化工原理--传热习题及答案.doc

传热习题及答案一、选择题：1、关于传热系数K下述说法中错误的是（ ）CA、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；2、在确定换热介质的流程时，通常走管程的有（ ），走壳程的有（ ）。、；、 、高压流体； 、蒸汽； 、易结垢的流体； 、腐蚀性流体； 、粘度大的流体； 、被冷却的流体；3、影响对流传热系数的因素有( )。A、B、C、D、EA、产生对流的原因；B、流体的流动状况；C、流体的物性；D、流体有无相变；E、壁面的几何因素；4、某套管换热器，管间用饱和水蒸气将湍流流动的空气加热至指定温度，若需进一步提高空气出口温度，拟将加热管管径增加一倍（管长、流动状态及其他条件均不变），你认为此措施是：AA、不可行的；B、可行的；C、可能行，也可能不行；D、视具体情况而定；解：原因是：流量不变 当管径增大时，a. ，b. d增大时，增大，综合以上结果，管径增加，下降根据对于该系统即 则本题在于灵活应用管内强制湍流表面传热系数经验关联式：，即物性一定时，。根据连续性方程，流量不变时，所以管径变化，管内流速也发生变化。管间用饱和水蒸气加热，热阻小，可以忽略不计，总热阻近似等于管内传热热阻，即5、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（ ）。DA、；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6、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（ ）。BA、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；7、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（ ）。CA、；B、； C、；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；8、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（ ）。BA、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；9、在冷凝器中用水冷凝苯蒸汽，水走管程，其雷诺数,此时对流传热系数为。若将水的流量减半，其对流传热系数（ ）。BA、(1/2)；B、(1/2)；C、=(1/2)； D、无法确认；分析：水的流量减半后，按流(公式计算，但本例中流型 已变成渡流，此时。又，10、关于辐射传热，下述几种说法中错误的是（ ）。AA、除真空和大多数固体外，热射线可完全透过；B、热辐射和光辐射的本质完全相同，不同的仅仅是波长的范围；C、热射线和可见光一样，都服从折射定律；D、物体的温度不变，其发射的辐射能也不变；11、关于下面两种说法的正确结论应是（ ）。C1）物体的相应位置确定后，系统的黑度只与表面黑度有关；2）通过改变表面黑度的方法不能强化或消减辐射过程。A、这两种说法都对； C、第一种说法对，第二种说法不对；B、 两种说法都不对； D、第二种说法对，第一种说法不对；12、冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为90C，出口温度为50C，冷水进口温度为15C，出口温度为53C，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性为相同，则热损失占传热量的（ ）。A A、5%； B、6%； C、7%； D、8%；解：由 ，得 13、某套管换热器由1084mm和552.5mm钢管组成，流体在环隙间流动，其当量直径为（ ）mm。答案：B A、53； B、45；C、50； D、58；14、有两台同样的管壳式换热器，拟作气体冷却器用。在气、液流量及进口温度一定时，为使气体温度降到最低应采用的流程为（ ）DA、 气体走管外，气体并联逆流操作；B、气体走管内，气体并联逆流操作C、气体走管内，串联逆流操作；D、气体走管外，串联逆流操作；15、对在蒸汽-空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中（）在工程上是可行的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；16、判断下面关于系统进行稳定传热时的说法哪一个是错误的，错误的是（ ）CA、 通过一定传热面的传热速率不随时间变化，为一定值；B、 系统中任一点的温度维持恒定；C、 总的传热速率等于通过垂直于热流方向的各层传热面的传热速率之和；D、 系统中任一传热面上的热通量在过程中不变；17、在常压水蒸气冷凝加热空气，空气平均温度为20，则壁温约为（ ）答案：BA、20； B、100； C、60； D、49.7。18、有一套管换热器，长10m，管间用饱和水蒸气作加热剂。一定流量下且做湍流流动的空气由内管流过，温度可升至指定温度。现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，要使空气出口温度仍保持原指定温度，则套管换热器的长度为原来的（ ）A、2倍； B、1.75倍 C、1.15倍； D、2.30倍； 答案：20、为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该是（）、表面光滑，颜色较浅；、表面粗糙，颜色较深；、表面粗糙，颜色较浅；、表面光滑，颜色较深；答案：21、有一套管换热器在内管中空气从20被加热到50，环隙内有119.6的水蒸气被冷凝，那么与壁温接近的温度为119.63577.322、在一管道外包有两层保温材料，内外层导热系数分别为1和2，为使保温效果好， 则1和2的关系应为 12 1=223、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 。管壁热阻； 污垢热阻；管内对流传热热阻； 管外对流传热热阻；24、对双层平壁的稳态导热过程，壁厚相同，各层的导热系数分别为和，其对应的温差分别为和，若 ，则和的关系为_。AA. 。 D. 不确定。25、蒸汽输送管外有两层保温层，为了使得保温效果更好，应将导热系数高的置于（ ）A、外层； B、内层； C、无关25、如图所示的双层平壁中，导热系数1，2为定值，假定过程为稳态，试分析图中三条温度分布曲线所对应的1和2的相对大小。答：由于过程是稳态的，因此在三种情况下，热流量分别为常数，即：所以对情形：；同理，对情形：；对情形：。26、已知圆筒壁(外半径为r)上两层保温材料的温度分布曲线如图示：A 层的导热系数 ( )B层的导热系数；应将( )放在内层保温效果好。(A、B 两层厚度相等)。答案：B；E A. 等于 B. 大于 C. 小于 D. A 层 E. B 层27、间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( ) 答案：A A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系28、翅片管换热器的翅片应安装在( )。答案：A A. 小的一侧 B. 大的一侧 C. 管内 D. 管外29、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( )。 答案：C A. R1(R2+R3) B. R1(R2+R3) C. R1=(R2+R3) D. 无法比较30、列管换热器管程常用流速范围为：一般液体( ),气体( )。答案：A、C A. 0.53m.s-1 B. 315m.s-1 C. 530m.s-131、在反应器的单根冷却蛇管内通冷却水，其进、出口温度分别为1、2，蛇管外有热流体稳定流过，借搅拌器作用，使热流体保持均匀温度T(T为热流体出口温度) ，如冷却蛇管长度增大一倍，其它条件不变，问出口水温2应( )。答案：A A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 不一定32、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 ( ) 答案：A （2）空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) 答案：A （3）壁温 A 增大B 略有减小 C 基本不变 ( ) 答案：B33、工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（ ）。答案：C 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。34、在平壁导热过程中qA（12），传热推动力是（ ）。答案：B A. ; B. 12; C. 35、有一列管换热器，用饱和水蒸汽（温度为120 ）将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20加热到80，该换热器的平均传热温度差为（ ）。答案：B A. -60/ln2.5; B. 60/ln2.5; C. 120/ln536、某水平管式换热器，管间为饱和水蒸气冷凝，若饱和蒸汽与壁温之差增加一倍时，冷凝传热速率将增加为原来的（ ）倍。答案：C A、 B、 C、 D、二、 填空题1、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2、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、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。4、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5、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；6、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7、在、 、 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：、；8、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=5.39。9、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：110、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11、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= =1.1故 Q=400kg/h12、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/（）。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 （）。答案：612分析： =0.023 =0.023 = =0.482 =0.482=0.4821270=612W/()13、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：=0.65 =10414、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%15、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16、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,。可见对流传热系数与当量直径的_成反比。答案：0.45次方17、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18、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19、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：。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：知 故20、传热效率随传热单元数的增加而 ，但最后趋于一定值。答案：增大现有两种材料，密度分别为0.4和0.9Kg/m3，用作保温材料应选择密度为0.4Kg/m3的材料，因为密度小其导热系数小。间壁两侧流体的对流传热中，总传热系数K总是接近该两侧对流传热系数小的值，而壁温总是接近热阻小的值。21、有一列管式蒸气加热器。热方：饱和蒸气冷凝为饱和液体；冷方：生垢液体升温。控制热阻为 生垢液体；管程宜走 生垢液体 ；其理由为 便于清洗，便于增大流速，减少垢层沉积在管壁表面上 ；22、为了减少保温瓶的热损失，在瓶胆的夹层中抽真空是为了减少（ ）形式的热损失；在瓶胆的夹层中镀水银是为了减少（ ）形式的热损失。答案：传导；辐射23、在大容器内饱和液体沸腾时，影响沸腾状态的主要因素是（）；工业生产中一般总是设法液体沸腾控制在（）状态下操作。答案：液体性质、温度差、操作压强；泡核状态24、当参加换热的两种流体，一侧的对流传热系数远大于另一侧。则在换热器的计算中总传热系数可近似取（ ）。答案：对流传热系数小侧的数值25、冷凝现象有（ ）冷凝和（ ）冷凝，工业冷凝器的设计都按（ 0冷凝设计、沸腾过程分为（ ）阶段；（ ）、（ ）和（ ）沸腾，工业上的沸腾装置一般是按（ ）沸腾设计的。答案：三个；自然对流；泡状沸腾；膜状沸腾；泡状沸腾26、有比重为0.5和0.3的两种玻璃棉保温材料，为减少热损失，应选用比重为（ ）的一种。答案：0.327、传热的基本方式有（ ）种，分别称为（ ）。答案：三种；传导、对流、辐射28、两流体通过换热器进行换热操作，已知热流体温度由80降至40，冷流体温度相应由20升至50，则此两流体的换热操作为 操作（请选择“逆流”或“并流”）该传热过程的对数平均温度差tm为 ；该换热器的效率为 。29、强化换热器中传热过程途径（1）增大单位体积传热面积：翅片、结构改变（2）增大平均温度差：逆流或多壳程（3）增大总传热系数：提高流速，增加扰动，短管等。三、计算题1、一单程列管换热器，传热面积为4m2，由252.5mm的管子组成。用初温为25的水将机油由200冷却至100，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1200Kg/h和1400Kg/h，其比热容分别为4.18KJ/（Kg）；和2.0 KJ/（Kg）；水侧和油侧的对流传热系数分别为1800W/（m2）和200W/（m2）。两流体呈逆流流动，忽略管壁和污垢热阻，忽略热损失。试校核该换热器是否合适？（10分）解：忽略热损失传热速率Q=Q热=Q冷=14002（200100）=280000KJ/h=77.78KW水出口温度t2 为 14002（200100）=12004.18（t225） t2=80.82 平均传热温度差 t1=200-80.82=119.18 t2=100-25=75 t1/t2=119.18/75=1.62 tm=119.18+75/2=97.09 传热系数K0=1/（d0/idi+1/0）=1/（25/180020+1/200）=175.61W/m2 传热面积A0=Q/ K0tm=77.78103/175.6197.09=4.56m2 A0A实际 故该换热器不合适2、单壳程单管程列管换热器，由多根=252.5mm的钢管组成管束，管程走某有机溶液，流速为0.5m/s,流量为15T/h，比热为1.76KJ/Kg.k, 密度为858 Kg/m3，温度由20加热至50，壳程为130的饱和水蒸汽冷凝，管程、壳程的传热膜系数分别为700W/ m2.K和10000 W/ m2.K，钢导热系数为45 W/ m.K，垢层热阻热损失忽略不计。求：1、以内表面为传热面的总传热系数；2、管子根数及管长。（12分）解：1、KI=1/1/10000+0.002525/4522.5+25/20700=513.5 W/ m2.K （2分）2、Q=150001.76（50-20）=792000KJ/h=220KW （2分） t1=130-20=110 t2=130-50=80 tm=（110+80）/2=95 A=Q/Ktm=220103/513.595=4.51m2 （2分）每根流量=0.53.140.022858/43600=484.94Kg/h （2分）管子根数n=15000/484.94=30.9根 取31根 （2分）每根管长L=4.51/3.140.02531=1.85m （2分） 4、用一套管换热器将2000kg/h的甲苯饱和蒸气（110oC）冷凝为饱和液体，甲苯的气化热为363KJ/kg。冷却水于16 oC及5000kg/h的流量进入套管内管（内径50mm）作强制湍流流动，其传热膜系数为1740w/(m 2 K)。水的比热可取为4.19KJ/(kg oC)，假设甲苯侧热阻和管壁热阻远小于水侧热阻。（1）求冷却水的出口温度及套管管长。（2）由于气候变化，冷却水的进口温度升高到25 oC，试计算换热器的热负荷变化（以%表示）。忽略物性参数的变化。（3）冷却水温度升高后，有人建议将冷却水流率加倍，问此时的热负荷、冷却水出口温度与未升高时相比如何，计算出热负荷增加或减少的百分数。解3：（1）Q=Gr = WCp(t2-t1)t2=Gr/WCp+ t1=20003631000/(50004.191000)+16=50.65oCK=ai=1740w/(m 2 K)Q=Gr=20003631000/3600=2.01105wDt1=110-16=94 oC Dt2=110-50.65=59.35 oC Dt1/Dt22Dtm=(Dt1+Dt2)/2=(94+59.35)/2=76.8 oCQ=KADtm = aipdLDtm L=2.01105/(1740p0.0576.8)=9.6m(2) A=pdL=p0.059.6=1.5m2Q= WCp(t2-t1)= KADtm =KA(T- t1)+ (T- t2)/250004.191000/3600(t2-25)=17401.52110-25- t2/2t2=56.1 验算：Dt1=110-25=85 oC Dt2=110-56.1=53.9 oC Dt1/Dt22故温升后热负荷：Q= WCp(t2-t1)= 50004.191000/3600(56.1-25)=1.81105w（Q-Q）/Q=(2.01105-1.81105)/2.01105=9.9%热负荷减少了9.9%.(3) ai/ai=(W/W)0.8=20.8=1.74ai=1.741740=3027.6 w/(m 2 K) K=ai=3027.6 w/(m 2 K)第三问的答案应为：Q= KADtm=2 WCp(t2-25)其中：根据给出数据算得：t2-=52.8所以Q= KADtm =3027.61.571.1=3.23105wWCp(t2-t1)= WCp(t2-t1) 2 WCp(t2-25) =WCp(50.65-16)t2=42.3oC Dt1=110-25=85 oC Dt2=110-42.3=67.7 oC Dt1/Dt2，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。6、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tm及A。 解： ，又管壁较薄可忽略其热阻 在物性不变的前提下 (a) 由题意，n为常数（a）式代入： （b） （a）、（b）二式中、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： 已知：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，这可由与的比较看出。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。7、在列管换热器中用蒸汽加热空气，蒸汽走完程，空气走管程且作湍流流动，若其它条件不变，仅将：(1)空气的压强加倍；(2)传热管的数目加倍试估算/tm将如何变化？解：（1） a蒸汽a空气 K a空气由 Q =KAtm得 Q/ Re=由上可知，当压强加倍后，管内空气的r，u将有所改变，具体说r增大 u减少，但质量流速G = u r不变。即Re=m不变。又 Rr= 不变 a不变 Q/tm亦不变化（2）传热管数目加倍。传热管数目加倍，则传热面积A加倍；但流通面积增大1倍后，流速相应减少1倍，管内对流传热系数减至原来倍。 8、平均温度为270的机油从一108mm6mm的钢管中流过。已知油对管壁的对流传热系数为340W/(m2)，大气温度为12。试求：(1)每米管长的热损失；(2)若管外包以导热系数为0.045W/(m)，厚度为20mm的玻璃棉作保护层，此时的热损失又为多少？ 假设管壁及污垢热阻可以忽略不计，外壁对空气的对流辐射联合传热系数可用aT=8+0.05tW来计算。其中tW表示壁温，；T的单位为W/(m2)。 解：（1）设油和空气的温度分别为t1、t2。 从热油和空气的传热来看 Q=KA(t1-t2) 欲求Q必先知K，而K又与T有关。由T的计算式可以看出，求解tW是关键。但从外壁对周围环境的联合传热方程QT=TA(tW-t)分析，要想求得tW又须知QT。如此应采取试差法求解。 设未保温时管外壁温度为265则 T=8+0.05265=21.3 W/(m2) 每米钢管的外表面积 A=dL=3.140.1081=0.339m2 散热量 QT=TA(tW-t) =21.30.339(265-12)=1827W 校核壁温由 Q=KA(t1-t2)其中: =0.0499（m2）/W K=20W/(m2)又 Q=200.339(270-12)=1753W 稳定传热时，QT应等于Q；现QTQ，说明假设的壁温偏高。 重设tW=250 T=8+0.05250=20.5W/(m2K) QT=20.500.339(250-12)=1654W 校核壁温 =0.0517(m2)/W K=19.3W/(m2K) Q19.30.339(250-12)=1688W QTQ,说明所设壁温合理。 故每米钢管的损失约为=1671W。 (2)设保温后外壁温度为50 T=8+0.0550=10.5W/(m2) 此时每米管长的外表面积 AT=(0.108+0.04)1=0.465m2 散热量 QT=10.50.465(50-12)=186W 校核壁温 由于增加了保温层的热阻