传热与传质复习.docx

石工10级8班复习资料
传热与传质复习

考试时间：100分钟

考试题型：判断题（10题20分）、填空题（10空20分）、简答分析题
（1题10分）、计算题（4题50分）

判断填空题：基本概念、小计算

简答分析题：基本定义的理解、公式的简单推导、证明、对实际现象的分析

计算题：
1、稳态导热的计算（平壁、圆筒壁）
2、非稳态导热的计算（集总参数分析法，先算Bi）
5选2
3、简单的对流换热计算（不试算，注意公式选择，修正项，选对定性温度和定型尺寸）
4、热辐射的简单计算（斯蒂芬—波尔兹曼定理，维恩位移定理）
5、传热过程的计算（传热系数、热阻计算）
必考
6、换热器的热计算（对数平均温差法、有效度—传热单元数法）
7、单向扩散与等摩尔逆向扩散的通量计算

传热与传质模拟题一
一、判断题
1、等温线一定垂直于绝热边界（√）
2、在圆筒壁外敷设保温层都可以削弱传热（×）
3、强迫对流换热系数一般大于自然对流换热系数（√）
4、温度梯度的方向指向温度降落的方向（×）
5、集总参数分析法认为温度分布和空间位置无关（√）
6、无论紊流流动还是层流流动的对流换热过程，热阻主要位于边界层内属于层流流动的部分（√）
7、单向扩散的（√）
8、在化学反应中一般通量是计算和√）
9、扩散通量为零的组分称为呆滞组分（×）
10、在Sc=1时普朗特类比可转化为雷诺类比（√）
二、填空题
1、厚度δ，导热系数λ为常数的大平壁的单位面积导热热阻是_δ/λ 。
2、保温材料是指导热系数小于_0.12 W/(m·K)_的材料。
3、金属含有较多的杂质，则其导热系数将 减小 。
4、在传热学中热量传递的基本方式有三种，分别是 热传导 、 热对流 、 热辐射 ；在传质学中质量传递的两种基本方式是 分子扩散 和 对流扩散 。
5、对于许多工程材料，在一定的温度范围内，导热系数可以认为是温度的线性函数，即 λ=λ0(1+bt) 。
6、导温系数a称作 热扩散系数 ，它的单位是 ｍ2/ｓ ；导温系数大的材料，物体各部分温度趋于一致性的能力 强 。
7、无限长圆筒壁的单位管长导热热阻是
8、气体在多孔介质中的扩散主要有 斐克扩散 、 努森扩散 、 表面扩散 。
9、温度为288K，压力为1bar时，一氧化碳在氮气中的扩散系数为1.945×10-5 m2/s，则温度为303K，压力为2bar时，一氧化碳在氮气中的扩散系数为 1.05×10-5 m2/s 。
10、一维稳态无化学反应常物性时，通过呆滞组分扩散的浓度分布曲线是 指数曲线 ，等摩尔逆向扩散的浓度分布曲线是 直线 ；一维稳态无内热源常物性时，圆筒壁的温度分布曲线是 对数曲线
三、简答分析题
简述传热学在石油工程中的应用：
1、在钻井工业中，随井眼的加深地温升高，无论是钻井液中使用的化学处理剂还是粘土颗粒，其化学性能都将受到不良影响，从而使钻井液失去稳定性，因此，预测深井中的井温分布对钻井液的研制起着指导性作用，对快速、优质、安全钻井有重要意义；同时，井内温度分布对固井水泥浆性能、井壁稳定性、岩石破碎及钻头工作性能都有一定影响。
2、对稠油和高凝油的开采，加热降粘或维持温度能有效减小流动阻力，提高采收率；水力压裂的压裂液性能也受温度分布的影响。
3、石油运输行业中，依据原油受热粘度降低，可减小管输阻力，降低运输难度和运输成本，为后续工艺要求打下基础。

四、计算题
1、热处理工艺中，常用银球来测定淬火介质的冷却能力。今有直径为20mm的银球，加热到650℃后置于20℃的静止水容器中。当银球中心温度均由650℃变化到450℃时，用热电偶分别测得的降温速率为180℃／s。在上述温度范围内银的物性参数ρ＝10500 kg／m3，c＝2.62×102，。试求银球与水之间的表面传热系数。
解：本题表面传热系数未知，即Bi数为未知参数，所以无法判断是否满足集总参数法条件。为此，先假定满足集总参数法条件，然后验算。
，
，
由，得：

验算Bi数：

满足集总参数条件，上述分析和计算是合理的。
2、采用测定铂丝电阻的方法可间接测出横掠铂丝的空气速度。现测得铂丝d=0.1mm，长10mm，电阻0.2，通过电流1.2A，表面温度为200℃，空气温度为20℃。已知，空气物性参数见下表。求气流速度。
T，℃

Pr
20
2.59×10-2
15.06×10-6
0.703
110
3.27×10-2
24.29×10-6
0.687
200
3.93×10-2
34.85×10-6
0.680
解：定性温度，特征长度d=0.1mm
查表得=3.27×10-2，=24.29×10-6，Prm=0.687
由换热条件得：
即：
解得

又因
得 ，而
故，
3一台逆流套管式换热器在下列条件下运行，传热系数保持不变，冷流体质流量0.125kg/s，定压比热为4200，入口温度40℃，出口温度95℃。热流体质流量0.125kg/s，定压比热为2100，入口温度210℃， (1)该换热器最大可能的传热量是多少？(2)若冷、热流体侧的对流换热系数及污垢热阻分别为2000 W/(m2·K)、0.0004 (m2·K)/W、120 W/(m2·K)、0.0001(m2·K)/W，且可忽略管壁的导热热阻，试利用对数平均温差法确定该套管式换热器的换热面积；并说明为增强换热，应提高哪个换热系数。
解：（1）确定换热器最大可能的传热量：

(2)确定换热器的面积：
根据热平衡方程式 确定热流体出口温度，即：

对数平均温差：

换热量：

换热系数：

换热器的面积为：

为增强换热，应提高小的换热系数，即120 W/(m2·K)。
4、压力为1atm、温度为0℃的氧+氮二元扩散系，在扩散路径上相距2mm的两点氧气浓度分别为10%和20%的容积百分数，已知0℃和1atm条件下。试分别计算以下两种扩散条件下的氧的通量：
（1）氮为呆滞气体；
（2）等摩尔逆向扩散。
解：（1）

（2）

传热与传质模拟题二
一、判断题
1、热传导和热对流都没有能量形式的转化（√）
2、一般导电性好的金属，导热性也好（√）
3、毕渥数和努谢尔特数表达式一样，意义和用途也一样（×）
4、冷热流体进出口温度相同的情况下，逆流的对数平均温差大于顺流（×）
5、任何情况下，逆流的换热器有效度都大于顺流（×）
6、在工业高温范围内，辐射主要是可见光（×）
7、自然界并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们都是理想模型（√）
8、影响扩散系数的因素主要是温度、压力和系统组分（√）
9、在传质设备的工程计算中，常用和（×）
10、稳态导热时通过长圆筒壁内的不同半径柱面上的热流密度相等 （×）
二、填空题
1、雷诺类比假设紊流流动是由 层流底层 和 紊流核心 组成的。
2、如果温度不仅随其 空间 变化，而且还随 时间 而变化，则该温度场称之为非稳定温度场。
3、边界层内壁面速度梯度及温度梯度 最大 。
4、格拉晓夫准则的数值反映 浮升力 与 粘性力 之比。
5、太阳辐射最大单色辐射力对应的波长为λ=0.5μm，据此可知太阳的表面温度约为__5795.2 K_。
6、普朗克定律确定了黑体单色辐射力Eb和 波长λ 与 绝对温度T 之间的函数关系。
7、呆滞组分是指 净通量为零 的组分。
8、雷诺类比的结论是。
9、有一O2（A）与CO2（B）的混合物，温度为294K，压力为1.519×105Pa，已知yA=0.40，vA=0.88 m/s，那么，CA= 24.86 mol/m3 ，= 1.64 kg/ m3 ，nA= 。
10、已知温度为288K，压力为1bar时，；那么，温度为303K，压力为2atm时，。
三、简答分析题
有二维温度场和二维浓度场，其中不存在化学反应和内热源，温度和浓度分布都不随时间变化，各种物性参数视为常数，其中的流动也不存在整体流动，不考虑两个场的相互影响。
x=0，温度恒为tw0，A组分的浓度为CA0 ；
x=a，绝热，A组分的净通量为坐标y的函数；
y=0，有温度为tf的流体流过，对流换热系数为，传质膜系数为kc；
y=b，恒定热流密度，A组分无净通量。
试写出以上关于温度场和A组分浓度场的完整数学描述
温度场 浓度场：

四、计算题
1、一双层玻璃窗，宽1.1m，高1.2m，厚3mm，导热系数为1.05W/(m·K)；中间空气层厚5mm，设空气隙仅起导热作用，导热系数为0.026W/(m·K)。室内空气温度为25℃。表面传热系数为20W/(m2·K)；室外空气温度为-10℃，表面传热系数为15 W/(m2·K)。试计算通过双层玻璃窗的散热量，并与单层玻璃窗相比较。假定在两种情况下室内、外空气温度及表面传热系数相同。
解：(1)双层玻璃窗情形，由传热过程计算式：

(2)单层玻璃窗情形：

显然，单层玻璃窗的散热量是双层玻璃窗的2.6倍。因此，北方的冬天常常采用双层玻璃窗使室内保温。
2、100W灯泡的灯丝温度为2800K，黑度为0.3。试计算；
（1）灯丝所必需的最小面积
（2）单色辐射力为最大值时的射线波长
解：（1） 得：

（2）由维恩位移定理，

3、在油冷器中，油的进口温度th1=130℃，流量为0.5 kg/s,比热容为2220 。冷却水的进口温度tc1=15℃，流量0.3 kg/s，比热容为4182 。换热面积为2.4m2，传热系数。求顺流式和逆流式油冷器的有效度和二流体的出口温度。

解：油和水的热容量各为：

则热容比为：
传热单元数
（1）
逆流式：
则有，
又
即
得到，
（2）
顺流式：
则有，
同样方法求冷却水出口温度：
得，
4、地面上的水层温度为30℃，厚度为1mm，该处的摩尔分数yA1=0.0295，水蒸发到周围空气之间膜厚度为5mm，该处的摩尔分数为yA2=0.0032，空气温度为30℃，压力为1atm，试计算这些水蒸发到周围静止空气中需要多少时间。
解：以1m2的地面积为计算单位，
被蒸发的水的体积：
被蒸发的水的质量：
被蒸发的水的摩尔数：
单位时间单位面积上的扩散速率：
查得
那么，

所以，

因此，这些水蒸发到周围静止空气中需要的时间为：

传热与传质模拟题三
一、判断题
1、对流只能发生在流动的流体中（√）
2、换热系数与导热系数不同，它不是物性参数，而是与流体运动产生的原因，流动的状态，流体有无相变，流体的物性以及壁面的形状位置等许多因素有关（√）
3、相同温度下，黑体的辐射能力最强（√）
4、规定边界上的温度称为导热的第二类边界条件（×）
5、导热系数越大，对流换热系数越大；越大，越大；越大，越大（×）
6、对于短管和弯管，换热系数通常要比长的直管小些（×）
7、化学反应中，通常用（√）
8、等摩尔逆向扩散中，（√）
9、舍伍德数的物理意义是表面处浓度梯度与总浓度梯度的比值（√）
10、分子扩散系数的大小表示了物体导热能力的大小（×）
二、填空题
1、多层平壁传热过程中，为增强传热，应设法提高 小 的那个换热系数。
2、温度梯度是一个 向量 ， 正向 朝着温度增加的方向。
3、由两种不同材料制成的平壁紧密接触时进行的稳态导热过程，若已知δ1=δ2，
(t1-t2)＞(t2-t3)，则λ1 < λ2成立。
4、由于物性随温度变化，在对流换热条件下，流场内各处温度不同，自然各处的物性亦异。因此在计算中是以某一特征温度--定性温度来确定物性的。定性温度的选择有以下三种： 流体平均温度 、 壁面平均温度 、 流体与壁面的算术平均值 。
5、可见光波长范围是 0.38—0.76μm 。
6、黑体最大单色辐射力所对应的波长随温度升高向 波长减短 方向移动.其移动规律由 维恩位移 定律给出。
7、基尔霍夫定律确立了物体发射辐射的能力与它的__吸收 辐射的能力之间的关系。按照基尔霍夫定律，对灰体表面恒有__ε=α__。
8、弯管中，由于 离心力 的作用强化了对流换热，所以弯管修正系数必然 大于 1 。
9、在强迫对流换热中，若流体的流速减小，则对流换热系数将 减小 。
10、已知温度为288K，压力为1bar时，；那么，温度为400K，压力为5atm时，。
三、简答分析题
设，边界条件为x=0时t=tw1，时t=tw2，试求一维稳态导热无内热源，厚度为的平壁内的温度分布和热流密度，并分析平壁内温度分布曲线形状。
解：完整的数学描述为：

解得：
又 ， 积分：
那么，
又由 ，则有
故温度分布规律为：在时为凸曲线，时为凹曲线
四、计算题
1、某热输管道内直径350mm，外直径400mm，材料导热系数为，在外侧包一层厚度为50mm的保温材料，其导热系数为，若管内表面温度为55，保温材料外表面与空气的对流换热系数为，试求：
（1） 单位管长的散热量
（2） 保温层内表面的温度
解：（1）单位管长的散热量为：

（2）

得
2、外径为60mm的无缝钢管，壁厚5mm，，管内有温度为95℃的热水，流速25 cm/s。管内表面温度为80℃。钢管水平放置于20℃的大气中，近壁面处空气作自然对流，试求管外表面温度及钢管外侧与空气的对流换热系数。
（95℃时水的物性参数为：， ，管内强迫对流无因次准则方程：）
解：，为紊流

内侧换热系数为
单位长度换热量为：

由
得管外表面温度为：
而
则外侧换热系数为
3、某1-1型壳管式换热器利用水的余热预热空气，热水以50 kg/h的流量流过管内，进口温度80℃，出口温度45℃。空气在管外从相反方向流过，空气流量为727.86 kg/h，进口温度为25℃。冷热流体的比热为Cph=4.18 kJ/(kg·℃), Cpc=1.005 kJ/(kg·℃),管内外表面的对流换热系数各为500W/(m2·℃)和50W/(m2·℃)，管的内外直径分别为100mm和120mm，管子材料的导热系数为36 W/(m·℃)。试求所需的换热面积。

解：
又

以管外表面为准，

4、有一管道充满了空气和二氧化碳的混合气体，其温度为300K总压力为1atm，一端二氧化碳的分压力，另一端二氧化碳的分压力为，两端相距30cm。已知在1atm，273K时，，计算稳态条件下，二氧化碳的分子净摩尔通量。

解：

14