化工原理习题第二部分热量传递答案.docx
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化工原理习题第二部分热量传递答案
化工原理习题第二部分热量传递
一、填空题:
1.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500C,而环境温度为20C,采用某隔热材料,其厚度为240mm入=0.57w/m.K,此时单位面积的热损失为_1140W_。
(注:
大型容器可视为平壁)
2.牛顿冷却定律的表达式为_q=aAAt,给热系数(或对流传热系数)
a的单位是_w/m2.K。
3.某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90C和50C,冷流体的
进出口温度为30C和40C,此时传热平均温度差At=27.9K_。
3.某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90r和50r,冷流体
的进出口温度为15E和30E,此时传热平均温度差At=41.6K。
4.热量传递的方式主要有三种:
—热传导_、_热对流_一、热辐射。
5.对流传热中的努塞特准数式是__Nu=al/入——,它反映了对流传热过程几何尺寸对a的影响。
6.稳定热传导是指传热系统中各点的温度仅随位置变不随时间而改变。
7.两流体的间壁换热过程中,计算式Q=aAAt,A表示为a—侧的换热壁
面面积_。
8.在两流体通过圆筒间壁换热过程中,计算式Q=K.A.At中,A表示为
A泛指传热面,与K相对应。
9.两流体进行传热,冷流体从10r升到30r,热流体从80r降到60r,当它们逆
流流动时,平均传热温差Atm=,当并流时,Atm=_
47.2r。
10.冷、热气体在间壁换热器中换热,热气体进口温度T=400r,出口温度T
为200r,冷气体进口温度上=50r,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—250_r;若热损失为5%时,冷气体出口温度为—_
240r。
11.一列管换热器,列管规格为©38X3,管长4m,管数127根,则外表面积
F=__F1=127X4nX0.038=60.6m,而以内表面积计的传热面积F
F2=127X4nX0.032=51.1m2
12.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_2_倍。
13.在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气,总传热系数K接近于空气侧的
对流传热系数,而壁温接近于饱和水蒸汽侧流体的温度值。
14.热传导的基本定律是傅立叶定律。
间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻大(大、小)一侧的值。
间壁换热器管壁温度tw接近于值大(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(大、小),其两侧的温差愈大(大、小)。
15.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,则该壁面的热阻愈小,其两侧的温差愈小。
16.在无相变的对流传热过程中,热阻主要集中在滞离层内(或热边界层
内),减少热阻的最有效措施是提高流体湍动程度。
17.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。
18.厚度不同的三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知b1>b2>b3,导热系数
1<2<3,在稳定传热过程中,各层的热阻R1>F2>R6各层导热速率Q=Q?
=Qao
19.传热的基本方式有传导、对流和辐射三种。
热传导的基本定律是
傅立叶定律,其表达式为dQ=-ds」_。
n
20.水在管内作湍流流动,若使流速提高到原来的2倍,则其对流传热系数约为
原来的1.74倍;管径改为原来的1/2而流量相同,则其对流传热系数约为原来的3.48倍。
(设条件改变后仍在湍流范围)
21.导热系数的单位为W/(m「C),对流传热系数的单位为W/
(m・°c),总传热系数的单位为w/(m・c)。
22.在设计列管式换热器时,设置折流挡板、以提高壳程的传热系数,设置二管程,以提高管程的传热系数。
如该换热器用水蒸气冷凝来加热原油,那么水蒸气应在壳程程流动。
二、选择题:
1•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.有一列管换热器,用饱和水蒸汽(温度为120C)将管内一定流量的氢氧化
钠溶液由20C加热到80C,该换热器的平均传热温度差X口为(B)。
A.-60/1n2.5;B.60/ln2.5;C.120/1n5
3.通过三层平壁的定态热传导过程,各层界面接触均匀,第一层两侧面温度分
别为120C和80C,第二层外表面温度为40C,则第一层热阻R,,与第二、三层热阻R、R3的大小关系为C。
A.Ri>R2+RB.Ri 4.在设计固定管板式列管换热器时,危险性大〔有毒、易燃易爆、强腐蚀性〕的 流体应走_B。 A.壳程B.管程C.壳程和管程均无 5.某一套管换热器,管间用饱和水蒸气加热管内空气(空气在管内作湍流流动), 使空气温度由20C升至80r,现需空气流量增加为原来的2倍,若要保持空气进出口温度不变,则此时的传热温差应为原来的A倍。 A1.149B1.74C2D不定 6.一定流量的液体在一25X2.5mm的直管内作湍流流动,其对流传热系数 i=1000W/m「C;如流量与物性都不变,改用一19X2mm■的直管,则其将变为 D。 A1259B1496C1585D1678 7.对流传热系数关联式中普兰特准数是表示_C—的准数。 A对流传热B流动状态C物性影响D自然对流影响 8.在蒸气一空气间壁换热过程中,为强化传热,下列方案中的_B在工程上 可行。 A提高蒸气流速B提高空气流速C采用过热蒸气以提高蒸气温度D 在蒸气一侧管壁加装翅片,增加冷凝面积 9.将1500kg/h,80C的硝基苯通过换热器冷却到40C,冷却水初温为30C, 出口温度不超过35C,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; 10.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。 11.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 12.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 13.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)o 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。 14.公式q=KAAtm中,Atm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。 15.湍流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。 16.对一台正在工作的列管式换热器,已知ao=116w/m.Kai=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ao;B.设法增大ai; C.同时增大ao和ai。 17.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 18.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.a蒸汽B.a空气C.a蒸汽与a空气的平均值 19.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 20.冷热流体在换热器中进行无相变逆流传热,换热器用久后形成垢层,在同样 的操作条件下,与无垢层相比,结垢后的换热器的KB, △tmA。 A.变大B.变小C.不变D.不确定 21.某两流体在套管换热器中进行逆流换热(无相变),今使热流体进口温度降低, 而其他条件不变,则热流体出口温度_B,平均推动力AtmB。 A.上升B.下降C.不变D.不确定 22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C.不变 23.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 24.当壳体和管束之间温度大于50°C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 25.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△tm 26.物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为(A)。 A热传导;B热传递;C热放射;D热流动。 27.流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为(A)0 A对流;B流动;C传递;D透热。 28.因热的原因而产生的电磁波在空间的传递,称为(D)。 A热传导;B热传递;C热放射;D热辐射。 29•在管壳式换热器中,不洁净和易结垢的流体宜走管内,因为管内(A)。 A清洗比较方便;B流速较快;C流通面积小;D易于传热。 30.在管壳式换热器中,腐蚀性的流体宜走管内,以免(A),而且管子也便于清洗和检修。 A壳体和管子同时受腐蚀;B流速过快;C流通面积过小;D传热过多。 31•在管壳式换热器中,压强高的流体宜走管内,以免(A),可节省壳 程金属消耗量。 A壳体受压;B流速过快;C流通面积过小;D传热过多。 32.在管壳式换热器中,饱和蒸气宜走管间,以便于(A),且蒸气较洁净,它对清洗无要求。 A及时排除冷凝液;B流速不太快;C流通面积不太小;D传热不过多。 33.在管壳式换热器中,有毒流体宜走管内,使(A)。 A泄漏机会较少;B流速很快;C流通面积变小;D传热增多。 34.在管壳式换热器中,被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用, (A)。 A以增强冷却效果;B以免流速过快;C以免流通面积过小;D以免传热过多。 35.在管壳式换热器中,粘度大的液体或流量较小的流体宜走(B),因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变,在低Re值(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。 A管内;B管间;C管径;D管轴。 36•在管壳式换热器中安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的(C),使湍动程度加剧,以提高壳程对流传热系数。 A粘度;B密度;C速度;D高度。 37.当换热器中冷热流体的进出口温度一定时,判断下面的说法哪一个是错误的 (B)。 A逆流时,Atm—定大于并流、错流或折流时的△tm; B采用逆流操作时可以节约热流体(或冷流体)的用量; C采用逆流操作可以减少所需的传热面积; D温度差校正系数©△t的大小反映了流体流向接近逆流的程度。 38.对流传热系数关联式中普兰特准数是表示_C—的准数。 A对流传热B流动状态C物性影响D自然对流影响 39.在蒸气一空气间壁换热过程中,为强化传热,下列方案中的—B_在工程上可行。 A提高蒸气流速B提高空气流速C采用过热蒸气以提高蒸气温度D 在蒸气一侧管壁加装翅片,增加冷凝面积 40.冷热流体在换热器中进行无相变逆流传热,换热器用久后形成垢层,在同样 的操作条件下,与无垢层相比,结垢后的换热器的KB, △tmA。 A.变大B.变小C.不变D.不确定 41.某两流体在套管换热器中进行逆流换热(无相变),今使热流体进口温度降低, 而其他条件不变,则热流体出口温度_B,平均推动力AtmB。 A.上升B.下降C.不变D.不确定 三、判断题: 1.凡稳定的圆筒壁传热,热通量为常数。 (X) 2.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。 (V) 3.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。 (x) 4.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。 (x) 5.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。 (x) 6.多层平壁导热过程中,传热总推动力为各壁面温度差之和。 (V) 7.无相变的折,错流换热器,其平均温度差At都比逆流时为小。 (V) 8.换热器的导热管,应选用导热系数值大的材料。 (V) 9.导热系数是物质的一种物理性质(V), 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.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 (x). 12.在对流传热中,传热管壁的温度接近a值小的哪一侧流体的温度(x). 13.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。 (x) 14.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。 (x) 15.蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种(V) 16.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a(V) 17.维持膜状沸腾操作,可获得较大的沸腾传热系数。 (x) 18.为了提高间壁式换热器的传热系数K值,必须设法提高a值大的那一侧流体的对流传热系数。 (x) 19.强化传热的途径主要是增大传热面积(x) 20.付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。 (x) 四、简答题: 1.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.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.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.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、At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At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At最大; (3)提高传热系数K由 K=1/(1/a+1/a+2(5/入)) 提高a、a降低5,都能强化传热,要提高a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.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.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。 7.什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.导热系数受哪些因素影响? 现有建筑砖(p=1800kg.m-3)和煤灰砖(p=700kg.m-3)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.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。 10.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: 粘度卩、密度P、比热Cp,导热系数入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a大。 11.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。 12.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。 13.列管换热器由哪几个基本部分组成? 各起什么作用? 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。 14.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At比其它流向大。 根据: Q=KAM,当K、A一定时,△tT则QT,对现有的换热器来说,可提高生产能力。 当QK一定时,AtT则AJ,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。 15•各种传热方式相比较,热传导的主要特点是什么? 在热传导中,物体各部分之间不发生相对位移。 16•各种传热方式相比较,对流的主要特点是什么? 对流仅发生在流体中,流体各部分之间发生相对位移。 17•在一套管换热器中,若两流体的进、出口温度不变,应选择并流换热还是逆流换热? 为什么? 应选择逆流换热,因为此时的对数平均温差较大,可以节省换热面积。 18.在设计换热器时,如何安排不洁净和易结垢的流体的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管内,因为管内清洗比较方便。 19.在设计换热器时,如何安排腐蚀性流体的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修。 20.在设计换热器时,如何安排压强高的流体的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管内,以免壳体受压,可节省壳程金属消耗量。 21•在设计换热器时,如何安排饱和蒸气的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管间,便于及时排出冷凝液。 22.在设计换热器时,如何安排被冷却的流体的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。 23.在设计换热器时,如何安排粘度大的液体的流径(管内或是管间)? 简述理由。 走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时,由于流速和流向的不断改变, 在低Re值(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数。 24.在强化传热的过程中,为什么要想办法提高流体的湍动程度? 由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内,提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度,可以提高传热效果。 25.换热器的壳程为什么要安装挡板? 可以提高壳程流体的湍动程度,增强传热效果。 26.间壁式换热器与混合式换热器的区别是什么? 间壁式换热器是由固体壁面将冷、热两种流体分开,通过固体壁面传热,而混合 式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。 五、计算题: 1.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1000C,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83C,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800C) 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/入1) •••b仁入1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m 跨过三层砖的热通量为: q=(t1-t4)/[(b1/入1)+(b2/入2)+(b3/入3)] b2=[(t1-t4)/q-b1/入1-b3/入3]入2 =[(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582]X0.233=0.14m, 跨过普通砖的热通量: =t3-t4/b3/入3, t3=q.b3/入3+t4=930X0.1/0.582+83=243C 2.在内管为©180X10mnm勺套管换热器中,将流量为3500kg/h的某液态烃从100C 冷却到60E,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40C和50C,平均比热为4.174kJ/kg.K,基于传热外面积的总传热系数 K=2000w/m.K,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) 3500X2.38X(100—60)=WX4.174X(50—40) •••W=7982kg.h At逆=(50—20)/ln(5
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