导 热对流 热辐射 3 传 导 传 热 的 傅 立 叶 定 律 表 达 式 为 其 符 号 各 代 表 和 答案 Q A t Q 表示单位时间传递的热量 表示温度向降低方向传 递 A表示传热面积 表示导然系数和 t 表示温度梯度 4 影响给热系数 的因素有 答案 流体种类 流体性质 流体流动状态和传热壁面的几何尺寸 5 由多层等厚度平壁构成的传热壁面 若某层所用材料的导热系数越大 则该壁面的热阻就越 其两侧的温度差越 答案 小 小 6 定态导热是指 不随时间而改变 答案 传热系统中各点的温度仅随位置变 7 影响传导传热系数的因素有 答案 物质种类和组成 物质的内部结构和物理状态 温度 湿度 压强等 8 牛 顿 冷 却 定 律 公 式 为 其 符 号 各 代 表 和 答案 Q A T tw Q 表示传热速度 表示传热系数 A表示对流传热面积 T 表示热 流体主体平均温度和 tw表示为低温流体壁面温度 9 在包有二层相同厚度但导热系数不同的保温材料的圆形管道上 应该将 材料 放在内层 道理是 答案 导热系数小的 减少热损失 降低壁面温度 10 在多层平壁定态导热中 通过各层的传热速率 答案 相等 11 在流体与固体壁面间发生的对流传热中 热阻主要集中在 答案 滞流内层中 12 在热交换过程中 两侧流体的相互流向有 答案 并流 逆流 折流 错流 13 多层壁面导热的总热阻等于 答案 多层热阻之和 14 在列管式换热器中 用饱和蒸汽加热空气 传热管的壁面温度接近 气 或汽 的温度 总传热系数 K 接近 气 或汽 的对流给热系数 答案 蒸气 空气 15 强化传热的方法之一是提高K 值 要提高K 值 则应改善对流给热系数 的一侧的传热 条件 给热系数小的还是大的 答案 提高给热系数较小一侧的给热系数 16 厚度不同的三种材料构成三层平壁 各层接触良好 已知 b1 b2 2 3 在 稳定传热过程中 各层的热阻 R1 R2 R3 各层导热速率Q1 Q2 Q3 答案 R1 R2 Ao 此换热器可满足工艺要求 19 为了测定套管式甲苯冷却器的传热系数 测得实验数据如下 冷却器传热面积 A 9m2 甲苯 的流量为 2000kg h 由 80 冷却到 40 甲苯的平均比热为1 84 kJ kg K 冷却水从 20 升 高到 30 两流体呈逆流流动 求所测得的传热系数 K 为多少 若水的比热为4 18 kJ kg K 求水的流量 解 热负荷 Q h P h T1 T2 2000 3600 1 84 80 40 40 9 t 80 40 30 20 50 20 t50 20 50 20 32 7 K Q A tm 40 9 10 7 32 7 178 m 2 K 1 Q C P C t2 t1 Q P C t2 t1 40 9 4 18 30 20 0 978 kg s 1 3522 kg h 1 20 有一逆流热交换器 将1 5 kg s的苯从77 冷却至27 苯的平均比热Cp为1 88 kJ kg K 冷却水的进 出口温度分别为 25 和47 换热器采用 25 2 5 mm的钢管 水在管内 苯 在管外 水和苯的传热分系数分别为 1 850 w m 2 K 1和 2 1700 w m 2 K 1 钢的导热系数 49w m K 若忽略污垢的热阻 试求冷却水消耗量及管子的总长度 解 q CpG t2 t1 117 5 KJ S W 117 5 4 187 47 25 1 276 kg S 1 t 77 47 27 25 ln 30 2 10 34 1 K 1 1 1 2 K 550 7 w m 2 K 1 A q K t 20 635 m2 L A dm 292 1 m 21 在厚度为 240mm的砖墙内抹上 10mm 厚的砂浆 砖的导热系数为 0 6W m K 砂浆的导 热系数为 0 4W m K 若内外表面温度差保持为 30K 求通过单位面积墙面的热流量 解 此题是通过双层平壁的传热 设传热面积为 1m2 则有 6 70 14 0 01 0 16 0 24 0 30 Q 2 2 1 1 A b A b t W 22 燃烧炉的壁由一层耐火砖与一层普通砖组成 两层厚度均为 100mm 其导热系数为 1 163W m K 及 0 5815 W m K 当操作达到稳定后 测得炉内外表面的温度为700 和 130 为了减少热损失 在炉壁外表面增加一层导热系数为0 07 W m K 的氧化镁 测得稳定时 的内外壁面温度为 740 和 90 而热损失减少了 2 3 求氧化镁层的厚度 解 开始是通过双层平壁的导热 设导热面积为 2 1m 其传热 1 Q 为 W A b A b tt 2209 15816 0 1 0 1163 1 1 0 570 Q 2 2 1 1 21 1 增加氧化镁 成为三层平面壁的导热 因热损失减少了 2 3 故传热量 2 Q为 R Q 3 1 Q 12 t R 883 0 2209 3 1 90740 3 1 R 1 Q t 625 0172 0086 0883 0 21 3 3 3 RRR A b R b 3 R3A3 0 625 0 07 1 0 044m 44mm 23 170 5 的蒸气管外包扎两层绝热材料 第一层厚 25mm 第二层厚 40mm 两层的导热系数 分别为 0 08 W m K 和 0 04 W m K 蒸气管导热系数为 58 15 W m K 若管内壁 为 300 绝热材料外表面为50 试求每米管长热损失 解 此为三层圆筒壁的稳定热传导 依题意 0 150mr0 110m r0 085m r0 080m r 4321 2 rr 12 可用算术平均值求每米管长的平均面积 1 Am 2 2 085 0080 0 1 0 518m 2 同理可求 Am2 0 612 m 2 Am3 0 816m 2 Q W144 816 004 0 040 0 612 008 0 025 0 518 015 58 005 0 50300 33 3 22 2 11 1 Am b Am b Am b t 24 50 3 的钢管外包扎两层绝热材料 内 外厚度分别为 25mm 和 40mm 导热系数分别为 0 08 W m K 及 0 04 W m K 若内层内表面及外层外表面的温度分别为 275 及 57 求每米管长热损失及两绝热层界面之间的温度 解 由于是稳定热传导 故每米管长的热损失可用两层绝热材料的传热量计算 已知 r1 0 025m r2 0 050m r3 0 090m Am1 2 2 050 0025 0 1 0 2355m 2 Am2 2 2 090 0050 0 1 0 4396 m 2 Q W5 60 4396 004 0 040 0 2355 008 0 025 0 57275 22 2 11 1 Am b Am b t 设界面温度为 t 则有 5 60 2355 008 0 025 0 275 t 解出 t 194 7C o 25 水以 1m s 的速度在 48 3 5 的管内流动 水进管的温度为 20 出管温度为 80 求 管壁对水的传热分系数 解 先求定性温度 Ctt o 50 2 1 t 21m 水在 50C o 时的物性数据为 sPa 3 10549 0 647 0KmW 3 1 988mkg 174 4KkgkJcp 查表 54 3Pr 101038 7 10549 0 1 9881041 0 Re 44 3 du 管壁对水的传热分系数为 4719 54 3 1038 7 041 0 647 0 023 0PrRe023 0 24 08 044 08 0 KmW d 26 水在套管热交换器的内管流动 流量为 700kg h 进口温度为 20 出口温度为 50 乙 醇在套管环隙流过 进口温度为 78 出口温度为30 该条件下乙醇的导热系数为 0 15 W m K 密度为 752kg m 3 粘度为 0 61 10 3N s m2 平均比热为 2 8kJ kg K 若热交换器 的内管及外管尺寸分别为 20 2 5 及 30 2 5 试求水及乙醇的传热分系数 设热损失为零 解 先求水的传热分系数 水的定性温度C o 35 5020 2 1 tm 35C o 时水的物性数据需用内插法计算 以密度计算为例 水在 30 时的密度为 995 7 3 mkg 40C o 时密度为 992 2 3 mkg 故在 35C o 时密度为 3 9942 992 3040 3035 7 995 4030 4035 mkg 同样计算的 10174 4 3 KkgJcp sPa 3 10727 0 626 0KmW 86 4Pr sm w V 1096 1 9943600 700 34 sm d V u 1 1 015 0 4 1096 1 4 2 4 2 4 3 1026 2 10727 0 9941 1015 0 Re du 5491 86 4 1026 2 015 0 626 0 023 0PrRe023 0 24 08 044 08 0 KmW d 求乙醇的传热分系数 乙醇的质量流量 wc可由热量衡算求出 t tcw T Tcw 12pcc21phh hkg ttc TTcw w pc phh c 2 652 3078 108 2 2050 10174 4700 3 3 12 21 sm w V c 104 2 7523600 2 652 34 2422 22 1077 1 02 0025 0 4 4 mdDA 外内环 sm A V u 36 1 1077 1 104 2 4 4 环 流道尺寸需用传热当量直径 de 计算 m d dD de011 0 02 0 1077 14 4 4 4 22 外 外内 4 3 1084 1 1061 0 75236 1011 0 Re ude 39 11 15 0 1061 0108 2 Pr 33 P c 167639 11 1084 1 011 0 15 0 023 0PrRe 023 0 23 08 043 08 0 KmW de 27 用冷凝器将热流体从80 冷却至40 热流体流量为 0 54kg s 平均比热为1 38 kJ kg K 冷却水温度由 30 升至 45 试求冷却器的热负荷及冷却水用量 不计热损失 解 冷却器的热负荷可由热流体放热量计算 kWTTcwQ phhL 8 29 4080 38 154 0 12 冷却水用量可由热量衡算计算 12 TTcw phh 12 ttcw phc hkgskg ttc TTcw w pc phh c 1710 475 0 3045 18 4 8 29 12 12 28 苯在套管式冷却器内管内流动 流量为 2000kg h 温度从 74 降至 45 冷却水在套管 环隙内逆流流动 温度从 25 升至40 冷却器传热面积为 2m 2 该条件下苯的平均比热为1 82 kJ kg K 试求传热总系数 K 解 求传热系数 K 需用传热基本方程tmKAQ 传热速率可由热量衡算计算 kWttwcQ p 3 29 4574 1082 1 3600 2000 3 12 Ktm4 26 2545 4074 ln 2545 4074 555 4 252 103 29 2 3 KmW tmA Q K 29 石油厂常利用渣油废热来加热原油 若渣油初温为 300 终温为200 原油初温为 25 终温为 175 试分别计算并流和逆流时的平均温度差 并讨论计算结果 解 两流体作并流流动 渣油 200300 原油 17525 1 t 275 t2 25 C t t tt tm o 104 25 275 ln 25275 ln 2 1 21 两流体作逆流流动 渣油 200300 原油 25175 t1 125 t 2 175 24 1 125 175 1 2 t t Ctttm o 150 175125 2 1 2 1 21 由计算结果可知 当两流体的进 出口温度是确定值时 逆流流动时的平均温度差比并流大 30 反映器中有一个冷凝蛇管 内通冷却水 冷却水进 出口温度分别为 280K 及 320K 反应 器内液体温度为 360K 若将蛇管长度增加一倍 设传热总系数不变 出口水温将为多少 解 蛇管未加长时 有下列关系 ppp wcwctwctmKA40 280320 1 蛇管加长后 设出口水温位 t 则有 280 2 twctmAK p 2 A B 得 280 40 2 ttm tm tm t tm 402 280 3 而 t t t t tm 360 80 ln 280 360 280360 ln 360 280360 Ktm7 57 320360 280360 ln 320360 280360 代入 C 式得 7 57 80 280 360 80 ln 280 t t t 386 1 7 57 80 360 80 ln t 解出 t 340K 31 水以 2m s 的速度在直径25mm 长 2 5m 的管内流过 若管壁温度为320K 水的进 出口温 度分别为 293K 及 295K 求传热总系数K 解 水的体积流量为 smudV 1082 92025 0 44 3422 水的传热量为 kW21 8 293295 18 410001082 9twcQ 4 p 2 196 05 2025 0mdLA K27293320t1 K25295320t2 2 25 27 t t 2 1 K26 2527 2 1 tt 2 1 tm 21 61 1 26196 0 21 8 tmA Q 2 KmkWK 32 换热器由 n 根长为 3m 的 25 2 5 的钢管组成 要求将流量为 1 25kg s 的苯从 350K冷凝 到 300K 290K 的水在在管内与苯逆流流动 已知水侧和苯侧的传热分系数分别为 0 85 和 1 70kW m 2 K 污垢热阻可忽略 若维持水出口温度不超过 320K 试求所需的管数 n 取苯的 比热为 1 9 kJ kg K 管壁的导热系数为 45W m K 解 管数 n 可由传热面积 A 计算 而 A 又需由传热速率方程求 kWTTwctKAQ pm 8 118 300350 109 125 1 3 21 基于管外表面积的传热总系数为 472 0 12 2 70 1 1 0225 0045 0 025 00025 0 020 085 0 025 0 1 K 1 2 2 2 11 2 KmkWK Am bA A A Ktm2 18 290300 320350 ln 290300 320350 2 3 3 8 13 2 1810472 0 108 118 m tK Q A m 根59 3025 0 8 13 dL A n dLnA 33 350K的有机物蒸气在 19 2的管束外冷凝 管内通水 其流速为 0 6m s 流量为 5kg s 进口温度为 290K 若蒸气侧和水侧的传热分系数分别为1 7 和 3 2 kW m 2 K 每管需冷凝的 有机物蒸气量为 0 025 kg s 求水的出口温度及基于管外经所需的管长 已知有机蒸气的冷凝潜热为 330kJ kg 水的比热为 4 18 kJ kg K 污垢及管壁热阻可 忽略 解 先求管束的管数 n 水的体积流量 V 为 sm W V 005 0 1000 5 3 所需流道截面积 S 为 2 0083 0 6 0 005 0 m u v s 则管束的管数为 根47 015 0 4 0083 0 4 22 d s n 总传热量为 kWnwrQ75 38710330025 047 3 由热量衡算可求水出口温度 t Kt t ttcwQ pcc 6 308 290 1018 451075 387 33 1 Ktm1 50 6 308350 290350 ln 6 308350 290350 11 1 2 3 1 7 1 1 1 11 1 K 2 21 KmkW 2 3 3 97 6 1 501011 1 1075 387 m tK Q A m m dn A L5 2 019 047 97 6 34 在逆流操作的冷凝器中 用 15 的水使绝对压强为 11 9 个大气压 温度为 95 的过热氨 气冷却并冷凝 氨气的流量为200kg h 液氨在30 的冷凝温度下排出 若水出口温度为26 6 不计热损失 试求冷却水用量及两流体间的平均温度差 已知 该条件下氨气的平均比热为 2 77 kJ kg K 氨气的冷凝潜热为 1144 kJ kg 解 可分为冷却和冷凝两段计算 在冷却段 氨气由 95 降温至 30 过热氨气放热量为 Q1 WttwcQ p 10000 3095 1077 2 3600 200 3 121 在冷凝段 氨气在 30 液化 其放热量为 Q2 WwrQ63556101144 3600 200 3 2 水吸收热量为 Q Q1 Q2 73556W 故冷却水用量 wc为 skg tc Q w pc c 52 1 156 26 1018 4 73556 3 两流体间的平均温度差也需分段计算 在冷却段 冷却水升温为t C cw Q t o pcc 6 1 1018 452 1 10000 3 1 故在冷却段和冷凝段交界处水的温度为 26 6 1 6 25C o 冷却段的传热平均温度差为 Ct o m 3 24 2530 6 2695 ln 2530 6 2695 冷凝段的传热平均温度差为 Ct o m 1 9 2530 1530 ln 2530 1530 35 在一米长的冷却器内用水并流冷却热油 水的进 出口温度分别为 285K 及 310K 油的进 出口温度分别为 420K 及 370K 若加长冷却器使出口油温下降 20K 问冷却器的长度应为多少 设油和水的流量 进口温度及冷却器的其他尺寸保持不变 解 先求未加长的情况 由热量衡算 5 0 370420 285310 T t cw cw tcwTcw pcc phh pccphh 并流时 Ktm5 92 310370 285420 ln 310370 285420 冷却器长 1m 故传热面积为 dndndLnA 1 85 1 50 5 92 T t dKn cw KA cw tKATcw m phhphh mphh 冷却器加长后 油出口温度降为 350K 由于传热面积增加 故冷却水出口温度增加 设水 的出口温度为 t1 Kt T cw cw tt tcwTcw pcc phh pccphh 320 350420 5 0 285 Ktm8 69 320350 285420 ln 320350 285420 设冷却器长度为 Lm 则 m tdKn Tcw L tdLKnTcw m phh mphh 86 1 8 69 350420 85 1 第一部分 概念题示例与分析 一 思考题 3 1 有人说 算术平均温差是近似的 对数平均温差才是准确的 这种说法对吗 答 不对 算术平均温差当然是近似的 对数平均温差似乎比前者更接近实际 但并非完全准确 因为在 其推导过程中已经做了几点假设 1 各点的 K 值一致 2 冷 热流体的比热容 C c p C h p 皆取平均温度下的平均值 且看作是不变的常委数 3 没有热损失等 由于 K C c p C h p 都 是取的平均值 当然经这样的推导而得到的对数平均温差 m t 也是近似的 所以通常规定当 2 2 1 t t 时 可用算术平均温差代替对数平均温差 即 2 21 tt m t 这完全可以满足工程计算 的要求 如果片面地认为只有对数平均温差可靠 舍简求繁 不仅没有必要 也没有道理 3 2 保温瓶在设计和使用过程中采取了哪些防止热损失的措施 答 首先 保温瓶瓶胆设计成玻璃夹层结构 夹层因空气被抽出接近真空 可防止对流散 热损失 其次 瓶胆夹层内两表面均镀有银 铝等低黑度涂层 增加了辐射传热热阻大幅度降 低了辐射散热量 举例说 如夹层内壁温度为98 C 外壁温度为 28 C 黑度为 0 95 的玻璃表 面镀上黑度为 0 02 的银层后 其辐射散热量可由原来的 550 2 m W 降至 6 15 2 m W 第三 在使用 保温瓶时 瓶盖选用导热系数很小的软木制作 而且在灌水时还要在瓶颈处留出一段空气的导 热系数比水在小得多 从而有效地降低了瓶口的导热热损失 3 计算蒸气在水平管外冷凝的凯恩 Kern 公式为 a0 725 td rg 0 23 试定性 说明各种因素对冷凝给热系数 a 的影响 答 应当指出 冷凝给热的热阻是凝液造成的 因此式中各物性常数都是凝液的物性 而非蒸气的物性 当 大时 液膜导热性能良好 a自然就大 大 液膜容易从壁面上往下滑 同样使 a增大 潜热 r 大 a也大 相反 若蒸气温度和壁温之间的温差t 大 则意味着单位时间内凝液量增 多 凝液膜增厚 这反而不利于传热 因此 a会变小 当粘度 增大时 因流动阻力增大 液 膜增厚 a 必然减小 至于水平管的直径 d 0 大了 会使管子下部液膜加厚 同样不利于传热 a 也要变小 将上面定性分析结果与凯恩公式对照后可以发现 二者是完全一致的 换热器的热负荷与传热速率有何不同 答 冷 热流体在单位时间内在换器中所交换的热量 称为换热器的热负荷 它是针对换 热任务的需要提出的 是生产上要求换热器应具有的换热能力 热负荷可根据生产中物流量 进出口温度及状态变化求化求出 而传热速率则是指换热器本身在一定操作条件下所具有的传递热量的能力 是换热器本身 的特性 二者是不相同的 容易混淆的是 实际生产中设计或标定换热器时 常把传热速率与热负荷视为相等 一般 都是通过热负荷的计算 求得换热器应具有的传热速率 再依据传热基本方程求出所需换热器 的传热面积 尽管二者在数值上常视为相等 但就其本质讲 含义是完全不同的 3 5 试分析总传热速率方程与牛顿冷却定律 傅立叶定律之间的关系 答 总传热速率方程Q KA m t 又称传热基本方 程 它着眼于冷热流体通过间壁的传热 即包括 a1 a2 T Tw tw t 对流 导热 对流这样一个联合传热过程 其中 K 称为总传热系数 如图 3 1 总热阻等于两个对流传热阻加上平 壁导热热阻 即 111 21 b K 设冷 热流体的平均温度分别为 T 与 t 冷 热壁面的温度分别为 W T和 W t 总的传热推动力即为冷 热流体的平均温差 即tTtm 1 若仅考虑流体和壁面间的对流传热 例如热流体和热壁面间的对流传热 即忽略导热 热阻和另一侧的对流热阻以及温差的变化 则 Wm TTt 1 11 K K 1 总传热速率方程变为 Q 1 A T W T 若仅考虑冷流体和冷壁面间的对流传热 总传热速率方程则变为 2 ttAQ W 此乃牛顿冷却定律 2 若仅考虑壁面的导热 WWm tTt b K 1 则总传热速率方程变为 W TA b Q w t 此即傅立叶定律 由此可见 牛顿冷却定律 傅立叶定理不过是总传热率方程的特殊形式 换言之 总传热速率方程包括了对流 导热这两种基本传热形式 3 6 何谓换热器的控制热阻 答 换热器的总热阻 1 K主要取决于冷 热流体的对流传热热阻 当然也和管壁的热阻及污垢热 阻有关 即 b K i 0 111 若忽略管壁及污垢热阻 则有 0 111 i K 如果 i 和 0 相接近 也就是两种流体的传热阻力差不多时 在谋求强化传热过程中 一般 要考虑把 i 0 都增大 但往往有这种情况 两者的 值相差很大 例如 i 0 则 0 11 i 这时 0 11 K K 0 即总传热系数 K 值接近对流传热系数小的一侧流体的 值 在本例条件下总热阻完全被 管外的对流传热热阻所控制 1 0 被称为控制热阻 控制热阻的概念对强化传热研究是非常重要的 它可以使我们在寻求强化的过程中紧紧抓 住主要矛盾 提醒我们为了增大换热器的总传热系数 减少热阻 关键在于增大控制热阻一侧 Q b 的 3 7 用火炉烧开水 壶底的温度是接近火焰的温度还是接近水的温度 答 为了抓住问题 的实质 暂不考虑壶底金属材料的热阻和污垢热阻 即将壶底内 外表面的温度统一用 tw 来 表示 设 ti to 分别代表水和火焰的温度 由牛顿冷却定律 00wiwi tttt A Q 由于水的对流传热系数 i 远大于空气的对流传热系数 0 即 i 0 由上式可知 0iww tttt 即火焰和壶底的温度差远大于壶底和水的温度差 也就是说 iw tt 的数值很小 iw tt 由此可以得出结论 壶底的温度接近水的温度 推广开来 当两种流体通过壁面换热时 若对 流传热系数相差较大 也可以说对流传热热阻相差较大时 壁温总是接近 大 即对流热阻 小 的那一侧流体的温度 两流体的 值相差愈大 壁温愈接近 大的那一侧流体的温度 这就是为什么在加热炉中 虽然火焰的温度高于炉管材料的溶点 但由于管内有油品流动 管 壁接近油品温度 炉管不会烧穿的原因 3 8 使用对流传热系数关联式计算 时为什么要特别注意使用条件 答 大家知道 不同流体在不同条件下的物性及流动状况千差万别 要找到一能慨括所有 流体各种流体状态的 经验式是不可能的 现在我们见到的所有的 经验式都是针对一定的 物系 在一定的操作条件下经反复实验归纳出来的 在使用时必须严格对照公式条件 比如定 性温度 由于其影响物性数值 即使在同样的实验条件下 也会因其不同而改变 再如特 征尺寸 即对流体流动和传热造成主要影响的尺寸 也是实验中已经确定了的 还有实验范围 即 Re Pr的范围等 如果把某一公式随意用于限定的范围之外 或者没有依据公式的要求选取 定性温度和特征尺寸 计算结果就会和实际情况大相径庭 例如 流量为 8 32kg s 20 的苯在内管内径为 20mm 的套管换热器中被加热到 80 在求 苯对管壁的对流传热系数时 如果严格按照流体在圆形直管内强制湍流时 a 的计算式 a 0 023 4 0 8 0 Re r p d 计算结果为 a 1270W 2 m 如果其他条件都已满足 只是在 选取定性温度时没有按公式的使用条件选取苯进 出口时的温度 50 而是取了苯出口时的 温度 80 作为确定物性的温度 此时的计算结果为 a 96W 2 m 相对误差为 24 这就是提醒我们 在使用各种试验式时 一定要注意原公式的使用条件 已确保计算的准确性 3 9 室内暖气片为什么只把外表面制成翅片状 答 室内暖气片内部的热流体 水或水蒸气 与片外的冷流体 空气 之间的热递属对 流 传导 对流过程 因为暖气片外壁与空气的对流传热系数远小于片内水或水蒸气与内壁的 对流传热系数 即片外对流传热热阻为控制热阻 要增大冷 热介质的换热速率 改变片外的 对流传热状况即减小控制热阻至关重要 暖气的外表面制成翅片状后 明显地增大了外表面的 传热面积 使总传热系数 按光管传热面积计 较原来增大几倍 加之安装翅片后 加剧了空 气的湍动程度 破坏了滞流内层 亦可使总传热系数增大 至于水或蒸汽侧由于不是控制热阻 改善其传热状况对整个冷 热流体的换热影响甚微 这就是室内暖气片只外表面制成翅片状的 道理 3 10 工业上常使用饱和蒸汽做为加热介质而不用过热蒸汽 为什么 答 使用饱和蒸汽做为加热介质的方法在工业上已得到广泛的应用 这是因为饱和蒸汽 与低于其温度的壁面接触后 冷凝为液体 释放出大量的潜在热量 虽然蒸汽凝结后生成的凝 液覆盖着壁面 使后续蒸汽放出的潜热只能通过先前形成的液膜传到壁面 但因气相不存在热 阻 冷凝传热的全部热阻只集中在液膜 由于冷凝给热系数很大 加上其温度恒定的特点 所 以在工业上得到日益广泛的应用 如要加热介质是过热蒸汽 特别是壁温高于蒸汽相应的饱和温度时 壁面上就不会发生 冷凝现象 蒸汽和壁面之间发生的只是通常的对流传热 此时 热阻将集中在靠近壁面的滞流 内层中 而蒸气的导热系数又很小 故过热蒸汽的对流传热系数远小于蒸汽的冷凝给热系数 这就大大限制了过热蒸汽的工业应用 3 11 为了节省冷却介质的用量 在设计换热器的过程中 应尽量提高冷却介质的出口温 度 这种说法是否正确 答 不正确 冷却介质的出口温度越高 其用量越小 回收热能的品位也越高 动力消耗也随之减小 但出口温度升高的结果 导致传热推动力即对数平均温差降低 所需传热面积增大 设备费用 增大 因此必须从综合角度考虑 全面加以权衡 确定一个适宜的出口温度 对于常用的冷却介质工业水 出口温度不宜过高 还因为工业水中含有许多盐类 如 CaCO3 MgCO3 CaS04 MgSO4等 若出口温度过高 上述盐类就会因溶解度减小而析出 附在器壁表面 上形成热阻很大的垢层 使传热过程恶化 尽管可以采取在冷却水中添加阻垢剂等化学方法 但至少从目前看 效果很有限 所以无节制了提高冷却介质出口温度的方法是行不通的 设计 时常取冷却水进 出口的温度差为 5 10 3 12 螺旋扁管换热器强化传热的道理何在 答 螺旋扁管换热器是近期开发出来的一种新型高效传热设备 其制造过程是先将圆管压扁 然后扭曲成螺旋状 穿管时按同一方布置形成管束 管束无支撑件 只是依靠螺旋扁管外缘外 螺旋线的接触点相互支撑 在管程 流体的螺旋流动提高了其湍流程度 减薄了作为传热主要 热阻的滞流内层的厚度 使管内传热得以强化 在壳程 因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状 流体在其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向 从而加强了流体的纵向混合 加之流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流 增强了流体自身的湍流程度 破坏了流体在管壁上的传热边界层 因而使得壳程的传热也得以强化 管内 管外传热同时强 化的结果 使其传热效果较普通管壳式换热器有大幅度提高 特别对流体粘度大 一侧或两侧 呈滞流流动的换热过程 其效果尤为突出 二 填空题 3 13 对流传热总是概括地着眼于壁面和流体主体之间的热传递 也就是将边界层的 和边界层外的 合并考虑 并命名为给热 答案 热传导 对流传热 3 14 给热是以 和 的差作为传热推动力来考虑问题的 答案 流体的平均温度 壁面温度 3 15 流体在垂直管内自上而下流动同时被加热时 其对流传热系数比用普通准数关联式计 算的结果要 答案 大 分析 流体被加热时 自然对流的方向是自下而上 恰与流体流动的方向相反 引起湍动加剧 3 16 金属的导热系数大都随其纯度的增加而 随其温度的升高而 答案 增大 减小 3 17 在工程计算中 对两侧温度分别为 t1 t2 的固体 通常采用平均导热系数进行热传导 计算 平均导热系数的两种表示方法是 或 答案 2 21 2 21 tt 3 18 图 3 2 表示固定管板式换热器的两块管板 由图可知 此换热器为 管程 管程 流体的走向为 或 1 2 3 图 3 2 3 18 附图 答案 4 2 4 1 5 3 3 5 1 4 2 3 19 对流传热的热阻主要集中在 因此 是强化对流传热的重要途 径 答案 滞流内层 减薄湍流内层的厚度 3 20 在 p c这 4 个物性参数中 若 值大 对流传热系数 就增大 若 值大 对流传热系数 就减小 答案 p c 3 21 黑体的表面温度从 300 升至 600 其辐射能力增大到原来的 倍 答案 5 39 分析 斯蒂芬 波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与绝对温度的 4 次方成正比 而非摄氏 温度 即 4 273300 273600 5 39 3 22 流体在圆形直管内作强制湍流流动 若传热推动力增大 1 倍 则对流传热速率增大 倍 答案 1 3 23 由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温度差称为 这时单位时间 单位面积所传 递的热量称为 答案 临界温度差 临界热负荷 3 24 用 0 1Mpa的饱和水蒸气在套管换热器中加热空气 空气走管内 由 20 升至 60 则管内壁的温度约为 答案 100 3 25 处理量为 440kg h 的有机溶液在某换热器中预热 运转一周期后 该溶液在管内生 成积垢 使换热器总热阻增加了 10 若维持冷 热介质出口温度不变 则该溶剂的处理量变 为 答案 400kg h 分析 设 Q m tKA m tAKQ K K Q Q K K 1 1 1 1 1 2 3 4 5 故 Q 1 1 440 1 1 Q 400kg h 3 26 苯在内径为 20mm 的圆形直管中作湍流流动 对流传热系数为 1270W 2 m 如果流量和物性不变 改用内径为 30mm的圆管 其对流传热系数将变为 2 m 答案 612 分析 0 023 n r P d 8 0 Re 0 023 d n S d W d Pr 4 8 0 2 8 0 21 1 d 8 1 d 8 1 20 30 0 482 0 482 0 482 1270 612W 2 m 3 27 热油和水在一套管换热器中换热 水由 20 升至 75 若冷流体为最小值流体 传 热效率 0 65 则油的入口温度为 答案 104 分析 20 2075 1 T 0 65 1 T 104 3 28 在计算换热器的平均传热推动力时 若两端的推动力相差不大于 2 倍 则其算术平 均值与对数平均值相差不大于 答案 4 3 29 换热器在使用一段时间后 传热速率会下降很 多 这往往是由于 的缘故 答案 传热管表面有污垢积存 3 30 流 体 横 向 流 过 管 束 作 湍 流 流 动 时 在 管 外 加 有 折 流 板 的 情 况 下 14 0 3 155 0 36 0 W PRN reu 可见对流传热系数与当量直径的 成反比 答案 0 45 次方 3 31 工程上流体流经换热器的压降通常限定在 kPa 答案 10 13 101 3 3 32 对大空间的自然对流 通常取加热 或冷却 表面的 为特征尺寸 答案 垂直高度 3 33 用套管换热器加热内管的空气 蒸汽在管间冷凝 现欲通过实验方法测定蒸汽和空 气的给热系数 需用的主要仪器有 答案 热电偶温度计 水银温度计 流量计 3 34 柴 油 在 圆 形 直 管 内 作 强 制 滞 流 流 动 给 热 系 数 可 用 下 式 计 算 14 03 1 3 13 1 86 1 WL d PRN i reu 若流量和物性不变 将管内径减半后仍为滞 流 则管内对流传热系数变为原来的 倍 答案 2 分析 14 03 1 3 1 3 1 2 4 86 1 WL d P d W d d i r i S i 由 2 2 1 1 13 13 11 dd 故 2 三 判断题 3 35 液体在管内作强制湍流流动时 如果流动阻力允许 为提高对流传热系数 增大流 速的效果比减小管径更为显著 答案 分析 由湍流时 的计算公式 n r P du d 8 0 023 0 2 0 8 0 d u 可见 u 的影响比 d 要显著 3 36 传热单元数可以看作热流体的温度变化相当于平均温差的倍数 答案 分析 11 21 1 psm cW KA t TT NTU 3 37 在同一种流体中 不可能同时发生自然对流和强制对流 答案 3 38 传热效率随传热单元数的增加而增大 但最后趋于一定值 答案 分析 由NTU 图可以清楚地看到这一点 3 39 采用错流和折流可以提高换热器的传热效率 答案 知 分析 错流和折流 的 m t比纯逆流的小 而换热器的传热速力是正比于 m t的 所以采用错 流和折流并非为了提高传热速力 而是为了使换热器的结构紧凑 合理 对于同一种流体 有相变时的 a 值比无相变时要大 答案 分析 流体发生相变时 例如沸腾和冷凝过程中 流体与壁面的对流传热是完全是由流 体吸收或放出潜热所致 而不是加热或冷却的结果 此时的流动情况也不同于无相变时单相流 如存在气泡的扰动等 故有相变时的对流传热比无相变时要强烈得多 沸腾给热和冷凝给热同属于对流传热 因为二者都伴有流体的流动 答案 对流传热系数是物质的一种物理性质 答案 分析 对流传热系数不仅与物质的物性 如 P c 等 有关 而且与流动状态 例如 有关 所以 并非物质的物理属性 多层圆筒壁稳定导热时 通过各层的热通量相等 答案 分析 圆筒壁稳定导热时 通过各层的传热速率相同 但由于各层传热面积不同 故热通 量不同 扰流子虽然仅对管内传热采取了强化措施 但对整个传热过程均起显著的强化作 用 答案 分析 扰流子仅对管内为控制热阻的传热过程起显著的强化作用 一般来说 纯液体的导热系数比其溶液的导热系数小 答案 在冷却器中降低冷却水的温度或增大冷却水的用量均可使传热推动力增大 答案 3 4 7 角系数 表示从辐射面积 A所发射的能量为另一物体吸收的分数 答案 分析 当两壁的大小与其距离相比不够大时 一个壁面所发射的辐射能 可能只有一部分达 到另一壁面上 为考虑上述影响 引入角系数的概念 以表示从辐射面积 A 所发射的能量为另 一表面所拦截的分数 非吸收的分数 3 4 8 设置隔热挡板是减小辐射散热的有效办法 挡板材料的黑度愈低 热损失愈少 答案 3 4 9 物体的吸收率和黑度在数值上是相等的 答案 3 50 两固 灰 体净辐射传热的热流方向既与两者温度有关 又与其黑度有关 答案 分析 两固 灰 体的辐射传热尽管要历经反复的吸收和 反射过程 但是净辐射传热的方向只遵循由高温物体到低温物体这一规律 也就是说只与两者 温度有关 与黑度或其他因素无关 3 51 黑体 镜体和灰体都是理想化的物体 在自然界中并不存在 答案 3 52 辐射能力强的物体其吸收能力也强 答案 四 选择题 一 单项选择题 3 53 对下述几组换热介质 通常在列管式换热器中K值从大到小正确的排列顺序应是 A B C D 冷流体 热流体 水 气 体 水沸腾 水蒸气冷凝 水 水 水 轻油 答案 D 3 54 关于传热系数 K 下述说法中错误的是 A 传热过程中总传热系数 K 实际是个平均值 B 总传热系数 K 随着所取的传热面不同而异 C 总传热系数 K 可用来表示传热过程的强弱 与冷 热流体的物性无关 D 要提高 K 值 应从降低最大热阻着手 答案 C 3 55 为了在某固定空间造成充分的自然对流 有下面两种说法 加热器应置于该空间的上部 冷凝器应置于该空间的下部 正确的结论应该是 A 这两种说法都对 C 第一种说法对 第二种说法错 B 这两种说法都不对 D 第二种说法对 第一种说法错 答案 B 3 56 下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是 A C B D 空气流速为 30m S 时的 a 水的流速为 1 5m s 时的 a 蒸汽滴状冷凝时的 a 水沸腾时的 a 答案 C 3 57 传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时 影响传热过程的将是 A 管避热阻 B 污垢热阻 C 管内对流传热热阻 D 管外对流传热热阻 答案 B 3 58 在冷凝器中用水冷凝苯蒸汽 水走管程 其雷若数 4 102 1 e R 此时对流传热 系数为 若将水的流量减半 其对流传热系数 A 1 2 8 0 B A 即已有传热面积大于所需传热面积 所以此换热器合用 3 86 将流量为 2200kg h 的空气在蒸汽预热器内从 20 加热到 80 空气在管内作湍流 流动 116 的饱和蒸汽在管外冷凝 现因工况变动需将空气的流量增加 20 而空气的进 出 口温度不变 问采用什么方法才能完成新的生产任务 请作出定量计算 要求 换热器的根数 不作变化 分析 由传热基本方程 m tKAQ 着眼考虑 空气流量增加20 而进出口温度不变 即 Q 增加 20 因为蒸汽的冷凝系数远大于空气的对流传热系数 所以总传热系数 K 接近空气的对流 传热系数 空气流量增加后 总传热系数增大 但其增大的幅度不能满足热负荷增大的要求 故可以改变的只有 m t 及 A 解 空气蒸汽 又管壁较薄可忽略其热阻 空气 K CS2 水 冷 却 段 K2 4 08 0 2 4 08 0 4 023 0PrRe023 0 r P d Ws d dd 空气 在物性不变的前提下 8 1 8 0 1 d W C A 空气 a mm tdLntAKQ 由题意 n 为常数 将 a 式代入 8 0 8 0 2 d LtW CQ mA b a b 二式中 1 C 2 C均为比例系数 设 1 2 分别代表工况改变前后的情况 由 b 式 1 2 1 2 1 2 8 0 2 1 1 28 0 8 0 2 1 1 2 8 0 1 2 2 1 m m m m A A t t d d L L t t d d L L W W Q Q 已知 1 2 Q Q 1 2 b 比较 a b 二式得 将已知数据代入 增加冷凝量为 即蒸气冷凝量增加了 64 此例可以帮助我们加深对控制热阻的理解 由于原来的冷却水出口温度已经很低 冷却水流量加倍后 平均温差即传热推动力增加很 少 这可由2 t与 2 t的比较看出 但因蒸气冷凝给热系数远大于冷却水的对流传热系数 所以管 2 1 100 100 1 2 ln t t tt AK KtK tt t t m 2 1 100 100 12 ln2 0604 0 5 679092 3035 1483 100 30100 ln 2 t C1 342 t 64 1 3035 301 34 2 2 12 1 2 ttCW ttCW Q Q W W c pc c pc 内对流传热热阻就成为整个冷凝过程的控制热阻 冷却水流量加倍后 管内对流传热系数增大 到原来的74 1 2 8 0 倍 控制热阻相应降低 导致总传热系数几乎以与管内对流传热系数相同 的幅度增大 结果使冷凝液大量增加 由此可见 降低控制热阻 是增大传热速率的一个重要 途径 3 92 某废热锅炉由 25mm 2 5mm 的锅炉钢管组成 管外为水沸腾 绝对压强为 2 8Mpa 管内走合成转化气 温度由 550 降至 450 已知转化气一侧 2 1 250mW 水侧 2 0 10000mW 若忽略污垢热阻 求换热管的壁温 w T及 w t 解 方法一 1 先求总传热系数 以管子内表面为基准 2 平均温度差 2 8Mpa下水的饱和温度为 230 3 热通量 4 管壁温度 1 先着眼于管内的对流传热 由牛顿冷却定律 又 239 250 103 65 500 3 i i w q TT 00413 0 00008 00000495 0004 0 25 20 10000 1 25 20 45 0025 0 250 1 11 oo i m i ii d d d db K C 242 2 mWKi C270 2 230450 230550 m t 2 kW m3 65270242 mi i i tK A Q q 2 kW m3 52270 25 20 242 m o i imo o o t d d KtK A Q q wii TTq C500 2 450550 T 再眼于管外的对流传热 235 10000 103 52 230 3 0 0 q ttw 方法 1 先求传热过程的总热阻及分热阻 基于内表面 00008 00000495 0004 0 2510000 20 5 22 20 45 0025 0 250 1 11 00 321 d d d db RRR K R i m i i 0 00413 2 m W 2 再求管壁温度 在连续传热过程中 温降