化工原理传热部分模拟试题及答案.docx
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化工原理传热部分模拟试题及答案
化工原理传热部分模拟试题及答案
一填空
（1）在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于空气侧的对流传热
系数，而壁温接近于饱和水蒸汽侧流体的温度值。
（2）热传导的基本定律是傅立叶定厂。
间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻小
（大、小）一侧的：
•值。
间壁换热器管壁温度tw接近于:
値大（大、小）一侧的流体温度。
由
多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈小，则该壁面的热阻愈大（大、小），其两侧的温差愈大（大、小）。
（3）由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈
小_，其两侧的温差愈小。
（4）在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在滞离层内（或热边界层内），减
少热阻的最有效措施是提高流体湍动程度。
（5）消除列管式换热器温差应力常用的方法有三种，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的目的是增加面积，增强流体的湍动程
度以提高传热系数。
⑹厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知bi>b2>b3，导热系数
在稳定传热过程中，各层的热阻R>R2>R3,各层导热速率Q=Q2=Q3。
（7）物体辐射能力的大小与黑度成正比，还与温度的四次方成正比。
（8）写出三种循环型蒸发器的名称中央循环管式、悬筐式、外加热式。
（9）在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括自然对流、泡核沸腾和膜状沸腾
三个阶段。
实际操作应控制在泡核沸腾。
在这一阶段内，传热系数随着温度差的增
加而增加。
（10）传热的基本方式有传导、对流和辐射三种。
热传导的基本定律是一傅立叶定律-
a
其表达式为___dQ=-ds一___。
cn
（11）水在管内作湍流流动，若使流速提高到原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的
1.74倍；管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的3.48
倍。
（设条件改变后仍在湍流范围）
（12）导热系数的单位为W/（m「C），对流传热系数的单位为W/（m「C），
总传热系数的单位为w/（m・c）。
二、选择
1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—D—耐火砖
的黑度。
A大于B等于C不能确定D小于
2某一套管换热器，管间用饱和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20C升至80C，现需空气流量增加为原来的2倍，若要保持空气进出口温度不变，则
此时的传热温差应为原来的A倍。
A1.149B1.74C2D不定
3一定流量的液体在一25x2.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数:
i=1000W/mi-C；
如流量与物性都不变，改用一19x2mm的直管，则其：
•将变为D。
A1259B1496C1585D1678
4对流传热系数关联式中普兰特准数是表示_C的准数。
A对流传热B流动状态C物性影响D自然对流影响
5在蒸气一空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的—B—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，两灰体的温度差为50C，现因某种原因，两者的温度各升高
100C，则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比，应该—
A减小B增大C不变
7在单效蒸发器中，将某水溶液从14%连续浓缩至30%,度为96.2C,有效传热温差为11.2C,二次蒸气的温度为
DC。
11.2
原料液沸点进料，加热蒸汽的温
75.4C,则溶液的沸点升高为
B20.8
A
8为蒸发某种粘度随浓度和温度变化较大的溶液，应采用—
A
并流加料
、计算
B逆流加料
C85
C平流加料
9.6
B—流程。
D双效三体并流加料
1试推导出表示具有内部热源的实心球体的温度分布公式。
已知：
Ro球体半径，m；To
球体表面的恒定温度，C；qo
3
每单位球体体积在单位时间内所产生热量，J/（mh）；
球体材料的导热系数，J/（mhC）。
解:
球体积
V二r3,球表面积
3
根据傅立叶热传导公式:
4
r
3
3
qo
「A生一o4十史
drdr
所以
rdr
St
qo
积分上式得:
rrdr
-3^"oTo
-—Tdt
q。
1（Ro2
2
-r
3'。
）o（T-To）
qo
2一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为3m直径为©25x2mm水以0.7m/s的流速在管内
70%试核算：
（1）换热器每程提供
（3）换热器的管程数。
[计算时可忽略
流过，并从17C被加热到37C。
流量为1.25kg/s、温度为72C烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。
烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。
已测得：
蒸气冷凝传热系数:
0=800W/（m2-°C）,管内侧热阻为外侧的40%污垢热阻又为管内侧热阻的的传热面积（外表面为基准）；
（2）换热管的总根数；管壁热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/（kg-C）]
S；
S,需先知道每程的管子数，每程的
解：
（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准）
由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求
管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。
两流体交换的热量为：
Q=Whh=1.25315=394kw
又Q=WcCpc（t2-tj，Cpc二4.18kJ/kgC，
Q
Cpc（t2-tl）
394
4.18（37-17）
^4.713kg/s
单管内水的流量为:
Wc1
d2u=0.7850.02120.71000=0.2423kg/s
4
每程所需管子数为:
nr%=4.713=19.5
Wc10.2423
取每程管子数为20，
则每程所能提供的传热外表面积为:
2
S一doln^i=0.025203-4.71m
（2）换热管的总根数；
由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。
由题给数据,
K
Q=KoSotm
二476.2W/m2C
0.410.70.41）
«o«o
11
0.40.70.4）
800800
'tm
"迸2（72一17）一（72-37）=44.25c
l4
t2
In72」7
72-37
则任务所需的传热外表面积为:
换热管总根数为:
So
So
Q
Ko£
-二d。
In
So
394
2
18.7m
0.476244.25
18.7
=79.4
■dol■:
0.0253
（2）换热器的管程数。
由题意管程数为:
Nt
—4
ni
3在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20C和110C。
在
换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45C和40C，使用一年后，由于污垢
热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38C，试
求：
（1）空气出口温度为多少？
（2）总传热系数为原来的多少倍？
（
倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？
（却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？
变为多少？
解：
使用初期
3）若使冷却水加大
:
•水>>:
•空气）
⑷冷
使用一年后
110C
40
110
45C20
38
（1）空气出口温度T2
题意可得：
使用初期
Q=WcCpc（t27）=WhCph（T1-T2）=KStm
（1）
使用一年后
Q=2WcCpc（t2—t1）=WhCph（T—T2）=KStm
（2）
两式相比
（2）/
（1），得
（110-
=（38-20）/
10_40厂（45_20）
则：
T2=59.6C
（2）总传热系数K7K
65'
In
20
T1_t2
In
T27
（110-38）-（59.2-20）72-39.6
ln!
^8
59.6-20
-54.2C
.72
In
39.6
方程⑵式/
（1）式，得:
（38-20）
（45-20）
54.2
38.2
故
-0.50%
（3）冷热流体的出口温度
t2及T2
一年后
Q'WcCpc（t27）=WhCph（T1
-T2）=KStm
（3）
Q^2WcCpc（t2—t1）=WhCph（T1—T2）=KStm
（4）
方程（4）式/（3），得:
110-丁22（t2—20）K1（110—t2）-（T2-20）
110-59.6一38-20_~K542110-t?
In
T2-20
整理前半式的方程
t2=39.6-0.179T2
（5）
又因二水
■-1
由等比定理
（110—T2）-（t2-20）
110-59.6-9
（110_t2）_仃2-20）
54.2
In归
T2-20
In归仝
T/-2054.2
整理得,
t2=153-丁2
（6）
联立（5）和（6），可得:
t2=29.4C，T2=57.5C
（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？
变为多少?
（110-29.4）-（57.5-20）：
m一110-29.4
In
57.5-20
80.6-37.5
80.6
In
37.5
-56.3C
QQ
=56.354.2=1.°4
4有一蒸汽加热器,
热方：
为饱和蒸汽冷凝，T=100C；冷方：
为生垢液体升温，b=20C,
t2=60C。
（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的多少分数？
（2）在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。
问：
随着污垢的增加，调节饱和
蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？
简述理由（定性分析）。
注：
冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。
解：
（1）a垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。
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，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗，且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。
b维持A：
tm不变时：
清洗前传热量
Q=Wh=KA心
（1）
清洗后传热量
Q=2Wh二KAtm
（2）
（1）式与
（2）式比较得：
KJ2K
清洗前后总热阻的差值是污垢热阻Rs
Rs
丄
K"
1
2K
1
2K
垢；
（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为
2
0.005m2
C/w
解：
忽略管壁热阻，并假设壁温为
Tw
所以-Rs迷=0.5=50%
R总1K
（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，是不能满足的，因为生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所需要的热量相当，这时
会使出口温度下降。
只有调节饱和蒸汽的温度来增加.-■：
tm，使其满足热负荷的要求。
假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，（换热量再减少即不能操作），这时蒸汽的
温度提高到160C即可满足要求。
假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，而传热系数下降一半，则推动力
160—20+160—60
■■■：
tm120增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷不变。
2
5有一换热器，管内通90C的热流体，膜系数：
1为1100w/m2C,管外有某种液体沸腾,
（1）管壁清洁无
沸点为50C，膜系数：
・2为5800w/m-C。
试求以下两种情况下的壁温:
（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得:
:
'1
Tw-t
1
90-Tw
1
1100
_Tw_50-1
5800
Tw=56.4C
（2）同理
T-Tw
1
Tw-50
1
0.005
5800
Tw_t
1R0
：
2
90讥
1
1100
Tw=84C
由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。
6流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由150C降至80C；壳程冷
却用水，进口温度为15C，出口温度为65C,与气体作逆流流动，两者均处于湍流。
已知
气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数，管壁热阻、污垢热阻和热损失
均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kg•水的比热为4.17kJ/kg•不计温度变化对比
热的影响，试求：
（1）冷却水用量；
（2）如冷却水进口温度上升为20C，仍用原设备达到
相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？
（3）此时的出口水温将为多少？
（4）此
时的冷却水用量为多少？
解：
（1）冷却水用量；
Q=WcCpc（t2-tj=WhCph（T!
-丁2）
Q4.17（65-15）=20001.02（150-80）
Wc=685kg/h
（2）如冷却水进口温度上升为20C，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均
温差为多少？
原情况Q=WcCpc（t2-切=WhCph仃1-丁2）=KSi：
tm=；；iSi：
tm
（1）
新情况Q'=WcCpc（t；—t；）=WhCph（T1—T2）=KSQtm=o：
SStm
（2）
因-：
：
水宀空气，K；空气,换热器与气体的情况未变，
则Q=Q"Ct.=0..'S"=Si,故也tm=^tm
心=（150-65）（8°-15）=75C
2
对（150-1；）+（80-20）210-t；
则t2=60C,
对新情况下的热量进行衡算,
2-2
（•£氏2<2,则厶tm用算术平均值合适）
Q』W4.17（60-20）=20001.02（150-80）
故Wc=856kg/h
7在套管换热器中用120C的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。
苯的流量为
4000kg/h，比热容为1.9kJ/（kg-C），温度从30C升至60C。
蒸汽冷凝传热系数为1x
104W/（nf），换热管内侧污垢热阻为4x10_4nf「C/W,忽略管壁热阻、换热管外侧污垢
热阻及热损失。
换热管为54x2mm的钢管，有效长度为12m=试求：
（1）饱和蒸汽流量（其
冷凝潜热为2204kJ/kg）;
（2）管内苯的对流传热系数a;（3）当苯的流量增加50%但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？
（4）若想维持苯的出口温度仍为60C应采取哪些
措施？
作出定量计算。
解：
（1）饱和蒸汽流量；
Q二Whr二WcCpc（t2-匕）=40001.9（60-30）=2.28105kJ/h
5
Q2.25灯05
Wh103.4kg/h
r2204
（2）管内苯的对流传热系数:
-i；
4
T-t2
整理得
In—
T—12^VcCpc
（1）
So-二d°L=0.05412二=2.036m2
T丄小聾0=0.4055
-t2120-60
Ko
_0.405540001.9
36002.036
2
=0.4205kw/（mC）
Ko
丄Rsi生-d
:
odi:
idi
（2）
1一十4汇10鼻54
420.51000050
54
+
:
「50
:
-i=585w/（m2C）
（3）苯的流量增加50%苯的出口温度为若干
二=（1.5）0"二=（1.5）0.8585=809.1w/（m2C）
将其代入
（2）式得
Ko=535.7w/（m2C）
代入
（1）式得
535.72°363600'.3444
120-t240001.51.91000
解得
t2二56.2C
Q=叫。
沁2-切=KoSo.：
tm=K°So（T—GYT'2）
（4）若想维持苯的出口温度仍为60C应采取哪些措施？
作出定量计算。
（a）将管子加长，由
（1）式得
ln哙^0.4055二竺
120-60WcCpc
3600535.7
So二°.4055「54000「91000=2.4m2
L=S。
/（二d。
）=2.4/（0.054二）=14.15m
（b）提高加热蒸气压强（温度）
T-30535.72.0363600
In
T-6040001.51.91000
解得「=133C
8一废热锅炉，由’25X2锅炉钢管组成，管外为水沸腾，温度为227C，管内走合成转化
22
气，温度由575C下降到472C。
已知转化气一侧:
i=300W/m-K,水侧：
o=10000W/m•K,钢的导热系数为45W/m・K,若忽略污垢热阻，试求：
（1）以内壁面为基准的总传热系数K;
⑵单位面积上的热负荷q（W/mf）;
（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500C左右仍可使用钢管做换热
管。
解：
（1）K
11bdidi
=TT
Ki:
-i■dm:
-0d0
_丄0.0020.0210.021
-300450.023100000.025
所以K^289.2W/m2K
（2）q
Q=KiS0tm
=289.2
（575-227）-（472-227）
575-227
ln
472-227
=289.2293.5
22
=84880.2W/m2=84.9kW/m2
575472_
_TW
2
因为
_Tw-TTi-227
1
b1
:
iSi
■Sm：
0S0
（3）管内Tw及管外壁温度Ti
575472〒
2_Tw
TwTi
Tj-227
1
一0.002
-1
30021
4523
1000025
由上述方程可解出
TW=237.8匸,T=234.29
（4）由计算结果可知，钢管的内外壁温度接近水侧沸腾的温度，即接近于热阻小的一侧流
体的温度。
尽管废热锅炉中转化气温度高达500C左右，而钢管的温度小于238C,故仍可
在此高温下使用钢管做换热管。
9水以一定流速在直管中作湍流流动，若管壁温度不变为350K，水的进出口温度分别为
290K及295K，若水的流速增加一倍，则水的出口温度变为多大？
解：
求听=2，t2=？
以知tw=350K,匕=290K,t2=29K,水湍流流动，需对水侧作
热量恒算可求t2。
一般情况，水的进出口温差小于10C，那么温度对物性参数影响较小，
因此可以认为水的物性参数保持不变。
由题意知,
流速改变前:
Q二WcCpc（t2-tj二WcCpc（295-290）=:
S£
流速改变后:
Q〉2WcCpc（t2—tj=2W4Cpc（t2-290）「S£
（1）
（2）
流速改变前
350K——>350K
流速改变后
350K一a350K
290K
295K
290K
t2
（350-290）（350-295）
57.5C
（350-290）（350-t2）410-t2
人d・uP08Cp»04「°.02咄（"）.（—）.
（3）
因物性参数不变,
则：
a
U、0.8小0.8
（）=2=1.74au
（1）/
（2）,并将各参数带入，可得：
（4）
5_57.5
2（t2-290「74410“2
2
t2〉294.4K
10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。
设油和水的流率、进口温度保持不变，将冷却器长度增加一倍（其它尺寸不变），求油及水的出口温度。
解:
420K
370K
（420—301）+（370—285）_
9/・5
285K
310K
对体系进行热量恒算,
W°Cp°（420-370）=WwCpw（310-285）=KStm
所以,
Wo
KS：
tm
KS97.5
x
Ww
Cpo（420-370）
=1.95空
Cpo50C
（1）
po
=3.9空
Cpw（310-285）C
（2）
pw
冷却器长度增加一倍后,
假设:
420K-
t2■*
*T2
-285K
’At：
十At2135+T2—12
£二
W°Cpo（420-T2）=WwCpw&-285）=2KS£
所以,
W。
二
2KStm
Cpo（420-T2）
KS
Cpo
（135T2-t2）
（420匕）
（3）
（1）=（3）
（2）=（4）
解（5）和（6）
2KStm
KS
（350T2-12）
Cpw（t2-285）
1.95=（135I"
420-T2
3.9=（135Z）
t2-285
方程，得:
C
pw
（t2-285）
（4）
（5）
（6）
T2=341.74Kt2=324.13K
ti=420-324.13=95.87t=341.74-285=56.74
£「进2<2，则厶tm用算术平均值合适。
11某工厂有一台列管式换热器，每小时将一定量的气体从80C冷到60C,冷却水温度由20C升到30C，气体在管内流过，冷却水在管外与气体成逆流。
经核算，该换热器的传热系数
K=40w/（m-C）,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
完全一样的换热器并联使用，气体量与原一台时相同，只是分成相等的两股送入，冷却水进出每个换热器的温度仍与原来的一样。
试计算：
（1）此时气体的出口温度为多少？
（2）两
解:
一台换热器情况：
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