化工基礎第四章習題課

1、第四章第四章 傳熱過程及換熱器傳熱過程及換熱器 習習 題題 課課1.1.重點內容重點內容（1 1）熱傳導速率方程及其應用熱傳導速率方程及其應用（單層、多層平壁熱傳導速率方（單層、多層平壁熱傳導速率方程，單層、多層圓筒壁熱傳導速率方程及其應用程，單層、多層圓筒壁熱傳導速率方程及其應用）；）；（2 2）對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)的影響因素的影響因素（3 3）傳熱過程傳熱過程的計算的計算（4 4）總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)的總傳熱速率方程和總傳熱系數(shù)的計算；計算；2.2.難點內容難點內容（1 1）總）總傳熱速率方程；傳熱速率方程；（2 2）因次分析法在建立對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的應用；影響對流傳）因次分析

2、法在建立對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式的應用；影響對流傳熱系數(shù)的因素及不同情況下的幾種準數(shù)關聯(lián)熱系數(shù)的因素及不同情況下的幾種準數(shù)關聯(lián)式；式；（3 3）傳熱單元數(shù)法的概念）傳熱單元數(shù)法的概念及工程及工程的應用（操作型的傳熱的應用（操作型的傳熱計算）計算）（4 4）換熱器的結構型式和強化途徑。）換熱器的結構型式和強化途徑。 1、傳導傳熱、傳導傳熱 2、對流傳熱、對流傳熱 3、輻射傳熱、輻射傳熱 1 1、傅立葉定律、傅立葉定律dxdTA金屬金屬 液體液體 氣體氣體2 2、平壁熱傳導、平壁熱傳導單層單層多層多層RTATT21niiinATT1113 3、圓筒壁熱傳導、圓筒壁熱傳導單層單層多層多層）（）（1221l

3、n2rrTTLniiiirrTL11ln12T=T1Tn+11 1、牛頓冷卻定律、牛頓冷卻定律)(WTThA2 2、表面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)傳熱系數(shù)h h的計算的計算直直管內強制對流管內強制對流湍流湍流層流層流過渡流過渡流液體的沸騰液體的沸騰1.1.傳熱總方程傳熱總方程221111AhAAhtTKA t總阻力總推動力RtRtii1 12211h AAh AR2.2.傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K K單層平面壁單層平面壁21111hhK1 122111h AAh ARKA單層圓筒壁面單層圓筒壁面2211111AhAAhmKA22112121hAAAhAmK 2111121hRRhKhih 122112121212l

4、nlnmttTTtttttTttT 122112121212lnlnmttTTtttttTttT ldAnTKAmm管數(shù)：面積：一、填空一、填空(1) (1) 用飽和水蒸汽加熱空氣，總傳熱系數(shù)用飽和水蒸汽加熱空氣，總傳熱系數(shù)K K接近于接近于 側的對側的對流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于 側流體的溫度值。側流體的溫度值。(2) (2) 熱傳導的基本定律是熱傳導的基本定律是 。間壁換熱器中總傳熱系。間壁換熱器中總傳熱系數(shù)數(shù)K K的數(shù)值接近于熱阻的數(shù)值接近于熱阻 （大、?。┮粋龋ù蟆⑿。┮粋鹊牡膆 h值值。間壁換熱器。間壁換熱器管壁溫度管壁溫度tW接近接近于于h值值 （大、?。┮粋?/p>

5、的流體溫度。（大、?。┮粋鹊牧黧w溫度。(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)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)愈愈大，則該壁面的熱阻愈大，則該壁面的熱阻愈 ，其兩側的溫差愈，其兩側的溫差愈 。(4)(4)在無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在在無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在 ，減少熱阻的最有效措施是減少熱阻的最有效措施是 。習習 題題一、填空一、填空(1) (1) 用飽和水蒸汽加熱空氣，總傳熱系數(shù)用飽和水蒸汽加熱空氣，總傳熱系數(shù)K K接近于接近于空氣空氣 側的側的對流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于對流傳熱系數(shù)，而壁溫接近于飽和水蒸汽飽和水蒸汽側流體的溫度值。

6、側流體的溫度值。(2) (2) 熱傳導的基本定律是熱傳導的基本定律是傅立葉定律傅立葉定律。間壁換熱器中總傳熱系。間壁換熱器中總傳熱系數(shù)數(shù)K K的數(shù)值接近于熱阻的數(shù)值接近于熱阻大大（大、?。┮粋鹊模ù?、小）一側的 值。間壁換熱器值。間壁換熱器管壁溫度管壁溫度tWtW接近于接近于 值值大大（大、小）一側的流體溫度。（大、小）一側的流體溫度。(3)(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)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，則該壁面的熱阻愈愈大，則該壁面的熱阻愈小小，其兩側的溫差愈，其兩側的溫差愈小小。(4)(4)在無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在在無相變的對

7、流傳熱過程中，熱阻主要集中在 滯離層滯離層內（或熱邊界層內），內（或熱邊界層內），減少熱阻的最有效措施是減少熱阻的最有效措施是 提高流體提高流體湍動程度湍動程度。，（6) 6) 在大容積沸騰時液體沸騰曲線包括在大容積沸騰時液體沸騰曲線包括 、 和和 三個階段。實際操作應控制在三個階段。實際操作應控制在 。在這一階段內，傳熱系數(shù)。在這一階段內，傳熱系數(shù)隨著溫度差的增加而隨著溫度差的增加而 。(7) (7) 傳熱的基本方式有傳熱的基本方式有 、 和和 三種。熱傳導的基三種。熱傳導的基本定律是本定律是其表達式為其表達式為dQdQ= = 。(8) (8) 導熱系數(shù)的單位為導熱系數(shù)的單位為 ，對流傳熱系

8、數(shù)的單位，對流傳熱系數(shù)的單位為為 ，總傳熱系數(shù)的單位為，總傳熱系數(shù)的單位為 。(6) (6) 在大容積沸騰時液體沸騰曲線包括在大容積沸騰時液體沸騰曲線包括自然對流自然對流 、 泡泡核沸騰核沸騰和和膜狀沸騰膜狀沸騰三個階段。實際操作應控制在三個階段。實際操作應控制在泡核沸泡核沸騰騰。在這一階段內，傳熱系數(shù)隨著溫度差的增加而。在這一階段內，傳熱系數(shù)隨著溫度差的增加而增加增加。(7) (7) 傳熱的基本方式有傳熱的基本方式有傳導傳導、對流對流和和輻射輻射三種。熱傳導三種。熱傳導的基本定律是的基本定律是傅立葉定律傅立葉定律 其表達式為其表達式為 dQ=-dQ=-dAdt/ddAdt/d 。(8) (8

9、) 導熱系數(shù)的單位為導熱系數(shù)的單位為W/W/（mm） ，對流傳熱系數(shù)，對流傳熱系數(shù)的單位為的單位為W/W/（m2m2），總傳熱系數(shù)的單位為，總傳熱系數(shù)的單位為W/W/（m2m2）。1 1熱傳遞的基本方式是：傳導、（熱傳遞的基本方式是：傳導、（ ）、輻射。）、輻射。 A A 對流；對流；B B 流動；流動；C C 傳遞；傳遞；D D 透熱透熱2 2物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為（子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為（ ）。）。 A A 熱傳導；熱傳導；B B 熱傳遞；熱傳遞；C

10、C 熱放射；熱放射；D D 熱流動。熱流動。 3 3物質導熱系數(shù)的順序是：（物質導熱系數(shù)的順序是：（ ）。）。 A A金屬一般固體液體氣體；金屬一般固體液體氣體；B B金屬液體一般固體氣金屬液體一般固體氣體；體； C C金屬氣體液體一般固體；金屬氣體液體一般固體；D D金屬液體氣體一般固金屬液體氣體一般固體。體。 A A、 A A、 A A、二、選擇二、選擇4 4在管殼式換熱器中，不潔凈和易結垢的流體宜走管內，因在管殼式換熱器中，不潔凈和易結垢的流體宜走管內，因為管內（為管內（ ）。）。A A 清洗比較方便；清洗比較方便；B B 流速較快；流速較快；C C 流通面積??；流通面積??；D D 易于

11、傳熱。易于傳熱。 5 5在管殼式換熱器中，被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼在管殼式換熱器中，被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，（向外的散熱作用，（ ）。）。 A A 以增強冷卻效果；以增強冷卻效果； B B 以免流速過快；以免流速過快； C C 以免流通面積過??；以免流通面積過??； D D 以免傳熱過多。以免傳熱過多。 6 6有一套管換熱器，環(huán)隙中有有一套管換熱器，環(huán)隙中有119.6119.6的蒸氣冷凝，管內的空的蒸氣冷凝，管內的空氣從氣從2020被加熱到被加熱到5050，管壁溫度應接近（）。，管壁溫度應接近（）。A 20A 20；B 50B 50；C 77.3C 77.3；D

12、119.6D 119.6。 A、 A、D三、簡答三、簡答 1 1熱傳遞有哪幾種基本方式？熱傳遞有哪幾種基本方式？ 熱傳導、對流、輻射。熱傳導、對流、輻射。 2 2各種傳熱方式相比較，熱傳導的主要特點是什么？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。在熱傳導中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移。 3 3各種傳熱方式相比較，對流的主要特點是什么？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。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 4流體與固體壁面間對流傳熱的熱阻主要集中在何處？流體與固體壁面間對流

13、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。熱阻主要集中在緊挨固體壁面處的層流底層內。 5 5強化對流傳熱的主要途徑是什么？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。提高流體的湍動程度，減小層流底層的厚度。 6 6在一套管換熱器中，若兩流體的進、出口溫度不變，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。大，可以節(jié)省換熱面積。 7 7在設計換熱器時，如何安排不潔凈和

14、易結垢的流體在設計換熱器時，如何安排不潔凈和易結垢的流體的流徑（管內或是管間）？簡述理由。的流徑（管內或是管間）？簡述理由。 走管內，因為管內清洗比較方便。走管內，因為管內清洗比較方便。 四計算：四計算：1.在一間壁式換熱器中，用裂化渣油來加熱原油。裂化渣油的在一間壁式換熱器中，用裂化渣油來加熱原油。裂化渣油的初溫為初溫為300, 終溫為終溫為200，原油的初溫為，原油的初溫為25，終溫為，終溫為150, 分別求出并流與逆流操作時的對數(shù)平均溫度差。分別求出并流與逆流操作時的對數(shù)平均溫度差。 解：（解：（1）并流）并流 t1 = 300-25 = 275, t2 = 200-150 = 50 t

15、 tm m = (275-50) /= (275-50) /lnln (275/50) = 131.98 (275/50) = 131.98 （2 2）逆流逆流 t t1 1 = 300-150 = 150= 300-150 = 150, , t t2 2 = 200-25 = 175= 200-25 = 175 t tm m = (175-150) /= (175-150) /lnln (175/150) = 162.8 (175/150) = 162.8 2一套管式換熱器管內流體的對流傳熱系數(shù)一套管式換熱器管內流體的對流傳熱系數(shù)i = 20 W/（m2），管間流體的對流傳熱系數(shù)），管間流體

16、的對流傳熱系數(shù)0 = 350 W/（m2）。）。若將管內和管間兩種流體的對流傳熱系數(shù)分別提高一倍，總傳熱若將管內和管間兩種流體的對流傳熱系數(shù)分別提高一倍，總傳熱系數(shù)系數(shù)K分別相應增加多少？（管壁熱阻及污垢熱阻可忽略不計，分別相應增加多少？（管壁熱阻及污垢熱阻可忽略不計，管壁厚度按薄壁管處理）管壁厚度按薄壁管處理） 解：原流動情況解：原流動情況 m2/W K=18.92 W/ m2 （1）管內對流傳熱系數(shù)增加一倍）管內對流傳熱系數(shù)增加一倍 = 220= 40 W/ m2 K=35.9 W/ m2 （35.9-18.92）/18.92 = 89.75% （2）管外對流傳熱系數(shù)增加一倍）管外對流傳熱

17、系數(shù)增加一倍 = 2350 = 700 W/ m2 K = 19.44 W/ m2 （19.44-18.92）/18.92 = 2.75%3.3.在一單程逆流列管換熱器中用水冷卻空氣，兩流體的進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口溫度分別為2020和和110110。在換熱器使用的初期，冷卻水。在換熱器使用的初期，冷卻水及空氣的出口溫度分別為及空氣的出口溫度分別為4545和和4040，使用一年后，由于，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況下，冷卻水出口溫度降至383

18、8，試求：，試求：（1 1）空氣出口溫度為）空氣出口溫度為多少？多少？（2 2）總傳熱系數(shù)為原來的多少倍？）總傳熱系數(shù)為原來的多少倍？（3 3）若使冷卻水加大一倍，空氣流量及兩流體進口溫度不）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？（變，冷熱流體的出口溫度各為多少？（ 水水 空氣）空氣）（4 4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌?？為多少？解：解?使用初期使用初期 使用一年后使用一年后 110 40 110 110 40 110 45 20 38 20 45 20 38 202T（1 1）

19、空氣出口溫度）空氣出口溫度題意可得：使用初期題意可得：使用初期 2TmphhpcctKSTTCWttCWQ)()(2112 使用一年后使用一年后 mphhpcctKSTTCWttCWQ)()(22112兩式相比得：兩式相比得： )2045()2038()40110()110(2T則：則： = 59.6= 59.62T（2 2）總傳熱系數(shù)）總傳熱系數(shù) KK / CtCtTtTtTtTtmm2 .546 .3972ln6 .3972206 .5938110ln)202 .59()38110(2 .342065ln2065ln)()(122112212 .382 .54)2045()2038(KK%50. 0KK（3 3）冷熱流體的出口溫度）冷熱流體的出口溫度 22Tt 及一年后：一年后： mphhpcctSKTTCWttCWQ)()(2112mphhpcctSKTTCWttCWQ )()(2211220110ln)20()110(2 .5412038)20(26 .59110110222222 TtTtKK