传热习题含答案doc.docx

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第四章T专热

一、填空题：

1、在包有二层相同厚度保温材料的园形管道上，应该将材料包在内层，其原因

是,

导热系数小的减少热损失降低壁面温度

2、厚度不同的三种平壁，各层接触良好，已知也＞%＞爲；导热系数入＜入＜/。

在稳定传热过程中,

各层的热阻RiR2R3各层的导热速率QiQ2Q3

在压强恒定的条件下，空气的粘度随温度降低而。

解①R1＞R2＞R3，Qi=Q2=Q3②降低

3、

%1物体辐射能力的大小与成正比，还与成正比。

%1流体沸腾根据温度差大小可分为、、、三个阶段,

操作应控制在=

E=sEh=£cS-^―|

因为1100丿,E-s②自然对流泡状沸腾膜状沸腾泡状沸腾段

4、

%1列管式换热器的壳程内设置折流的作用在于,折流挡板的形状有

等。

%1多层壁稳定导热中，若某层的热阻最大，则该层两侧的温差；若某层的平均导热面积最大,

则通过该层的热流密度。

解①提高壳程流体的流速，使壳程对流传热系数提高，园缺形（弓形），园盘和环形②最大，最小

5、

①在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管;易结垢的流体走管；高压

流体走管;有腐蚀性液体走管；粘度大或流量小的流体走管。

①外，内，内，内，夕卜

6、

%1在一卧式加热器中，利用水蒸汽冷凝来加热某种液体，应让加热蒸汽在程流动，加热器顶部

设置排气阀是为了O

%1列管换热器的管程设计成多程是为了;在壳程设置折流挡板是为了;

解①壳程，排放不凝气，防止壳程a值大辐度下降

②提高管程值a,提高壳程值a

7、

%1间壁换热器管壁几接近a侧的流体温度；总传热系数K的数值接近一侧的a值。

%1对于间壁式换热器：

叫Cpg-丁2）=叫CP2Q2-1）=KAAt,”等式成立的条件

7H、、o

解①大，热阻大②稳定传热,无热损失，无相变化

8、

%1列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是o

%1等温面不会相交，因为o

解①增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高a值，支承管子

②一个点不可能具有两个不同的温度

9、

%1由多层等厚度平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻就愈,其两

侧的温度差愈。

%1为了减小高温发热体辐射热的散失，可采用在发热体之外设置的措施。

%1在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在,减小热阻的最有效的措施

是O

解①小，小②隔热挡板③传热边界层6或滞流层内；提高流体湍动程度

10、

列管换热器中，管子在管板上的排列方式主要有和o前者的特点

是后者的特点是O

解等边三角形和正方形；等边三角形的特点：

排列紧凑，管外湍动程度大，a大；正方形特点：

管外清洗方便

11、

引起自然对流传热的原因是,因此影响自然对流的特性

有=

解：

系统内部存在温度差，使各部分流体密度不同而引起上升，下降的流动p,M,Cp,入，P

12、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,主要原因是解：

降低因为水的导热系数大于保温材料的导热系数

13、

举出五种间壁式换热器o提高间壁式换热器传热系数的主

要方法是

解：

夹套式，蛇管式，套管式，列管式，板式，螺旋板式，板翅式等任选五种。

提高传热系数的主要途径是提高流体流速，增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。

14、

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

、-①固定管板式，浮头式，U形管式

15、

（1）.消除列管换热器温差应为常用的方法有三种，即在壳体上加,采用结构

或采用式结构。

（2）翅片管换热器安装翅片的目的是,。

（1）膨胀节；浮头式；U形管。

（2）增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高a

通过一换热器，用饱和水蒸汽加热水，可使水的温度由20°C升高至80°C,现发现水的温度降低了，

16、

经检查水的初温与流量均无变化，引起问题可能的原因是。

解：

传热速率下降引起。

根据Q=KAAtm分析，可能有几种情况：

1.蒸汽压力下降，减小；2.蒸汽侧有不凝气，使传热系数a大幅度地下降，K减小；3.水侧污垢积累，污垢热阻增大，K减小；4.冷凝水排除器不通畅,有积水现象，使K减小。

17、

金属的导热系数大都随其纯度的增加而,随其温度的升高而o

答案：

增大；减小

二、莲择題：

1.

（1）为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该是

（A）表面光滑，颜色较浅；（B）表面粗糙，颜色较深（C）表面粗糙，颜色较浅

（2）某一套管换热器用管间饱和蒸汽加热管内空气，设饱和蒸汽温度为100°C,空气进口温度为20°C,出口温度为8（TC,问此套管换热器内管壁温应是-

（A）接近空气平均温度（B）接近饱和蒸汽和空气的平均温度

（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减小

C基本不变

（1）A

（2）B

（3）B

解：

®A）②C

2、套管冷凝器，管内走空气，管间走饱和水蒸汽,当空气流量增加时

（C）接近饱和蒸汽温度

解：

3、有一套管换热器，长度可升至指定温度，仍保持原指定温度，

（A）2倍

如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定,

（D）1.14倍

10m,管间用饱和蒸汽作加热剂，空气在一定流量下由内管流过，温现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，要使空气出口温度则套管换热器的长度应为原来的

（B）1.74倍（C）1.15倍解：

答案：

C

竺=化乍=2°8=]74血t?

-片_型如_aT

a\u）mt2-txaAAtmal

^=^=4=2-=1.1

Ima'20-8

4、在设计列管式换热器中，设置折流挡板，以提高程流速，设置隔板以提高流速,

以达到强化传热的目的。

管程内流体流速的选取，对一般液体取,气体取,如该换热器用水蒸汽冷凝来加热原油，那么水蒸汽应在程流动。

（A）壳程（B）管程（C）壳程和管程

（D）u=0.5〜3m/s（E）u=5〜30m/s（F）u=30〜1OOm/s

解：

®A）B）D）E）A）

5、

（1）在蒸汽冷凝传热中，不凝性气体的存在对a的影响是-

（A）不凝性气体存在会使a（值）大大降低。

（B）不凝性气体存在会使a（值）升高

（C）不凝性气体的存在与否，对数据无影响

（2）对在蒸汽一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）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，增加冷凝面积导走冷凝液。

（E）内管加入填充物或采用螺纹管。

（3）蒸汽压强的变化，对冷凝传热的影响是-

（A）蒸汽压强PT,a值f,对a关联式有影响;

（B）蒸汽压强PT,a值不变，对a关联式有影响

（C）蒸汽压强Pi,a值I,对a关联式有影响

®A）②A）③B）

1.6、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尺与第二、三层

热阻人2、&的大小-

（A）&>（7?

2+7?

3）（B）尺<（/?

2+人3）

（C）尺=（7?

2+人3）（D）无法比较

2.列管换热器管程常用流速范围为：

一般液体,气体-

（A）0.5〜3m/s（B）3〜15m/s

（C）5〜30m/s

参见附图：

解：

®C）②A）0

3、

（1）列管换热器中用水使46°CC52的饱和蒸汽冷凝，则CS?

饱和蒸汽应通过.

（A）管程（B）壳程

（2）有一套管换热器，在内管中空气从2（TC被加热到5（TC,环隙内有119.6°C的水蒸汽冷

凝，管壁温度接近°Co

（A）35（B）119.6（C）77.3

（3）在两灰体间进行辐射传热，两灰体的温度相差50°C,现因某种原因，两者的温度各升

高100°C,则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比，应该o

（A）增大（B）变小（C）不变

解：

①B）②B）③A）

4、

（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o

（A）水平（B）垂直（C）管内

（D）管外

（2）5知钢质园管（外半径为珥）外两层不等厚（bi>b2）保温材料的温度分布曲线如图示，则A层导热系数B层的导热系数。

（A）小于（B）不能确定是否大于（C）大于（D）等于解：

®A）C）②C

5、传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时，影响传热过程的将是（）。

A.管避热阻；B.污垢热阻；

C.管内对流传热热阻；D.管外对流传热热阻

答案：

B

6、

三、问答题：

1、保温瓶在设计和使用过程中采取了哪些防止热损失的措施?

2、何谓换热器的控制热阻？

答:

换热器的总热阻1/K主要取决于冷、热流体的对流传热热阻，当然也和管壁的热阻及污垢热阻有关，即,

若忽略管壁及污垢热阻，则有—~1

K«,«o

如果也和相接近，也就是两种流体的传热阻力差不多时，在谋求强化传热过程中，一般要考虑把⑦、%都增大。

但往往有这种情况，两者的a值相差很大，例如«,.»a0，则丄<<丄。

这时

11

—«—Kh

KaQ

即总传热系数K值接近对流传热系数小的一侧流体的a值，在本例条件下总热阻完全被管外的对流传热热阻所控制。

：

L/a。

被称为控制热阻。

控制热阻的概念对强化传热研究是非常重要的。

它可以使我们在寻求强化的过程中紧紧抓住主要矛盾，提醒我们为了增大换热器的总传热系数，减少热阻，关键在于增大控制热阻一侧的a。

用火炉烧开水，壶底的温度是接近火焰的温度还是接近水的温度？

答：

为了抓住问题的实质，暂不考虑壶底金属材料的热阻和污垢热阻，即将壶底内、外表面的温度统一用tw来表o

设ti、to分别代表水和火焰的温度。

由牛顿冷却定律：

—=（t-?

.）=a0（?

0-t）

A

由于水的对流传热系数a：

远大于空气的对流传热系数,即ctf»aQ,由上式可知：

（%一几，）»（心_切

即火焰和壶底的温度差远大于壶底和水的温度差。

也就是说）的数值很小，tw-t,=由此可以得出结论，壶底的温度接近水的温度。

推广开来，当两种流体通过壁面换热时，若对流传热系数相差较大,也可以说对流传热热阻相差较大时，壁温总是接近a大（即对流热阻小）的那一侧流体的温度。

两流体的a值相差愈大，壁温愈接近a大的那一侧流体的温度。

这就是为什么在加热炉中，虽然火焰的温度高于炉管材料的溶点，但由于管内有油品流动，管壁接近油品温度，炉管不会烧穿的原因。

3、室内暖气片为什么只把外表面制成翅片状？

答：

室内暖气片内部的热流体（水或水蒸气）与片外的冷流体（空气）之间的热递属对流一传导一对流过程。

因为暖气片外壁与空气的对流传热系数远小于片内水或水蒸气与内壁的对流传热系数，即片外对流传热热阻为控制热阻。

要增大冷、热介质的换热速率，改变片外的对流传热状况即减小控制热阻至关重要。

暖气的外表面制成翅片状后，明显地增大了外表面的传热面积，使总传热系数（按光管传热面积计）较原来增大几倍。

加之安装翅片后，加剧了空气的湍动程度，破坏了滞流内层，亦可使总传热系数增大。

至于水或蒸汽侧由于不是控制热阻，改善其传热状况对整个冷、热流体的换热影响甚微。

这就是室内暖气片只外表面制成翅片状的道理。

4、工业上常使用饱和蒸汽做为加热介质而不用过热蒸汽，为什么？

答：

使用饱和蒸汽做为加热介质的方法在工业上已得到广泛的应用。

这是因为饱和蒸汽与低于其温度的壁面接触后，冷凝为液体，释放出大量的潜在热量。

虽然蒸汽凝结后生成的凝液覆盖着壁面，使后续蒸汽放出的潜热只能通过先前形成的液膜传到壁面，但因气相不存在热阻，冷凝传热的全部热阻只集中在液膜，由于冷凝给热系数很大，加上其温度恒定的特点，所以在工业上得到日益广泛的应用。

如要加热介质是过热蒸汽，特别是壁温高于蒸汽相应的饱和温度时，壁面上就不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面之间发生的只是通常的对流传热。

此时，热阻将集中在靠近壁面的滞流内层中，而蒸气的导热系数又很小，故过热蒸汽的对流传热系数远小于蒸汽的冷凝给热系数，这就大大限制了过热蒸汽的工业应用。

5、螺旋扁管换热器强化传热的道理何在？

答：

螺旋扁管换热器是近期开发出来的一种新型高效传热设备。

其制造过程是先将圆管压扁，然后扭曲成螺旋状。

穿管时按同一方布置形成管束，管束无支撑件，只是依靠螺旋扁管外缘外螺旋线的接触点相互支撑。

在管程，流体的螺旋流动提高了其湍流程度，减薄了作为传热主要热阻的滞流内层的厚度，使管内传热得以强化。

在壳程，因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向，从而加强了流体的纵向混合。

加之流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流，增强了流体自身的湍流程度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，因而使得壳程的传热也得以强化。

管内，管外传热同时强化的结果，使其传热效果较普通管壳式换热器有大幅度提高，特别对流体粘度大，一侧或两侧呈滞流流动的换热过程，其效果尤为突出。

6、有一列管式蒸气加热器。

热方：

饱和蒸气冷凝为饱和液体；冷方：

生垢液体升温。

控制热阻为生垢液

体；管程宜走生垢液体；其理由为便于清洗，便于增大流速，减少垢层沉积在管壁表面上；在测试过程，若维持流体的温度和传热面积不变，发现蒸气冷凝量在换热器清洗前后之比为1：

2,清洗前，污垢热阻约为该时总热阻的百分数50%。

求解：

清洗前:

Q=Gr=KAAtm

清洗后:

Q,=2Gr=K,AAtm

K'=2K;Rs=（l/K-1/K,）=l/2K

Rs/l/K=l/2K/l/K=50%

四、计算题

1、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成;

耐火砖

b尸230mm,

亦1.05W/（m-°C）

绝热砖

Z?

2=230mm,

22=0.151W/（m-°C）

建筑砖

方3=240mm,

加二0.93W/（m・°C）

已知耐火砖内侧温度为1000°C,

耐火砖与绝热砖界面处的温度为940°C,要求绝热砖与建筑砖界面处

的温度不得超过138°C,试求:

绝热层需几块绝热砖;

普通砖外侧温度为多少？

解：

（1）b2=?

Q=h=h~h

A_

九i

1000-940

023-

%

九2

聲空=273.9

“2

1.050.151

/.b2=0.442m

230mm

则：

绝热层需两块绝热砖。

校核t2=?

940—2

0.46

=273.9

0.151

t2=105.6°C<138°C

（2）t4=?

Q=‘3-打=2739=l°5・6—4

AZ?

30.24

170.93

q=34.9°C

2、050x5mm的不锈钢管，导热系数几=16W/（m・K）,外面包裹厚度为30mm导热系数八=0.2W/（m.K）的石棉保温层。

若钢管的内表面温度为623K,保温层外表面温度为373K,试求每米管长的热损失及钢管

外表面的温度。

解：

已知钢管的内半径耳=50^x5=20^钢管的外半径勺=¥=25nm保温层的外半径厂3=25+30=55mm

根据式（3-12a）,每米管长的热损失

2兀厶⑴-乙）

；11厂211厂3

2ttx1x（623-373）

1570

0.014+3.94

=397W

——In—+——In—九1n九2厂2

16200.225

由于是定态热传导，故各层传导的热量应该相等，可得到钢管外表面的温度t2。

—芫计吟=623一器晋嗨=62%

3、060x3mm的铝合金管（导热系数近似按钢管选取），外面依次包有一层30mm的石棉和30mm的软木。

石棉和软木的导热系数分别为0.16W/（m-K）和0.04W/（m-K）（管外涂防水胶，以免水汽渗入后发生冷凝及冻结）。

（1）已知管内壁温度为-110°C,软木外侧温度为10°C,求每米管长上损失的冷量；

（2）计算出钢、石棉及软木层各层热阻在总热阻中所占的百分数；

（3）若将两层保温材料互换（各层厚度仍为30mm）,钢管内壁面温度仍为-110°C,作为近似计算，假设最外层的石棉层表面温度仍为10°C„求此时每米管长损失的冷量。

提示：

保温层互换后，保温层外壁面与空气间的对流传热膜系数与互换前相同。

解：

⑴ti=-110°Cr4=io°c

厂i=0.027mr2=0.030mr3=0.060mr4=0.090m

入=45W/（m-K）A2=0.16W/（m-K）Z3=0.04W/（m-K）

每米管长损失的冷量:

2兀_右）

1.r211r311r4

——In—HIn—HIn—

入％几2卩久3E

2^（-110-10）

丄In^+lln^+lln90

45270.16300.0460

=-52.1W/m

（2）R=R、+R?

+R3

130

7?

.=—In—=0.00234（m-K）/W

4527

R.=—In—=4.332（m2-K）/W

20.1630

190

R3=——In—=10.137（m2-K）/W0.0460

工R=0.00234+4.332+10.137=14.47l（m2-K）/W

各层热阻在总热阻中所占的分数:

0.00234

"1=人钢:

二=0.016%

14.471

4332

伦=轴棉二腐T29.94%

10137

心软木05%

由以上计算可知钢管热阻很小，且7?

软木>7?

石棉。

⑶若将人和心互换，厚度不变，且认为勾和可不变。

=-37.94W/m

2”（-110-10）

q=_30160190

—In—+In—+In—

45270.04300.1660

以上计算可以看出，将保温性能好的材料放在里层，保温或保冷效果好。

但此计算不严格，因为保冷好，则巾应增大，即n>10°C»

4、欲测某绝缘材料的导热系数，将此材料装入附图所示的同心套管间隙内。

已知管长Z=1.0m.”i=10mm,r2=13mm,r3=23mm,r4=27mm。

在管内用热电偶加热，当电热功率为l.OkW时，测得内管的内壁温度为900°C,外管的外壁温度为100°C,金属管壁的导热系数为50W/

（m-K）,试求绝缘材料的导热系数。

若忽略壁阻，会引起多大的误差？

解：

按题意求得:

13-10i—

=11.4mm

r3-r223-13

r-=~V=-^r=17-5mm

In—In——r213

必一527-23

rm3==—冇=24.9mm

ln^In—r323

Ami=2^=2x3.14x1x11.4xl0-3=7.16xl0_2m2

Am2=2兀％=2x3.14x1x17.5x107=0.1lm2

Am3=2兀％=2x3.14x1x24.9x1（）7=0.156m2

内管壁的热阻为：

Ri=-=0-013-°-01=8.38x10~4K/W

入/同50x7.16x10-

外管壁的热阻为：

R2=土乞=叫27-0丄3=513x10-4K/W

九3九350x0.156

通过多层管壁的热流量为：

=100（W

900-100

8.38x107°°237013+5.13x10-4

九2X0.11

则:

九2=0.114W/（m.K）o

若忽略两侧金属壁的热阻，则

『3-『2

入2'Am2

900-100

0.023-0.013

X2x0.11

=100（W

则：

r2=0.114W/（m-K）o

由于金属壁的热阻远小于绝缘材料的热阻，在实验精度范围内，金属壁的热阻可以忽略。

5.在一直径为*25X2.5mm的蒸汽管道外，包扎一层导热系数为0.8W/（m-°C）的保温层。

保温层半径为50mm。

管内饱和蒸汽温度为130°C,大气温度为30°C。

试求：

保温层的临界半径。

假设管壁阻和蒸汽侧对流阻可以忽略。

保温层外壁对大气压的对流辐射传热系数可按下式计算：

口尸9.4+0.052（tw-t）式中

at对流-辐射传热系数

tw—一保温层外壁表面温度，°C

t环境大气温度，°C

并定性讨论管道未保温及不同保温层半径下单位管长热损失的情况。

解：

总热阻由2部分组成，一是保温层的热传导热阻Ri,二是保温层外壁与空气的对流传热热阻R”

Ri=b/A.Sm=（r2~ri）/[XX2uL（r2~ri）/In（眈/口）

=In（r2/ri）/2XitL

（1）

R2=l/aTSo=l/aT2Jir2L=l/[9.4+0.052（tw-t）X2Jir2L

（2）

总传热Q=（T-t）/（Ri+R2）=（tw-t）/R2

（130-30）/（Ri+R2）=（30）/R2（3）

由

（1）

（2）（3）解得

tw=40.42°C

a丁=9.4+0.052（tw-t）=9.942

/.rc=X/aT=0.8/9.942=0.08047m=80.5mm>50mm

Q==（tw-t）/R2=325.29W

未加保温层时，即r2=riQ'=（tw-t）/R2'

at'=9.4+0.052（tw-t）=14.6

=1/atSo—1/a丁2nr?

L

.•.Q‘=114.61W

•••未加保温时的热损失小些，且保温曾厚度越大热损失越大。

6.在并流换热器中，用水冷却油。

水的进出口温度分别为15°C,40°C,油的进出口温度分别为150°C和1009。

现生产任务要求油的出口温度降至80°C°C,假设油和水的流量，进出口温度及物性不变，若换热器的管长为lm,试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。

设换热器的热损失可忽略。

解：

根据题意列出关系式：

热流体（油）：

Ti=150°C-T2=100°C

冷流体（水）：

ti=15°C-12=40°C

现在要求：

热流体（油）：

Ti=150°C-T2=80°C

冷流体（水）：

ti=15°C-t2=?

开始：

Q=WhCph（L-T2）=50WbCph

=WcCPc（t2~ti）=25WcCPc

=KoSoAtm

At„=（At「At2）/In（Ati/At2）=（135-60）/In（135/60）=92.49

改变后：

Q'=WhCph（Ti-T2）=700WhCph

=WcCpc（ti'-ti）=（t/-15）WcCpc