第四章 传热 一、名词解释
1、导热
若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导（导热）。 2、对流传热
热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。热对流仅发生在流体之中, 而且必然伴随有导热现象。 3、辐射传热
任何物体, 只要其绝对温度不为零度 (0K), 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时, 该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。 4、传热速率
单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2） 5、等温面
温度场中将温度相同的点连起来，形成等温面。等温面不相交。
二、单选择题
1、判断下面的说法哪一种是错误的（ ）。 B A 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大；
B 在同一温度下，物体吸收率A与黑度ε在数值上相等，因此A与ε的物理意义相同； C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强； D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。
2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为_______ 。 C A 传导和对流 B 传导和辐射 C 对流和辐射
3、沸腾传热的壁面与沸腾流体温度增大，其给热系数_________。 C A 增大 B 减小
C 只在某范围变大 D 沸腾传热系数与过热度无关
4、在温度T时，已知耐火砖辐射能力大于磨光铜的辐射能力，耐火砖的黑度是下列三数值之一，其黑度为_______。 A A 0.85 B 0.03 C 1
5、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度______耐火砖的黑度。 D A 大于 B 等于 C 不能确定是否大于 D 小于
6、多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_____。 A A 成正比 B 成反比 C 没关系
7、在列管换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否正确： A
甲、传热管的壁温将接近加热蒸汽温度；
乙、换热器总传热系数K将接近空气侧的对流给热系数。 A 甲乙均对 B 甲乙均不对 C 甲对，乙不对 D 乙对，甲不对
8、列管换热器管程常用流速范围为：一般液体_______，气体__________。 A C A 0.5 - 3 m/s B 3 - 15 m/s C 5 - 30 m/s
9、一管壳式换热器，管内走液体，管间走蒸汽，由于液体入口温度下降，在流量不变情况下，仍要达到原来的出口温度t，此设备已不允许再提高蒸汽压力强度，采取简便有效措施______。 A A 管内加扰流内件 B 提高壳程数
10、碳钢的导热率为_______；不锈钢的导热率为_______；铜的导热率为_______，常压常温空气的导热率为_______；常温水的导热率为_______。 C, D, B, F, E A 151W/(m?℃) B 370W/(m?℃) C 45W/(m?℃) D 16W/(m?℃) E 0.62W/(m?℃) F 0.025W/(m?℃) 11、套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸气，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时 A B B ① 传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变 ② 空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 ③ 壁温 A 增大 B 略有减小 C 基本不变 12、一定流量的液体在一?25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流给热系数?＝1000W/(m2·℃)。如流量与物性都不变，改用一?19×2mm的直管，则其?值将变为__________ W/(m2·℃)。 D A 1059 B 1496 C 1585 D 1678
13、穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示。试比较第一层的热阻 R1与第二、三层热阻R2、R3的大小____________。 C A C A R1> (R2+R3) B R1< (R2+R3) C R1= (R2+R3) D 无法比较
14、①在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，换热器最好____________放置；冷却水应走____________。 A C A 水平 B 垂直 C 管内 D 管外
②已知某平壁外两层不等厚(b1 15、稳定传热是指______。 B A 传热系统中各点的温度不随位置和时间而变。 B 传热系统中各点的温度仅随位置变，而不随时间变。 C 传热系统中各点的温度不随位置变而随时间变。 D 传热系统中各点的温度随位置和时间而变。 16、棉花保温性能好，主要是因为______。 C A 棉纤维素导热率小； B 棉花中含有相当数量的油脂； C 棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到阻碍； D 棉花白色，因而黑度小。 17、无相变强制对流?来自_______。 C A 纯经验方法 B 纯理论方法 C 因次分析与实验结合（半理论、半经验方法） D 数学模型法 E 因次分析法 18、在蒸汽冷凝中，不凝气体的存在对?的影响是______。 B A 使?值升高 B 使?值大大降低 C 使?值有一定影响 D 对?值无影响 19、红砖的黑度为0.93，若温度为300℃，则红砖的发射能力为________W/m2。 B A 6112.3 W/m2 B 5684 W/m2 C 916.8 W/m2 D 1000 W/m2 20、换热器中冷热流体进出口温度一定时，下面说法中正确的是 。 D A ?tm并?tm折 21、对在蒸汽与空气间壁换热过程中，为强化传热下列方案中的_____在工程上可行。 A A 提高空气流速 B 提高蒸汽流速 C 采用过热蒸汽以提高蒸汽温度 D 在蒸汽一侧管壁上加装翅片，增加冷凝面积并及时导走冷凝液。 22、在间壁换热器中，当两流体均变温时，采用折流的目的是 。 A A 提高K B 提高?tm C 增加传热面积A D 使K和A均增加。 23、100℃时铜的导热率为_____，18℃时钢的导热率近似为_______，20℃时空气的导热率近似为______，20℃水的导热率近似为______。 C A B D A 45W/(m?K) B 0.026W/(m?K) C 377W/(m?K) D 0.6W/(m?K) 24、在相同温度下，实际物体的吸收率A与黑体的吸收率A0的关系是 。 C A A ? A0 B A ? A0 C A? A0 D 不一定 25、判断下面关于系统进行稳定传热时的说法哪一个是错误的_______。 C A 通过一定传热面的传热速率不随时间变化，为一定值； B 系统中任一点的温度维持恒定； C 总的传热速率等于通过垂直于热流方向的各传热面的传热速率之和； D 系统中任一传热面上的热通量在过程中不变。 26、一管壳式换热器，管内走液体，管间走蒸汽，由于液体入口温度下降，在流量不变情况下，仍要达到原来的出口温度t，此设备已不允许再提高蒸汽压力强度，采取简便有效措施______。 A A 管内加扰流内件 B 提高壳程数 27、有一列管换热器，由38根?25?2.5mm无缝钢管组成，某有机蒸汽在管外冷凝，管内通 冷却水，水流速0.5m/s，相应的Re=104及对流给热膜系数为?。当水流量减为一半时，对流给热膜系数改变为??，则 。 A A ???(1)? B ???(1)? 20.820.8C ???(1)? D 不一定 20.828、两流体在一套管换热器中换热，热流体温度由90℃降至60℃，冷流体温度由20℃升至50℃。若逆流操作，?tm＝ 。 D A 70℃ B 30℃ C 10℃ D 40℃ 29、热传递的基本方式是：（ ）、对流、辐射。 A A 传导 ； B 传递； C 放射； D 流动。 30、物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为（ ）。 A A 热传导； B 热传递； C 热放射； D 热流动。 31、流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为（ ）。 A A 对流； B 流动； C 传递； D 透热。 32、物质导热系数的顺序是：（ ）。 A A 金属＞一般固体＞液体＞气体； B 金属＞液体＞一般固体＞气体； C 金属＞气体＞液体＞一般固体； D 金属＞液体＞气体＞一般固体。 33、吸收率（ ）1的物体称为黑体。 C A 大于； B 小于； C 等于； D 近似于。 34、（ ）等于1的物体称为白体。 B A 吸收率； B 反射率； C 透过率； D 折射率。 35、单原子气体和对称双原子气体均可视为（ ）。 D A 白体； B 灰体； C 黑体； D 透热体。 36、液体是（ ）。 D A 白体； B 灰体； C 透热体； D 不透热体。 37、在管壳式换热器中，不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内（ ）。 A A 清洗比较方便； B 流速较快； C 流通面积小； D 易于传热。 38、在管壳式换热器中，腐蚀性的流体宜走管内，以免（ ），而且管子也便于清洗和检修。 A A 壳体和管子同时受腐蚀； B 流速过快； C 流通面积过小； D 传热过多。 39、在管壳式换热器中，压强高的流体宜走管内，以免（ ），可节省壳程金属消耗量。 A 壳体受压； B 流速过快； C 流通面积过小； D 传热过多。 A 40、在管壳式换热器中，饱和蒸气宜走管间，以便于（ ），且蒸气较洁净，它对清洗无要求。 A A 及时排除冷凝液； B 流速不太快； C 流通面积不太小； D 传热不过多。 41、在管壳式换热器中，有毒流体宜走管内，使（ ）。 A A 泄漏机会较少； B 流速很快； C 流通面积变小； D 传热增多。 42、在管壳式换热器中，被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，（ ）。 A 以增强冷却效果； B 以免流速过快； C 以免流通面积过小； D 以免传热过多。 A 43、在管壳式换热器中，黏度大的液体或流量较小的流体宜走（ ），因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re＞100）下即可达到湍流， 以提高对流传热系数。 B A 管内； B 管间； C 管径； D 管轴。 44、对于刚性结构的换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走（ ），因壁面温度与 大的流体温度相近，可以减少热应力。 B A 管内； B 管间； C 管径； D 管轴。 45、在管壳式换热器中安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的（ ），使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。 C A 黏度； B 密度； C 速度； D 高度。 46、有一套管换热器，环隙中有119.6℃的蒸气冷凝，管内的空气从20℃被加热到50℃，管壁温度应接近（ ）。 D A 20℃； B 50℃； C 77.3℃； D 119.6℃。 47、已知在温度T时耐火砖的发射能力（辐射能力）大于铜的发射能力，则铜的黑度为（ ），耐火砖的黑度为（ ）。 A B A 0.6； B 0.9； C 1.0； D 1.2。 48、两灰体间进行辐射换热，两者间的温度差为100℃。若将两灰体的温度各升高100℃，则此时的辐射传热量与原来的传热量相比，将（ ）。 A A 增大； B 减小； C 不变； D 不一定。 49、判断下面的说法哪一种是错误的（ ）。 B A 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大； B 在同一温度下，物体吸收率A与黑度ε在数值上相等，因此A与ε的物理意义相同； C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强； D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。 50、当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，判断下面的说法哪一个是错误的（ ）。B A 逆流时，Δtm一定大于并流、错流或折流时的Δtm； B 采用逆流操作时可以节约热流体（或冷流体）的用量； C 采用逆流操作可以减少所需的传热面积； D 温度差校正系数φΔ t 的大小反映了流体流向接近逆流的程度。 三、 填空题 1、对流给热的热阻主要在____________，此处的__________最大。 滞流内层 温差 2、热损失是_______损失和________损失之和。 热辐射传热引起的 对流给热引起的 3、列管式换热器中，壳程设有折流挡板，当两流体均无相变时，挡板能起强化传热的作用，其原因是 ①______________________________________________________________； ②______________________________________________________________； ③_____________________________________________________________ 。 ① 流速增大，使壳程?增大； ② 流体大部分横穿流过管束，流道短，边界层薄，比顺着管子纵向流动?高； ③ 流体在折流挡板间穿行时，流向及流速都在不断变化，增加了扰动，强化了传热。 4、水蒸气冷凝时的?比气体无相变时的?大得多，其原因是气体的_____________________ _________________________，而蒸汽冷凝，其凝液的_____________________________；且只有_______________才有热阻。 导热率小、密度小，整个气体都呈现热阻 导热率和密度都比气体大 很薄的液膜 5、在管式间壁换热器中，以外表面为基准的传热系数K的计算式为_________________，与之对应的传热量Q＝_______________。 Ko?1dobd1?Rs1??o?Rs2??idi?dm?o K0A0?tm 6、① 已知传热系数K=1250kcaL/(m2?h?℃)，在SI制中，K=_____W/(m2?K)；汽化潜热r=2200kJ/kg，在工程单位制中r =________________kcaL/kg。 ② 普兰德准数的定义式是__________________________。 C?① 1453 525 ② Pr?p ?7、在压强恒定的条件下，空气黏度随温度升高而________________。 增大 8、厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b1?b2?b3，导热率?1? ?2? ?3。在稳定传热过程中，各层的热阻R1 R2 R3，各层导热速率Q1 Q2 Q3。 >， > ； =， = 9、一包有石棉泥保温层的蒸汽管道,当石棉泥受潮后，其保温效果应_____________，主要原因是_______________________________________________________________。 降低 因水的导热率大于保温材料的导热率,受潮后,水占据一定的孔隙空间，使保温层材料导热率增大,保温效果降低。 8、 蒸汽冷凝放热时，要经常注意排放_________________，这是因为 ___________________ ________________________________________________________。 不凝气和冷凝水 不凝气构成附加的气膜传热阻力，而冷凝水的积累减小换热面积。 11、①设置隔热挡板是____________辐射散热的有效方法。挡板材料的黑度愈低，辐射散热量 ____________。 ②有一单层平壁如图所示。已知材料的导热率?为常数，从左等温面t1至右等温面t2 的稳定导热热流量为Q，则平壁内的温度分布表达式为__________________________。 ① 减少 愈低 ② Q??(t1?t)x?t?t1?Qx? 12、某物体（可近似为灰体）在20℃时，其黑度为ε=0.8，其吸收率为______________。 0．8 13、浮头式或带膨胀节的换热器适用于____________ 与____________流体的温差很大的场合。 管程 壳程 14、① 根据有无热补偿或补偿方法不同，列管式热器的一般结构型式有__________________、 __________________、__________________。 ② 换热器中，热流体由200℃ 冷却到140℃，冷流体由20℃升高到35℃，热流体的热容量流率较小, 则传热效率为__________________。 ① 膨胀节；浮头式；U型管 ② 33.3% 15、消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加______________，采用______________结构或采用______________式结构。 膨胀节 浮头式 U型管 16、如图所示，为尽量减少Ａ、Ｂ两个温度不同的固体表面间的辐射传热，可以采取的措施 是________________________________________________。 在两固体壁面间，平行放置多块黑度较小的遮热板。 17、① 用冷却水将一定量的热流体由100℃冷却到40℃，冷却水初温为15℃，在设计列管式换热器时，采用两种方案比较。方案Ⅰ是令冷却水终温为30℃，方案Ⅱ是令冷却水终温为35℃，则用水量W1___W2，所需传热面积A1___A2。 ② 如图所示,蒸汽在管束外冷凝，(a)、(b)两种排列方式的其它条件均一样，比较它们的冷凝给热系数的大小?a___?b，因为______________________________________。 ① 大于, 小于 ② 大于,因为冷凝液从上面各排流到下面各排,液膜逐排增厚,沿垂直方向管数愈多,液膜愈厚。 18、两流体的间壁换热过程中Q?WCp?t计算式中，?t表示 。 T1-T2 或t2-t1 19、设备保温层外包一层表面_________、颜色_________的金属，可使设备的热损失减少。 光滑 较浅 20、举出五种间壁式换热器____________、____________、____________、____________、____________。 套管式换热器，列管式换热器，夹套式换热器，板式换热器，螺旋板式换热器，蛇管式换热 器，板翅式换热器等任选五种。 21、导热率的物理意义是____________________________________，其SI制的单位为_____________，工程制的单位为_______________。 单位温度梯度、单位导热面积上所传导的热量 W/(m?℃) 千卡/小时?米?℃ 22、① 定性温度是指____________________。 ② 沸腾传热可分为三个区域，它们是____________、____________和____________，生产中的沸腾传热过程应维持在____________区操作。 ① 确定准数中各物性参数的温度 ② 自然对流区 核状沸腾区 膜状沸腾区 核状沸腾 23、对多层圆筒壁的热传导，通过各层的传热速率________，热通量________,沿圆筒壁的径向温度分布为____________线。 相等 不相等 曲线 24、① 已知导热率λ=2.388×10-3Cal/(cm?s?℃), 此值在SI制中为__________W/(m?K)。 ② 写出比热Cp的单位，工程制为____________，SI制为____________。 ③ 物体的辐射传热速率与其绝对温度的_________次方成正比。 ① 1 ② kCaL/(kg?℃), J/(kg?℃) ③ 四 25、在传热实验中，用饱和水蒸气加热空气，总传热系数Ｋ接近于____________侧的对流传热系数，而壁温接近于________________侧流体的温度。蒸汽冷凝时的对流给热系数?较大。原因是__________________________。 空气 饱和水蒸气 蒸汽冷凝时释放较大冷凝潜热 26、① 估计列管式换热器中金属管壁的温度tw，壳程为0.1MPa的饱和水蒸气冷凝。 A 管程是平均温度为40℃的空气，tw约为________； B 管程是平均温度为40℃的水，水的对流给热系数为2000W/(m2?℃)，基于内面积的总传热系数Ki=1600W/((m2?℃)) ，tw约为_______。 ② 在设计时，欲略为增大一卧式冷凝器的传热面积，从有利于传热角度看，宜采取的措施为_____________，因为_____________________________。 ① (1) 100℃ (2) 88℃ ② 增加管长。 如果采用增加管数的办法,则沿垂直方向管数也增加,冷凝液从上面各排流到下面各排,液膜逐渐增厚,α降低。 27、管内湍流传热，流体内温度梯度最大的部分是在______________，原因是_____________ ____________________________________。 滞流底层 滞流底层的传热机理是导热, 流体的导热率一般比较低。 28、在稳态传热中，凡热阻大处其温差也____________。滴状冷凝的给热系数_________膜状冷凝给热系数。 大 大于 29、沸腾传热时，在核状沸腾区壁面与沸腾流体的温差愈大，则?__________。 越大 30、对于间壁式换热器：WcC（pt2?t1)?WhCh(T1?T2)?KA?tm等式成立的条件是 、 、 。 31、下列各种情况下的对流给热系数 空气流速为6m/s时的?1； 空气流速为25m/s 时的?2；水的流速为1.2m/s时的?3； 水的流速为2.5m/s时的?4； 蒸汽膜状冷凝时的?5之间的数值按自大而小的顺序为 ________ > ________ > ________ > ________ > ________。 ?5 ?4 ?3 ?2 ?1 32、不需要任何介质的传热称为（ ）传热。 辐射 33、在列管式换热器中，流体在管内流动称为流经（ ）。 管程 34、列管式换热器中，流体在（ ）流动称为流经壳程。 管间 35、能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞的所有波长范围的辐射能的物体称为（ ）。 灰体 36、在辐射传热中，气体的反射率为（ ）。 0 37、在辐射传热中，黑体的透过率为（ ）。 0 38、在辐射传热中，灰体的透过率为（ ）。 0 39、灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的（ ）。 黑度 40、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则传热管的壁温接近（ ）的温度。 饱和蒸气 41、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则总传热系数Ｋ接近（ ）的对流传热系数。 空气 42、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则空气应走（ ）。 管内 43、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则饱和蒸气应走（ ）。 管间 44、判断下列物性数值大小?金属 ____ ?液 ___?气。 ＞ ＞ 四、判断题 （每题1分） 1、在辐射传热中，黑体的反射率为1。 （ × ） 2、对流传热包括强制湍流传热和强制层流传热。 （ × ） 3、滴状冷凝比膜状冷凝效果好。 （ √ ） 4、圆筒壁热传导是传热速率与热通量相等 （ × ） 5、一般固体、液体和气体相比较，导热系数值的大小顺序为固体＞气体＞液体。 （ × ） 6、夏季人们穿深色衣服不会感觉太热。 （ × ） 7、对流传热仅发生在流体中。 （ × ） 8、流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在流动边界层。 （ × ） 9、一套管换热器逆流操作与并流操作一样。 （ × ） 10、虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。 （ √ ） 五、问答题 1、在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，传热管的壁温接近哪一种流体的温度？ 为什么？ （3分） 答： 壁温接近饱和蒸气的温度。 因为 T?TWt?t ， 饱和蒸气的?o＞＞空气的?i，?w11?iAi?oAo则 1?i＜＜ 1?o 所以，T?TW＜＜tw?t,传热管的壁温接近饱和蒸气(?大)的温度。 2、为什么内部孔隙多的材料保温效果好? （3分） 因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。 3、在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度? （3分） 由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以提高传热效果。 4、在传热实验中，试分析说明饱和水蒸气与管壁间的对流给给热系数(α)如何确定的？并指出相应测试的基本参量有哪些？ （4分） 答：Q??A0(Ts?tw)?WcCp(t2?t1) ∴ ??WcCp(t2?t1)(Ts?tw)A0 即需测参数：空气流量Wc； 空气进、出口温度（ｔ1、ｔ2）； 饱和蒸汽压力,然后查出饱和蒸汽温度Ts ；管壁温（ｔw） 5、在蒸汽冷凝时，其冷凝液为层流流动，若要提高蒸汽冷凝的给热系数，可考虑采取哪些措施？ （4分） 答： 措施一：让液膜和蒸汽同向流动，则磨擦力使液膜流动加速，厚度减薄，从而使增大； 措施二：若为单根管，将垂直放置改为水平放置。若为管束，则需减小垂直列上的管数，或把管子排列旋转一定的角度； 措施三：及时排除不凝气体。 6、 ① 作图定性示出沸腾传热系数?随相应的传热温差Δｔ（壁面和沸腾液体之间）的变化关系。 ② 列管换热器封头装置隔板的作用是什么？ （4分） 答：① 如图 ② 隔板将管子分成若干组，构成多程换热器, 增大流速, 以提高管程?。 7、现场有一列管式加热器，管程有φd×δmm钢管n根，每根长L米,内通水。壳程为压力等于PPa(绝)的饱和水蒸气冷凝。今欲实测此换热器传热系数K，试问 ① 需要测取哪些数据?说出所用仪表。 ② 根据测得的数据列出计算K值的有关公式及计算方法。 （4分） 答： ① 需要测水的进、出口温度t1和t2，可使用温度计测量;需要的加热蒸汽温度,可使用热电偶测量, 需要测水的流量, 可使用转子流量计测量。 ② Q?W水Cp(t2?t1) 水换热器面积 A0?n?d0L 平均推动力 ?tm? ?t1??t2 ?t2?T?t1 ?t1?T?t2 ?tln(1?t2?V水Cp水（t2?t1)Q基于外表面的总传热系数 K0? ?A0?tmn?d0L??tm五、计算题 1、某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm，其导热系数分别为0.9 W/（ｍ·℃）及0.7 W/（ｍ·℃）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700℃, 外表面温度为130℃。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/（ｍ·℃）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740℃, 外表面温度为90℃。设两层材料的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？ （10分） 解：设单位面积炉壁的热损失为q（q?QS），加保温层前，是双层平壁的热传导 q1?t1?t3700?130??2240w/m2 （4分） b1b20.10.1???1?20.90.7t1?t4740?90??707w/m2 （4分） 0.10.10.04b1b2b3?????1?2?30.90.70.06q1?q22240?707??68.4% （2分） q12240加保温层后，是三层平壁的热传导 q2?热损失减少的百分数 2、外径为426 mm的蒸气管道, 其外包扎一层厚度为426 mm的保温层, 保温材料的导热系 数可取为0.615 W／(ｍ·℃)。若蒸汽管道的外表面温度为177℃, 保温层的外表面温度为38℃, 求每米管长的热损失。 （10分） 解：由已知 r2 = 0.426/2 = 0.213 m， r3 = 0.213 + 0.426 = 0.639 m （5分） 每米管长的热损失 Q2??(t2?t3)2??(177?38)???489w/m （5分） r0.639Llnln30.213r23、在一套管换热器中，用水蒸气加热空气，已知空气侧的对流给热系数为 40W/(m2?℃),蒸 汽冷凝侧的对流给热系数为5000W／(m2?℃)，现欲提高此传热过程的总传热系数,应从何着手解决？试用具体数据说明理由。（注：管壁热阻及污垢热阻可忽略,空气湍流） （15分） 解： 当忽略管壁及污垢热阻时 11111???? K?1?2500040K?39.7 W/(m2?℃) (4分) 由于?1>>?2,故应设法增大?2之值 在管程允许的压力降范围内增大空气的流量,设将空气流量提高2.4倍,则 ℃) ?2??2.40.8?2?2.40.8?40?80 W/(m2· K??11?1?1?111?500080?78.7 W/(m2·℃) (5分) ?2K?78.7???1.98 若将?1增大一倍?1?10000 W/(m?℃) (3分) K39.7K?39.8??1.98 (3分) K??39.8 W/(m?℃) K39.7 4、某厂精馏塔顶,采用列管式冷凝器,共有φ25×2.5mm的管子60根, 管长为2m,蒸汽走管间,冷却水走管内,水的流速为1m/s 。进、出口温度分别为20℃和60℃,在定性温度下水的物性数据为:ρ=992.2kg/m3 λ=0.6338W/(m·℃) μ=6.56×10-4Pa.s Pr=4.31 ① 求管内水的对流给热系数 ② 如使总管数减为50根,水量和水的物性视为不变,此时管内水的对流给热系数又为多大? (15分) 解: Re??du0.02?1?992.2??3.025?104?1000 ?4?6.56?10d?20.02?100?50 (3分) 0.8 0.6?Pr?160 L∴可采用下式计算对流给热系数 Nu?0.023RePrn 流体被加热 n=0.4 ∴Nu?158.5 (2分) ???d?Nu?0.6338℃) (2分) ?158.5?502 4W/(m2· 0.02 (2) 当管子根数减少时,流速变大 u??(n)u?(60)?1?1.2m/s (4分) ?n50???(u?)0.8 (2分) ?u????(u?u)0.8?5024?1.20.8?5813W/(m2?℃） (2分) 5、一套管换热器,由φ48×3mm和φ25×2.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为?1和?2，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。 求将内管改φ32×2.5mm后,管内对流给热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流) (10分) 解: 原内管外径d1?25mm 内径 d2 ?25-2.5?2?20mm ?? 32mm 内径d2??32-2.5?2?27mm 新内管外径 d1? 设 改用φ32×2.5钢管后,内管对流给热系数?14Vρ0.81)?1.8 (5分) dd?dμ?'20??()1.8?0.583 (5分) ?27α?(6、一套管换热器用 133℃的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33℃加热到 73℃，氯苯流量为 5500Kg/h。现因某种原因，氯苯流量减少到 3300Kg/h，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？（设两种工况下的蒸汽冷凝热阻，管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化） (15分) WCCPC?t2?t1??KS?tm(1)解： (3分) ?CPC?t2?t1??K?S?tm?(2)WC?3300?K????K?0.66K 5500??T??t1?1?得:5500?KT??t2 (5分) ?2?3300K?lnT?t1T?t2lnnT??t15500133?33??0.66ln?0.567 T??t23300133?73T??t1?1.76 (3分) ?T?t20.8T??1.76t2?t11.76?73?33??125.9??C? 0.760.76K?tm?0.6 (4分) ?K?tmWh?/Wh?7、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243℃和128℃；终温 分别为167℃和157℃。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。 解： 以下标“′”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知： ??WhCph(T1?T2?)?WcCpc(t2??t1) Q??K0?tmQ?K0?tm?WhCph(T1?T2)?WcCpc(t2?t1) (3分) 两式相除，得： ?T1?T2?t2??t1Q?K0?tm??? （a） QK0?tmT1?T2t2?t1将和比定律应用于下式，得： ???t1)(T1?T2?)?(t2??t1)(243?167)?(157?128)?tm(T?T2?)?(t247?1????tm(T1?T2)?(t2?t1)(T1?t2)?(T2?t1)?t2??t1?t2??t1???tm(243?128)?(167?157)?43℃ (4分) 115ln10?t2?t47?t1471?1.093 所以 ln2????t143?t2??t1?t2??t143ln ?t2?e1.093?2.98 (3分) ?t1 ?243?t2??2.98?T2?128? 或t2??2.98?T2?128??243 （b） 由式a得： 243?167157?128? 243?T2t2?128 即： t2?0.38?243?T2??128 （c） 联立式b和c解得： 3 T2?155.4℃ t2?161.℃ ?tm??t2??t1(243?161.3)?(155.4?128)??49.7℃ (5分) ?t21.093ln?t18、一套管式换热器管内流体的对流传热系数?i = 20 W/（m2·℃），管间流体的对流传热系数?o= 350 W/（m2·℃）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）(10分) 解：原流动情况 m2·℃/W K=18.92 W/ m2·℃ (2分) （1）管内对流传热系数增加一倍 = 2 = 2×20= 40 W/ m2·℃ m2·℃/W K=35.9 W/ m2·℃ （35.9-18.92）/18.92 = 89.75% (4分) （2）管外对流传热系数增加一倍 = 2×350 = 700 W/ m2·℃ m2·℃/W K = 19.44 W/ m2·℃ （19.44-18.92）/18.92 = 2.75% (4分) 9、在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数?i为349 W/（m2·℃），管外油侧对流传热系数?o为258 W/（m2·℃）。换热器在使用一段时间后，管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻Rsi 为0.00026 （m2·℃）/W，油侧的污垢热阻RSO为0.000176 （m2·℃）/W。若此换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。(10分) 求：（1）产生污垢后热阻增加的百分数； （2）总传热系数K。 解：（1）产生污垢前的热阻 产生污垢后的热阻 （m2·℃）/W （m2·℃）/W (4分) （0.007177-0.00674）/0.00674 = 6.48% (4分) （2）总传热系数 W/（m2·℃） (2分) 10、在并流换热器中, 用水冷却油。水的进、出口温度分别为15℃和40℃, 油的进、出口温 度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃, 设油和水的流量、进口温度及物性均不变, 若原换热器的管长为1m, 求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽略。 (15分) 解：原平均温度差 ?t1? 150-15?135℃ ?t2? 100-40 ? 60℃ ?tm??t1??t2135?60??92.5℃ (3分) ?t135ln(1)ln(60)?t2由热量衡算 Q?WhCph(T1?T2)?WCCpc(t2?t1) WhCphWcCpc?t2?t140?15??0.5 (4分) T1?T2150?100 当油的温度降至80℃时, 由热量衡算得 ??15) Q?WhCph(150?80)?WCCpc(t2 或 WhCphWcCpc???15t2??50℃ (3分) ?0.5 解得 t2150?80?= 150-15 = 135℃, ?t2?= 80-50 = 30℃ 新的平均温度差，?t1?? ?tm135?30?69.8℃ 135ln30 由传热速率方程可分别得 原换热器 Q?WhCph(150?100)?KS?tm?Kn?dL?92.5 ??Kn?dL??69.8 新换热器 Q?WhCph(150?80)?KS??tm7092.5??1?1.855m 5069.8 ?L?1.855?1?0.855m (5分) ∴ L??11、一单程列管式换热器, 由直径为Φ25×2.5 mm的钢管束组成。苯在换热器的管内流动, 流量为1.25 kg/s，由80℃冷却到30℃，冷却水在管间和苯呈逆流流动, 进口水温为20℃, 出口不超过50℃。已知水侧和苯侧的对流传热系数分别为1.70和0.85 kW／(ｍ2·℃)，污垢热阻和换热器的热损失可忽略，求换热器的传热面积。苯的平均比热为1.9 kJ/(kg·℃), 管壁材料的导热系数为45 W/(m·℃)。 (10分) 解：由总传热速率方程式 Q?KOSO?tm 式中 Q?WhCph(T1?T2)= 1.25×1.9×103×（80 - 30）= 118.8 kW (3分) kW／(ｍ2·℃) ℃ (5分) ∴ m2 (2分) 12、在一传热外表面积S0为300 m2的单程列管换热器中，300℃的某气体流过壳方被加热到420℃。另一种560℃的气体作为加热介质。两气体逆流流动，流量均为10000 kg/h，平均比热为1.05 kJ／（kg·℃）。求总传热系数K0。 (10分) 解：换热器的传热量 Q?WcCpc(t2?t1) =（10000/3600）×1050×（420 - 300）= 3.5×105 W 热气体出口温度 Q?WhCph(T1?T2) 即 3.5×105 =（10000/3600）×1050×（560 – T2） 解得 T2= 440 ℃ (4分) 流体的平均温度差 ∵ ∴ ＜2 ℃ (3分) W／(ｍ2·℃) (3分) 13、某套管换热器内管为φ30×3mm铜管,外管为φ48×3钢管,长2m,管间通110℃饱和水蒸气 加热管内空气,使空气温度由20℃加热至80℃,已知空气流量为50kg/h,周围环境温度为20℃,试求: (1)空气侧对流给热系数；[ 101.6W/(m2·K)] (2)套管裸露时的蒸汽用量(kg/h)。 空气比热可取Cp=1.005kJ/(kg·k) 换热器外侧壳壁对周围空气的对流给热系数: ?o?9.4?0.052(t?tw) W/(m2·℃) 式中:tw --换热器外壳温度,℃ t --周围空气的温度,℃ 饱和蒸汽汽化热可取r=2232.4kJ/kg (15分) (1) ?i?Ki?Q Ai?tm Q?W2Cp2(t2?t1)?50?1.005?(80?20)?3015kJ/h?837.5w 2 Ai??diL???0.024?2?0.151m (3分) ?tm?80?20?54.6℃ 90ln()30 ?i?837.5?101.6W/(m2?K) (2分) 0151?54.6(2) tw?T?110℃ ?o?9.4?0.052(t?tw)?9.4?0.052?(110?20)?14.1 W/(m2·K) .7W Q???0A0(tw?t)?14.1?(??0.048?2)?(110?20)?382.7?837.5?122W0 蒸汽放热 Q???Q?Q??382 蒸汽用量 W?Q??1200?3600??2kg/h (5分) r2232.4?10314、有一单壳程双管程列管换热器，管外用120 0C饱和蒸汽加热，干空气以12m/s的流速 在管内流动，管径为φ38×2.5mm，总管数为200根，已知空气进口温度为26 ℃，要求出口温度为86 ℃，试求：该换热器的管长应为多少？（不计出口温度变化对物性影响，忽略热 损失、污垢热阻及管壁热阻）。 已知定性温度下空气的物性数据为cp=1.005kJ/(kg?K),?=1.07 kg/m3,? = 0.0199 cP, K)，Pr=0.697。 (15分) ?= 0.0287W/(m· 解：因为管外蒸汽冷凝的?1比管内空气的?2大得多，且管壁及污垢热阻可略去，有 ??K??1?1d1?≈?2d2 (2分) ??1?2d2?d1 Q?KA?tm??2?1d2n?d1l?tm??2n?d2l?tm (2分) d1Q (2分) 则 l??2n?d2?tm注意：上式中的n为列管换热器总管数。。 Vs2 = 0.785d20.0332×(200/2)×12 = 1.026 m3/s2(n/2)u= 0.785× 注意：求Vs2 时必须用每管程的管数，对双管程即n/2，不能用总管数n。 Q =ms2cp2(t2?t1) = Vs2?cp2(t2?t1) = 1.026×1.07×1.005×103×(86-26)= 6.62×104 W Re = d2u?? = 0.033?12?1.0744 = 2.13×10＞10 为湍流 (3分) 0.0199?10?3?2 = 0.023 ?0.80.40.0287×(2.13×104)0.8×0.6970.4=50 W/(m2·k) RePr= 0.023×0.033d2?tm= t2?t180?26= = 59 ℃ (4分) Ts?t1ln120?26ln120?86Ts?t2 Q6.62?104所以 l = = = 1.08m (2分) ?2n?d2?tm50?200?3.14?0.033?5915、用一套管换热器将2000kg/h的甲苯饱和蒸气（110oC）冷凝为饱和液体，甲苯的气化热 为363KJ/kg。冷却水于16 oC及5000kg/h的流量进入套管内管（内径50mm）作强制湍流流动，其传热膜系数为1740w/(m 2 K)。水的比热可取为4.19KJ/(kg oC)，假设甲苯侧热阻和管壁热阻远小于水侧热阻。 （20分） （1）求冷却水的出口温度及套管管长。 （2）由于气候变化，冷却水的进口温度升高到25 oC，试计算换热器的热负荷变化（以%表示）。忽略物性参数的变化。 （3）冷却水温度升高后，有人建议将冷却水流率加倍，问此时的热负荷、冷却水出口温度与末升高时相比如何，计算出热负荷增加或减少的百分数？ (1) Q?Whr?WcCp(t2?t1)? t2?2000?363?1000?2.01?105w 3600Whr2000?363?1000?t1??16?50.65 oC (2分) WcCp5000?4.19?1000K??i?1740 w/(m2?oC) ?t1?110?16?94 oC ?t2?110?50.65?59.35 ?t1?t2?2 2?(94?59.35)2?76.8 oC ?tm?(?t1??t2)Q?KA?tm??i?dL?tm (3分) KA?tm2.01?105L???9.6m (1分) ?i?d?tm1740???0.05?76.8(2) A??dL?3.14?0.05?9.6?1.5m 2??t1?)?KA?tm??KA Q??WCp(t2?)?(T?t2?)(T?t1 2 5000?4.19??)(110?25)?(110?t21000??25)?1740?1.5(t2 36002??56.1 (3分) t2??T?t1??110?25?85 oC 升温后 ?t1??T?t2??110?56.1?53.9 oC ?t2??t1?2 ??t2??t1?)?5000?4.19?Q??WCp(t21000(56.1?25)?1.81?105w 3600Q?Q?2.01?105?1.81?105??9.9% (3分) Q2.01?105(3) ?i??iW???(W)0.8?20.8?1.74 ?i??1.74?1740?3027.6w/(m2?K) ???2WCp(t2??25) (2分) Q???K?A?tm ?t???2?110?t?2?25195?t?2m2?2 根据给出数据算得： t?2?52.8oC ?t???195?t?22?195?52.8m2?71.1oC Q???K?A?t?m??3027.6?1.5?71.1?3.23?105w W?Cp(t?2?t1?)?WCp(t2?t1) 2WCp(t2??25)?WCp(50.65?16) t??42.3 o2C ?t1?110?25?85 oC ?t2?110?42.3?67.7 oC ?t1?t＜2 ?t????t1??t2?76.4 o22C Q???K?A?t???3027.6?1.5?76.4?3.47?105w Q?Q??2.01?105?3.47?105Q?2.01?105?72.6% (2分)