1、1传热一、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 侧的对流传热系数，而壁温接近于 侧流体的温 度 值 。(2) 热 传 导 的 基 本 定 律 是 。 间 壁 换 热 器 中 总 传 热 系 数 K 的 数 值 接 近 于 热 阻 （ 大 、 小 ） 一 侧 的 值 。 间 壁 换 热 器 管 壁 温 度 tW接 近 于 值 （ 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 、 小 ） ， 其 两 侧 的 温 差 愈
2、 （ 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 ，其两侧的温差愈 。(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 ，减少热阻的最有效措施是 。(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 。(6) 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 1空气 ） （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？解： 使用初期 使用一年后110 40 110 2T45 2
3、0 38 20（1）空气出口温度 2T题意可得：使用初期 mphpc tKSTCWtQ)()(2112（1）使用一年后 phpc tt )()(2112（2）两式相比（2）/（1） ，得 )045(38)401()0(2 T则： =59.62T（2）总传热系数 K/CttTtm 2.546.397ln.206.59381ln).()( .36l05l)()(211方程(2)式/(1)式，得： 故 2.)24(K%50.K8（3）冷热流体的出口温度 2Tt及一年后 （3）mphpc tSKTCWtQ )()(211（4）2方程（4）式/（3） ，得：201ln)()(2.54038)(6.591
4、022 TtKtT整理前半式的方程 （5）22179.Tt又因 ， ， 故 空 气水 空 气K1空空 由等比定理 20ln)()(2.5496.510)()(2 TttT则 .42lnTt整理得， （6）2153t联立（5）和（6） ，可得： ， Ct4.9CT5.72（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？tm 3.65.780ln.205.71ln).()4.90(则 4.136mtQ3 有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，T=100；冷方：为生垢液体升温， ， 。Ct201t62(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
5、 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） 。9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
6、流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。b 维持 不变时：mtA,清洗前传热量 （1）mhtKAWQ清洗后传热量 （2）2（1）式与（2）式比较得： 清洗前后总热阻的差值是污垢热阻 sRKKs 11所以 %50.12KRs总(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，使其满足热负荷的要求。mt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 160即可满足要求。假设垢层的生成，其传热面积的变化忽
7、略不计，而传热系数下降一半，则推动力 增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷12026016mt不变。4.有一换热器，管内通 90的热流体，膜系数 为 1100 ，管外有某1Cmw2/种液体沸腾，沸点为 50，膜系数 为 5800 。试求以下两种情况下22/的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为 0.005wCm/2解：忽略管壁热阻，并假设壁温为 wT（1） 当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：21tTw58019wT10则 CTw4.56（2） 同理021RtTw05.8109wT则 CTw84由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。5. 流量为
8、2000kg/h 的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由 150降至80；壳程冷却用水，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 20，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；)()(2112TCWtQphpc )805.05
9、67.4kgc/8（2）如冷却水进口温度上升为 20，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 miiphpc tStKTCWtQ )()(2112(1)新情况 iiphpc ttt )()(2112(2)因 ， ， 换热器与气体的情况未变， 空 气水 空 气K则 ， 故 QiiiiS mtCtm752)180()651(2ttt 则 ， （ 2， 则 用算术平均值合适）Ct602 21tmt11对新情况下的热量进行衡算， )8015(2.0)26(17.4WQ故 hkgWc/8566.在套管换热器中用 120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 400
10、0kg/h，比热容为 1.9kJ/(kg)，温度从 30升至 60。蒸汽冷凝传热系数为 1104W/(m2)，换热管内侧污垢热阻为 4104 m2/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为542mm 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 i；（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 60应采取哪些措施？作出定量计算。解：（1）饱和蒸汽流量；hkJtCWrQpch /1028.)360(9.14)( 512 hkgrh /.035.（2）管
11、内苯的对流传热系数 i；212112 lnln)()( tTSKtTSKttCQ oomopc （整理得 （1）pcoWSKtT21ln2036.2054. mLdSo5.61lnl2tT)/(420.03.945. 2CkwKo （2）ioisodR5041405.421i)/(82Cmwi （3）苯的流量增加 50%，苯的出口温度为若干)/(1.8095).1()5.( 28080 Cmwii 12将其代入（2）式得 )/(7.532CmwKo代入（1）式得 34.019.5406312lnt解得 Ct.562（4）若想维持苯的出口温度仍为 60应采取哪些措施？作出定量计算。（a） 将管子
12、加长， 由（1）式得pcoWSK405.623ln24.7.3109.1. mSo dLo 5)4/(.)/(（b） 提高加热蒸气压强（温度）34.019.54062.63lnT解得 C17. 一废热锅炉，由252 锅炉钢管组成，管外为水沸腾，温度为 227，管内走合成转化气，温度由 575下降到 472。已知转化气一侧i=300W/m2K，水侧 o=10000W/m2K，钢的导热系数为 45W/mK，若忽略污垢热阻，试求：(1)以内壁面为基准的总传热系数 Ki;(2)单位面积上的热负荷 q(W/m2);(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
13、高达 500左右仍可使用钢管做换热管。解：（1）K i025.1023.4531dbKimiii 所以 Wi 2/.89（2）q mitSKQ135.293.82745ln)()7(2.89mitKq2/./.40mkW（3） 管内壁温度 TW 及 管外壁温度 Ti因为 01271275SbSimiWi 251072345.213075iiWTT由上述方程可解出 ， CW8.7Ci.（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 500左右，而钢管的温度小于 238，故仍可在此高温下使用钢管做换热管。8 水以一定流速在直管
14、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 =2， =？u2t以知 ， ， ， 水湍流流动，需对Kw350t2901Kt295水侧作热量恒算可求 。一般情况，水的进出口温差小于 10，那么温度对物2t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： mpcpc tSCWtQ)2905()(12（1）流速改变后： pcpc ttt )()(212（2）流速改变前 流速改变后350K 350K 350K 350K290K 295K 290K 2t14则 Ctm 5.72)9350
15、()9350(2412ttt 又 （3）4.08.0)()(023.piud因物性参数不变，则：（4）7.1)(8.0.u（1）/（2） ，并将各参数带入，可得：2407.15)290(5tt Kt.29 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 5.972)8370()140(mt310K 285K对体系进行热量恒算，mpwpo tKSCWC)85310()37042(所以， popopo CKSCt
16、95.107)742(（1）pwpwKSCKS9.3)285310(.7（2）冷却器长度增加一倍后，420K T2t2 285K假设： 135221ttm则 mpwpo tKStCWTC)8()40(2215所以， （3）)420(135)420( 2tTCKSTtWpopom（4）)85()85(222ttpwpw（1）=（3） 1.95= 20)135(Tt（5）（2）=（4） 3.9= 85)(22tt（6）解（5）和（6）方程，得： T 2 =341.74K t2 =324.13K87.9513.401t 74.674.312， 则 用算术平均值合适。2mt10 .某工厂有一台列管式换
17、热器，每小时将一定量的气体从 80冷到 60，冷却水温度由 20升到 30，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 ，现生产需要气体出口温度更低，)/(402CwK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）两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低的温度？设：气体处理量与冷却水进出口温度都不变，忽略管壁与冷却水热阻，气体温度改变引起的物性改变也忽略不计。解：一台换热器情况：452)06()380(2)()(11 tTt
18、tm所以 SStKQm45又因 pgpgpg CWCTCW0)68()(21气体放出的热量与冷却水得到的热量相等，所以：pgS08即 （1）91pgC16（1） 两台相同换热器并联使用2302)()308(2)()(11 TTtTttm ggW5.0由于管间为水，管内为气体， 故有 气膜控制gwgK又 408.0KAg.)2/(所以 WAg )5.0(1)/(88.0故 23.40K)80()30(222TCWTSTStSQpgm （2）)30(282CWpg联立（1）式和（2）式解得： CT6.572（2） 两台相同换热器串联使用时230)()308(2)()( 211 TttTtm 40K
19、)80()30(4222CWSTStSQpgm （3）)30(482CWpg联立（1）式和（3）式解得： CT15.462因此两台串联使用可使气体出口温度降低到更低。11 某车间需要安装一台换热器，将流量为 30m3/h、浓度为 10%的 NaOH 水溶液由 20预热到 60。加热剂为 127的饱和蒸汽。该车间现库存一台两管程列管式换热器，其规格为 252mm；长度为 3m；总管数 72 根。试问库存的换热器能否满足传热任务？ 操作条件下，NaOH 溶液的物性参数为17CmwsmPakgJCwkgp2423 /10;5.1 ;7.3;/58.0/0蒸 汽 冷 凝 膜 系 数钢的导热系数 /.4
20、6污垢热阻总和 R/3解：对库存换热器进行传热能力核算motSKQ其中 4.16).03(25.14372).0( LdnCtTtTtm .87ln6ll)2121（蒸汽冷凝宜走壳程，NaOH 水溶液走管程。求管内 NaOH 水溶液一侧的 1smu /67.02/0.785.360CmwdLCdp 2 4.08.04.08.1 334/560 )759()13(02.53(Pr)Re3. 7.95.1.Pr62Re10973.02.546.021.56101 bKioioCmwo/97换热器的传热速率 kwtSKQmo 5364.86197该换热器的热负荷 WpcL 182)0(30)(2 因
21、为 所以库存的换热器能够完成传热任务。另一种解法：18由传热方程式求得完成传热任务所需要的传热面积为：motKQS同上，换热器的热负荷 kwL1382，Co/097tm4.5故 27.4.851S该库存换热器所提供的传热面积的传热面积为：4.16).03(5.13).0( Ldnoo因为 所以 库存的换热器能够完成传热任务。S12 热气体在套管换热器中用冷水冷却，内管为 钢管，导热系数m.2。冷水在管内湍流流动，给热系数 ，热气在KmW/45 KW21/0环隙中湍流流动，给热系数 。不计垢层热阻，试求：KmW22/50（1） 管壁热阻占总热阻的百分数；（2） 内管中冷水流速提高一倍，总传热系数 有何变化？（3） 内隙中热气体流速提高一倍，总传热系数 有何变化？解： （1）11212lndK= =150.l4050KmW2/3.48总热阻 W/2m管壁热阻 =02.ln45.ln1d /1.625管壁热阻分率为%326（2） 8.0uKmW 23.1.1 /1048.2K 253 /.4960.48.19增加 %3.1.489K（3） KmW2.02.02 /.87525/1.8.6.增加 .93481K由上可知，管壁热阻往往占分率很小，可忽略；提高 K 值，强化传热，应在 小处着手。
