化工设备热工分析面试题目及答案

化工设备热工分析面试题目及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述传热的三种基本方式及其区别。在化工生产中，强化哪些传热过程是有利的？请分别说明至少两种强化对流给热和两种强化传导传热的方法。二、某管壳式换热器，壳程流体为水，管程流体为某种有机溶剂。已知壳程平均温度为T_s=150°C，管程出口温度为T_h=80°C，管程进口温度为T_c1=30°C。试计算该换热器的对数平均温差（LMTD），假设流动为逆流。请列出计算公式并说明各符号含义。三、试分析影响管外强制对流给热系数的主要因素有哪些？并解释为什么说提高流体的流速和增大流体的Prandtl数（普朗特数）通常有利于强化对流给热。四、在化工生产中，为何需要对设备和管道进行保温？简述保温层厚度计算的基本原理。如果某设备的保温层外表面温度过高，可能存在哪些安全隐患或问题？五、描述一下管壳式换热器中可能出现的几种流动和传热型式（如层流、湍流，顺流、逆流等），并比较逆流和并流换热器在传热效率、出口端温度分布以及适用场合上的主要区别。六、某工厂使用一套列管式换热器进行冷却操作，冷却水在管内流动，被冷却的工艺物流在管外流动。运行一段时间后，发现换热效率显著下降。请分析可能导致该现象的几个主要热工原因，并提出至少两种可行的改进措施。七、什么是热阻的概念？在传热分析中，如何分析和处理多层平壁或圆筒壁的稳态导热问题？请简述其基本思路和计算方法。八、试解释什么是“有效能”（或称㶲）。在化工过程能量利用分析中，引入有效能的概念有何意义？请结合一个简单的工艺流程（如加热、换热等）说明如何进行有效能分析。试卷答案一、传热方式及其区别：1.传导传热：热量通过物质内部，由高温处向低温处沿着分子振动、电子迁移等方式传递的过程。特点是不需要介质，可以在固体、液体和气体中发生。例如，热量沿金属棒从一端传向另一端。2.对流给热：热量通过流体（液体或气体）的宏观流动，将热量从一个地方带到另一个地方的过程。必须存在介质（流体）且流体各部分发生相对位移。例如，热空气上升，冷空气下降。3.辐射传热：热量以电磁波（主要是红外线）的形式向空间传播的过程。任何温度高于绝对零度的物体都能进行辐射，且温度越高，辐射越强。不需要介质，可以在真空中传播。例如，太阳向地球传递热量。强化传热方法：*强化对流给热：1.增加流体的流速：提高流速可以增强流体的湍流程度，减小层流底层厚度，从而显著提高给热系数。例如，在换热器中采用多管程或增加管内插片。2.增大传热表面的粗糙度或采用特殊表面：粗糙表面或特殊形状（如翅片、凹凸表面）可以破坏层流底层，增加对流作用，提高给热系数。例如，在空气冷却器中使用翅片管。*强化传导传热：1.减小热阻：在传导传热路径中，通过选用导热系数更大的材料，或减小传导层的厚度来降低总热阻。例如，在保温管道外层使用导热系数更高的保温材料，或减小保温层厚度。2.增加传热面积：对于固体内部传导，在允许的条件下，设计具有更大内部传热面积的结构（如多孔材料、纤维状材料）可以提高传导效率。例如，使用填充床反应器。二、对数平均温差（LMTD）计算：公式：LMTD=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)其中：*ΔT1=T_s-T_h=150°C-80°C=70°C（壳程与管程流体在冷端的热差）*ΔT2=T_s-T_c1=150°C-30°C=120°C（壳程与管程流体在热端的热差）计算：LMTD=(120-70)/ln(120/70)=50/ln(1.7143)≈50/0.537=93.0°C解析思路：1.明确逆流换热器的温度关系：壳程流体（T_s）与管程流体（T_h,T_c1）在冷、热端分别进出口。2.确定计算所需的冷、热端温差：ΔT1和ΔT2。3.应用逆流LMTD的标准公式。4.将题目给出的具体温度值代入公式，进行计算。5.注意温度单位统一，并使用自然对数进行计算。三、影响管外强制对流给热系数的主要因素：1.流体的物理性质：主要包括流体的密度(ρ)、动力粘度(μ)、导热系数(λ)、比热容(c_p)和运动粘度(ν=μ/ρ)。这些性质直接影响流体的流动状态和热量传递能力。例如，Prandtl数(Pr=ν/α=μc_p/λ)是衡量流体物性对对流换热影响的重要参数。2.流体的流速：流速越高，流体扰动越强，层流底层越薄，给热系数越大。3.传热表面的几何因素：包括管径、管长、管排列方式（顺排、错排）、管表面状况（光滑、粗糙、有无翅片等）。管径、管长直接影响换热面积和流动阻力；排列方式影响流体的扰动程度；翅片可以大大增加传热面积。4.流体的流动状态：层流和湍流状态下，给热系数的计算公式和数值差异很大。通常湍流（Re数较大）的给热系数远高于层流。5.流体的相态：液体和气体的给热系数差异很大；同是液体，单相传热与沸腾传热、冷凝传热差异也极大。6.流体的物态变化：沸腾和冷凝传热通常比单相传热有更高的给热系数。强化对流给热的原因解释：*提高流速：流速增加，惯性力相对增大，更容易克服粘性力，使流体从层流转变为湍流，湍流状态下的流体内部混合更剧烈，热量传递更有效，因此给热系数显著提高。*增大Prandtl数（Pr）：Prandtl数表征了流体的物性（粘性、导热性、比热容）对热量传递和momentumtransfer的相对重要性。Pr数越大，表示流体的粘性相对较大，热量扩散相对较慢，而动量扩散相对较快。在同样的流速和雷诺数下，Pr数大的流体在边界层内，热量需要“追赶”动量，导致温度梯度增大，从而提高给热系数。反之，Pr数小（如液态金属，Pr≈0.01）的流体，热量扩散快，温度梯度小，给热系数相对较低。四、需要对设备和管道保温的原因：1.减少热量损失，节约能源：对于高温设备和管道，保温可以减少向周围环境的热量散失，降低生产能耗，降低运行成本，提高能源利用效率。2.维持工艺温度稳定：对于需要维持特定温度的设备和管道，保温可以减少环境温度波动对内部温度的影响，保证工艺过程的稳定性和产品的一致性。3.防止烫伤和泄漏：高温设备和管道外表面温度很高，保温可以降低外表面温度，防止人员烫伤。同时，对于盛装流体介质的管道，保温可以减少因温差导致的热应力，降低泄漏风险，提高安全性。4.保护设备和延长使用寿命：避免低温设备和管道在寒冷环境下因介质凝固或材料收缩产生应力损坏；避免高温设备和管道因外部低温而造成热应力或表面损坏。保温层外表面温度过高的可能问题：1.安全风险：外表面温度过高，存在严重的人员烫伤风险。2.能源浪费：表明保温效果不佳，热量损失严重，导致能源浪费。3.设备损坏：可能导致设备外层材料因过热而老化、变形或损坏。4.泄漏风险增加：对于压力管道，过热可能导致材料性能下降，增加泄漏风险。5.环境不适：可能导致周围环境温度过高，影响操作环境舒适度。五、换热器流动和传热型式：1.层流：流体分子呈平行层次流动，层与层之间几乎没有宏观混合。给热系数较低。通常发生在流速低、粘度高或管径大的情况下。2.湍流：流体质点运动轨迹复杂，相互激烈混合。给热系数较高。通常发生在流速高、粘度低或管径小的情况下。3.顺流（Co-current）：冷热两种流体沿相同方向流动。*特点：冷热流体进出口温度差沿流程逐渐减小。冷流体出口温度不可能高于热流体出口温度。最大温差出现在进口端。4.逆流（Counter-current）：冷热两种流体沿相反方向流动。*特点：冷热流体进出口温度差沿流程变化较小（除进出口端）。在相同条件下，逆流所需传热面积最小，且可以允许更高的冷/热流体出口温度（例如，使冷流体出口温度尽可能接近热流体进口温度）。最大温差出现在出口端。逆流与并流的主要区别：|特点|逆流(Counter-current)|并流(Co-current)||:-----------|:-----------------------------------------|:------------------------------------------||温差分布|沿程变化较小，平均温差较大（通常）|沿程逐渐减小，平均温差较小（通常）||传热效率|在相同条件下，通常传热效率更高（需传热面积小）|相同条件下，传热效率较低（需传热面积大）||出口温度|允许冷流体出口温度更高，热流体出口温度更低|冷流体出口温度总低于热流体出口温度||适用场合|广泛应用，尤其需要高效率或温差较小的场合|用于允许冷热流体出口温度有严格限制的场合||流动阻力|并流阻力通常小于逆流（尤其当温差较大时）||六、换热效率下降的可能原因：1.传热热阻增大：*污垢积垢：管内或管外流体侧发生腐蚀、结晶或沉积，形成污垢层，显著增加传热热阻。这是最常见的原因之一。*结垢不均或脱落：原有垢层脱落或分布不均，导致有效传热面积减少或局部热阻增大。*流道堵塞：管程或壳程流体因杂质、结晶等原因发生堵塞，导致流速下降，流体扰动减弱，给热系数降低。2.流量变化：*冷/热流体流量减小：流量减小导致流速降低，对流给热系数下降。*流量分配不当：在多管程或壳程结构复杂的换热器中，若流量分配不均，部分管程或区域换热效果差。3.流体物性变化：*流体成分变化：入口流体组分发生变化，影响其物理性质（如粘度、比热、导热系数），进而影响给热系数和传热过程。*温度变化：流体实际温度偏离设计值，导致物性变化和给热系数变化。4.设备结构问题：*换热管变形或损坏：管子因热应力、腐蚀等原因发生变形或断裂，破坏了传热通道。*管板或折流板问题：管板腐蚀、泄漏，或折流板安装不当、损坏，影响壳程流体的流动和分布。*密封失效：管程或壳程密封不严，导致流体泄漏，混合后改变流体的性质和传热性能。改进措施：1.清洗或去除污垢：定期或根据效率下降情况，对换热器进行化学清洗或物理清洗（如高压水射流），去除污垢层，恢复传热表面。2.调整操作参数：检查并确保冷/热流体流量符合设计要求，必要时进行调节或修复流量控制装置。3.改善流体条件：对流体进行预处理（如过滤、除杂），防止堵塞和结垢。4.检修或更换损坏部件：检查换热管、管板、折流板、密封等部件的状况，及时进行修复或更换。5.改造换热器：如果污垢难以清除或效率要求高，考虑更换传热效率更高的换热器类型（如板式换热器），或增加换热面积（如加翅片），或改进流体流动方式。6.优化操作：调整运行参数，避免长时间在非设计工况下运行。七、热阻概念：热阻（R）是指物体或系统中阻碍热量传递的属性，类似于电路中的电阻，表示传递单位热量所遇到的阻力。在传热学中，热阻通常表示为温度差（ΔT）与通过该层介质的热流密度（q，单位面积的热流率）之比：R=ΔT/q热阻的大小取决于介质的材料（导热系数λ）、厚度（Δx）以及传热面积（A）。对于稳态导热，通过多层串联介质的总热阻等于各层热阻之和。多层平壁/圆筒壁稳态导热分析：基本思路：1.假设：假设稳态导热，无内热源，各层接触良好，接触面温度相同。2.划分：将多层壁视为由若干个厚度为Δx_i、导热系数为λ_i、传热面积为A_i（通常假设为常数）的薄层串联而成。3.计算单层热阻：计算每层介质的导热热阻R_i=Δx_i/(λ_i*A_i)。4.叠加总热阻：对于平壁，总热阻R_total=R_1+R_2+...+R_n；对于圆筒壁，由于内外表面积不同，单层热阻R_i=Δx_i/(2πLλ_i)，总热阻需要用串联电阻的求和方式或积分方法计算（考虑面积变化）。5.计算总温差：总温差ΔT_total是壁两侧的总温度差。6.计算总热流密度：根据总热阻和总温差，计算通过整个壁面的热流密度q=ΔT_total/R_total。7.计算各层温差：利用串联电路中电压（温差）分配的原理，可以计算出每层界面处的温度和每层自身的温差。计算方法：*平壁：*总热阻：R_total=Σ(Δx_i/(λ_i*A_i))*总热流密度：q=(T_1-T_n)/R_total*第i层温差：ΔT_i=q*R_i*圆筒壁：*总热阻：R_total=Σ[Δx_i/(2πLλ_i)]*总热流密度：q=(T_1-T_n)/R_total*第i层温差：ΔT_i=q*R_i解析思路：1.理解热阻的基本概念及其在串联系统中的叠加性。2.根据题目描述判断是平壁还是圆筒壁问题。3.明确各层材料的导热系数和厚度（或内外径）。4.正确应用对应壁型的热阻计算公式。5.计算总热阻和总热流密度。6.根据需要，计算各层间的接触温度或各层的热量损失。八、有效能（㶲）概念：有效能（Exergy），也称㶲或可用能，是指一个系统在保持其自身状态不变的情况下，能够对外界（通常指环境）做最大有用功的能力。它是衡量能量品质或有效性的一个物理量，表示能量从“无效”变为“有效”的最大潜力。环境状态下的能量（如环境温度、压力下的流体）的有效能为零。引入意义：1.评价能量利用效率：有效能分析能够更准确地评价一个过程或系统的能量利用效率，即有效能损失率，揭示能量在转换和传递过程中“质”的退化程度，而不仅仅是能量损失量。传统能量效率（如㶲效率）更能反映不可逆性对能量品质的损害。2.识别节能潜力：通过分析有效能损失的主要环节，可以更有效地找到提高能量利用率和实现节能降耗的关键点和措施。3.优化能量系统：为设计和优化化工过程、能量转换装置（如热机、换热器）提供理论依据，指导如何减少不可逆过程，最大限度地提高有效能输出。简单工艺流程（以换热器为例）的有效能分析思路：1.确定系统：选择换热器作为分析系统。2.确定环境状态：明确换热器周围环境的热力学状态（T_0,P_0）。3.确定各物流状态：获取或计算换热器进出口（冷流体1、热流体2）流体的温度（T）、压力（P）、比