化工原理-传热--习题

传热一、填空(1) 在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于 空气 侧的对流传热系数，而壁温接近于 饱和水蒸汽 侧流体的温度值。(2) 热传导的基本定律是 傅立叶定律 。间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻 大 （大、小）一侧的a值。间壁换热器管壁温度tW接近于a值 大 （大、小）一侧的流体温度。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小，则该壁面的热阻愈 大 （大、小），其两侧的温差愈 大 （大、小）。(3)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 。(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 滞离层内（或热边界层内） ，减少热阻的最有效措施是 提高流体湍动程度 。(5) 消除列管式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 或 U管式结构 ；翅片管换热器安装翅片的目的是 增加面积，增强流体的湍动程度以提高传热系数 。(6) 厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b1b2b3，导热系数l1l2 R2 R3，各层导热速率Q1 = Q2 = Q3。(7) 物体辐射能力的大小与 黑度 成正比，还与 温度的四次方 成正比。(8) 写出三种循环型蒸发器的名称 中央循环管式 、 悬筐式 、 外加热式 。(9) 在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括 自然对流 、 泡核沸腾 和 膜状沸腾 三个阶段。实际操作应控制在 泡核沸腾 。在这一阶段内，传热系数随着温度差的增加而 增加 。(10) 传热的基本方式有 传导 、 对流 和 辐射 三种。热传导的基本定律是_傅立叶定律_其表达式为_dQ= -_。(11) 水在管内作湍流流动，若使流速提高到原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 1.74 倍；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 3.48 倍。（设条件改变后仍在湍流范围）(12) 导热系数的单位为 W/（m） ，对流传热系数的单位为 W/（m2） ，总传热系数的单位为 W/（m2） 。二、选择1 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D耐火砖的黑度。A 大于 B 等于 C 不能确定 D 小于2 某一套管换热器，管间用饱和水蒸气加热管内空气（空气在管内作湍流流动），使空气温度由20升至80，现需空气流量增加为原来的2倍，若要保持空气进出口温度不变，则此时的传热温差应为原来的 A 倍。A 1.149 B 1.74 C 2 D 不定3 一定流量的液体在一f252.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数ai=1000W/m2；如流量与物性都不变，改用一f192mm的直管，则其a将变为 D 。A 1259 B 1496 C 1585 D 16784 对流传热系数关联式中普兰特准数是表示 C 的准数。A 对流传热 B 流动状态 C 物性影响 D 自然对流影响5 在蒸气空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的B在工程上可行。A 提高蒸气流速 B 提高空气流速 C 采用过热蒸气以提高蒸气温度 D 在蒸气一侧管壁加装翅片，增加冷凝面积6 在两灰体间进行辐射传热，两灰体的温度差为50，现因某种原因，两者的温度各升高100，则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比，应该B。A 减小 B 增大 C 不变三、简答 1热传递有哪几种基本方式？ 热传导、对流、辐射。 2各种传热方式相比较，热传导的主要特点是什么？ 在热传导中，物体各部分之间不发生相对位移。 3各种传热方式相比较，对流的主要特点是什么？ 对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。 4各种传热方式相比较，热辐射的主要特点是什么？ 热辐射不需要任何介质，可以在真空中传播。 5流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在何处？ 热阻主要集中在紧挨固体壁面处的层流底层内。 6强化对流传热的主要途径是什么？ 提高流体的湍动程度，减小层流底层的厚度。 7在一套管换热器中，若两流体的进、出口温度不变，应选择并流换热还是逆流换热？为什么？ 应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较大，可以节省换热面积。 8什么是黑体？ 吸收率等于1的物体称为黑体。 9什么是白体？ 反射率等于1的物体称为白体。 10什么是透热体？ 透过率等于1的物体称为透热体。 11什么是灰体？ 能以相同的吸收率且部分地吸收由零到所有波长范围的辐射能的物体称为灰体。 12什么是物体的黑度？ 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。 13在设计换热器时，如何安排不洁净和易结垢的流体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管内，因为管内清洗比较方便。 14在设计换热器时，如何安排腐蚀性流体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 15在设计换热器时，如何安排压强高的流体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。 16在设计换热器时，如何安排饱和蒸气的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管间，便于及时排出冷凝液。 17在设计换热器时，如何安排被冷却的流体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 18在设计换热器时，如何安排粘度大的液体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 19在设计换热器时，如何安排流量较小的流体的流径（管内或是管间）？简述理由。 走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 20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？ 壁温接近饱和蒸气的温度。 21在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，总传热系数接近哪一种流体的对流传热系数？ 总传热系数接近空气的对流传热系数。 22在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，如何确定两流体在换热器中的流径？为什么？ 空气走管内，饱和蒸气走管间，以便于冷凝液的排放。 23污油与汽油换热，如何安排两流体的流径? 为什么? 污油走管内，汽油走管间，便于清洗。 24为什么内部孔隙多的材料保温效果好? 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。 25一钢板的黑度为0.78, 其反射率为多少? 反射率为0.22。 26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? 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。 27在夏季人们为什么爱穿浅色衣服? 由于在阳光下浅色的衣服反射率较大，吸收的热量少，使人们不至于感觉太热。 28换热器的壳程为什么要安装挡板? 可以提高壳程流体的湍动程度，增强传热效果。 29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。此话对吗？为什么？ 不对，只有单原子气体和对称双原子气体是透热体，而空气中的二氧化碳和水蒸气都可以部分地吸收太阳发射的辐射能。 30间壁式换热器与混合式换热器的区别是什么？ 间壁式换热器是由固体壁面将冷、热两种流体分开，通过固体壁面传热，而混合式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。 四、计算1. 一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为3m，直径为f252mm。水以0.7m/s的流速在管内流过，并从17被加热到37。流量为1.25kg/s、温度为72烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。已测得：蒸气冷凝传热系数a0=800W/(m2)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，试核算：（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准）；（2）换热管的总根数；（3）换热器的管程数。计算时可忽略管壁热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/(kg)解： （1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准），S1；由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求S1，需先知道每程的管子数，每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。 两流体交换的热量为： 又 ， ，则 单管内水的流量为：每程所需管子数为：取每程管子数为20， 则每程所能提供的传热外表面积为： (2) 换热管的总根数；由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。 由题给数据， 则任务所需的传热外表面积为： 换热管总根数为： 取 (2) 换热器的管程数。由题意管程数为： 2 在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20和110。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45和40，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（a水a空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？解： 使用初期 使用一年后 110 40 110 45 20 38 20（1）空气出口温度题意可得：使用初期 （1） 使用一年后 （2）两式相比（2）/（1），得 则：=59.6（2）总传热系数 方程(2)式/(1)式，得： 故 （3）冷热流体的出口温度一年后 （3） （4）方程（4）式/（3），得： 整理前半式的方程 （5）又因 ， 故 由等比定理 则 整理得， （6）联立（5）和（6），可得： ， （4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？ 则 3 有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，T=100；冷方：为生垢液体升温，。(1) 在测试中，维持以上温度条件不变，发现蒸汽凝液流量，在清洗前后之比为1：2。 问：a 那些是控制热阻？管程宜走那一方流体？简述理由；b 清洗前，污垢热阻约为该时总热阻的多少分数？(2) 在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。 问：随着污垢的增加，调节饱和蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？简述理由（定性分析）。注：冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。解：(1) a 垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。管程宜走生垢液体，便于清洗，便于增大流速，可能减少垢层沉积在管子表面上，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗，且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。b 维持不变时： 清洗前传热量 （1） 清洗后传热量 （2）（1）式与（2）式比较得： 清洗前后总热阻的差值是污垢热阻 所以 %(2) 在操作中，调节生垢液体流量，企图减少垢层厚度来增加换热量，是不能满足的，因为生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所需要的热量相当，这时会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加，使其满足热负荷的要求。假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，（换热量再减少即不能操作），这时蒸汽的温度提高到160即可满足要求。假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，而传热系数下降一半，则推动力 增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷不变。4.有一换热器，管内通90的热流体，膜系数为1100，管外有某种液体沸腾，沸点为50，膜系数为5800。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005解：忽略管壁热阻，并假设壁温为（1） 当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得： 则 （2） 同理 则 由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。5. 流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由150降至80；壳程冷却用水，进口温度为15，出口温度为65，与气体作逆流流动，两者均处于湍流。已知气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数，管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kg，水的比热为4.17kJ/kg，不计温度变化对比热的影响，试求：（1）冷却水用量；（2）如冷却水进口温度上升为20，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？（3）此时的出口水温将为多少？（4）此时的冷却水用量为多少？解：（1）冷却水用量； （2）如冷却水进口温度上升为20，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？ 原情况 (1) 新情况 (2)因 ， ， 换热器与气体的情况未变， 则 ， 故 则 ， （2， 则用算术平均值合适）对新情况下的热量进行衡算，故 6.在套管换热器中用120的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为4000kg/h，比热容为1.9kJ/(kg)，温度从30升至60。蒸汽冷凝传热系数为1104W/(m2)，换热管内侧污垢热阻为4104m2/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为f542mm的钢管，有效长度为12m。试求：（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为2204kJ/kg）；（2）管内苯的对流传热系数ai；（3）当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？（4）若想维持苯的出口温度仍为60应采取哪些措施？作出定量计算。解：（1）饱和蒸汽流量； （2）管内苯的对流传热系数ai； 整理得 （1） （2） （3）苯的流量增加50%，苯的出口温度为若干 将其代入（2）式得 代入（1）式得 解得 （4）若想维持苯的出口温度仍为60应采取哪些措施？作出定量计算。（a） 将管子加长， 由（1）式得 （b） 提高加热蒸气压强（温度） 解得 7. 一废热锅炉，由f252锅炉钢管组成，管外为水沸腾，温度为227，管内走合成转化气，温度由575下降到472。已知转化气一侧ai=300W/m2K，水侧ao=10000W/m2K，钢的导热系数为45W/mK，若忽略污垢热阻，试求：(1)以内壁面为基准的总传热系数Ki;(2)单位面积上的热负荷q(W/m2);(3)管内壁温度TW及管外壁温度Ti;(4)试以计算结果说明为什么废热锅炉中转化气温度高达500左右仍可使用钢管做换热管。解：（1）Ki 所以 （2）q （3）管内壁温度TW 及 管外壁温度Ti 因为 由上述方程可解出 ， （4）由计算结果可知，钢管的内外壁温度接近水侧沸腾的温度，即接近于热阻小的一侧流体的温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500左右，而钢管的温度小于238，故仍可在此高温下使用钢管做换热管。8 水以一定流速在直管中作湍流流动，若管壁温度不变为350K，水的进出口温度分别为290K及295K，若水的流速增加一倍，则水的出口温度变为多大？解：求 =2， =？ 以知 ， ， ， 水湍流流动，需对水侧作热量恒算可求。一般情况，水的进出口温差小于10，那么温度对物性参数影响较小，因此可以认为水的物性参数保持不变。由题意知，流速改变前： （1） 流速改变后： （2） 流速改变前 流速改变后 350K 350K 350K 350K 290K 295K 290K 则 又 （3）因物性参数不变，则： （4）（1）/（2），并将各参数带入，可得： 9 现有一逆流冷却器，用冷水冷却油，使油温从420K降到370K，水进口温度为285K，出口温度为310K。设油和水的流率、进口温度保持不变，将冷却器长度增加一倍（其它尺寸不变），求油及水的出口温度。解： 420K 370K 310K 285K对体系进行热量恒算， 所以， （1） （2）冷却器长度增加一倍后， 420K T2 t2 285K假设： 则 所以， （3） （4）（1）=（3） 1.95= （5）（2）=（4） 3.9= （6）解（5）和（6）方程，得： T2 =341.74K t2 =324.13K 2， 则用算术平均值合适。10 .某工厂有一台列管式换热器，每小时将一定量的气体从80冷到60，冷却水温度由20升到30，气体在管内流过，冷却水在管外与气体成逆流。经核算，该换热器的传热系数，现生产需要气体出口温度更低，有人提出将一结构及大小与已用一台完全一样的换热器并联使用，气体量与原一台时相同，只是分成相等的两股送入，冷却水进出每个换热器的温度仍与原来的一样。试计算：（1）此时气体的出口温度为多少？（2）两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低的温度？设：气体处