化工原理习题 第二部分 热量传递答案 -修改

1、化工原理习题 第二部分 热量传递一、 填空题：1. 1140w (注:大型容器可视为平壁)2. q=At ， w/m2.K 。3. 27.9K 4. 热传导 、 热对流 、热辐射 5. Nu / ,对流传热过程几何尺寸对的影响6.传热系统中各点的温度仅随位置变不随时间而改变。7.一侧的换热壁面面积 8. A 泛指传热面, 与K 相对应 9. 50 oC ， 47.2 oC 10. 250 240 oC 11. 12740.038=60.6m2， 12740.032=51.1m2 12. 2 13. 空气 饱和水蒸汽 14. 傅立叶定律 大 大 15. 小 ， 小 16. 滞离层内（或热边界层内

2、） ， 提高流体湍动程度 17. 膨胀节 、 采用浮头式 或 U管式结构 ； 增加面积，增强流体的湍动程度以提高传热系数 18. R1 R2 R3， Q1 = Q2 = Q319 传导 、 对流 和 辐射 dQ= - 20. 1.74 3.48 倍。（设条件改变后仍在湍流范围）21. W/（moC） ， W/（m2oC） ， W/（m2oC） 22. 折流挡板 ， 多管程 ， 壳程 23.三角形、正方形、菱形24.辐射25. 壳体 、 管束 26. 设法增大o 27.温度修正系数t 28.管内； 管间(壳程) 29. 滞流层 ， 增大流速 二、选择题：15.ABCBA 610.DCBBC 11

3、15. CDDBC 1620. AABC BA 21.BB AABB 26. AADAA 3135 A A AAB 3640 CBADC 4144. A ABD 三、判断题：110. 1122. 四、简答题：1.答：传热一般有两方面的要求： （1）、尽量使传热情况良好,即要求高的传热效率,以减少设备尺寸； （2）、尽量避免传热,即保温或保冷。2.答：传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。对流传热则是流体质点发生相对位移来传递热量, 辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间发射能量来传递热量。3.答： 热流体流过管道时, 在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡, 使质点强烈混合而交换热量

4、，温度较均匀，几乎不存在温度梯度；但在紧靠管壁，有一层很薄的作层流流动的流体层（层流底层），在这层薄层内，热量传递以导热方式进行，从微观上言，是靠分子传递。由于流体的导热系数很小，故热阻丝要集中层流底层内。对管内层流流动，热量传递也是主要靠导热。但由于温度存在（轴向的，径向的），有密度差，会引起质点的对流，比较复杂。 4.答： 根据K.A.t方程, 指任一个K、A、t都能提高强化传热 (1) 增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；(2)增大传热温差t可采用逆流操作,因为当T1，T2，t1，t2四个温度一定时，逆流传热温差t最大； (3)提高传热系数K由 K1/（1/

5、11/2（/） 提高1、2降低,都能强化传热,要提高由单层改为多层,或在壳程中增设档板，对于蛇管中,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物（强化圈）在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。5.答：传导、对流、辐射 导热分子原位振动，电子定向流动。 对流流体质点流动与混合。 锅炉壁为导热，外壁对烟气为对流，火焰和炉墙的热辐射。6.答：操作可以获得较大的平均传热温度差，从传递相同热负荷言，须较小的传热面积，节省设备费用。此外，逆流热流体出口温度T可接近冷流流体进口温度t，对相同热负荷言，需加热剂少；同样，就冷流体而言，逆流体出口温度t可接近热流体进口温度T，对相同热负荷言，需要冷却剂少，故

6、对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑，逆流操作费小。7.答：在传热过程中，传热面上各点的温度不随时间变化，称为稳定传热。稳定传热时，传热速率为定值。 反之，若传热面上各的温度随时间而变，则为不稳定传热。不稳定传热时，传热速率也随时间而变。 8.答：组成：纯物质的导热系数好; 结构：结构致紧、密度大的材料导热系数大; 温度：一般温度升高，非金属固体导热系数增大。 煤灰砖的保温性能好。9. 答： 流体为层流时，传热是以导热方式进行的。则此时给热系数较小。当为湍流时，传热是以对流方式进行的，此时给热系数增大。所以流体的传热，多在湍流情况下进行。 10.答：流动类型：湍流时的给热系数大。流体的物性：粘度、密

7、度、比热Cp，导热系数均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置：管子的排列、折流都是为了提高给热系数。流体的对流情况，强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有相变大。11.答： 由壳体、管束、管板、封头等组成。 12.答： 由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度，外壁面不断通过对流和辐射传将热量传给换热器周围的空气而散失，即产生散热损失。为了减少散热损失，一般在换热器外壁面上包上一层（或两层）导热系数较小的绝热材料（或不同的两种导热系数较小的绝热材料），使传热热阻增大，外壁面温度降低，从而减小了散热损失。13.答： 主要由壳体、管束、管板和顶盖（又称封头）等基部分

8、组成。壳体和管束作为冷热两流体的流动空间，通过管壁进行换热。管束安装在管板上，通过管板使管束与壳体连成一体。顶盖（封头）上有管程流体进出口，且有分程、密封，封头可拆卸，便于管子清洗等作用。14.答： 因为逆流操作有较高的经济效益。主要原因可由以下两方面分析：（1）当T1、T2、t1、t2四个温度一定时，逆流操作的t比其它流向大。根据：Q=KAt ,当K、A一定时，t 则Q，对现有的换热器来说，可提高生产能力。当Q、K一定时，t 则A，对生产能力要求一定时，新设计制造换热器由于A较小，设备尺寸可减小，节省投资费。（2）一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。逆流操作时，载热体用量比其它流向的要小

9、，降低能耗，提高了经济效益。15.答： 物体各部分之间不发生相对位移。 16.答： 对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。 17.答： 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。 18.答： 走管内，因为管内清洗比较方便。 19.答：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。 20.答： 走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。 21.答： 走管间，便于及时排出冷凝液。 22.答：走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 23.答： 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

10、湍流，以提高对流传热系数。 24.答： 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。 25.答： 可以提高壳程流体的湍动程度，增强传热效果。 26.答：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。 27.答：1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷

11、凝传热能达到的温度受压强的限制。 3）烟道气： 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。28.答：（1）定常态换热，两种流体的热容流率不变，（2）逆流换热，（3）无热损失。29.答：流动类型，湍流时的给热系数大。流体的物性.粘度、密度、比热Cp，导热系数均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置.管子的排列、折流都是为了提高给热系数。流体的对流情况，强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有相变时大。五、计算题：1. 解： 设耐火砖厚度b1, 绝热砖厚度b2 跨过耐

12、火砖的热通量为: q=(t1-t2)/(b1/1) b1=1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m 跨过三层砖的热通量为: q=(t1-t4)/(b1/1)+(b2/2)+(b3/3) b2=(t1-t4)/q-b1/1-b3/32 =(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.5820.233 =0.14m,跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/3, t3=q.b3/3+t4=9300.1/0.582+83=2432.解： 冷却水用量：WhCp,h（T1T2）WcCp,c（t1t2） 35002.38（10060）Wc4.174（5040）

13、 Wc7982kg.h-1 tm,逆（5020）/（50/20）32.75 tm,并（6010）/（60/10）27.9 QKAtm Q333200kJ.h-1 A逆1.41m2 3.140.181.41 2.5 m A并1.66 m2 3.140.181.66 2.93m3.解： Q/L=2(120-115)/1/(ln(75/55)=4545 (1/)ln(75/55)=23.14(125-115)/4545=0.00691 =44.9w/m.K 设外加石棉层厚度为 则:Q/L =23.14(120-10)/(1/44.9)ln(75/55)+(1/0.15)ln(75+2)/75 690

14、.8=175.90.00691+(1/0.15)ln(75+2)/75 解得: =30mm (石棉层厚度) 设钢管和石棉层接触面间的温度为t2 则: 23.14(120-t2)/(1/44.9)ln(75/55)=175.9 解得: t2=119.84.解： 溶液放热 Q=WhCphT=1.42103(150-100) =1.4104w 1/K=di/(ido)+1/o =0.025/(11600.02)+1/930 K=464w/m2.K 冷却水用量 Wc=Q/Cpc(t2-t1) =1.4104/4180(60-25)-1=3445kg.h-1 tm=(150-60)-(100-25)/l

15、n(150-60)/(100-25)=82.3 A=3.67m2 L=A/(d2)=3.67/(0.025)=46.7m5. 解： A2.5m2 , Cpc2kJ/kg.K tm （(180-80)-(70-30)）/(100/40) 65.5 Q2002(80-30)20000kJ/h QKAtm K20000/(65.52.5)122.2kJ/=34/m2.K6.解： (1) Q1=12002(200-100)=240000kJ.h Q2=Q1, t2=t1+Q1/(m2Cp2)=10+240000/(10004.18)=67.4 tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=11

16、0 1/K1=1/1+d1/(2d2)=1/250+25/(200020) K1=2 16.2/m2.K A1=Q1/(Ktm) =24000010/(216.23600110) =2.8 m23m2 不适用。7. 解： 由 Q=K.Atm 式 求 K 其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/360018810 (80-50)=56400tm（t1t2）/（t1/t2） （8030）（5020）/(80-30)/(50-20) 39.2 56400=K4.4839.2 解得 K=321/m. 8. 解：（1）初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(45-20)= K At

17、m 一年后 m1 CP1(110-T2 )= m2 CP2(38-20)= K Atm (110-T2 )/(110-40) =(38-20)/(45-20) 解出 T2 =59.6（2）tm （(110-45)-(40-20)）/ln(65/20)= 38.2 tm （(110-38)-(59.6-20)）/ln(72/39.6)=54.2 (38-20)/(45-20)=(K /K)(54.2/38.2) 解出 K/K0.5079.解：（1） 蒸汽用量 Q放W.2205W kJ.h Q吸W CP(t出t入） 65002.2（8030）7.1510kJ.h Q放Q吸 7.1510/22053

18、24kg.h（2） 传热系数的计算 由QKAtmtm （(120-30)-(120-80)）/（(120-30)/(1 20-80)） 50/（90/40）61.66 KiQ/Aitm 7.1510/60(50/1000)61.66 1231 . 342 (/m2.K)10.解： q=CpW(t1-t2)=117.5 KJ/S W=117.5/4.187(47-25)=1.276 kg.S-1 tm=(77-47)-(27-25)/ln(30/2)=10.34 1/K=1/o+1/i+/ K=550.7 w/m2.K-1 A=q/K.tm=20.635 m2 L=A/dm=292.1 m11.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： (