化工原理第3章_习题课和要求和思考题(学生)

第三章 传热 基本要求1. 掌握的内容： （1）热传导基本原理，一维定常傅里叶定律及其应用，平壁及园筒壁一维定常热传导计算及分析；（2）对流传热基本原理，牛顿冷却定律，影响对流传热的主要因；。（3）无相变管内强制对流传热系数关联式及其应用，Nu、Re、Pr、Gr等准数的物理意义及计算，正确选用对流传热系数计算式，注意其用法、使用条件；（4）传热计算：传热速率方程与热负荷计算，平均传热温差计算，总传热系数计算及分析，污垢热阻及壁温计算，传热面积计算，加热与冷却程度计算，强化传热途径。2. 熟悉的内容： （1）对流传热系数经验式建立的一般方法；（2）蒸汽冷凝、液体沸腾对流传热系数计算；（3）热辐射基本概念及两灰体间辐射传热计算；（4）列管式换热器结构特点及选型计算。3. 了解的内容： （1）加热剂、冷却剂的种类及选用；（2）各种常用换热器的结构特点及应用；（3）高温设备热损失计算。思考题1传热速率方程有哪几种？各有什么特点？分别写出它们的表达式并指出相应的推动力和热阻。2何谓热负荷与传热速率？热量衡算式与速率方程式的差别是什么？3如图所示为冷热流体通过两层厚度相等的串联平壁进行传热时的温度分布曲线，问：（1）两平壁的导热系数l1与l2哪个大？（2）间壁两侧的传热膜a1与a2哪个大？（3）若将间壁改为单层薄金属壁，平均壁温接近哪一侧流体的温度？4试分别用傅立叶定律、牛顿冷却定律说明导热系数及对流传热系数的物理意义，它们分别与哪些因素有关？5在什么情况下，管道外壁设置保温层反而增大热损失？6在包有内外两层相同厚度保温材料的圆形管道上，导热系数小的材料应包在哪一层，为什么？7某人将一盘热水和一盘冷水同时放入冰箱，发现热水比冷水冷却速度快，如何解释这一现象？8试述流动状态对对流传热的影响？9分别说明强制对流和自然对流的成因，其强度用什么准数决定？10层流及湍流流动时热量如何由管壁传向流体，试分别说明其热量传递机理。11某流体在圆管内呈湍流流动时，若管径减小至原管径的1/2，而流量保持不变，忽略出口温度变化对物性的影响，问管内对流传热系数如何变化？12水在管内作湍流流动时，若流速提高为原流速的2倍，则对流传热系数如何变化（忽略出口温度变化对物性的影响）；若以空气代替水，其他条件不变，则对流传热系数是增大还是减小？13一根很长的水平光滑管用来加热流经管内湍流流动的流体，管壁维持恒温，若流量增加至使单位长度管压降增加1倍，则对流传热系数将增加多少？14若传热推动力增加1倍，试求在下述流动条件下传热速率增加多少倍？（1）圆形管内强制湍流；（2）大容器内自然对流；（3）大容器内饱和沸腾；（4）蒸汽膜状冷凝。15为什么滴状冷凝的对流传热系数要比膜状冷凝的对流传热系数高？16膜状冷凝时雷诺数如何定义？17气体与固体壁面之间、液体与固体壁面之间、有相变流体与固体壁面之间的对流传热系数的数量级分别为多大？18热辐射与其他形式的电磁辐射有什么不同？19何谓黑体、灰体、镜体、透热体？20如图所示，管道内有一温度计套管，内插温度计测量管内流动的高温气体的温度，试问：（1）温度计所示温度与流体实际温度相同吗？哪个大？（2）为减少测量误差可采取哪些措施？21设备保温层外常包有一层薄金属皮，为减少热辐射损失，此层金属皮的黑度值是大好还是小好？其黑度值与材料的颜色、光洁度的关系又是如何？22物体的吸收率与辐射能力之间存在什么关系？黑度与吸收率之间有何联系？23有两台同样的管壳式换热器，拟做气体冷却用，在气液流量及进口温度一定时，为使气体温度降至最低，如何安排流程？24有一管式换热器，管程走液体，壳程走蒸汽，由于液体入口温度下降，在液体流量不变的情况下，仍要达到原来的出口温度，可采取什么措施？25有一间壁式换热器，管内空气被加热，管间为饱和水蒸汽，总传热系数K接近于哪一侧的对流传热系数？壁温接近于哪一侧流体的温度？26有一套管换热器，用饱和水蒸汽将在管内做湍流流动的空气加热，若总传热系数K近似等于空气的对流传热系数，今空气流量增加1倍，而空气进出口温度及饱和水蒸汽温度仍不变，问该换热器长度应增为原长的多少倍？27有一套管换热器，用饱和水蒸汽加热管内的空气，如要测总传热系数K，需要测定哪些参数？若要测得饱和水蒸汽一侧的对流传热系数，还需要补测哪些参数？28有一套管换热器，管内流体的对流传热系数为管间流体的1/4，已知两种流体均为湍流流动，试问：（1）管内流速增加1倍；（2）管间流速增加1倍，总传热系数各增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可不计）29列管换热器在什么情况下要考虑热补偿，热补偿的形式有哪些？30为提高列管式换热器的总传热系数K，在结构上可采取哪些措施？31如图所示为一釜式设备，夹套内通蒸汽加热釜内液体，试问：（1）为提高总传热系数K，可采取什么措施；（2）标出加热蒸汽的进出口；（3）若传热面积不够，可采取什么措施？（4）操作后期，夹套内通冷却水冷却釜内液体，标出水的进出口。32从强化传热过程角度来比较列管式换热器与板式换热器、螺旋板式换热器的优缺点。学习指导书：（1）重点例题：例3-3、6、7、8、10、11、12、13、16（2）填空题：重点掌握内容，必须会分析；（3）选做题：见后面习题课内容：习题指导书：p105 339、41、42、43、44、453-39 116的饱和水蒸汽在一单管程列管式换热器的壳程冷凝，一定流量的空气在管程湍流流动，其温度由20升至80。设总传热系数近似等于空气对流传热系数。（1）操作中若空气流量增加20%，为保持空气出口温度不变，问加热蒸汽温度应提高至多少度？（2）若采用一双管程的换热器，其换热管管径和总管数与原换热器相同，则为完成相同的换热任务，所需要换热管长度为原换热器的多少倍？忽略气体温度变化对其物性的影响。3-41 有一蒸汽冷凝器，蒸汽在其壳程中冷凝传热系数为10000W/m2K，冷却水在其管程中的对流传热系数为1000W/m2K。已测得冷却水进、出口温度分别为t1=30、t2=35。现将冷却水流量增加一倍，问蒸汽冷凝量将增加多少？已知蒸汽在饱和温度100下冷凝，且水在管程中流动均达到湍流。（忽略污垢热阻和管壁热阻）3-42 用套管换热器每小时冷凝甲苯蒸汽1000kg，冷凝温度为110，冷凝潜热为363 kJ/kg，冷凝传热系数。换热器的内管尺寸为，外管尺寸为，有效长度为5m。冷却水初温为16，以3000kg/h的流量进入内管，其比热为4.174kJ/kg，粘度为1.11cP，密度为995kg/m3。忽略管壁热阻、污垢热阻及热损失。求：（1）冷却水出口温度；（2）管内水的对流传热系数；（3）若将内管改为的钢管，长度不变，冷却水的流量及进口温度不变，问蒸汽冷凝量变为原来的多少倍？3-43一单壳程双管程列管式换热器中，用130的饱和水蒸汽将36000kg/h的乙醇水溶液从25加热到80。列管换热器由90根，长3m的钢管管束组成，乙醇水溶液走管程，饱和水蒸汽走壳程。已知钢的导热系数为45W/mK，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kg/m3，粘度为1.210-3Pas，比热为4.02kJ/kgK，导热系数为0.42W/mK，水蒸汽的冷凝传热系数为10000W/m2K，忽略污垢热阻及热损失。试问：（1）此换热器能否完成任务？（2）若乙醇水溶液流量增加20%，而溶液进口温度、饱和水蒸汽压力不变的条件下，仍用原换热器，乙醇水溶液的出口温度变为多少？（乙醇水溶液的物性可视为不变）3-44 两台完全相同的单管程列管式换热器，用水蒸汽在壳程冷凝以加热管程内的空气。若加热蒸汽压力相同，空气进、出口温度t1和t2也分别相同，问（1）将两台换热器串联操作及并联操作（见本题附图），哪种方案生产能力大，相差多少倍？（并联时空气均匀分配于两换热器中）；（2）由以上求出的生产能力之比，计算两方案由于流动阻力引起的总压降比为多大（注：蒸汽冷凝传热系数远大于空气的对流传热系数；不计换热器进、出口及联接管线所引起的压降；空气在换热管内流动均按湍流考虑；直管摩擦阻力系数用柏拉修斯方程计算）习题3-43附图3-45 在单管程逆流列管式换热器中用水冷却空气。水和空气的进口温度分别为25及115。在换热器使用的初期，水和空气的出口温度分别为48和42；使用一年后，由于污垢热阻的影响，在水的流量和入口温度不变的情况下，其出口温度降至40。不计热损失。求（1）空气出口温度变为多少？（2）总传热系数变为原来的多少倍；（3）若使水流量增大一倍，而空气流量及两流体入口温度都保持不变，则两流体的出口温度变为多少？（提示：水的对流传热系数远大于空气）临界保温半径：在f252.5mm的蒸气管道外包一层厚度为37.5mm、导热系数为的保温层。管内饱和蒸气温度为130，大气温度为30。试求： (1) 保温层的表面温度并计算分析此保温层能否起到减小热损失的作用。 (2) 若采用的保温材料，其它不变，再计算保温效果。以上计算可忽略壁阻