化工原理傳熱習題

1、傳熱一、填空(1) 在傳熱實驗中用飽和水蒸汽加熱空氣，總傳熱系數(shù)K接近于 空氣 側的對流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于 飽和水蒸汽 側流體的溫度值。(2) 熱傳導的基本定律是 傅立葉定律 。間壁換熱器中總傳熱系數(shù)K的數(shù)值接近于熱阻 大 （大、小）一側的a值。間壁換熱器管壁溫度tW接近于a值 大 （大、?。┮粋鹊牧黧w溫度。由多層等厚平壁構成的導熱壁面中，所用材料的導熱系數(shù)愈小，則該壁面的熱阻愈 大 （大、?。鋬蓚鹊臏夭钣?大 （大、?。?。(3)由多層等厚平壁構成的導熱壁面中，所用材料的導熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈 小 ，其兩側的溫差愈 小 。(4)在無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在 滯離層內(nèi)

2、（或熱邊界層內(nèi)） ，減少熱阻的最有效措施是 提高流體湍動程度 。(5) 消除列管式換熱器溫差應力常用的方法有三種，即在殼體上加 膨脹節(jié) 、 采用浮頭式 或 U管式結構 ；翅片管換熱器安裝翅片的目的是 增加面積，增強流體的湍動程度以提高傳熱系數(shù) 。(6) 厚度不同的三種材料構成三層平壁，各層接觸良好，已知b1>b2>b3，導熱系數(shù)l1<l2<l3，在穩(wěn)定傳熱過程中，各層的熱阻R1 > R2 > R3，各層導熱速率Q1 = Q2 = Q3。(7) 物體輻射能力的大小與 黑度 成正比，還與 溫度的四次方 成正比。(8) 寫出三種循環(huán)型蒸發(fā)器的名稱 中央循環(huán)管式 、

3、 懸筐式 、 外加熱式 。(9) 在大容積沸騰時液體沸騰曲線包括 自然對流 、 泡核沸騰 和 膜狀沸騰 三個階段。實際操作應控制在 泡核沸騰 。在這一階段內(nèi)，傳熱系數(shù)隨著溫度差的增加而 增加 。(10) 傳熱的基本方式有 傳導 、 對流 和 輻射 三種。熱傳導的基本定律是_傅立葉定律_其表達式為_dQ= -_。(11) 水在管內(nèi)作湍流流動，若使流速提高到原來的2倍，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的 1.74 倍；管徑改為原來的1/2而流量相同，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的 3.48 倍。（設條件改變后仍在湍流范圍）(12) 導熱系數(shù)的單位為 W/（m·） ，對流傳熱系數(shù)的單位為 W/（m2&

4、#183;） ，總傳熱系數(shù)的單位為 W/（m2·） 。二、選擇1 已知當溫度為T時，耐火磚的輻射能力大于鋁板的輻射能力，則鋁的黑度D耐火磚的黑度。A 大于 B 等于 C 不能確定 D 小于2 某一套管換熱器，管間用飽和水蒸氣加熱管內(nèi)空氣（空氣在管內(nèi)作湍流流動），使空氣溫度由20升至80，現(xiàn)需空氣流量增加為原來的2倍，若要保持空氣進出口溫度不變，則此時的傳熱溫差應為原來的 A 倍。A 1.149 B 1.74 C 2 D 不定3 一定流量的液體在一f25×2.5mm的直管內(nèi)作湍流流動，其對流傳熱系數(shù)ai=1000W/m2·；如流量與物性都不變，改用一f19×

5、;2mm的直管，則其a將變?yōu)?D 。A 1259 B 1496 C 1585 D 16784 對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式中普蘭特準數(shù)是表示 C 的準數(shù)。A 對流傳熱 B 流動狀態(tài) C 物性影響 D 自然對流影響5 在蒸氣空氣間壁換熱過程中，為強化傳熱，下列方案中的B在工程上可行。A 提高蒸氣流速 B 提高空氣流速 C 采用過熱蒸氣以提高蒸氣溫度 D 在蒸氣一側管壁加裝翅片，增加冷凝面積6 在兩灰體間進行輻射傳熱，兩灰體的溫度差為50，現(xiàn)因某種原因，兩者的溫度各升高100，則此時的輻射傳熱量與原來的輻射傳熱量相比，應該B。A 減小 B 增大 C 不變?nèi)⒑喆?1熱傳遞有哪幾種基本方式？ 熱傳導、對流、輻

6、射。 2各種傳熱方式相比較，熱傳導的主要特點是什么？ 在熱傳導中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移。 3各種傳熱方式相比較，對流的主要特點是什么？ 對流僅發(fā)生在流體中，流體各部分之間發(fā)生相對位移。 4各種傳熱方式相比較，熱輻射的主要特點是什么？ 熱輻射不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播。 5流體與固體壁面間對流傳熱的熱阻主要集中在何處？ 熱阻主要集中在緊挨固體壁面處的層流底層內(nèi)。 6強化對流傳熱的主要途徑是什么？ 提高流體的湍動程度，減小層流底層的厚度。 7在一套管換熱器中，若兩流體的進、出口溫度不變，應選擇并流換熱還是逆流換熱？為什么？ 應選擇逆流換熱，因為此時的對數(shù)平均溫差較大，可以節(jié)省換熱面積

7、。 8什么是黑體？ 吸收率等于1的物體稱為黑體。 9什么是白體？ 反射率等于1的物體稱為白體。 10什么是透熱體？ 透過率等于1的物體稱為透熱體。 11什么是灰體？ 能以相同的吸收率且部分地吸收由零到所有波長范圍的輻射能的物體稱為灰體。 12什么是物體的黑度？ 灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比稱為物體的黑度。 13在設計換熱器時，如何安排不潔凈和易結垢的流體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管內(nèi)，因為管內(nèi)清洗比較方便。 14在設計換熱器時，如何安排腐蝕性流體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 15在設計換熱器時，如何安

8、排壓強高的流體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量。 16在設計換熱器時，如何安排飽和蒸氣的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管間，便于及時排出冷凝液。 17在設計換熱器時，如何安排被冷卻的流體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。 18在設計換熱器時，如何安排粘度大的液體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述理由。 走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re值（Re100）下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 19在設計換熱器時，如何安排流量較小的流體的流徑（管內(nèi)或是管間）？簡述

9、理由。 走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re值（Re100）下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 20在列管換熱器中，擬用飽和蒸氣加熱空氣，傳熱管的壁溫接近哪一種流體的溫度？ 壁溫接近飽和蒸氣的溫度。 21在列管換熱器中，擬用飽和蒸氣加熱空氣，總傳熱系數(shù)接近哪一種流體的對流傳熱系數(shù)？ 總傳熱系數(shù)接近空氣的對流傳熱系數(shù)。 22在列管換熱器中，擬用飽和蒸氣加熱空氣，如何確定兩流體在換熱器中的流徑？為什么？ 空氣走管內(nèi)，飽和蒸氣走管間，以便于冷凝液的排放。 23污油與汽油換熱，如何安排兩流體的流徑? 為什么? 污油走管內(nèi)，汽油走管間，便于清洗。 24為什么內(nèi)部孔

10、隙多的材料保溫效果好? 因為大量的孔隙中包含著導熱系數(shù)非常小的氣體，對導熱不利，從而起到了保溫的作用。 25一鋼板的黑度為0.78, 其反射率為多少? 反射率為0.22。 26在強化傳熱的過程中，為什么要想辦法提高流體的湍動程度? 由于對流傳熱的熱阻主要集中在層流底層內(nèi)，提高流體的湍動程度能減薄層流底層的厚度，可以提高傳熱效果。 27在夏季人們?yōu)槭裁磹鄞\色衣服? 由于在陽光下淺色的衣服反射率較大，吸收的熱量少，使人們不至于感覺太熱。 28換熱器的殼程為什么要安裝擋板? 可以提高殼程流體的湍動程度，增強傳熱效果。 29雖然大氣層包圍著地球，但陽光仍能照射到地球表面，因為空氣是透熱體。此話對嗎？

11、為什么？ 不對，只有單原子氣體和對稱雙原子氣體是透熱體，而空氣中的二氧化碳和水蒸氣都可以部分地吸收太陽發(fā)射的輻射能。 30間壁式換熱器與混合式換熱器的區(qū)別是什么？ 間壁式換熱器是由固體壁面將冷、熱兩種流體分開，通過固體壁面?zhèn)鳠?，而混合式換熱器中則是將冷、熱兩種流體直接接觸、混合換熱。 四、計算1. 一臥式列管冷凝器，鋼質(zhì)換熱管長為3m，直徑為f25×2mm。水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過，并從17被加熱到37。流量為1.25kg/s、溫度為72烴的飽和蒸氣在管外冷凝成同溫度的液體。烴蒸氣的冷凝潛熱為315kJ/kg。已測得：蒸氣冷凝傳熱系數(shù)a0=800W/(m2·)，管內(nèi)

12、側熱阻為外側的40%，污垢熱阻又為管內(nèi)側熱阻的70%，試核算：（1）換熱器每程提供的傳熱面積（外表面為基準）；（2）換熱管的總根數(shù)；（3）換熱器的管程數(shù)。計算時可忽略管壁熱阻及熱損失，水的比熱為4.18kJ/(kg·)解： （1）換熱器每程提供的傳熱面積（外表面為基準），S1；由題意知，水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過，欲求S1，需先知道每程的管子數(shù)，每程的管子數(shù)等于所需冷卻水的總流量與單管內(nèi)水的流量之比。 兩流體交換的熱量為： 又 ， ，則 單管內(nèi)水的流量為：每程所需管子數(shù)為：取每程管子數(shù)為20， 則每程所能提供的傳熱外表面積為： (2) 換熱管的總根數(shù)；由所需的總傳熱面積可求取換

13、熱管的總根數(shù)。 由題給數(shù)據(jù)， 則任務所需的傳熱外表面積為： 換熱管總根數(shù)為： 取 (2) 換熱器的管程數(shù)。由題意管程數(shù)為： 2 在一單程逆流列管換熱器中用水冷卻空氣，兩流體的進口溫度分別為20和110。在換熱器使用的初期，冷卻水及空氣的出口溫度分別為45和40，使用一年后，由于污垢熱阻的影響，在冷熱流體的流量和進口溫度不變的情況下，冷卻水出口溫度降至38，試求：（1）空氣出口溫度為多少？（2）總傳熱系數(shù)為原來的多少倍？（3）若使冷卻水加大一倍，空氣流量及兩流體進口溫度不變，冷熱流體的出口溫度各為多少？（a水>>a空氣）（4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌伲拷猓?/p>

14、 使用初期 使用一年后 110 40 110 45 20 38 20（1）空氣出口溫度題意可得：使用初期 （1） 使用一年后 （2）兩式相比（2）/（1），得 則：=59.6（2）總傳熱系數(shù) 方程(2)式/(1)式，得： 故 （3）冷熱流體的出口溫度一年后 （3） （4）方程（4）式/（3），得： 整理前半式的方程 （5）又因 ， 故 由等比定理 則 整理得， （6）聯(lián)立（5）和（6），可得： ， （4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌伲?則 3 有一蒸汽加熱器，熱方：為飽和蒸汽冷凝，T=100；冷方：為生垢液體升溫，。(1) 在測試中，維持以上溫度條件不變，發(fā)現(xiàn)蒸汽凝液流

15、量，在清洗前后之比為1：2。 問：a 那些是控制熱阻？管程宜走那一方流體？簡述理由；b 清洗前，污垢熱阻約為該時總熱阻的多少分數(shù)？(2) 在操作中，若要求改為維持該加熱器的熱負荷不變。 問：隨著污垢的增加，調(diào)節(jié)飽和蒸汽的溫度和生垢液體的流量，是否都能達到要求？簡述理由（定性分析）。注：冷方流型為湍流、面積基準和物性變化可不考慮以及清洗后的垢阻為零。解：(1) a 垢層是主要控制熱阻，其次是垢層對液體的給熱過程，因傳熱過程的傳熱量取決于熱阻大的一方。管程宜走生垢液體，便于清洗，便于增大流速，可能減少垢層沉積在管子表面上，飽和蒸汽宜在管間（殼程）走，因流速對飽和蒸汽冷凝給熱系數(shù)幾乎無影響，而飽和蒸

16、汽冷凝的表面又不要求清洗，且在殼程流動易于及時排除冷凝水和不凝性氣體。b 維持不變時： 清洗前傳熱量 （1） 清洗后傳熱量 （2）（1）式與（2）式比較得： 清洗前后總熱阻的差值是污垢熱阻 所以 %(2) 在操作中，調(diào)節(jié)生垢液體流量，企圖減少垢層厚度來增加換熱量，是不能滿足的，因為生垢液體以為湍流，再增加流量時，所增加的換熱量決不能與所需要的熱量相當，這時會使出口溫度下降。只有調(diào)節(jié)飽和蒸汽的溫度來增加，使其滿足熱負荷的要求。假設垢層熱阻的增加，使其換熱量減少一半，（換熱量再減少即不能操作），這時蒸汽的溫度提高到160即可滿足要求。假設垢層的生成，其傳熱面積的變化忽略不計，而傳熱系數(shù)下降一半，則

17、推動力 增加一倍，這樣即可滿足其換熱器的熱負荷不變。4.有一換熱器，管內(nèi)通90的熱流體，膜系數(shù)為1100，管外有某種液體沸騰，沸點為50，膜系數(shù)為5800。試求以下兩種情況下的壁溫：（1）管壁清潔無垢 ；（2）外側有污垢產(chǎn)生，污垢熱阻為0.005解：忽略管壁熱阻，并假設壁溫為（1） 當壁很薄時，根據(jù)壁兩側的對流傳熱方程式可得： 則 （2） 同理 則 由此可知，壁溫總是比較接近熱阻小的那一側流體的溫度。5. 流量為2000kg/h的某氣體在列管式換熱器的管程流過，溫度由150降至80；殼程冷卻用水，進口溫度為15，出口溫度為65，與氣體作逆流流動，兩者均處于湍流。已知氣體側的對流傳熱膜系數(shù)遠小于

18、冷卻水側的對流傳熱膜系數(shù)，管壁熱阻、污垢熱阻和熱損失均可忽略不計，氣體平均比熱為1.02kJ/kg·，水的比熱為4.17kJ/kg·，不計溫度變化對比熱的影響，試求：（1）冷卻水用量；（2）如冷卻水進口溫度上升為20，仍用原設備達到相同的氣體冷卻程度，此時對數(shù)平均溫差為多少？（3）此時的出口水溫將為多少？（4）此時的冷卻水用量為多少？解：（1）冷卻水用量； （2）如冷卻水進口溫度上升為20，仍用原設備達到相同的氣體冷卻程度，此時對數(shù)平均溫差為多少？ 原情況 (1) 新情況 (2)因 ， ， 換熱器與氣體的情況未變， 則 ， 故 則 ， （<2， 則用算術平均值合適）對

19、新情況下的熱量進行衡算，故 6.在套管換熱器中用120的飽和蒸汽于環(huán)隙間冷凝以加熱管內(nèi)湍流的苯。苯的流量為4000kg/h，比熱容為1.9kJ/(kg·)，溫度從30升至60。蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為1×104W/(m2·)，換熱管內(nèi)側污垢熱阻為4×104m2·/W，忽略管壁熱阻、換熱管外側污垢熱阻及熱損失。換熱管為f54×2mm的鋼管，有效長度為12m。試求：（1）飽和蒸汽流量（其冷凝潛熱為2204kJ/kg）；（2）管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)ai；（3）當苯的流量增加50%、但其他條件維持不變時，苯的出口溫度為若干？（4）若想維持苯的出口溫度

20、仍為60應采取哪些措施？作出定量計算。解：（1）飽和蒸汽流量； （2）管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)ai； 整理得 （1） （2） （3）苯的流量增加50%，苯的出口溫度為若干 將其代入（2）式得 代入（1）式得 解得 （4）若想維持苯的出口溫度仍為60應采取哪些措施？作出定量計算。（a） 將管子加長， 由（1）式得 （b） 提高加熱蒸氣壓強（溫度） 解得 7. 一廢熱鍋爐，由f25×2鍋爐鋼管組成，管外為水沸騰，溫度為227，管內(nèi)走合成轉化氣，溫度由575下降到472。已知轉化氣一側ai=300W/m2·K，水側ao=10000W/m2·K，鋼的導熱系數(shù)為45W/m

21、83;K，若忽略污垢熱阻，試求：(1)以內(nèi)壁面為基準的總傳熱系數(shù)Ki;(2)單位面積上的熱負荷q(W/m2);(3)管內(nèi)壁溫度TW及管外壁溫度Ti;(4)試以計算結果說明為什么廢熱鍋爐中轉化氣溫度高達500左右仍可使用鋼管做換熱管。解：（1）Ki 所以 （2）q （3）管內(nèi)壁溫度TW 及 管外壁溫度Ti 因為 由上述方程可解出 ， （4）由計算結果可知，鋼管的內(nèi)外壁溫度接近水側沸騰的溫度，即接近于熱阻小的一側流體的溫度。盡管廢熱鍋爐中轉化氣溫度高達500左右，而鋼管的溫度小于238，故仍可在此高溫下使用鋼管做換熱管。8 水以一定流速在直管中作湍流流動，若管壁溫度不變?yōu)?50K，水的進出口溫度分

22、別為290K及295K，若水的流速增加一倍，則水的出口溫度變?yōu)槎啻螅拷猓呵?=2， =？ 以知 ， ， ， 水湍流流動，需對水側作熱量恒算可求。一般情況，水的進出口溫差小于10，那么溫度對物性參數(shù)影響較小，因此可以認為水的物性參數(shù)保持不變。由題意知，流速改變前： （1） 流速改變后： （2） 流速改變前 流速改變后 350K 350K 350K 350K 290K 295K 290K 則 又 （3）因物性參數(shù)不變，則： （4）（1）/（2），并將各參數(shù)帶入，可得： 9 現(xiàn)有一逆流冷卻器，用冷水冷卻油，使油溫從420K降到370K，水進口溫度為285K，出口溫度為310K。設油和水的流率、進口溫

23、度保持不變，將冷卻器長度增加一倍（其它尺寸不變），求油及水的出口溫度。解： 420K 370K 310K 285K對體系進行熱量恒算， 所以， （1） （2）冷卻器長度增加一倍后， 420K T2 t2 285K假設： 則 所以， （3） （4）（1）=（3） 1.95= （5）（2）=（4） 3.9= （6）解（5）和（6）方程，得： T2 =341.74K t2 =324.13K <2， 則用算術平均值合適。10 .某工廠有一臺列管式換熱器，每小時將一定量的氣體從80冷到60，冷卻水溫度由20升到30，氣體在管內(nèi)流過，冷卻水在管外與氣體成逆流。經(jīng)核算，該換熱器的傳熱系數(shù)，現(xiàn)生產(chǎn)需要氣體出口溫度更低，有人提出將一結構及大小與已用一臺完全一樣的換熱器并聯(lián)使用，氣體量與原一臺時相同，只是分成相等的兩股送入，冷卻水進出每個換熱器的溫度仍與原來的一樣。試計算：（1）此時氣體的出口溫度為多少？（2）兩臺換熱器應如何安排才能把氣