化工原理第三版传热习题.doc

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 侧流体得温度值。
(2) 热传导得基本定律就是 。间壁换热器中总传热系数K得数值接近于热阻 (大、小)一侧得a值。间壁换热器管壁温度tW接近于a值 (大、小)一侧得流体温度。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小,则该壁面得热阻愈 (大、小),其两侧得温差愈 (大、小)。
(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l1<l2<l3,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 。
(10) 传热得基本方式有 、 与 三种。热传导得基本定律就是___ _其表达式为_____。
(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。
A 1、149 B 1、74 C 2 D 不定
3 一定流量得液体在一f25×2、5mm得直管内作湍流流动,其对流传热系数ai=1000W/m2·℃;如流量与物性都不变,改用一f19×2mm得直管,则其a将变为 。
A 1259 B 1496 C 1585 D 1678
4 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f25×2mm。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a0=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·℃)]
解: (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:
每程所需管子数为:
取每程管子数为20, 则每程所能提供得传热外表面积为:

(2) 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) 换热器得管程数。
由题意管程数为:
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？(a水>>a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,,。
(1) 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？
(2) 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 %
(2) 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
（1） 当壁很薄时,根据壁两侧得对流传热方程式可得:

则
（2） 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f54×2mm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ai;(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ai;

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。
（a） 将管子加长, 由(1)式得

（b） 提高加热蒸气压强(温度)

解得
7、 一废热锅炉,由f25×2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ai=300W/m2·K,水侧ao=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
350K 350K 350K 350K
290K 295K 290K
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: 420K 370K
310K 285K
对体系进行热量恒算,

所以, (1)
(2)
冷却器长度增加一倍后,
420K T2
t2 285K
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、74K t2 =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 (1)
（1） 两台相同换热器并联使用

由于管间为水,管内为气体, 故有 气膜控制
又

所以
故

(2)
联立(1)式与(2)式解得:
（2） 两台相同换热器串联使用时

(3)
联立(1)式与(3)式解得:
因此两台串联使用可使气体出口温度降低到更低。
11 某车间需要安装一台换热器,将流量为30m3/h、浓度为10%得NaOH水溶液由20℃预热到60。加热剂为127℃得饱与蒸汽。该车间现库存一台两管程列管式换热器,其规格为φ25×2mm;长度为3m;总管数72根。试问库存得换热器能否满足传热任务？ 操作条件下,NaOH溶液得物性参数为
钢得导热系数
污垢热阻总与
解:对库存换热器进行传热能力核算

其中

蒸汽冷凝宜走壳程,NaOH水溶液走管程。
求管内NaOH水溶液一侧得

换热器得传热速率
该换热器得热负荷
因为 所以库存得换热器能够完成传热任务。
另一种解法:
由传热方程式求得完成传热任务所需要得传热面积为:

同上,换热器得热负荷
,
故
该库存换热器所提供得传热面积得传热面积为:

因为 所以 库存得换热器能够完成传热任务。
12热气体在套管换热器中用冷水冷却,内管为钢管,导热系数。冷水在管内湍流流动,给热系数,热气在环隙中湍流流动,给热系数。不计垢层热阻,试求:
（1） 管壁热阻占总热阻得百分数;
（2） 内管中冷水流速提高一倍,总传热系数有何变化？
（3） 内隙中热气体流速提高一倍,总传热系数有何变化？
解: (1)

==
总热阻 W
管壁热阻 =
管壁热阻分率为
(2)

增加
(3)

增加
由上可知,管壁热阻往往占分率很小,可忽略;提高K值,强化传热,应在小处着手。