传热练习试题2化工原理.docx
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传热练习试题2化工原理
传热
一、填空
1、蒸汽冷凝放热时，要经常注意排放（），这是因为（）。
2、某物体（可近似为灰体），在20℃时，其黒度为ε=0.8，则其辐射能力的大小为
（），其吸收率为（）。
3、管内对流传热，流体内温度梯度最大是在（），原因是（）。
4、膜系数α越（），液体核状沸腾时，△t越大，α越（）。
5、在一列管换热器中用壳程的饱和蒸汽加热管程的液体（无相变），若饱和蒸汽侧的饱和蒸汽压力增大，而液体的流量和进口温度不变，则液体出口温度（），蒸汽侧的对流传热系数（）。
6、某换热器中用饱和水蒸汽加热有机溶液，现发现溶液的出口温度比原来低，检查溶液的初温和流量均无变化，请列举二个可以导致上述现象的原因：
①（）②（）
7、常见的列管换热器折流板型式有（），（）。
在列管式换热器的壳程中设置折流板的优点是（），缺点是（）。
8、随着温度的增加，空气的黏度（），空气的导热系数（）。
9、某一段流体流过一段直管后，在流入同一内径的弯管段，则弯管段的传热系数比直管段传热系数（），因为（）。
10、角系数取决于换热物体的（），（）和（），而与（）和（）无关。
11、基尔霍夫定律的表达式为（），该定律的前提假设条件是（）。
12、在空气—水换热的换热器中，为强化传热可能采取的措施有哪些（），
传热壁面的温度接近于（）的温度。
13、列管换热器中，若冷热两种流体的温度差相差较大，则换热器在结构上常采用（）办法，常用的结构形式有（）。
14、化工生产中常以水蒸汽作为一种加热介质，其优点是（）。
水蒸汽冷凝时应及时排除不凝性气体，其原因是（）。
15、大容积中的饱和沸腾传热可分为（），（）和（），而在工业生产中常在（）阶段操作。
16、一回收烟道气热量的废热锅炉，在流程安排上，烟道气（入口温度为60℃）应走（），水（入口温度为90℃）应走（），主要是为避免（）。
17、三层圆筒壁热传导过程，最外层的导热系数小于第二层的导热系数，两层厚度相同，在其它条件不变时，若将第二层和第三层的材质互换，则导热量变（），第二层与第三层的界面温度变（）。
18、在垂直冷凝器中，蒸汽在管内冷凝，若降低冷却水的温度，冷却水的流量不变，则冷凝传热系数（），冷凝传热量（）。
19、在管壳式换热器中热流体与冷流体进行换热，若将壳程由单程改为双程，则传热温度差（）。
20、在高温炉外设置隔热挡板，挡板材料黑度愈低，热损失愈（）。
21、写出两种带有热补偿的列管换热器名称①（），②（）。
22、斯蒂芬—波尔茨曼定律的数学表达式为（），它表示（
）。
23、327℃的黑体辐射能力为27℃黑体辐射能力的（）倍。
24、若换热器中流体温度变化较大，总传热系数随温度变化大时，传热面积可采用（
）求之。
25、沸腾传热设备壁面越粗糙，气化核心越（），沸腾传热系数越（
）。
26、黑体的表面温度提高一倍，则黑体的辐射能力提高（）倍。
27、在列管换热器中使用饱和水蒸汽加热冷空气时，管壁的温度接近（）侧温度。
二、选择题
1、管壁热阻和污垢热阻可忽略，当传热面两侧的对流传热膜系数相差较大时，总传热系数总是接近于（）。
热阻大的那侧的传热膜系数B热阻小的那侧的传热膜系数
C上述两者的平均值D不一定
2、在两灰体进行辐射传热，两灰体的温度相差50℃。
现因某种原因，两者的温度差升高到100℃，则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比，应该（）。
增大B变小C不变D不确定
3、为减少室外设备的热损失，拟在保温层外包一层金属皮，则选择金属皮时应优先考虑的因素是选用的材料（）。
颜色较深B表面粗糟C颜色较浅D表面光滑
4、推导过滤方程式的一个最基本的依据是（）。
滤液通过滤饼时呈湍流流动
假定滤饼大小均一
滤液通过滤饼时呈层流流动
假定过滤介质的阻力可忽略不计。
5、某一套管换热器，由管间的饱和蒸汽加热管内空气，设饱和蒸汽的温度为100℃，空气进口温度为20℃，出口温度为80℃，问此套管换热器内管壁温度应是（）。
接近空气温度
接近饱和蒸汽和空气的平均温度
接近饱和蒸汽温度
三、计算题：
1、某一逆流操作套管换热器，冷却水进口温度t1=30℃，出口温度t2=84℃；热流体进口温度T1=180℃,出口温度T2=120℃.若改为并流操作，其它条件均不变，两流体的出
口温度分别为多少?
（设平均温度差可用算术平均值）。
2、一套管换热器用133℃的饱和水蒸汽将管内的氯苯从33℃加热至73℃，氯苯流量为5500kg/h，现因某种原因，氯苯流量减少到3300kg/h，但其进出口温度欲维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少，才能满足要求?
此时饱和蒸汽的冷凝量为原工况的百分之几?
（设在两工况下蒸汽冷凝热阻、管壁热阻、垢层热阻及热损失均可忽略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下饱和蒸汽汽化潜热的变化）。
3、在套管换热器中，冷流体以500kg/h流过φ23×2mm的管内，冷流体的比热为1kJ/kg℃，进出口温度为20℃和80℃，管壁的导热系数为45w/m℃，加热介质走管外，温度由150℃降为90℃,已知管内传热膜系数为α1=700w/m2℃，总传热系数K0（基于管外表面积）为300w/m℃，热损失可以忽略不计。
求：
管外对流传热膜系数α0；
逆流传热所需管长；
如果加热介质换为140℃的饱和蒸汽，冷凝为饱和液体，蒸汽冷凝传热膜系数
α0=8000w/m2℃，其它条件不变，所需管长；
D、换热器使用一年后，发现冷流体的出口温度达不到80℃，请说明原因。
4、在一单程的列管换热器中，壳程通入100℃的饱和水蒸汽，将管内湍流的空气从10℃加热至60℃，饱和蒸汽冷凝成同温度下的水。
若空气流量和空气的进口温度不变，仅将原换热器改成双管程。
试求：
A、空气的出口温度t2
B、空气冷凝量有何变化?
（忽略管壁热阻及换热器的热损失）
例4-1某平壁厚度为0.37m，内表面温度t1为1650℃，外表面温度t2为300℃，平壁材料导热系数
（式中t的单位为℃，λ的单位为W/（m·℃））。
若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算时，试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。
解：
（1）导热系数按常量计算
平壁的平均温度为：
平壁材料的平均导热系数为：
由式可求得导热热通量为：
设壁厚x处的温度为t，则由式可得：
故
上式即为平壁的温度分布关系式，表示平壁距离x和等温表面的温度呈直线关系。
（2）导热系数按变量计算 由式得：
或
积分
得
（a）
当
时，
，代入式a，可得：
整理上式得：
解得：
上式即为当λ随t呈线性变化时单层平壁的温度分布关系式，此时温度分布为曲线。
计算结果表明，将导热系数按常量或变量计算时，所得的导热通量是相同的；而温度分布则不同，前者为直线，后者为曲线。
例4-2燃烧炉的平壁由三种材料构成。
最内层为耐火砖，厚度为150mm，中间层为绝热转，厚度为290mm，最外层为普通砖，厚度为228mm。
已知炉内、外壁表面分别为1016℃和34℃，试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。
假设各层接触良好。
解：
在求解本题时，需知道各层材料的导热系数λ，但λ值与各层的平均温度有关，即又需知道各层间的界面温度，而界面温度正是题目所待求的。
此时需采用试算法，先假设各层平均温度（或界面温度），由手册或附录查得该温度下材料的导热系数（若知道材料的导热系数与温度的函数关系式，则可由该式计算得到λ值），再利用导热速率方程式计算各层间接触界面的温度。
若计算结果与所设的温度不符，则要重新试算。
一般经5几次试算后，可得合理的估算值。
下面列出经几次试算后的结果。
耐火砖
绝热砖
普通砖
设t2耐火砖和绝热砖间界面温度，t3绝热砖和普通砖间界面温度。
，
由式可知：
再由式得：
所以
所以
各层的温度差和热阻的数值如本列附表所示。
由表可见，各层的热阻愈大，温度差也愈大。
导热中温度差和热阻是成正比的。
例4-2附表
材料
温度差
热阻
耐火砖
59.5
0.1429
绝热转
805.1
1.933
普通砖
117.4
0.2815
例4-3在外径为140mm的蒸气管道外包扎保温材料，一减少热损失。
蒸气管外壁温度为390℃，保温层外表温度不大于40℃。
保温材料的
（t的单位为℃。
λ的单位为W/（m·℃））。
若要求每米管长的热损失Q/L不大于450W/m，试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。
解：
此题为圆筒壁热传导问题，已知：
，
，
先求保温层在平均温度下的导热系数，即：
（1） 保温层厚度 将式改写为：
得r3=0.141m
故保温层厚度为：
（2）保温层中温度的分布设保温层半径r处，温度为t，代入式可得：
解上式并整理得：
计算结果表明，即使导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。
例4-4某列管换热器由φ25×2。
5mm的钢管组成。
热空气流经管程，冷却水在管间与空气呈逆气流流动。
已知管内侧空气的αi为50W/（m2·℃）,管外水侧的α0为1000W/（m2·℃），钢的λ为45W/（m2·℃）。
试求基于管外表面积的总传热系数K。
及按平壁计的总传热系数。
解：
参考附录二十二。
取空气侧的污垢热阻
，水侧的污垢热阻
。
由式知：
所以
若按平壁计算，由式知：
由以上计算结果表明，在该题条件下，由于管径较小，若按平壁计算K，误差稍大，即为：
例4-5在上例中，若管壁热阻和污垢热阻可忽略，为了提高总传热系数，在其他条件不变的情况下，分别提高不同流体的对流传热系数，即：
（1）将αi提高一倍；
（2）将α0提高一倍。
试分别计算K0值。
解：
（1）将αi提高一倍
所以
（2） 将αo提高一倍
所以
计算结果表明，K值总是接近热阻大的流体侧的α值，因此欲提高K值，必须对影响K值的各项进行分析，如在本题条件下，应提高空气侧的α，才有效果。
例4-6在一单壳程、四管程换热器中，用水冷却热油。
用冷水管内流动，进口温度为15℃，出口温度为32℃。
热油在壳方流动，进口温度为120℃，出口温度为40℃。
热油的流量为１.25kg/s,平均比热为1.9kJ/（kg.℃）。
若换热器的总传热系数为470W/（m2·℃），试求换热器的传热面积。
解：
换热器传热面积可根据总传热速率方程求得，即：
换热器的传热量为：
1-4型列管换热器的对数平均温度差，先按逆流计算，即：
温度差校正系数为：
由图查得：
所以
故
例4-7在传热外表面积S0为300m2的单程列管换热器中，300℃的某种气体流过壳方并被加热到430℃。
另一种560℃的气体作为加热介质，两气体逆流流动，流量均为1×104kg/h,平均比热均为1.05kJ/（kg.℃）。
试求总传热系数。
假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。
解：
对给定的换热器，其总传热系数可由总传热速率求得，即：
换热器的传热量为：
热气体的出口温度由热量衡算求得，即：
或
解得
流体的对数平均温度差为：
因
所以
故
由本例计算结果可以看出，两气体间传热的总传热系数是很低的。
例4-8在一传热面积为15.8的m2的逆流套管换热器中，用油加热冷水。
油的流量为2.85kg/s、
进口温度为110℃；水的流量为0.667kg/s、进口温度为35℃。
油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/（kg.℃）。
换热器的ZO总传热系数为320W/（m2·℃）。
试求水的出口温度及传热量。
解：
本题用ε-NTU法计算
故水（冷流体）为最小值流体。
查图得ε=0.73
因冷流体为最小值流体，故由传热效率定义式得：
解得水的出口温度为：
换热器的传热量为：
例4-9在逆流操作的列管换热器中，热气体将2.5kg/s的水从35℃加热到85℃。
热气体的温度由200℃降到93℃。
水在管内流动。
已知总传热系数为180W/（m2·℃），水和气体的比热分别为4.18和1.09kJ/（kg·℃）。
若将水的流量减少一半，气体流量和两流体的进口温度不变，试求因水流量减少一半而使传热量减少的百分数。
假设流体的物性不变，热损失可忽略不计。
解：
此题用ε-NTU法计算。
（1）由原水流量求换热器的传热面积
其中
所以
（2）水流量减小后传热量的变化
故热气体为最小值流体。
因水的对流传热系数较气体的为大，故水流量减小后对总传热系数的影响不大，两种情况下K视为相同。
查图可得：
因热流体为最小值流体，由热效率定义式知：
此时传热量为：
则因水流量减少一半而使传热量减少百分数为：
例4-10在200kPa、20℃下，流量为60m3/h的空气进入套管换热器的内管，并被加热到80℃，内管的直径为Ф57×3.5mm,长度为3m。
试求管壁对空气的对流传热系数。
解：
于附录查得50℃下空气的物理性质如下：
，
，
空气在进口处的速度为：
空气在进口处的密度为：
空气的质量流速为：
所以
（湍流）
又因
故Re和Pr值均在式
的应用范围内，可用该式求算αo且气体被加热，取n=0.4，
则：
计算结果表明，一般气体的对流传热系数都比较低。
例4-11 -5℃的冷冻盐水（25%CaCl2溶液）以0.3m/s的流速流经一套管换热器的内管，已知内管的内径为21mm、长度为3.0m。
假设管壁平均温度为65℃，试求盐水的出口温度。
解：
假设盐水的平均温度为5℃，从附录查得25%CaCl2溶液在5℃下物性如下：
，
，
判别流型，即：
（滞流）
而
在本题的条件下，管径较小，流体的粘度较大，自然对流影响可忽略，故α可用下式进行计算，即：
盐水的出口温度由下式求得：
即
解得
原假设的盐水平均温度与计算结果比较接近，不再重复试算。
例4-12在预热器内将压强为101.3kPa的空气从10℃加热到50℃。
预热器由一束长为1.5m、直径为φ89×1.5mm的错列直立钢管组成。
空气在管外垂直流过，沿流动方向共有15排，每排管子数目相同。
空气通过管间最狭处的流速为8m/s。
试求管壁对空气的平均对流传热系数。
解：
于附录查得空气在30℃时的物性如下：
，
，
所以
空气流过10排错列管束的平均对流传热系数可由下式求得：
空气流过15排管束时，由表查得系数为1.02，则：
表式
的修正系数
排数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
15
18
25
35
75
错列
0.48
0.75
0.83
0.89
0.92
0.95
0.97
0.98
0.99
1.0
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
直列
0.64
0.80
0.83
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
0.99
1.0
例4-13在一室温为20℃的大房间中，安有直径为0.1m、水平部分长度为10m、垂直部分高度为1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均温度为120℃，试求该管道因自然对流的散热量。
解：
大空间自然对流的α可由式
计算，即：
，该温度下空气的有关物性由附录查得：
，
，
（1）水平管道的散热量Q1
其中
所以
由表查得：
，
所以
表式
中的c和n值
加热表面形状
特征尺寸
（GrPr）范围
c
n
水平圆管
外径do
104～109
0.53
1/4
109～1012
0.13
1/3
垂直管或板
高度L
104～109
0.59
1/4
109～1012
0.10
1/3
（2）垂直管道的散热量
由表查得：
，
所以
蒸汽管道总散热量为：
例4-14饱和温度为100℃的水蒸气，在外径为0.04m、长度为2m的单根直立圆管外表面上冷凝。
管外壁温度为9℃。
试求每小时的蒸气冷凝量。
又若管子水平放置，蒸气冷凝量为多少？
解：
由附录查得在100℃下饱和水蒸气的冷凝潜热约为2258kJ/kg。
由附录查得在97℃下水的物性为：
，
，
（1）单根圆管垂直放置时 先假定冷凝液膜呈滞流，由式知：
由对流传热速率方程计算传热速率，即：
故蒸气冷凝量为：
核算流型：
（滞流）
（2）管子水平放置时若管子水平放置时，由式知：
故
所以
核算流型：
（滞流）
例4-15甲苯在卧式再沸器的管间沸腾。
再沸器规格：
传热面积So为50.7m2；管束内径为0.35m，由直径为φ19×2mm、长为5m的管子所组成。
操作条件为：
再沸器的传热速率为9.20×105W；压强为200kPa（绝压）。
已知操作压强下甲苯沸点为135℃、气化潜热为347kJ/kg。
甲苯的临界压强为4218.3kPa。
试求甲苯的沸腾传热系数。
解：
甲苯沸腾传热系数可由下式计算，即：
其中
又
所以
校核临界热负荷qc：
即
且
（在0.01～0.9范围内）
例4-16在列管换热器中，两流体进行换热。
若已知管内、外流体的平均温度分别为170℃和135℃；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/（m2·℃）及1100W/（m2·℃），管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005m2·℃/W。
试估算管壁平均温度。
假设管壁热传导热阻可忽略。
解：
管壁的平均温度可由下式计算，即：
或
解得：
计算结果表明，管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。
例4-17车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227℃，室内温度为27℃。
为减少热损失，在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。
解：
（1）放置铝板前因辐射损失的热量 由下式知：
取铸铁的黑度
本题属于很大物体2包住物体1的情况，
故
所以
（2）放置铝板后因辐射损失的热量 以下标1、2和I分别表示炉门、房间和铝板。
假定铝板的温度为TiK，则铝板向房间辐射的热量为：
式中
所以
（a）
炉门对铝板的辐射传热可视为两无限大平板之间的传热，故放置铝板后因辐射损失的热量为：
式中
，
所以
（b）
当传热达到稳定时，
即
解得
将Ti值代入式b，得：
放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为：
由以上计算结果可见，设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法，而且挡板材料的黑度愈低，挡板的层数愈多，则热损失愈少。
例4-18平壁设备外表面上包扎有保温层，设备内流体平均温度为154℃，保温层外表面温度为40℃，保温材料的导热系数为0.098W/（m·℃），设备周围环境温度为20℃。
试求保温层厚度。
假设传热总热阻集中在保温层内，其它热阻可忽略。
解：
由下式知，平壁保温层外辐射-对流联合传热系数为：
单位平壁面积的散热量为：
因传热总热阻集中在保温层内，则：
所以保温层厚度为：
例4-19105℃的400kg甲苯盛在安装有蛇管的容器内。
蛇管的外表面积为3.2m2，管内通有13℃的冷水。
基于管外表面结的总传热系数为225W/（m·℃）。
经过若干时间测得甲苯被冷却到25℃，而相应的水出口温度为18℃。
操作过程中甲苯和水的平均比热分别为1.8kJ/（kg·℃）和4.19kJ/（kg·℃）。
试求水的流量W2和冷却时间θ。
假设换热器的热损失可以忽略。
解：
（1）水的流量W2 冷却过程结束瞬间的热衡算及传热速率方程为：
整理上式得：
（2）冷却时间θ 设定某θ时刻，甲苯温度为T，水的出口温度为t，经dθ后，甲苯温度变化dT，则dθ时间内的热衡算式为：
整理上式得：
（a）
积分上式即可求出时间θ，但需要找出某瞬间T和t的关系。
列任一瞬间的热衡算及传热速率方程，得：
故
或
整理上式，得：
（b）
将式b代入式a，并积分得：
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