化工原理第三版传热习题

传热一、填空(1)在传热实验中用饱与水蒸汽加热空气,总传热系数K接近于侧得对流传热系数,而壁温接近于侧流体得。(3)由多层等厚平壁构成得导热壁面中,所用材料得导热系数愈大,则该壁面得热阻愈,其两侧得温差愈。(4)在无相变得对流传热过程中,热阻主要集中在,减少热阻得最有效措施就是。(5)消除列管式换热器温差应力常用得方法有三种,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得目得就是增加面积,增强流体得湍动程度以提高传热系数。(6)厚度不同得三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知b1>b2>b3,导热系数1<2<3,在稳定传热过程中,各层得热阻,各层导热速率。(7)物体辐射能力得大小与成正比,还与成正比。(8)写出三种循环型蒸发器得名称中央循环管式、悬筐式、外加热式。(9)在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括、与三个阶段。实际操作应控制在。在这一阶段内,传热系数随着温度差得增加而。(11)水在管内作湍流流动,若使流速提高到原来得2倍,则其对流传热系数约为原来得倍;管径改为原来得1/2而流量相同,则其对流传热系数约为原来得倍。(设条件改变后仍在湍流范围)(12)导热系数得单位为,对流传热系数得单位为,总传热系数得单位为。二、选择1已知当温度为T时,耐火砖得辐射能力大于铝板得辐射能力,则铝得黑度＿＿耐火砖得黑度。A大于B等于C不能确定D小于2某一套管换热器,管间用饱与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得2倍,若要保持空气进出口温度不变,则此时得传热温差应为原来得倍。A1、149B1、74C2D不定3一定流量得液体在一25×2、5mm得直管内作湍流流动,其对流传热系数i=1000W/m2·℃;如流量与物性都不变,改用一19×2mm得直管,则其将变为。A1259B1496C1585D16784对流传热系数关联式中普兰特准数就是表示得准数。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,下列方案中得＿＿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,两灰体得温度差为50℃,现因某种原因,两者得温度各升高100℃,则此时得辐射传热量与原来得辐射传热量相比,应该＿＿。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,热传导得主要特点就是什么？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,对流得主要特点就是什么？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,热辐射得主要特点就是什么？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得热阻主要集中在何处？热阻主要集中在紧挨固体壁面处得层流底层内。6.强化对流传热得主要途径就是什么？提高流体得湍动程度,减小层流底层得厚度。7.在一套管换热器中,若两流体得进、出口温度不变,应选择并流换热还就是逆流换热？为什么？应选择逆流换热,因为此时得对数平均温差较大,可以节省换热面积。8.什么就是黑体？吸收率等于1得物体称为黑体。9.什么就是白体？反射率等于1得物体称为白体。10.什么就是透热体？透过率等于1得物体称为透热体。11.什么就是灰体？能以相同得吸收率且部分地吸收由零到∞所有波长范围得辐射能得物体称为灰体。12.什么就是物体得黑度？灰体得辐射能力与同温度下黑体得辐射能力之比称为物体得黑度。13.在设计换热器时,如何安排不洁净与易结垢得流体得流径(管内或就是管间)？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得流径(管内或就是管间)？简述理由。走管内,以免壳体与管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗与检修。15.在设计换热器时,如何安排压强高得流体得流径(管内或就是管间)？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,如何安排饱与蒸气得流径(管内或就是管间)？简述理由。走管间,便于及时排出冷凝液。17.在设计换热器时,如何安排被冷却得流体得流径(管内或就是管间)？简述理由。走管间,可利用外壳向外得散热作用,以增强冷却效果。18.在设计换热器时,如何安排粘度大得液体得流径(管内或就是管间)？简述理由。走管间,因流体在有折流挡板得壳程流动时,由于流速与流向得不断改变,在低Re值(Re＞100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。19.在设计换热器时,如何安排流量较小得流体得流径(管内或就是管间)？简述理由。走管间,因流体在有折流挡板得壳程流动时,由于流速与流向得不断改变,在低Re值(Re＞100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。20.在列管换热器中,拟用饱与蒸气加热空气,传热管得壁温接近哪一种流体得温度？壁温接近饱与蒸气得温度。21.在列管换热器中,拟用饱与蒸气加热空气,总传热系数Ｋ接近哪一种流体得对流传热系数？总传热系数Ｋ接近空气得对流传热系数。22.在列管换热器中,拟用饱与蒸气加热空气,如何确定两流体在换热器中得流径？为什么？空气走管内,饱与蒸气走管间,以便于冷凝液得排放。23.污油与汽油换热,如何安排两流体得流径?为什么?污油走管内,汽油走管间,便于清洗。24.为什么内部孔隙多得材料保温效果好?因为大量得孔隙中包含着导热系数非常小得气体,对导热不利,从而起到了保温得作用。25.一钢板得黑度为0、78,其反射率为多少?反射率为0、22。26.在强化传热得过程中,为什么要想办法提高流体得湍动程度?由于对流传热得热阻主要集中在层流底层内,提高流体得湍动程度能减薄层流底层得厚度,可以提高传热效果。27.在夏季人们为什么爱穿浅色衣服?由于在阳光下浅色得衣服反射率较大,吸收得热量少,使人们不至于感觉太热。28.换热器得壳程为什么要安装挡板?可以提高壳程流体得湍动程度,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,因为空气就是透热体。此话对吗？为什么？不对,只有单原子气体与对称双原子气体就是透热体,而空气中得二氧化碳与水蒸气都可以部分地吸收太阳发射得辐射能。30.间壁式换热器与混合式换热器得区别就是什么？间壁式换热器就是由固体壁面将冷、热两种流体分开,通过固体壁面传热,而混合式换热器中则就是将冷、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25×2mm。水以0、7m/s得流速在管内流过,并从17℃被加热到37℃。流量为1、25kg/s、温度为72℃烃得饱与蒸气在管外冷凝成同温度得液体。烃蒸气得冷凝潜热为315kJ/kg。已测得:蒸气冷凝传热系数0=800W/(m2·℃),管内侧热阻为外侧得40%,污垢热阻又为管内侧热阻得70%,试核算:(1)换热器每程提供得传热面积(外表面为基准);(2)换热管得总根数;(3)换热器得管程数。[计算时可忽略管壁热阻及热损失,水得比热为4、18kJ/(kg·℃)](1)换热器每程提供得传热面积(外表面为基准),S1;由题意知,水以0、7m/s得流速在管内流过,欲求S1,需先知道每程得管子数,每程得管子数等于所需冷却水得总流量与单管内水得流量之比。两流体交换得热量为:又,,则单管内水得流量为:换热管得总根数;由所需得总传热面积可求取换热管得总根数。由题给数据,则任务所需得传热外表面积为:换热管总根数为:取2在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气,两流体得进口温度分别为20℃与110℃。在换热器使用得初期,冷却水及空气得出口温度分别为45℃与40℃,使用一年后,由于污垢热阻得影响,在冷热流体得流量与进口温度不变得情况下,冷却水出口温度降至38℃,试求:(1)空气出口温度为多少？(2)总传热系数为原来得多少倍？(3)若使冷却水加大一倍,空气流量及两流体进口温度不变,冷热流体得出口温度各为多少？(水>>空气)(4)冷却水流量加大后,换热器得传热速率有何变化？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)冷热流体得出口温度一年后(3)(4)方程(4)式/(3),得:整理前半式得方程(5)又因,,故由等比定理则整理得,(6)联立(5)与(6),可得:,(4)冷却水流量加大后,换热器得传热速率有何变化？变为多少？则3有一蒸汽加热器,热方:为饱与蒸汽冷凝,T=100℃;冷方:为生垢液体升温,,。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那些就是控制热阻？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得多少分数？在操作中,若要求改为维持该加热器得热负荷不变。问:随着污垢得增加,调节饱与蒸汽得温度与生垢液体得流量,就是否都能达到要求？简述理由(定性分析)。注:冷方流型为湍流、面积基准与物性变化可不考虑以及清洗后得垢阻为零。解:(1)a垢层就是主要控制热阻,其次就是垢层对液体得给热过程,因传热过程得传热量取决于热阻大得一方。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,饱与蒸汽宜在管间(壳程)走,因流速对饱与蒸汽冷凝给热系数几乎无影响,而饱与蒸汽冷凝得表面又不要求清洗,且在壳程流动易于及时排除冷凝水与不凝性气体。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:清洗前后总热阻得差值就是污垢热阻所以%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,就是不能满足得,因为生垢液体以为湍流,再增加流量时,所增加得换热量决不能与所需要得热量相当,这时会使出口温度下降。只有调节饱与蒸汽得温度来增加,使其满足热负荷得要求。假设垢层热阻得增加,使其换热量减少一半,(换热量再减少即不能操作),这时蒸汽得温度提高到160℃即可满足要求。假设垢层得生成,其传热面积得变化忽略不计,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得热负荷不变。4、有一换热器,管内通90℃得热流体,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得壁温:(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,并假设壁温为当壁很薄时,根据壁两侧得对流传热方程式可得:则同理则由此可知,壁温总就是比较接近热阻小得那一侧流体得温度。5、流量为2000kg/h得某气体在列管式换热器得管程流过,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。已知气体侧得对流传热膜系数远小于冷却水侧得对流传热膜系数,管壁热阻、污垢热阻与热损失均可忽略不计,气体平均比热为1、02kJ/kg·℃,水得比热为4、17kJ/kg·℃,不计温度变化对比热得影响,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得气体冷却程度,此时对数平均温差为多少？(3)此时得出口水温将为多少？(4)此时得冷却水用量为多少？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得气体冷却程度,此时对数平均温差为多少？原情况(1)新情况(2)因,,换热器与气体得情况未变,则,故则,(<2,则用算术平均值合适)对新情况下得热量进行衡算,故6、在套管换热器中用120℃得饱与蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流得苯。苯得流量为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1×104W/(m2·℃),换热管内侧污垢热阻为4×10－4m2·℃/W,忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为54×2mm得钢管,有效长度为12m。试求:(1)饱与蒸汽流量(其冷凝潜热为2204kJ/kg);(2)管内苯得对流传热系数i;(3)当苯得流量增加50%、但其她条件维持不变时,苯得出口温度为若干？(4)若想维持苯得出口温度仍为60℃应采取哪些措施？作出定量计算。解:(1)饱与蒸汽流量;(2)管内苯得对流传热系数i;整理得(1)(2)(3)苯得流量增加50%,苯得出口温度为若干将其代入(2)式得代入(1)式得解得(4)若想维持苯得出口温度仍为60℃应采取哪些措施？作出定量计算。将管子加长,由(1)式得提高加热蒸气压强(温度)解得7、一废热锅炉,由25×2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i=300W/m2·K,水侧o=10000W/m2·K,钢得导热系数为45W/m·K,若忽略污垢热阻,试求:(1)以内壁面为基准得总传热系数Ki;(2)单位面积上得热负荷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,钢管得内外壁温度接近水侧沸腾得温度,即接近于热阻小得一侧流体得温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500℃左右,而钢管得温度小于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,水得进出口温度分别为290K及295K,若水得流速增加一倍,则水得出口温度变为多大？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,水得进出口温差小于10℃,那么温度对物性参数影响较小,因此可以认为水得物性参数保持不变。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350K350K350K350K290K295K290K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。设油与水得流率、进口温度保持不变,将冷却器长度增加一倍(其它尺寸不变),求油及水得出口温度。解:420K370K310K285K对体系进行热量恒算,所以,(1)(2)冷却器长度增加一倍后,420KT2t2285K假设:则所以,(3)(4)(1)=(3)1、95=(5)(2)=(4)3、9=(6)解(5)与(6)方程,得:T2=341、74Kt2=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,每小时将一定量得气体从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,该换热器得传热系数,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得换热器并联使用,气体量与原一台时相同,只就是分成相等得两股送入,冷却水进出每个换热器得温度仍与原来得一样。试计算:(1)此时气体得出口温度为多少？(2)两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低得温度？设:气体处理量与冷却水进出口温度都不变,忽略管壁与冷却水热阻,气体温度改变引起得物性改变也忽略不计。解:一台换热器情况:所以又因气体放出得热量与冷却水得到得热量相等,所以:即