传热练习题2_化工原理

1、传热一、填空1、蒸汽冷凝放热时，要经常注意排放（），这是因为（）。2、某物体（可近似为灰体），在20时，其黑度为8 =0.8,则其辐射能力的大小为（），其吸收率为（）。3、管内对流传热，流体内温度梯度最大是在（），原因是（ ）。4、膜系数a越（），液体核状沸腾时，At越大，a越（ ）。5、在一列管换热器中用壳程的饱和蒸汽加热管程的液体（无相变），若饱和蒸汽侧的饱和蒸汽压力增大，而液体的流量和进口温度不变，则液体出口温度（），蒸汽侧的对流传热系数（）。6、某换热器中用饱和水蒸汽加热有机溶液，现发现溶液的出口温度比原来低，检查溶液的初温和流量均 无变化，请列举二个可以导致上述现象的原因：（）（）7

2、、常见的列管换热器折流板型式有（）,（）。在列管式换热器的壳程中设置折流板的优点是（），缺点是（）。8、随着温度的增加，空气的黏度（），空气的导热系数（）。9、某一段流体流过一段直管后，在流入同一内径的弯管段，则弯管段的传热系数比直管段传热系数（），因为（）。10、角系数取决于换热物体的（），（）和（），而与（）和（）无关。11、基尔霍夫定律的表达式为（）,该定律的前提假设条件是（）。12、在空气一水换热的换热器中，为强化传热可能采取的措施有哪些（）,传热壁面的温度接近于（）的温度。13、列管换热器中，若冷热两种流体的温度差相差较大，则换热器在结构上常采用（）办法，常用的结构形式有（）。14、

3、化工生产中常以水蒸汽作为一种加热介质，其优点是（）。水蒸汽冷凝时应及时排除不凝性气体，其原因是（）。15、大容积中的饱和沸腾传热可分为（）,（）和（），而在工业生产中常在（）阶段操作。16、一回收烟道气热量的废热锅炉，在流程安排上，烟道气（入口温度为60）应走（），水（入口温度为90）应走（），主要是为避免（）。17、三层圆筒壁热传导过程，最外层的导热系数小于第二层的导热系数，两层厚度相同，在其它条件不变 时，若将第二层和第三层的材质互换，则导热量变（），第二层与第三层的界面温度变（）。18、在垂直冷凝器中，蒸汽在管内冷凝，若降低冷却水的温度，冷却水的流量不变，则冷凝传热系数（），冷凝传热量（

4、）。19、在管壳式换热器中热流体与冷流体进行换热，若将壳程由单程改为双程，则传热温度差（）。20、在高温炉外设置隔热挡板，挡板材料黑度愈低，热损失愈（）。21、写出两种带有热补偿的列管换热器名称（），（）。22、斯蒂芬-波尔茨曼定律的数学表达式为（），它表示（）。23、327c的黑体辐射能力为27黑体辐射能力的（）倍。24、若换热器中流体温度变化较大，总传热系数随温度变化大时，传热面积可采用（ ）求之。25、沸腾传热设备壁面越粗糙，气化核心越（）,沸腾传热系数越（）。26、黑体的表面温度提高一倍，则黑体的辐射能力提高（）倍。27、在列管换热器中使用饱和水蒸汽加热冷空气时，管壁的温度接近（）侧温

5、度。二、选择题1、管壁热阻和污垢热阻可忽略，当传热面两侧的对流传热膜系数相差较大时，总传热系数总是接近于（）。热阻大的那侧的传热膜系数B热阻小的那侧的传热膜系数C上述两者的平均值D不一定2、在两灰体进行辐射传热，两灰体的温度相差50。现因某种原因，两者的温度差升高到100，则此 时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比，应该（）。增大 B变小 C不变 D不确定3、为减少室外设备的热损失，拟在保温层外包一层金属皮，则选择金属皮时应优先考虑的因素是选用的 材料（）。颜色较深B表面粗糟C颜色较浅D表面光滑4、推导过滤方程式的一个最基本的依据是（）。滤液通过滤饼时呈湍流流动假定滤饼大小均一滤液通过滤饼时呈

6、层流流动假定过滤介质的阻力可忽略不计。5、某一套管换热器，由管间的饱和蒸汽加热管内空气，设饱和蒸汽的温度为100，空气进口温度为20， 出口温度为80，问此套管换热器内管壁温度应是（）。接近空气温度接近饱和蒸汽和空气的平均温度接近饱和蒸汽温度三、计算题：1、某一逆流操作套管换热器，冷却水进口温度t1=30，出口温度t2=84；热流体进口温度T1=180,出 口温度T2=120.若改为并流操作，其它条件均不变，两流体的出口温度分别为多少？（设平均温度差可用算术平均值）。2、一套管换热器用133c的饱和水蒸汽将管内的氯苯从33加热至73，氯苯流量为5500kg/h，现因某 种原因，氯苯流量减少到3

7、300 kg/h,但其进出口温度欲维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少，才 能满足要求？此时饱和蒸汽的冷凝量为原工况的百分之几？（设在两工况下蒸汽冷凝热阻、管壁热阻、垢层热阻及热损失均可忽略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略 两工况下饱和蒸汽汽化潜热的变化）。3、在套管换热器中，冷流体以500kg/h流过23X2mm的管内，冷流体的比热为1k J/kg,进出口温度 为20和80,管壁的导热系数为45w/m,加热介质走管外，温度由150降为90,已知管内传热膜 系数为a 1=700w/m2,总传热系数K0（基于管外表面积）为300w/m,热损失可以忽略不计。求： 管外对流传热膜系数a 0；逆流传热

8、所需管长；如果加热介质换为140的饱和蒸汽，冷凝为饱和液体，蒸汽冷凝传热膜系数a 0=8000 w/m2,其它条件不变，所需管长；D、换热器使用一年后，发现冷流体的出口温度达不到80,请说明原因。4、在一单程的列管换热器中，壳程通入100的饱和水蒸汽，将管内湍流的空气从10加热至60,饱 和蒸汽冷凝成同温度下的水。若空气流量和空气的进口温度不变，仅将原换热器改成双管程。试求：A、空气的出口温度t2B、空气冷凝量有何变化？（忽略管壁热阻及换热器的热损失）例4-1某平壁厚度为0.37m,内表面温度t1为1650,外表面温度t2为300,平壁材料导 热系数工=0.引5 + 0.0007& （

9、式中t的单位为。C, 2的单位为W/（m）。若将导热系数分 别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。解：（1）导热系数按常量计算平壁的平均温度为：生二幽坟5cle22平壁材料的平均导热系数为: 工附=0.815 + 0.00076x975 = 1,556!y/()由式可求得导热热通量为:*"(1650-300)= 5677 W/m设壁厚x处的温度为t,则由式可得:"八-竺二旌"迎L = 1650 3649犬故 之1.556上式即为平壁的温度分布关系式，表示平壁距离x和等温表面的温度呈直线关系。(2)导热系数按变量计算 由式得：

10、q = - = - +g) =-(0.815 + 0.00076dxdxdx或-2=(0.幻5 + 0.00076 皿J：小二 '(0315 +0.00078比得一”血 -0.00076(a)"翳0一3呵+筌即=0昨2677”当3 =工时，与=£，代入式a,可得:-5671x = 0,815( -1650)+ 0 00076-16502)整理上式得:? + 2xO815 0.000760.000765677 x-解得：£ = -1072 + g.41/10J1.49/100.815x1650+0 0076 x1650上式即为当入随t呈线性变化时单层平壁的温

11、度分布关系式，此时温度分布为曲线。计算结果表明，将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的；而温度分布则 不同，前者为直线，后者为曲线。例4-2燃烧炉的平壁由三种材料构成。最内层为耐火砖，厚度为150mm，中间层为绝热转， 厚度为290mm，最外层为普通砖，厚度为228mm。已知炉内、外壁表面分别为1016和 34，试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。假设各层接触良好。解：在求解本题时，需知道各层材料的导热系数入，但入值与各层的平均温度有关，即又需 知道各层间的界面温度，而界面温度正是题目所待求的。此时需采用试算法，先假设各层平 均温度（或界面温度），由手册或附录查得

12、该温度下材料的导热系数（若知道材料的导热系 数与温度的函数关系式，则可由该式计算得到人值），再利用导热速率方程式计算各层间接触界面的温度。若计算结果与所设的温度不符，则要重新试算。一般经5几次试算后，可得 合理的估算值。下面列出经几次试算后的结果。耐火砖4 =1.05叼M叼绝热砖工1 = °5町"叼普通砖4 = 0即町尿W设t2耐火砖和绝热砖间界面温度，t3绝热砖和普通砖间界面温度。,=1016,弘口C由式可知：_1016-34=0.15 0.290,228+1.05 0.150.819820.1429 + 1.933 + 0.2815= 46.5W/m2再由式得:A

13、63;1 = 2?/ = 0.1429x416.5 = 59.5所以=1016-59.5 = 9565W$=7?2 = 1,933x416,5 = 805.1所以=9565-£05.1 =邛 C必 a =151.4-34 = 117.4各层的温度差和热阻的数值如本列附表所示。由表可见，各层的热阻愈大，温度差也愈大。 导热中温度差和热阻是成正比的。例4-2附表材料温度差热阻耐火砖59.50.1429绝热转805.11.933普通砖117.40.2815例4-3在外径为140 mm的蒸气管道外包扎保温材料，一减少热损失。蒸气管外壁温度为 390,保温层外表温度不大于40。保温材料的工=

14、0=+ 0.0002f (t的单位为。0。2的单 位为W/ (m)。若要求每米管长的热损失Q/L不大于450W/m,试求保温层的厚度以 及保温层中温度分布。解：此题为圆筒壁热传导问题，已知：=0.07= 390= 40先求保温层在平均温度下的导热系数，即:（1） 保温层厚度 将式改写为：_ 2Ml 一 片）2x0,143（390-40）In 4=+ In 0.07450得 r3=0.141m故保温层厚度为：b =叱一心=0.141 - 0.07 = 0.071 溶=lmm(2)保温层中温度的分布 设保温层半径r处，温度为3代入式可得:2x0,143(390-£) y、- = 450解

15、上式并整理得：£ = -501-942计算结果表明，即使导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。例4-4某列管换热器由25X2。5mm的钢管组成。热空气流经管程，冷却水在管间与空气 呈逆气流流动。已知管内侧空气的a i为50W/(m2.),管外水侧的a 0为1000W/(m2.), 钢的人为45 W/(m2.)。试求基于管外表面积的总传热系数K。及按平壁计的总传热系数。解：参考附录二十二。取空气侧的污垢热阻尺：=0-5M10名阿口b阴，水侧的污垢热阻 尺=0.2x10-3阳° 口C/取由式知：0.02550x0.02+ 0,5X10-30.0250.020.0

16、025x0.025 + 0 2xI0-3 + 45x0.02251000= 0.0269所以£ = 372町那.吧)若按平壁计算，由式知：11ns n-=十&i +行十尺。+= X + o.5xlO-3 + ° 0025 + 0.2x10-3 + = 0.021850451000由以上计算结果表明，在该题条件下，由于管径较小，若按平壁计算K,误差稍大，即为:KK<? x 100% = 46-37 2 x 100% = 23.7%37.2例4-5在上例中，若管壁热阻和污垢热阻可忽略，为了提高总传热系数，在其他条件不变的情况下，分别提高不同流体的对流传热系数，即：

17、（1）将a i提高一倍;（2）将a 0提高一倍。试分别计算K0值。解：（1）将a 提高一倍5=2父50 = 100用/（小 吧0.025"100x0.02 +1000= 0.0135所以纥二74叼酎+）（2） 将a o提高一倍% = 2x1000 = 2000+ /IT""所以勺=39取/评必须对影响K值的进口温度为15，计算结果表明，K值总是接近热阻大的流体侧的a值，因此欲提高K值 各项进行分析，如在本题条件下，应提高空气侧的a，才有效果。例4-6在一单壳程、四管程换热器中，用水冷却热油。用冷水管内流动 出口温度为32。热油在壳方流动，进口温度为120，出口温度

18、为40。热油的流量为1 .25卜9信平均比热为1.9kJ/ (kg.)。若换热器的总传热系数为470 W/ (m2，)，试求 换热器的传热面积。解：换热器传热面积可根据总传热速率方程求得，即：回。换热器的传热量为：g = iy(7；-) = 1.25xl.9xl03(120-40)= 190JF1-4型列管换热器的对数平均温度差，先按逆流计算，即：温度差校正系数为:_ 120-40- 32-15= 4.71所以以=%山；= 029x5。= 44.5cleQ 190Mle口© =二2 U霁故迎加470x44.5 例4-7在传热外表面积S0为300m2的单程列管换热器中，300的某种气体

19、流过壳方并被加 热到430。另一种560的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1X104kg/h, 平均比热均为1.05kJ/(kg.)。试求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的 10%。解：对给定的换热器，其总传热系数可由总传热速率求得，即：换热器的传热量为:= 1.11x10"吊3600 X1.05x103（430-300）=4.17xW5热气体的出口温度由热量衡算求得，即:4.17xl05 = 121121 xl.05xl03（560-7；）或3600”*解得乙=417吧流体的对数平均温度差为:丝二亚*m因417 300所以AT】 +AZ2 _（560-430

20、） + （417-300）_ 1 C-i -1 .左=f七由本例计算结果可以看出，两气体间传热的总传热系数是很低的。例4-8在一传热面积为15.8的m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为2.85kg/s、进口温度为110；水的流量为0.667 kg/s、进口温度为35。油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/(kg.)。换热器的ZO总传热系数为320W/(m2;C)。试求水的出口温度及传热 量。解：本题用£ -NTU法计算%自=2.85x1900 = 5415fy/此白跖=0.667x4180 = 2788 iy/故水(冷流体)为最小值流体。查图得£ =0.7

21、3因冷流体为最小值流体，故由传热效率定义式得：看T1解得水的出口温度为：% = 0.73(110-35) + 35= 89.8换热器的传热量为：2 = (-)= 0.667(4180)(89.8- 35)二 152.就印传妈*京*r廿 正苴兼妈群的lKF。美壬例4-9在逆流操作的列管换热器中，热气体将2.5kg/s的水从35加热到85。热气体的温度由200降到93。水在管内流动。已知总传热系数为180W/(m2),水和气体的比热分别为4.18和1.09kJ/(kg )。若将水的流量减少一半，气体流量和两流体的进口温度不 变，试求因水流量减少一半而使传热量减少的百分数。假设流体的物性不变，热损失

22、可忽略 不计。解：此题用£-NTU法计算。(1)由原水流量求换热器的传热面积其中QW%儿止孙4.1眼-35) = 523株必 一&3(200-35)-(93-35)In 200-8593-35=83.3S= 523Ml0，将35附所以 180x33.3(2)水流量减小后传热量的变化Wcc?c =1x 2,5x4180 = 5225;y/=48901y/皿 _ 523X103声独 （200- 93）故热气体为最小值流体。_ 4890"5225=0.936两种情况因水的对流传热系数较气体的为大，故水流量减小后对总传热系数的影响不大， 下K视为相同。Mu焉=是=因热流体为

23、最小值流体，由热效率定义式知:200- 35 =°57T T& = 0,57（200-35）= 94.1此时传热量为：= （-） = 4890X94.1 = 460Q Q'则因水流量减少一半而使传热量减少百分数为:523-460xl00% =x 100% = 12%523例4-10在200kPa、20下，流量为60m3/h的空气进入套管换热器的内管，并被加热到80,内管的直径为57X3.5mm,长度为3m。试求管壁对空气的对流传热系数。解：定性温度=亨=5。0于附录查得50下空气的物理性质如下:，2 = 2.83X10-2pr = 0.698,空气在进口处的速度为:空

24、气在进口处的密度为:空气的质量流速为:G = up = A9x 2.379 = 20.2kg/2 sRe = = 05x20 = 5153Q 所以 0156x10-（湍流）故Re和Pr值均在式瓶= 0.023加/的应用范围内，可用该式求算ao且气体被加热，取 n=0.4,则:c; = 0.023 Re0SPr0-4二 0.023x 2（51530）0S（0.698）04= 66.31y/（2 .）计算结果表明，一般气体的对流传热系数都比较低。例4-11 -5的冷冻盐水（25%CaCl2溶液）以0.3m/s的流速流经一套管换热器的内管，已知内管的内径为21mm、长度为3.0m。假设管壁平均温度为

25、65,试求盐水的出口温度。解：假设盐水的平均温度为5，从附录查得25%CaCl2溶液在5下物性如下:"将 1230轮加， = 2巧妙/（板 吧）工" 0.57用/（明 吧），"二4M10与产小s/卡=0.65x 10-3 Pa - s判别流型，即:Re =dup 0.021x 0,3x 1230=1940（滞流）Pr = 而%/ _ 2.85x103 x4x10-3 _ 加0.570.021=272 >100在本题的条件下，管径较小，流体的粘度较大，自然对流影响可忽略，故a可用下式进行计 算，即：Ci =1.86 -、甲 f >0.14=1.86di)

26、(0.57 0.021,(1940 严(20 严0.021、3 ； k0.65；= 42W/(2 )盐水的出口温度由下式求得:(0.021)2 x0,3x1230x 2.85x103(Z2 +5) 3mC-)解得匕 = 9"C原假设的盐水平均温度与计算结果比较接近，不再重复试算。例4-12在预热器内将压强为101.3kPa的空气从10力口热至U 50。预热器由一束长为1.5m、直径为89 X 1.5mm的错列直立钢管组成。空气在管外垂直流过，沿流动方向共有15排，每排管子数目相同。空气通过管间最狭处的流速为8m/s。试求管壁对空气的平均对流传热系 数。空气的定性温度=1(10 + 5

27、0)= 3 0吧解：2于附录查得空气在30时的物性如下: "二1WxIO-'Re .曰，p=.63kgj族工丹 2.67 R1L 用/恤.吧， 日 lV/g )Re = 所以dup 0.089 x 8 xl. 1651.86X10-5= 44600Pr 二%狂 _ 1父1。三父1.26><10-'2.67X10-5=0.7空气流过10排错列管束的平均对流传热系数可由下式求得: 以=0.33机出口切”犯二0.334(44600严”尸=54取/(/ 吧)空气流过15排管束时，由表查得系数为1.02，则:值=1.02cf = 1.02 x 54 = 55. )表

28、式岫=。.33山好”型的修正系数排 数12345678910121518253575错 列0.480.750.830.890.920.950.970.980.991.01.011.021.031.041.051.06直 列0.640.800.830.900.920.940.960.980.991.0例4-13在一室温为20的大房间中，安有直径为0.1m、水平部分长度为10m、垂直部分高 度为1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均温度为120，试求该管道因自然对流的散热量。解：大空间自然对流的a可由式岫二4®计算，即：定性温度=气型=?。0，该温度下空气的有关物性由附录查得:工将 0.02

29、96 取/(端口6，"= 206x10-5 F匿 sp=1.029kg陵，Pr = 0.694（1）水平管道的散热量Q1其中2.06x10-51.029日 2 x 10-5 /s0 = - = -= 2.92x10-31/T 70 + 273Gr=2.92xl0-9.Sl(120- 20)(0.ir=716xI06所以卜父10一牙GrP 二716父 10 隈 0.694 = 4.97父 10。由表查得：=0.53, = 0.53x 0 0296(4.97x106YA = 所以= 7.41xx0.1x10(120- 20)= 23301加热表面形 状特征尺寸（GrPr）范围cn水平圆管

30、外径do104 1090.531/4109 10120.131/3垂直管或板高度L104 1090.591/4109 10120.101/3表式题=4aPr中的c和n值（2）垂直管道的散热量2.92xW3 x9,81(120- 20)xl3通父口(2X10-5)2='父GrPr = 7.16xlO9 x0.694 = 4.97xl09由表查得：ci,所以（4.97M10。）侬=5。叫必.吧）Q2 = 5,05 x?rx 0.1x1(120- 20)1601蒸汽管道总散热量为:Q = Q1 + Q2 = 2330 + 160 « 2500fF例4-14饱和温度为100的水蒸气，

31、在外径为0.04m、长度为2m的单根直立圆管外表面上冷凝。管外壁温度为9。试求每小时的蒸气冷凝量。又若管子水平放置，蒸气冷凝量为多 少？解：由附录查得在100下饱和水蒸气的冷凝潜热约为2258kJ/kg。定性温度=1(+)=1(100 + 94)=97由附录查得在97下水的物性为：工日 0.6£2用/恤吧)，/二0.282如 &，p= 95kg/m3(1)单根圆管垂直放置时先假定冷凝液膜呈滞流，由式知：由对流传热速率方程计算传热速率，即:Q =遍5-tw) = 7466x?rx0.04x 2(100-94)= 11250 取 故蒸气冷凝量为:取=2= 工=0.00498r 2

32、258xl03核算流型:W W 0.00498=0.0397g/（wa- s）Re =AM 4x0,0397/0,282XW3=564 <1800（滞流）(2)管子水平放置时 若管子水平放置时，由式知:£_ 0,725 < L _ 0.7251 2_ 故以一 1.13 UJ - L1310 04） 一 -所以"=1万。=1.71x7466 = 12767取人力 咽lTf = 1.71x17.93= 30.1 kg/h核算流型：R/= 1.71R" 1.71x564 , 964 <1800 （滞流） 例4-15甲苯在卧式再沸器的管间沸腾。再沸器规格

33、：传热面积So为50.7m2；管束内径为0.35m,由直径为0l9X2mm、长为5m的管子所组成。操作条件为：再沸器的传热速率为9.20X105W；压强为200kPa (绝压)。已知操作压强下甲苯沸点为135、气化潜热为347kJ/kg。甲苯的临界压强为4218.3kPa。试求甲苯的沸腾传热系数。解：甲苯沸腾传热系数可由下式计算，即：k = 1.057°07Q = g-2xl05 =I gIxI04y2其中 S 50.7'XAM = 200/4218.3 = 0,047 ZX 0j69n333Z= 0.10 一五r(1.8A017 +47?12 +1O10)I.9.81X10

34、4 J '=O.lof421S 3xl1(1.8xO,O47017 + 4x0,04712 +10x0.04710I、9.81X104 J= 4.5所以以=1.05(4.5产，加10。1兜。町/噌校核临界热负荷qc： c心=0.充心/处(一尺尸田鼻E/y=0.38(4218.3 x 103 )(0.047)°-35(1- 0.047)0P x 3.14x0.35x5/50.7=5.71xl04/2且外= 4218,3 > 3000尺= 0.047 (在0.010.9范围内) 例4-16在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和 135；管

35、内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2)及1100 W/(m2 ),管内、 外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005 m2 /W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热 阻可忽略。解：管壁的平均温度可由下式计算，即：上十& ,+尺：/ %135工 - + 0,0005 1100兀一二0 - + 0.0002 12000135-兀或 0.00141 0.000283解得：164cle计算结果表明，管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。例4-17车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室内温度为27。为减少热损失，在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置 铝板前、后因辐射而损失的热量。解：（1）放置铝板前因辐射损失的热量 由下式知：本题属于很大物体2包住物体1的情况，故£ =凡=3m3=9加孰=何=5.67 父 0.7K = 4.423瓯/dV）轲二1所以Q.飞=4.423xlx9x 1-J227 + 273?27 + 273?= 2.166xl0"iy(2)放置