化工原理传热习题及答案.docx
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化工原理传热习题及答案
化工原理习题及答案
第五章传热
姓名____________班级____________学号_____________成绩______________
一、填空题:
1.(6分)某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃,而环境温度为20℃,采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=0.57w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。
(注:
大型容器可视为平壁)***答案***1140w
2.(6分)某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃,而环境温度为20℃,采用某隔热材料,其厚度为120mm,λ=0.25w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。
(注:
大型容器可视为平壁)***答案***1000w
3.(6分)某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为150℃,而环境温度为20℃,要求每平方米热损失不大于500w,采用某隔热材料,其导热系数λ=0.35w.m.K,则其厚度不低于_______。
(注:
大型容器可视为平壁)***答案***91mm
4.(6分)某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为___________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为0.8m.s时,此时传热系数α=_____________.
***答案***α=0.023(λ/d)RePrα=3.81(kw.m.K)
5.(6分)某间壁换热器中,流体被加热时,圆形管内湍流的传热系数表达式为_____________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为1.2m.s时,此时传热系数α=________________.
***答案***α=0.023(λ/d)RePrα=5.26(kw.m.K)
6.(3分)牛顿冷却定律的表达式为_________,给热系数(或对流传热系数)α的单位是_______。
***答案***q=αA△tw.m.K
7.(4分)某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为30℃和40℃,此时传热平均温度差△t=_________.***答案***27.9K
8.(4分)某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为15℃和30℃,此时传热平均温度差△t=_________.***答案***41.6K
9.(2分)热量传递的方式主要有三种:
_____、______***答案***热传导热对流热辐射
10.(6分)圆筒壁总传热系数K与间壁两侧对流传热系数α.α以及间壁导热系数λ的关系为_________.当间壁管规格为φ108×4mm,导热系数为45(w.m.K)时,管内外两侧给热系数分别为8000(w.m.K)和1200(w.m.K)时,总传热系数K__________.
***答案***1/K=1/α+bd/λd+1d/αd;946(w.m.K)
11.(4分)某逆流操作的间壁式换热器中,热流体的进.出口温度为80℃和50℃,冷流体的进出.口温度为20℃和45℃,此时传热平均温度差△t=_______.***答案***32.5℃
12.(3分)对流传热中的努塞特准数式是______,它反映了______________
__________***答案***N=αl/λ,对流传热过程几何尺寸对α的影响。
13.(4分)稳定热传导是指__________不随时间而改变***答案***传热系统中各点的温度仅随位置变
14.(2分)两流体的间壁换热过程中,计算式Q=α.A.△t,A表示为_____***α一侧的换热壁面
15.(2分)在两流体通过圆筒间壁换热过程中,计算式Q=K.A.△t中,A表示为____________________。
***答案***A泛指传热面,与K相对应
16.(3分)两流体进行传热,冷流体从10℃升到30℃,热流体从80℃降到60℃,当它们逆流流动时,平均传热温差△tm=____________,当并流时,△tm=_________。
***答案***50℃47.2℃
17.(4分)冷、热气体在间壁换热器中换热,热气体进口温度T=400℃,出口温度T为200℃,冷气体进口温度t=50℃,两股气体的质量流量相同,物性数据可视为相同,若不计热损失时,冷气体出口温度为___℃;若热损失为5%时,冷气体出口温度为___℃***答案***250℃,240℃
18.(3分)一列管换热器,列管规格为φ38×3,管长4m,管数127根,则外表面积F=_________________,而以内表面积计的传热面积F***答F1=127×4π×0.038=60.6mF2=127×4π×0.032=51.1m
19.(2分)当水在圆形直管内作无相变强制湍流对流传热时,若仅将其流速提高1倍,则其对流传热系数可变为原来的_________倍2
20.(2分)进行换热的两流体,若α》α时,要提高K值,应设法提高_______;当α≈α时,要提高K值,应使_________________。
***答案***α;α与α同时提高
二、选择题:
1.(2分)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
2.(2分)翅片管换热器的翅片应安装在(A)。
A.α小的一侧B.α大的一侧C.管内D.管外
3.(2分)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R与第二、三层热阻R、R的大小(C)。
A.R>(R+R)B.R<(R+R)
C.R=(R+R)D.无法比较
本题目有题图:
4.(2分)工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管,其目的是(C)。
A.增加热阻,减少热量损失;B.节约钢材、增强美观;
C.增加传热面积,提高传热效果。
5.(2分)有一列管换热器,用饱和水蒸汽(温度为120℃)将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃,该换热器的平均传热温度差Δt为(B)。
A.-60/ln2.5;B.60/ln2.5;C.120/ln5
6.(2分)将1500kg.h,80℃的硝基苯通过换热器冷却到40℃,冷却水初温为30℃,出口温度不超过35℃,硝基苯比热为1.38kJ.kg.K,则换热器的热负荷为(B)。
A.19800kJ.h;B.82800kJ.h;C.82800kw;
7.(2分)对流传热是由(C)因素产生的。
A.流体分子的热振动;B.流体体内电子的移动;
C.流体质点的位移、扰动。
8.(2分)法定计量单位中,属于国际热量计算单位的是(C)。
A.kw;B.kcal;C.J
9.(2分)热量传递的基本方式是(D)。
A.恒温传热和稳态变温传热;B.导热给热和热交换;
C.气化、冷凝与冷却;D.传导传热、对流传热与辐射传热
10.(2分)在比较多的情况下,尤其是液-液热交换过程中,热阻通常较小可以忽略不计的是(D)。
A.热流体的热阻;B.冷流体的热阻;
C.冷热两种流体的热阻;D.金属壁的热阻。
11.(2分)公式q=KAΔt中,Δt的物理意义是(B)。
A.器壁内外壁面的温度差;B.器壁两侧流体对数平均温度差;
C.流体进出口的温度差;D.器壁与流体的温度差。
12.(2分)湍流体与器壁间的对流传热(即给热过程)其热阻主要存在于(C)。
A.流体内;B.器壁内;C.湍流体滞流内层中;
D.流体湍流区域内。
13.(2分)对一台正在工作的列管式换热器,已知α=116w.m.Kα=11600w.m.K,要提高传热系数(K),最简单有效的途径是(A)。
A.设法增大α;B.设法增大α;C.同时增大α和α。
14.(2分)用饱和水蒸汽加热空气时,传热管的壁温接近(A)
A.蒸汽的温度;B.空气的出口温度;C.空气进、出口平均温度
15.(2分)在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气,此过程的总传热系数K值接近于(B)A.α蒸汽B.α空气C.α蒸汽与α空气的平均值
16.(2分)对流传热仅发生在(C)中。
A.固体B.静止的流体C.流动的流体
17.(2分)稳定的多层平壁的导热中,某层的热阻愈大,则该层的温度差(A)。
A.愈大B.愈小
18.(2分)流体与固体壁面间的对流传热,当热量通过滞流内层时,主要是以(A)方式进行的。
A.热传导B.对流传热C.热辐射
19.(2分)当壳体和管束之间温度大于50℃时,考虑热补偿,列管换热器应选用(B)
A.固定管板式B.浮头式C.套管式
20.(2分)强化传热的主要途径是(B)。
A.增大传热面积B.提高K值C.提高△t
三、判断题:
1.(2分)凡稳定的圆筒壁传热,热通量为常数。
()×
2.(2分)传导和对流传热的传热速率与温度的一次方之差成正比,而辐射的传热速率与温度的四次方之差成正比。
()√
3.(2分)凡稳态的园筒壁传热过程,单位时间单位面积所传递的热量相等。
×
4.(2分)热量传递过程的规律与流体流动过程相似,流速越大,则其过程的阻力越大。
×
5.(2分)当保温材料的厚度加大时,内外壁面的总温度差增大,总的热阻也增大,总推动力与总阻力之比为定值,即导热速率不变。
()×
6.(2分)多层平壁导热过程中,传热总推动力为各壁面温度差之和。
()√
7.(2分)无相变的折,错流换热器,其平均温度差△t都比逆流时为小。
()√
8.(2分)换热器的导热管,应选用导热系数值大的材料。
(√
9.(2分)导热系数是物质的一种物理性质(√
10.在列管换热器管间装设了两块横向折流档板,则该换热器变成为双壳程的换热器(X)
11.(2分)在稳定的多层平壁导热中,若某层的热阻较大,则这层的导热温度差就较小×
12.(2分)在对流传热中,传热管壁的温度接近α值小的哪一侧流体的温度().×
13.(2分)对于问壁两侧流体稳定变温传热来说,载热体的消耗量逆流时大于并流时的用量。
()×
14.(2分)列管式热交换器内用饱和水蒸汽加热管程的空气,为提高换热器的K值,在管外装设折流挡板。
()×
15.(2分)蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种(√
16.(2分)列管换热器采用多管程的目的是提高管内流体的对流传热系数α()√
17.(2分)维持膜状沸腾操作,可获得较大的沸腾传热系数。
()×
18.(2分)为了提高间壁式换热器的传热系数K值,必须设法提高α值大的那一侧流体的对流传热系数。
()×
19.(2分)强化传热的途径主要是增大传热面积()×
20.(2分)付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。
()×
四、简答题:
1.(8分)在化工生产中,传热有哪些要求?
传热一般有两方面的要求:
1、尽量使传热情况良好,即要求高的传热效率,以减少设备尺寸;
2、尽量避免传热,即保温或保冷。
2.(10分)传导传热,对流传热和辐射传热,三者之间有何不同?
传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。
对流传热则是流体质点发生相对位移来传递热量,辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间发射能量来传递热量。
3.(10分)试述对流传热的机理?
热流体流过管道时,在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡,使质点强烈混合而交换热量,温度较均匀,几乎不存在温度梯度;但在紧靠管壁,有一层很薄的作层流流动的流体层(层流底层),在这层薄层内,热量传递以导热方式进行,从微观上言,是靠分子传递。
由于流体的导热系数很小,故热阻丝要集中层流底层内。
对管内层流流动,热量传递也是主要靠导热。
但由于温度存在(轴向的,径向的),有密度差,会引起质点的对流,比较复杂。
4.(8分)强化传热过程应采取哪些途径?
根据q=K.A.△t方程,指任一个K、A、△t都能提高强化传热
(1)增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管;
(2)增大传热温差△t可采用逆流操作,因为当T,T,t,t四个温度一定时,逆流传热温差△t最大;
(3)提高传热系数K由
K=1/(1/α+1/α+Σ(δ/λ))
提高α、α降低δ,都能强化传热,要提高α由单层改为多层,或在壳程中增设档板,对于蛇管中,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物(强化圈)在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。
5.(4分)传热有哪几种方法?
各有何特点?
试就锅炉墙的传热分析其属哪些传热方式?
传导、对流、辐射
导热--分子原位振动,电子定向流动。
对流--流体质点流动与混合。
锅炉壁为导热,外壁对烟气为对流,火焰和炉墙的热辐射。
6.(4分)为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作?
操作可以获得较大的平均传热温度差,从传递相同热负荷言,须较小的传热面积,节省设备费用。
此外,逆流热流体出口温度T可接近冷流流体进口温度t,对相同热负荷言,需加热剂少;同样,就冷流体而言,逆流体出口温度t可接近热流体进口温度T,对相同热负荷言,需要冷却剂少,故对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑,逆流操作费小。
7.(4分)什么是稳定传热和不稳定传热?
在传热过程中,传热面上各点的温度不随时间变化,称为稳定传热。
稳定传热时,传热速率为定值。
反之,若传热面上各的温度随时间而变,则为不稳定传热。
不稳定传热时,传热速率也随时间而变。
8.(5分)导热系数受哪些因素影响?
现有建筑砖(ρ=1800kg.m)和煤灰砖(ρ=700kg.m)两种材料,哪种保温性能好?
组成:
纯物质的导热系数好;
结构:
结构致紧、密度大的材料导热系数大;
温度:
一般温度升高,非金属固体导热系数增大。
煤灰砖的保温性能好。
9.(2分)多层平面壁的导热速率是怎样计算的?
Q/A=(Δt+Δt+Δt+...)/(b/λ+b/λ+b/λ+...)
10.(3分)题号4206第4章知识点100难度中等
多层园筒壁的导热速率是怎样计算的?
Q=2πL(Δt+Δt+...)/(ln(r/r)/λ+ln(r/r)/λ+...)
11.(4分)说明流体流动类型对给热系数的影响。
流体为层流时,传热是以导热方式进行的。
则此时给热系数较小。
当为湍流时,传热是以对流方式进行的,此时给热系数增大。
所以流体的传热,多在湍流情况下进行。
12.(6分)给热系数受哪些因素影响?
流动类型:
湍流时的给热系数大。
流体的物性:
粘度μ、密度ρ、比热Cp,导热系数λ均对给热系数有影响。
传热面的形状、大小和位置:
管子的排列、折流都是为了提高给热系数。
流体的对流情况,强制对流比自然对流的给热系数大,流体在传热过程有无相变,有相变α大。
分析α=0.023λ/d.Re.Pr也可以回答上列问题。
13.(3分)提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧?
当忽略金属壁面的导热热阻时,
1/K=1/α+1/α=(α+α)/(α×α)
若α>>α,则α+α≈α∴K≈α
即K接近α小的数值。
14.(4分)说明列管式换热器的基本结构。
由壳体、管束、管板、封头等组成。
16.(6分)有以下传热公式A.Q=λ.A.(t-t)/δ
B.Q=α.A.(T-T)
回答下列问题:
(1)在什么传热情况下,可利用以上公式进行计算?
(2)写出以上公式中,热阻的表达式
(1)A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。
公式A为物质内部传导的传热速率计算。
公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。
(2)A式:
R=δ/λ或R=δ/A×λ
B式:
R=1/α或R=1/α×A
17.(8分)换热器的散热损失是如何产生的?
应如何来减少此热损失?
由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度,外壁面不断通过对流和辐射传将热量传给换热器周围的空气而散失,即产生散热损失。
为了减少散热损失,一般在换热器外壁面上包上一层(或两层)导热系数较小的绝热材料(或不同的两种导热系数较小的绝热材料),使传热热阻增大,外壁面温度降低,从而减小了散热损失。
18.(6分)列管换热器由哪几个基本部分组成?
主要由壳体、管束、管板和顶盖(又称封头)等基部分组成。
壳体和管束作为冷热两流体的流动空间,通过管壁进行换热。
管束安装在管板上,通过管板使管束与壳体连成一体。
顶盖(封头)上有管程流体进出口,且有分程、密封,封头可拆卸,便于管子清洗等作用。
19.(8分)当间壁两侧流体稳定变温传热时,工程上为何常采用逆流操作?
并简要定性分析主要原因。
因为逆流操作有较高的经济效益。
主要原因可由以下两方面分析:
(1)当T、T、t、t四个温度一定时,逆流操作的△t比其它流向大。
根据:
Q=KA△t,当K、A一定时,△t↑则Q↑,对现有的换热器来说,可提高生产能力。
当Q、K一定时,△t↑则A↓,对生产能力要求一定时,新设计制造换热器由于A较小,设备尺寸可减小,节省投资费。
(2)一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。
逆流操作时,载热体用量比其它流向的要小,降低能耗,提高了经济效益。
20.(8分)有一高温炉,炉内温度高达1000℃以上,炉内有燃烧气体和被加热物体,试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。
炉内以对流和辐射并联联合传热,将热量传给炉的内壁面。
在炉壁内通过传导传热,将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面,它与炉内对流与辐射传热相串联。
炉外通过对流与辐射并联联合传热,将热量从炉的外壁面传到大气中,它与炉壁内的传导传热相串联,所以该传热过程的特点是:
(1)传导、对流、辐射三种传热方式同时存在;
(2)并联、串联的联合传热同时存在。
五、计算题:
1.(8分)外径为100mm的蒸汽管外包一层厚80mm、导热系数为λw.m.K的绝缘材料,管外壁温度为t,每米管长的热损失为Qw.m,试求绝热层外壁温度t(设管外壁与绝热层接触良好)
Q=2πλ(t1-t2)/ln(r2/r1)∴t2=t1-Qln(r2/r1)/(2πλ)
=t1-Q/λ[ln(0.13/0.05)/(2×3.14)
=t1-0.152Q/λ
2.(14分)某平壁炉的炉壁由耐火砖,绝热砖和普通砖组成,它们的导热系数分别为1.163,0.233和0.582[w.m.K],为使炉内壁温度保持1000℃,每平方米炉壁的热损失控制在930w以下,若普通砖厚度取为10cm,炉外壁温度为83℃,求:
耐火砖和绝热砖厚度各为多少?
绝热砖和普通砖交界面温度t为多少?
(假设绝热砖与耐火砖交界面温度为800℃)
设耐火砖厚度b1,绝热砖厚度b2跨过耐火砖的热通量为:
q=(t1-t2)/(b1/λ1)
∴b1=λ1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m
跨过三层砖的热通量为:
q=(t1-t4)/[(b1/λ1)+(b2/λ2)+(b3/λ3)]
b2=[(t1-t4)/q-b1/λ1-b3/λ3]λ2
=[(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582]×0.233=0.14m,
跨过普通砖的热通量:
=t3-t4/b3/λ3,
t3=q.b3/λ3+t4=930×0.1/0.582+83=243℃
3.(15分)在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热为2.38kJ.kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热为4.174kJ.kgK,基于传热外面积的总传热系数K=2000w.mK,且保持不变.设热损失可以忽略。
试求:
(1)冷却水用量;
(2)计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。
冷却水用量:
Wc(T-T)=Wc(t-t)
3500×2.38×(100-60)=W×4.174×(50-40)
∴W=7982kg.h
Δt逆=(50-20)/ln(50/20)=32.75
Δt并=(60-10)/ln(60/10)=27.9
Q=KAΔtQ=333200kJ.h
A逆=333200×10/(2000×32.75×3600)=1.41m
πdl=1.413.14×0.18×l=1.41
∴l=2.5m
A并=333200×10/(2000×27.9×3600)=1.66m
3.14×0.18×l=1.66
∴l=2.93m
4.(15分)已知一外径为75mm,内径为55mm的金属管,输送某一热的物流,此时金属管内表面温度为120℃,外表面温度为115℃,每米管长的散热速率为4545w.m,求该管材的导热系数。
为减少该管的热损失,外加一层石棉层(导热系数为0.15w.m.K)此时石棉层外表面温度为10℃,而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%,求石棉层厚度及钢管和石棉层接触面处的温度。
⑴Q/L=2π(120-115)/[1/λ(ln(75/55))]=4545
(1/λ)ln(75/55)=2×3.14(125-115)/4545=0.00691
∴λ=44.9w.m.K
⑵设外加石棉层厚度为δ
则:
Q'/L
=2×3.14(120-10)/{(1/44.9)[ln(75/55)]+(1/0.15)ln(75+2δ)/75}
=4545×0.0387=175.9w.m
690.8=175.9{0.00691+(1/0.15)ln[(75+2δ)/75]}
解得:
δ=30mm(石棉层厚度)
⑶设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'
则:
2×3.14(120-t2')/[(1/44.9)ln(75/55)]=175.9
解得:
t2'=119.8℃
5.(12分)φ120×5mm的蒸汽管外拟包一层保温材料,其导热系数为0.07w.m.K。
设蒸汽管的内壁温度为110℃,管壁导热系数为45w.m.K。
要求保温层外壁温度不超过20℃,每米蒸汽管的热损失控制在60w以下,试计算保温层的最小厚度。
按多层圆筒导热
q=(t-t)/(ln(r/r)/(2π
λ)+ln(r/r)/(2πλ))
将r=0.06m,r=0.055m,r=0.06+δ
λ=0.07w/(m·K),λ=45w/(m·K),q=60w