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传热作业
第四章
一、填空题
1.传热的基本方式有、和三种。
2.导热系数的物理意义是,它的单位是—
3.各种物体的导热系数大小顺序为<
4.在湍流传热时,热阻主要集中在
的重要途径。
5.对流传热速率方程的表达式为,其中温度差代表o
6.在间壁式换热器中,间壁两边流体都变温时,两流体的流动方向
有、、和四种。
7.对流传热系数的主要影响因素有(
(4)(5)
8.无相变时流体在圆形直管中作强制湍流传热,在a=0.023入/diRe0.8Prn
公式中,n是为校正的影响。
当流体被加热时,n取_
取
9.某化工厂,用河水在一间壁式换热器内冷凝有机蒸汽,经过一段时间运行后,发现换热
器的传热效果明显下降,分析主要原因是
1)
o
因此,减薄该层的厚度是强化
(2)
(3)
,被冷却时n
10.当管壁及污垢热阻可忽略时,薄管壁求K公式可简化为:
此时若a0«%,则有
11.努塞尔特准数Nu表示
的准数,其表达式为
12.蒸汽冷凝有
的准数,其表达式为
普兰特准数Pr表示
和_
1
13.总传热系数的倒数一代表
K
两种方式。
,提高K值的关键
是
14.在卧式管壳式换热器中,用饱和水蒸气加热原油,则原油宜走
接近于对流传热系数。
15.在管壳式换热器中,当两流体的温差超过
有、和
16.写出四种间壁式换热器的名称
程,而总传热系数K
时就应该采取热补偿措施。
其基本形式
二、选择题
1.两流体可作严格逆流的换热器是
A板翅式换热器
C浮头式列管换热器
()
BU型管式列管换热器
D套管式换热器
2.管壁及污垢热阻可略
对薄管壁来说,当两流体对流体热系数相差悬殊时(如aiAAGo),为有
效提咼K值,关键在于()
A提咼Cti
B提咼Ct0
C减小垢层热阻
D提高管内流体流量
3.双层平壁定态热传导,两层壁厚面积均相等,各层的导热系数分别为
温度差为址和心t2,若At,>加2,则入1和為的关系为()
D无法确定
4.空气、水、铁的导热系数分别是
A入1>入2>入3B入1<入2<入3
C入2>入3>入1D入2<入3<入1
5.对流体热速率=系数X推动力,其中推动力是(
A
C
3,其大小顺序是(
6.
两流体的温度差B流体与壁面(或反之)
同一流体的温度差D流体的速度差
)
间的温度差
计算液体无相变时在圆直管内对流传热系数,若可采用公式
Nu
=O.O23Re0.8prn,式中
指数n为()
A0.4B0.3
C被加热时为0.4,被冷却时为0.3D被加热时为0.3,被冷却时0.4
7.水在无相变时在原址观众强制湍流,对流传热系数
2
%为1000W/(m.C)若将水的流量
增加1倍,而其他条件不变,则otj为()
A2000
B1741
C不变
D500
8.对间壁两侧流体一侧恒温,另一侧变温的传热过程,逆流和并流时Mm大小为()
A&m逆>Atm并B也tm逆<Nm并C也tm逆=也怙并D无法确定
三、判断
1.保温材料应采用导热系数小的材料制作
兀2
2.管壳式换热器的传热面积既是管子截面积
,可按照S=n—di来计算()
4
3.在对流传热时,热阻主要集中在缓冲层(
4.
),
努塞尔特准数的表达式为Nu=(普兰特准数的表达式为P'C^(
5.导热系数入,对流传热系数a及总传热系数K都是表征物质性能的参数()
AA
6.
(
7.
8.
对于符合K——)」情况来说若a1<<%时,要提高K值时则主要用提高«1的值
%a2
)
换热器应采用导热系数大的材料来制造()
),而饱和水蒸气冷凝时宜走壳程()
管壳式换热器设计时,腐蚀性的流体宜走管程(
四、简答
1.何谓热对流?
它又可分为哪两类?
何谓对流传热?
2.管壳式换热器主要由那些部件所构成?
它的传热面积如何计算?
3.何谓定态传热?
有什么特点?
4.傅立叶定律的表达式如何?
简述式中各项含义及单位。
5.圆筒壁的定态热传导与平壁的定态热传导有何区别?
6.写出当采用平均对流传热系数时的对流传热速率方程,并说明各量的含义及单位
7.对流传热系数的物理意义是什么?
它的单位是什么?
它与导热系数有何不同?
8.总传热系数K的物理意义是什么?
影响K值的主要因素有哪些?
在设计换热器时,K值
有哪些来源?
9.若热流体走管内,冷流体走管外,两流体通过间壁的传热包括那几个过程?
10.在使用实验得到的a关联式时,应注意哪几点?
11.换热器为何应定期清洗?
12.简述总传热速率方程的重要性。
13.简述何谓强化传热?
有哪三个主要途径?
五、计算题
1.一红砖平面墙厚度为500mm,一侧壁面温度为200C,另一侧壁面温度为30C,红砖的
导热系数可取为0.57W/(mC)O求:
(1)通过平壁的热传导通量q。
(2)平壁内距离高
温侧350mm处的温度,C。
2.
2
0.01m,厚度为20mm。
实验
用平板法测定固的导热系数。
在平板一侧用电热器加热,另一侧用冷却器冷却,同时在
板的两侧用热电偶测量其表面温度。
若所测固体的表面积为
测得电流表读数为0.58A,伏特计读数为100V,两侧表面的温度分别为180C和30Co求:
该材料的导热系数几O
3.某炉壁由下列三种材料组成,内层是耐火砖,
=1.4W/(m.C),d=230mm;中间
是保温砖,兀2=0.15W/(m.C),d=115mm;最外层是建筑砖,几3=0.8W/(m.C),
b^230mm。
今测得其内壁温度t^900C,外壁温度t^80C。
求
(1)通过炉墙单位
面积的热损失W/m2O
(2)各层的温差。
(3)各层接触面的温度。
(假设各层接触良好)
4.平壁炉的炉壁由三种材料所组成,内层是耐火砖,
兀1=1.07W/(m.C),d=200mm;
中间是绝缘砖,A2=0.14W/(m「C),b^100mm;最外层是钢板,m=45W/(m.C),b3=6mm。
若耐火砖层内表面温度鮎=1150C,钢板外表面温度t^30C。
求
(1)导热的热通量q。
(2)若计算结果与实验的热损失不符,分析原因并计算附加热阻
5.某平壁炉是由一耐火砖与一层普通砖砌成,两层得厚度均为100mm,其导热系数分别为
0.9W/(m.C及0.7W/(m.C卜待操作稳定后,测得炉壁得内表面温度为700C,外表面温
40mm,导热系数为
度为130C。
为减少热损失,在普通砖的外表面砌一层厚度为
0.06W/(m.C)的保温层,待操作稳定后,又测得炉内表面温度为740C,外表面温度为90C。
今设原来的两层材料导热系数不变。
求:
加上保温层后单位面1积炉壁的热损失比原来减少
的百分数。
6.有一直径为*32咒3.5mm的钢管,其长度为3m,已知管内壁温度为100C,外壁温度
为90C。
求该管的热损失为多少KW。
(已知钢管的导热系数为45W/(m.C))
7.有一蒸汽管外径为25mm,管外包以两层保温材料,每层厚度均为25mm,外层与内层
保温材料的导热系数之比为几2/=4,此时的热损失为Ql。
今将内外两层材料互换位置,
且设管外壁与保温层外表面的温度均不变,则热损失为
qL。
求qL/Ql,并说明何种材料
放在里层为好。
8.在一个*60x3.5mm的钢管外包有两层绝热材料,里面为40mm的氧化镁粉,平均导热系
数为0.07W/(m.C);外层为20mm的石棉层,其平均导热系数为0.15W/(m.C),钢的导
热系数为45W/(m.C),现测出管内壁温度为500C,最外层温度为80C。
求
(1)每米管
长的热损失。
(2)两层保温层界面的温度。
(假设层间接触良好)
9.求绝压为140KPa,流量为1000kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温到60C时所放出的热
量。
用两种方法计算并比较结果。
已知
140KPa水蒸汽的饱和温度为109.2C,冷凝热为
2234.4KJ/Kg,焓为2692.1KJ/Kg;60C的水的焓为251.21KJ/Kg。
10.将0.417Kg/s、80C的有机苯,通过一换热器冷却到40C;冷却水初温为30C,出口
温度不超过35C。
假设热损失可略,已查出在平均温度下,硝基苯和水的比热容分别为
/h?
1.6KJ/(Kg.C卜求:
(1)冷却水用量m3
(2)在
(1)题中如将冷却水的流量增加到
6m3/h,问此时冷却水的终温将是多少?
11.在一台套管式换热器中,用热水加热冷水。
热水流量为
2000Kg/h,进口温度为80C,
冷水流量为3000Kg/h,进口温度为10C,
热损失可略,且热水和冷水的比热容相等,都取
为4.187KJ/(Kg/C>求
(1)若要求将冷水加热到30C,此时并流和逆流的平均温度差
Atm。
(2)若要将冷水加入到40C,采用并流能否完成任务?
(计算后说明)
12.在一单壳程、四管程的列管式换热器中,出口温度为35C;冷却水进口温度23C,
用水冷却苯。
苯在管内流动,进口温度为80C,出口温度为30C。
求两流体间的传热平均温度差
13.有一列管换热器由①25>2.5mm,长为
温度分别为70C和30C;冷水走管间,其进、出口温度分别为
1.2Kg/s。
两流体作逆流流动,假设热水和冷水的平均比热容均为器的热损失可略。
求:
总传热系数K。
。
3m的60根钢管组成。
热水走管内,其进、出口
20C和40C,冷水流量为
4.2KJ/(Kg-C),换热
14.有一传热面积S0为15m2的管壳式换热器中,壳程通入饱和水蒸汽以加热管内空气。
150C的饱和水蒸汽冷凝为同温度下的水排出。
空气流量为2.8Kg/s,其进口温度为30C,
比热容可取1.0KJ/(Kg•C),空气对流传热系数87W/(m2•C),换热器热损失可略。
求空气的出口温度t2。
15.流量为1930Kg/h,温度为90C的正丁醇在换热器中被冷却到
水。
在平均温度下(70C)正丁醇的比热容为2.98KJ/(Kg•C),取水的比热容为4.187KJ/(Kg•C)。
若换热器的传热面积为6m2,总传热系数为230W/(m2「C)。
求:
⑴冷却水
出口温度t2⑵冷却水消耗量m3/h(假设两流体作逆流)
50C,冷却介质为18C的
16.某列管式换热器,由38根长2m,内直径为20mm的无缝钢管组成。
苯在管内流动,由20C被加热到80C,流量为8.32传热系数a⑵若苯的流量提高一倍,
Kg/s,外壳中通入水蒸汽进行加热。
⑴求管壁对苯的对流其它量不变,此时对流传热系数又为多少?
17.某列管换热器由①2525mm
流动。
已知管内空气一侧的a为50W/(m2•C),污垢热阻Rsi为0.5>10-3(m2•C)/W;
水侧的a为1000W/(m2•C),污垢热阻Rso为0.2>0-3(m2•C)/W。
⑴求基于管外表
的钢管组成。
热空气流经管程,冷却水在管外与空气逆流
面积的总传热系数K0⑵若管壁和污垢热阻可略①将a提高一倍②将a提高一倍,分别计算
K0值。
18.某蒸汽在套管换热器中冷凝,内管为①25X2.5mm钢管,管长2m。
蒸汽走管外,冷却水走管内,流速为1m/s,进口温度为20C,出口温度为50C。
求⑴管壁对水的对流传热系数。
⑵若将管内径缩小1/2,且设流速及其它条件都不变,此时对流传热系数有何变化?
19.某气体在内径为20mm的圆形直管内作湍流流动,管外用饱和蒸汽加热,已测得管内一侧的对流传热系数为a若气体流量与加热条件不变,并假定气体进出口平均温度不变(物性数据不变)。
求此气体在横截面积与圆管相等的正方形通道内流动的对流传热系数
20.在套管换热器中,一定流量的水在内管流过,温度从20C升到80C,并测得管内水侧
的对流传热系数为1000W/(m2•C)。
求同样体积流量的甲苯通过该换热器内管而被加热
时的对流传热系数。
假设两种情况下流体均为湍流流动。
已知两流体在定性温度下的物性如
下:
pKg/m
jj,PaS
Cp,KJ//Kg•C)
入,W/m•C)
水
988
0.549X0-3
4.17
0.648
甲苯
836
0.425X0-3
1.82
0.147
21.某列管式冷凝器的列管直径为①25X2.5mm。
管内通冷却水,流量为2.5Kg/s。
在新使用
时,冷却水的进、出口温度分别为20C和30C。
使用一段时间后,由于生成垢层,在冷却
水进口温度和流量不变得情况下,冷水出口温度降为26C。
已知换热器的传热面积S0为
16.5m2,有机蒸汽的冷凝温度为80C(有机蒸汽在管外冷凝),求水垢层的热阻。
3
22.某车间需要安装一台换热器,将流量为30m/h,浓度为10%的NaOH水溶液由20C预热至60C。
加热剂为127C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:
管径①25X2mm,管长3m,总管数72根。
问库存的换热器能否满足传热任务?
已知定性温
度下,NaOH水溶液的物性数据为:
p1100Kg/m3;入=0.58W/(m•C);Cp=3.77KJ/(Kg•C);
尸1.5X10-Pa・S。
钢的导热系数为46.5W/(m・C);设污垢热阻总和为刀R垢=0.0003(m•C)/W;蒸汽走管外,其冷凝对流传热系数为a0=1X104W/(m2「C)。
858Kg/m3o加热
K0为774K/
23.某列管式换热器由多根①25X.5mm的钢管所组成。
某液体走管内,由20C加热到55C,其流量为15吨/时,流速为0.5m/s,比热容为1.76KJ/(Kg•C),密度为剂为130C的饱和水蒸汽,在管外冷凝。
已知基于外表面积的总传热系数
(m2•C)o求⑴此换热器所需管数n。
⑵单管长度L
24.
管外为饱和水
1m/s时,测得基于管外表面积
1.5m/s时,又测
a0=(钢的导
实验测定列管式换热器的总传热系数时水在换热器的列管内作湍流流动,蒸汽冷凝。
列管由①25X2.5mm的钢管组成。
当水的流速为的总传热系数Ko为2115W/(m2「C);当其它条件不变,而水的流速度为得Ko为2660W/(m2「C),假设污垢热阻可略。
求水蒸汽冷凝的对流传热系数热系数取W/(m2•C))
25.在并流的换热器中,用水冷却油。
水的进出、口温度分别为15C和40C,油的进、出
口温度分别为150C和100C。
现因生产任务要求油的出口温度降至80C,设油和水的流量进
口温度及物性均不变,换热器的热损失可略。
若原换热器的管长为1m,求将此换热器的管长
增至若干米后才能满足要求。
26.在单程列管式换热器中,用水将80C的某种有机溶剂冷却到35C。
由于气候条件和水
源限制,冷却水进口温度为30C,出口温度不得低于35C。
求:
⑴确定两种流体应作并流还是逆流流动,并计算其平均温度差。
⑵若两种流体在壳方单程、管方2程的列管换热器中换热,再求平均温度差。
答案及评分标准
一、填空
1.热传导热对流热辐射
2.单位温度梯度下的热传导通量(
3.金属入>非金属固体入>液体
4.滞流内层
(每个空1分,共3分)
2分),W/(m.C)(1分)(共3分)入>气体入。
(2分)
对流传热(每个空1分,共2分)
(共3
分)
6.并流逆流错流折流(每个空
7.
(1)、流体的种类和相变化的情况
(2)、
(3)、
(4)、
(5)、
1分,共4分)
流体的性质
流体流动的状态
流体流动的原因
穿热面的形状、
分布和大小
5分)
0.3
(每个空1分,共
8.热流方向0.4
(每个空1分,共3分)
9.传热壁面上形成污垢,产生附加热阻,使
K值下降。
(2分)
5.Q=aSAt(1分),流体与壁面(或反之)间温度差的平均值(2分)
10.K农a。
(1分)
11.对流传热系数
aI
Nu=—
A
物性影响
(每个空1分,
12膜状冷凝
13.间壁两侧流体间传热的总热阻(每个空2分,共4分)
14.管原油(每个空1分,共
15.50C带补偿圈的固定管极式
4分)
滴状冷凝
分,共2分)
(每个空1
设法减小起决定作用的分热阻
2分)
U型管式
16.套管式、管壳式、平板式、翅片管式(每个空二、选择题
1.D(1分)2.B(1分)3.A(2分)4.B(1分)
浮头式(每个空1分,共4分)
1分,共4分)
5.B(1分)6.C(1分)7.B(2分)8.C(2分)
三、判断
1.(对)(1分)2.(错)(1分)3.(错)(1分)4.(错),(对)(每个
5.(错)(1分)6.(对)(1分)7.(对)(1分)8.(对)
四、简答
1.答:
热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递。
1分,共2分)
(对)(每个1分,共2分)
(2分),它又可分为强制对
流和自然对流两类(1分)。
通常,对流传热是指流体与固体壁面间的传热过程,它是热对流和热传导的结合(3分)(共6分)
2.答:
管壳式换热器主要由壳体、管束、管板、挡板和封头等部件构成。
(3分)
传热面积S=nndLm2(1分)(共4分)
3.答:
在传热系统(如换热器)中温度分布不随时间而变的传热过程称为定态传热,它的特点是通过传热表面的传热速率为常量(2分)(共4分)
(2分)
4.答:
傅立叶定律的表达式为dQ=-Xds2
cn
(2分)
S等温表面的面积,m?
式中:
Q-----热传导速率,W一------温度梯度,C/mcn
入-----比例系数,称为导热系数
w/(m°c)负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反(4分)(共6分)
5.答:
圆筒壁热传导与平壁热传导的区别是圆筒壁的传热面积不是常量,是随半径而变的,且温度也是沿半径方向变化的。
6.答:
当采用平均对流传热系数时,对流传热速率方程可表示为
Q"Sit(1分)
Q:
通过传热面积S的对流传热速率,W(1分)
a:
平均对流传热系数W/(m2C)(1分)
S:
对流传热面积m2(1分)
At:
流体与壁面(或反之)间温度差的平均值C(1分)(共5分)
Q
=―厂可知,对流传热系数J表示在单位温度差下单位传热面积的对流传热速
Sit
7.答:
由a
率,其单位为
w/(m2C),a越大,表示地流传热越快。
(4分)
它与导热系数
(2分)
入不同,它不是物性,而是受多种因素影响的一个参数。
(共6分)
8.答:
K的物理意义是:
K在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传热速率。
(2分)
影响K值的主要因素有流体的物性、操作条件和换热器的类型(2分)。
在设计换热器时,
K值的来源主要有:
(1)选用生产实际的经验值
(2)实验查定(3)计算K值(2分)
(共6分)
9.答:
包括以下三个过程:
1热流体以对流传热方式将热量传给管内壁(2分)
2热量由内壁面以热传导方式传给外壁面(2分)
3热量由外壁面以对流传热的方式传给冷流体(2分)
10.答:
应注意三点。
应用范围
特征尺寸
定性温度
(共4分)
关联式中Re、Pr等的数值范围Nu、Re等准数中I应如何取定各准数中流体的物性应按什么温度来确定
(每点2分,共6分)
11.答:
换热器运行一段时间后,传热壁面常有污垢积存,对传热产生附加热阻,使K值下
降。
通常污垢热阻较壁面热阻要大,因此在设计中必须考虑其影响,运行中的换热器应定期
清洗。
(5分)
(4分)
12.答:
总传热速率方程Q=KSAtm是传热基本方程,可以此方程为基础,将传热的主要
内容联系起来,该式和热量横算式结合可解决工程上大部分的传热计算问题。
13.答:
强化传热是指提高冷热流体间的传热速率。
(2分)
强化传热的主要途径有三方面:
(1分)
1增大总传热系数K,这是强化传热的重点。
2增大传热面积S(1分)
3增大平均温度差Atm(1分)
(共5分)
五、计算题
1.解:
(1)求q
已知t1=200C,t2=30C,
b=0.5mm,a=0.57W/(mC)
鮎-t2
单层平壁热传导通量q=B
A
200~30=194W/m2(2分)
0.5
0.57
(2)设平壁内距离350mm处的温度为
200—t、
q二玄"94(2分)
0.57
035
解得:
七00-194><面=8亿(1分)
2.解:
(1)由实验测得的电流和电压可求出导热量Q
Q=IV=0.58W(2分)
(2)由单层平壁热传导方程可求出几
58咒0.02
Qb58儿0.02“2L
Z=—-—==0.773W/m2.C(2分)
「2)0.01(180-30)
3.解:
设t2为耐火砖和保温砖之间接触面的温度。
t3为保温砖和建筑砖之间接触面的温度。
(1)
由多层平壁定态热传导公式可以导出q
Q
q=s
t1-t4
900—80
bL+P+bi
入1
0.2^0.11^0.23
7T0.15"08
0.164+0.767+0.288
=673马
m
(3分)
(2)盘1、
皿2、也t3分别为耐火砖层,保温砖层和建筑砖层的温差。
因是多层平壁的
定态热传导,故
q*!
=q2=q3=q(1分)
可得,加1=673X"0.23
1.4
=1106C(1分)
加2
=q.-b^=516.0C
兀20.15
(1分)
加3
nq』"73%0?
"3.5’
(1分)
(3)t2=t1-盘1=900-110.6=789.4C
(1分)
t3=t2—人t2=789.4—516.0=273.4C
(1分)
4.
(1)由三层平壁的定态热传导公式求q
b-t4
q』
sb_+bL+b_
115030
1120
0.2+0.1+0.0060.1870.7140.000133
1.070.1445
42乂124\2/m2(3分)
0.901
(2)计算结果:
q:
>300W/m2,分析原因是:
说明平壁层间接触不良,有空气层
存在,产生了附加热阻R附。
(2分)
5.解:
(
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