1、“化工原理”第五章 传热 复习题（化环系 0703、0704 班；2009-09-01）一、填空题1.（2 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,=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* 1140W2.（2 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=2.61(kW/（m2.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
2、系数 =_. *答案* =0.023(/d)Re 0.8Pr0.4；=3.81(kW/ （m 2.K）)3.（2 分）牛顿冷却定律 的表达式为 _，给热系数（或对流传热系数） 的单位是_。 *答案* q=At ；W/（m 2.K）4.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 tm =_. *答案* 27.9K5.（2 分） 在列管式换热器中,用饱和蒸气加热空气,此时传热管的壁温接近_流体的温度,总传热系数 K 接近_ 流体的对流给热系数. *答案* 蒸气；空气6.（2 分）实现传热过程的设备主要有如下三种类型_、_、
3、_. *答案* 间壁式； 蓄热式； 直接混合式。7.（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。8 （2 分）强化传热的方法之一是提高 K 值. 而要提高 K 值,则应提高对流传热系数_. *答案* 提高给热系数较小一侧的给热系数。9 （2 分） 平壁总传热系数 K 与间壁两侧对流传热系数 1,2 以及间壁导热系数 的关系为_.当平壁厚 4mm,导热系数为 45( W/( m.K)时,两侧给热系数分别为8000(W/（m 2.K）)和 600(W/（m 2.K）)时,总传热系数 K=_.*答案* (1/K)=(1/1+/+1/2)； 532(W/
4、（m 2.K）)10.（2 分）间壁传热的总传热速率方程为_.某换热过程中,要求 q=30 kW, K=555(W/（m 2.K）) t=25K,则传热面积为_. *答案* q=KAtm ；2.16m 211.（2 分）化工生产中常用三种换热方法, 其特征是_。*答案* 冷热两种流体直接混合、冷热两种流体不允许直接接触而是通过间壁换热和流体通过炉内吸走热量。12.（2 分）传导传热的傅立叶定律为_其各项表示为, , 和。 *答案* Q/At/,Q/ 表示单位时间传递的热量,表示温度向降低方向传递,A 表示传热面积, 表示导然系数和t/ 表示温度梯度。13.影响传导传热系数的因素有。 *答案*
5、物质种类和组成,物质的内部结构和物理状态、温度、湿度、压强等。 14.（2 分）对流传热牛顿冷却定律为, 其各项表示为、 和。 *答案* QA（T tw）, Q 表示传热速度、 表示传热系数、A 表示对流传热面积、T 表示热流体主体平均温度和 tw 表示为低温流体壁面温度。15. （2 分） 影响给热系数 的因素有 。 *答案* 流体种类、流体性质、流体流动状态和传热壁面的几何尺寸 16.（2 分） 对流传热中的努塞特准数式是, 它反映了_。 *答案* Nu/,对流传热过程几何尺寸对 的影响。17.（2 分） 对流体传热中普兰德准数式为, 它反映了_。 *答案* PC /, 流体的物理性质对
6、的影响。18.（2 分） 厚度不同的三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知 b1b2b3;导热系数1R2R3 ；Q 1=Q2=Q319.（2 分）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。 *答案* 降低； 因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。20.（2 分）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，方案是令冷却水终温为 30，方案是令冷却水终温为 35，则用水量 W1W 2，所需传热面积 A1A 2。*答案* 大于； 小于21.（2 分） 列管式
7、换热器的壳程内设置折流挡板的作用在于_，折流挡板的形状有_，_等。 *答案*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 22.（5 分） 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_；有腐蚀性流体走管_；粘度大或流量小的流体走管_。 *答案* 外； 内； 内； 内 ；外。23.（2 分）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_。 *答案* 提高管程 值； 提高壳程 值 。24. 85.（2 分） 题号 4088 第 4 章 知识点 100 难度 容易有两种不同的固体材料，它们的导热系数第一种为
8、 1第二种为 2，若作为换热器材料，应选用_种；当作为保温材料时，应选用_种。*答案* 第一 ； 第二25 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。*答案* 20.826（2 分） 沸腾传热中，保持_沸腾是比较理想的。 *答案* 泡核27.（2 分） 进行换热的两流体，若 1 2 时，要提高 K 值，应设法提高_；当12 时，要提高 K 值，应使 _。 *答案* 2； 1 与 2 同时提高。28.（2 分） 水垢的热阻较大的原理，主要是_。*答案* 垢层的导热系数很小。二、选择题1.（2）穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示，试比
9、较第一层的热阻 R1 与第二、三层热阻 R2、R 3 的大小( )。A. R1(R2+R3) B. R12,则 1+21 K2即 K 接近 小的数值。8（5 分） 列管换热器由哪几个基本部分组成？各起什么作用？*答案* 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。9.（8 分） 简要指出换热器强化有那些途径？*答案* 根据传热方程：Q=KAt m 可知强化换热器途径有：(1)增大传热平均温度差 tm， t
10、m 的提高，应在工艺条件允许的范围内，尽可能增大，所以受到一定的限制。(2)增大单位体积的传热面积 A，增大 A，往往会使投资费用增大，设备尺寸增大，占地面积增大，所以要从换热器结构上改进，使换热器的单位体积的传热面积增大。(3)增大抟热系数 K，增大 K 值是强化传热的主要途径。主要设法提高对流传热系数小的值，其措施是增大该侧流体流动的湍动程度。根据换热器工作的实际情况，可采取不同的措施，以提高 K 值。10.（5 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。*答案* 炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。
11、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.（12 分） 有一壁厚为 10mm 的钢制平壁容器, 内盛 80的恒温热水。水对内壁面的对流传热系数为 240W/(m2.K)。现在容器外表面复盖一层导热系数为 0.16W/(m.K),厚度为 50mm 的保温材料。保温层为 10的空气所包围,外壁对空气的联合传热系数为 10 W/(m2.K)。试求：(1
12、)每小时从每 m2 面积所损失的热量 kJ(h.m2);(2)容器内表面的温度T(钢材的导热系数为 45W/(m.K)*答案* 1. q=Ktm tm=80-10=70K=1/(1/0+1/i+b1/1+b2/2) =1/(1/10+1/240+0.01/45+0.05/0.16)=2.399W/(m2.K)q=2.39970=167.9W/m2每小时散热量 qh=3600168/1000=604.4kJ/(m2.h)2.q=i(80-T ) 80-T =167.9/240=0.7; T =79.32.（10 分）100 的水蒸汽在管壳式换热器的管外冷凝,冷凝潜热为 2258.4kJ/kg,总
13、传热系数 2039W/(m2.K)，传热面积为 12.75m2,15的冷却水以 2.25105kg/h 的流量在管内流过,设总传热温差可以用算术平均值计算,求水蒸汽冷凝量 kg/h?*答案* Q=GcCpc(t2-t1)=KAtm,tm=(100-15)+(100-t2)/2=(185-t2)/2Q=2.251054.18103(t2-15)/3600 =203912.75(185-t2)/2t2=23.1； Q=203912.75(185-23)/2=2105kwD=21053600/2258.4=3355kg/h3.（15 分） 在内管为 18010mm 的套管换热器中，将流量为 3500
14、kg/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/(kg.K), 基于传热外面积的总传热系数 K=2000W/(m2K),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。*答案* （1） 冷却水用量：W1 1（T 1T 2）W 2 2（t 2t 1） ； 35002.38（10060）W 24.174（5040）W27982kg/htm 逆 （5020）/（50/20）32.75tm 并 （6010）/（60/10）27.9QKA
15、t m Q333200kJ/hA 逆 33320010 3/（200032.753600）1.41m 2 l1.41 3.140.18l1.41l2.5l mA 并 33320010 3/（200027.93600）l1.66 m 23.140.18l1.66l2.93 m4.（15 分） 在管长为 1m 的冷却器中 ,用水冷却油。已知两流体作并流流动 ,油由 420K 冷却到 370K,冷却水由 285K 加热到 310K。欲用加长冷却管子的办法,使油出口温度降至350K。若在两种情况下油、水的流量 ,物性常数,进口温度均不变,冷却器除管长外,其他尺寸也均不变。试求管长。*答案* W1cp1
16、（420370）W 2cp2（310285）W1cp1（420350）W 2cp2（t 2285）两式相比得 t2320Ktm1(420-285)-(370-310)/ln(420-285)/(370-310)75/0.8192.5Ktm2(420-285)-(350-320)/ln(420-285)/(350-320)105/1.569.8KQ1W 1cp1（420370）Kolt m1Q2W 1cp1（420350）Kodlt油、水的流量,物性常数及管径均不变,故 Ko=Ko两式相比得（420-370）/（420-350）（ l/ l）（t m1/tm2）l70/5092.5/69.811
17、.855m5.（16 分） 流量为 2000kg/h 的某气体在列管式换热器的管程通过,温度由 150降至 80；壳程冷却用软水, 进口温度为 15,出口温度为 65,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系数远小于冷却水侧的对流传热系数。试求： (1)冷却水用量；(2)如进口水温上升为 20,仍用原设备要达到相同的气体冷却程度,此时出口水温将为多少度?冷却水用量为多少? 管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计。气体的平均比热为1.02kJ/(kg.K)，水的比热为 4.17kJ/(kg.K),不计温度变化对比热的影响。*答案* （1）冷却水用量Q20001.02 （15080
18、)W 24.17（6515） 14.310 5kJ/hW214.310 5/（4.17 （ 6515） ）685kg/h（2）由题知 i3 m2 不适用.7.（18 分） 某厂用一套管热交换器 ,每小时冷凝 2000kg 甲苯蒸汽,冷凝温度为 110, 甲苯的汽化潜热为 363kJ/kg, 其冷凝传热系数为 14000W/(m2.K).冷却水于 16及 5000kg/h 的流量进入套管内管(内径为 50mm)作湍流流动，其对流传热系数为 1740W/(m2.K)。水的比热可取为 4.19kJ/(kg.K)：(1) 试计算冷却水的出口温度及套管管长。(2)由于气候变热,冷却水进口温度升为 25,
19、试计算在水流量不改变的情况下,该冷凝器的生产能力的变化率。*答案* （1）由热量衡算得：QGr W.Cp（t 出 16） t 出 Gr/（WCp）16) 2000/360036310 3/5000/36004.19103+1650.65取 K1/(1/1740)+(1/14000)=1548W/(m 2.K)QG2000/360036310 32.0210 5Wt11101694, t2 11050.6559.35tm（ t1 t 2 ）/2（ 9459.35）/276.8又 QKAtm Kd 0ltm 管长 lQ/ （Kd 0tm ） 2.0210 5 /（15483.140.0576.8）
20、10.82m（2）水温升高(忽略物性变化 )传热面积 Ad 0l3.140.0510.8 1.7m 2Q=KAtm 其中 Q=5000/36004.19103 (t2-25)tm=(110-25)+(110-t2)/2=97.5-0.5t2 5000/36004.19103 (t2-25) =15481.7(97.5-0.5t2) , 解得 t2=56.4Q=5000/36004.1910(56.4-25)=1.83105w(Q-Q)/q100%=9.4%8.（20 分）现要将某液体从 140冷却至 40，液体处理量为 7000kg/h（比热为2.3kJ/(kg.K)）用河水作冷却剂，河水进口
21、温度为 20，出口温度 30，采用逆流操作。若传热系数 K=700W/(m2.K)，忽略热损失，试求：(1)冷却水的耗用量，以 m3/h 表示（水的比热为 4.18kJ/(kg.K)，密度 1000kg/m3)(2)现仓库有一台单程列管式换热器，内有 192mm的钢管 60 根，管长 3m，试核算该换热器可否满足上述工艺要求？*答案* Q=ms1Cp1(T1-T2)=70002.3(140-40) =1.61106kJ/hQ= ms2Cp2 (t2-t1); ms2=Q/ Cp2 (t2-t1)=1.61106/4.18(30-20) =3.852104kg/hVs=3.852104/103=
22、38.52m3/h; Ao=doln=1910-3360=10.74m2tm=(t1-t2)/ln(t1/t2)=(110-20)/ln(110/20) =52.7A=Q/(Ktm)=1.61106103/(360070052.7) =8.73m2A A; 此换热器可满足上述工艺要求9.（18 分） 某换热器由若干根长为 3m，直径为 252.5mm 的钢管组成。要求将流量为1.25kg/s的某液体从 77冷却到 20，用 17的水在管内与某液体逆流流动。已知水侧和管外侧的对流传热系数 1 和 2 分别为 0.85 和 1.70kW/(m2.K),污垢热阻可忽略，若维持冷水的出口温度不超过 4
23、7（某液体的 Cp 为 1.9kJ/(kg.K),管壁的导热系数 =45W/(m.K)）试求：（1）传热外表面积 Ao（2）所需的管子数 n*答案* t1=77-47=30; t2=20-17=3tm=(t1-t2)/ln(t1 /t2)=(30-3)/ln(30/3)=11.72Ko=1/do/(1di)(d m)/(do)(1/ 2) =1/（1/1700+0.002525/4522.5+25/85020）=471.6W/(m 2K) Q=ms1Cp1(T1-T2) =1.251.9103(77-20)=1.354105WA=(1.354105)/(471.611.72)=24.5m2n=
24、24.5/(doL)=24.5/(2510-33) =104 根10.（22 分） 某化工厂用一热交换器，每小时冷凝 3.4T/h 工业酒精。已知酒精温度 80，汽化潜热为 1072kJ/kg,酒精蒸汽在管外冷凝，测得其 1=2268W/(m2.K),冷却水在管内流动，水流速度为 0.4 m/s,进口水温度为 20，流量为 34500kg/h, 钢管规格：302.5mm,长2m，钢管导热系数 46.5W/(m.K),设过程无热损失，并忽略垢层热阻，试求：（1）传热速率（2）冷却水出口温度 （ 3）换热器传热面积（4）欲使传热速率 Q 提高，有人认为只要提高 1 即可，你的看法如何？（水的 =1
25、000kg/m3,Cp=4.18kJ/(kg.K),=1cp,=0.65W/(m2.K)*答案* （1）Q=3.410 31072103/3600=1.012106W（2 ）1.01210 6=345004.18103(t2-20)/3600; t2=45.26（3）Re=dup/=(2510 -30.4103)/(1103)=104pr=Cp./=(4.18103110-3)/0.65=6.431L/d=2/(3010-3)=66.6760i=0.023(/di)Re0.8Pr0.4 =0.023(0.65/0.025)(104)0.8(6.431)0.4 =1996W/(m2.K)t1=80-20=60;t2=80-45.26=34.74;tm=(6034.74)/2=47.37Ko =1/(do/idi)(d o)/(dm)1/ o=1/30/(251996)(302.510 -3)/(27.546.5)1/2268 =908.4W/(m 2.K)A=Q/(Ktm)=(1.012106)/(908.447.37) =25.6m2（4）要提高 Q，不能单纯提高 1，因为 1 与 2 数值相近，必须同时提高 1 与 2，才能使K增大，从而使 Q 能显著提高。
