第二章传热习题课

1、传 热基本概念和基本理论基本概念和基本理论传热是由于传热是由于 引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，就必然发生知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处热从高温处传递到低温处。根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式： 、 和和 。热传导热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等是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；微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流热对流是流体各部分之间发生相对是

2、流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流强制对流），流体流过固体表面时），流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热对流传热；热辐射热辐射是因热的是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依发射

3、辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。靠其中的一种方式或几种方式同时进行。传热速率传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（是指单位时间通过传热面的热量（W）；）；热流密度热流密度q是指每单是指每单位面积的传热速率位面积的传热速率（W/m2）。RTbTTq21一热传导 导热基本方程傅立叶定律导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（mK）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反。2平壁的稳定热传导单层平壁：多层（n层）平壁：公式表明导热速

4、率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。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，但导热速率相同。nTdSdQ注意食品物料中注意食品物料中水分的多少对导水分的多少对导热系数的影响热系数的影响+n1ii11111RqnniiiinTTbTT圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁：单层圆筒壁：1221ln2rrTTLQp+niiiiinrrTTLQ1111ln1)(2pn层圆筒壁层圆筒壁一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果会一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果会降低降低，主要原因是因主

5、要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数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，受潮后，使保温层材料导热系数料导热系数增大增大，保温效果降低。，保温效果降低。对流传热系数，单位为：W/（m2K）- 牛顿冷却定律。牛顿冷却定律。 TSQnpiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14 Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 不凝性气体的影响不凝性气体的影响 在蒸汽冷凝时不凝性气体在液在蒸汽冷凝时不凝性气体在液膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数膜表

6、面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数降低降低。 蒸汽流速和流向的影响蒸汽流速和流向的影响 冷凝传热过程的强化冷凝传热过程的强化流体物性及液膜两侧的温差流体物性及液膜两侧的温差 蒸汽过热的影响蒸汽过热的影响 温度差温度差t A B C D 液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中的对流传热系数的对流传热系数和热流密度和热流密度q都发生变化。都发生变化。 自然对流自然对流泡核沸腾泡核沸腾膜状沸腾膜状沸腾注意：由于泡核注意：由于泡

7、核沸腾的传热系数沸腾的传热系数比膜状沸腾的大，比膜状沸腾的大，故一般都设法控故一般都设法控制蒸发器在泡核制蒸发器在泡核状态下工作。状态下工作。对流过程是流体和壁面之间的传热过程，对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度定性温度是指确定准数中各物性是指确定准数中各物性参数的温度。参数的温度。沸腾传热沸腾传热可分为三个区域，它们是可分为三个区域，它们是自然对流区自然对流区、核状沸腾区和膜状沸腾核状沸腾区和膜状沸腾区区，生产中的沸腾传热过程应维持在生产中的沸腾传热过程应维持在核状沸腾区核状沸腾区操作。操作。无相变的对流传热过程中，无相变的对流传热过程中，热阻热阻主要集中在主要集中在传热边界层或滞

8、流层内传热边界层或滞流层内，减少，减少热阻的最有效的措施是热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度提高流体湍动程度。在两流体的间壁换热过程中，计算式在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSt，式中，式中t表示为两流体表示为两流体温度温度差的平均值差的平均值；。；。在两流体的间壁换热过程中，计算式在两流体的间壁换热过程中，计算式Q= St，式中，式中t=tw-tm 或或 Tm-Tw；S表示为表示为一侧的传热壁面一侧的传热壁面。滴状冷凝滴状冷凝的对流传热系数大于的对流传热系数大于膜状冷凝膜状冷凝对流传热系数。对流传热系数。式中式中 cp流体的平均比热，流体的平均比热，kJ/（kg ） Tc冷流体的温度

9、，冷流体的温度， Th热流体的温度，热流体的温度， Q=Whcph(Th1-Th2)=Wccpc(Tc2-Tc1) )()(122ccpcchsphhTTcWTTcrWQ+)/ln(2121TTTTTm换热器总传热速率方程换热器总传热速率方程Q=KSTm式中K为总传热系数，单位为：W/（m2）；Tm为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言，恒温传热时变温传热时错流和折流时mT00000001)ln(1+siisiiiRrrrrrRrrK总传热系数chTTTm换热器换热器间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提

10、高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节，采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和冷凝水。间壁换热器管壁温度Tw接近大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大的一侧的值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对流传热系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。对于间壁换热器WhCph(Th1-Th2)=W2Cp2(Tc1-Tc2)=KSTm等式成立的条件是稳定传热、无热损失、无相变化。列管换热器，在壳

11、程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高值，支撑管子。在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。1. 蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设计采用计采用_膜状膜状_冷凝。冷凝。2. 大容积的饱和沸腾传热可分为大容积的饱和沸腾传热可分为_自然对流自然对流_、_核状沸腾核状沸腾_和和_膜状沸腾膜状沸腾_三个阶段，而在三个阶段，而在工业生产中常在工业生产中常在_核状沸腾核状沸腾_阶段操作。阶段操作。3. 在对流传热中，按

12、其产生的原因，可分为在对流传热中，按其产生的原因，可分为_自然自然_对流与对流与_强制强制_对流。对流。 5. 定性温度指定性温度指_用于决定准数中各物性的温度用于决定准数中各物性的温度_。 填空题填空题1. 间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( A )A. 成正比成正比 B. 成反比成反比 C. 没关系没关系2. 翅片管换热器的翅片应安装在翅片管换热器的翅片应安装在( A )。 A. 小的一侧小的一侧 B. 大的一侧大的一侧 C. 管内管内 D. 管外管外 3. 套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽

13、，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时: （1）传热系数）传热系数K应应 A 增大增大 B 减小减小 C 基本不变基本不变 ( A ) （2）空气出口温度）空气出口温度 A 增大增大 B 减小减小 C 基本不变基本不变 ( B )（答案（答案 A、B）选择题选择题4. 工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（ C ）。）。 A. 增加热阻，减少热量损失增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观节约钢材、增强美观 C. 增加传热面积，提高传热效果。增加传热面积，提高传热效果。

14、5. 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的蒸汽冷凝时，膜状冷凝的( C )滴状冷凝的滴状冷凝的。A. 等于等于 B. 大于大于 C. 小于小于6. 导热是（导热是（A ）热量传递的主要方式。）热量传递的主要方式。A. 固体中固体中 B. 液体中液体中 C. 气体中气体中7. 热量传递的基本方式是（热量传递的基本方式是（ D ）。）。 A. 恒温传热和稳态变温传热恒温传热和稳态变温传热 B. 导热给热和热交换导热给热和热交换 C. 气化、冷凝与冷却气化、冷凝与冷却 D. 传导传热、对流传热与辐射传热传导传热、对流传热与辐射传热8. 湍流流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要湍流流体与器壁间的对流传热（

15、即给热过程）其热阻主要存在于（存在于（ C ）。）。 A. 流体内流体内; B. 器壁内器壁内; C. 湍流体湍流体滞流内层中滞流内层中; D. 流体湍流区域内。流体湍流区域内。9. 对一台正在工作的列管式换热器，已知对一台正在工作的列管式换热器，已知1116，211600， 要提高传热系数（要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（），最简单有效的途径是（ A ）。）。 设法增大设法增大1 B. 设法增大设法增大2C. 同时增大同时增大1和和211. 对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（ A ）沸腾下操作。沸腾下操作。 A.核状核状 B. 稳定的膜

16、状稳定的膜状 C. 不稳定的膜状不稳定的膜状12. 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数值（值（ A）。）。 A. 降低降低 B. 升高升高 C. 不变不变13. 为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金属皮，一般而言，应该选择属皮，一般而言，应该选择_D_材料。材料。A. 表面粗糙，颜色较深表面粗糙，颜色较深 B.表面粗糙，颜色较浅表面粗糙，颜色较浅 C. 表面表面光滑，颜色较深光滑，颜色较深 D.表面光滑，颜色较浅表面光滑，颜色较浅1 在定态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这层的导热在定

17、态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这层的导热温差就小。（温差就小。（ F）2 保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（ T ）3 自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。 （ F ）4 辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐射传热可辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐射传热可以在真空中传播。以在真空中传播。 （ T ）6 辐射能力强的物体其吸收能力也强。辐射能力强的物体其吸收能力也强。 （ F ）7 物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率。物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率

18、。 （ T ）1). 在内管为在内管为18910mm的套管换热器中，将流的套管换热器中，将流量为量为 3500kg/h的某液态烃从的某液态烃从 100冷却到冷却到60，其，其平均比热平均比热 CP=2.38kJ/kg.， 环隙走冷却水，其进环隙走冷却水，其进出口温度分别为出口温度分别为40和和50，平均比热，平均比热p水水4.17kJ/kg.，基于传热外面积的总传热系数，基于传热外面积的总传热系数K0=2000W/m2, 设其值恒定设其值恒定, 忽略热损失。试求忽略热损失。试求： A)冷却水用量；冷却水用量；B)分别计算两流体为逆流和并分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。流情

19、况下的平均温差及所需管长。 QLttrrrrrr+211123141803514519165100769191015796947103010121232p()lnlnln.()ln.ln.ln.QLttrr2123232p()ln471235101579692.().lnp t4）382.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 第一层是50 mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07 W/(m)；第二层是10mm厚的石棉层，其平均导热系数为0.15 W/(m)。若管内壁温度为180，石棉层外表面温度为35，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？解：r0 = 16.5mm =

20、 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r11 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r22 = 0.0690.01 = 0.079 m0 = 45 W/(m)W/m 即 t2 = 41.8 7)略同理由）解得到那些结论。流和并流做一比较，可根据计算结果，对逆换热面积。平均温度差和所需要的两种流体做并流时的换热面积。平均温度差和所需要的两种流体做逆流时的冷水流量。试求：总传热系数为升到冷水温度从却到冷温度从加热冷水，热水流量为在列管换热器。用热水)489. 285.25) 5/75(/ ) 575() 389. 1) 8.39108. 23600/(10

21、181. 440105. 48.39)35/45(/ )3545()2/6010/174. 4/181. 41)./(108. 2,5020,5595,/105. 4)2620233300002300003mSCLntmSTCWtKSCLnthkgWCkgkJCCkgkJCtCWTCWQQCmWCCCChkgmphhmCpcphpcCphhChQ2300200200005300002020008 .15)6 .23603/(102256 .23)15/35(/ )1535()/(603)/(/001611. 0900/1)3545/(38003. 0)322500/(38/1/135)32/3

22、8(3238(/1025. 210508 . 15 . 2/8 . 1552/ )3080(,45),/(900),2500W/(,3080 /5 . 2.15338)28mSCLntCmWKCmWddbdKmmLndsJQCkgkJCCtCCmWCmCCskgCmmmiimP+）查得甲苯的物性数据：解：器的传热面积。试求该换热水的出口温度不能高于污垢热阻忽略不计。若侧的给热系数分别为水走管程，水侧和甲苯冷却到苯由的甲的水将，用初温为规格为在逆流换热器中，管子149. 1/:149. 1/2 .60809 .64752 .60)55/7 .65()557 .65(9 .64)60/70()60

23、70(3 .84)15()70150()1580()75150(:707515080 15)300002200000LLSSKSCWKSCWtKSQtKSQCLntCLntCttCWCWCWCWtCWTCWQQCCCCCphhphhmmmmpccphhpccphhpccphhCh即又则解生产要求？原来的多少倍才能满足试问此换热器管长增为失忽略不计，发生变化，换热器的损温度，流量及物性均不假设水和液体的进出口，体进出口温度降至。现因生产任务要求液和体的进出口温度分别为，液和口温度分别为冷却某液体，水的进出在逆流换热器中，用水Q9)t +2080250uVndpp41201036001093400

24、2300324242.Re.du0020324109319610361105410) 120饱和水蒸汽将空气从20加热至80，空气流量1.20104kg/h。现有单程列管换热器，252.5mm钢管300根，管长3m，0 = 104W/(m2)，污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。解：50空气， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)， = 0.02824W/(m) = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s100004 . 08 . 044 . 08 . 0698. 01061. 3020. 002824. 0023. 0PrRe023. 0ii

25、d5 .1541201036004.1004010040655ln. W/(m2)0i Ki = i = 124.5 W/(m2)Q = WcCpct = 1.00560 = 201 kJ/stm = Q = KiAitm 即 201103 = 124.5Ai65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = npdiL 即 24.6 = 300p0.020L L = 1.31 m3 m 满足要求 11）一套管换热器，用热柴油加热原油，热柴油与原油进口温度分别为155和20。已知逆流操作时，柴油出口温度50，原油出口60，若采用并流操作，两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同，试问并

26、流时柴油可冷却到多少温度？CCtCTtKSQtTtTttCWTCWtCWTCWQQCWKStKSQCtCWCWtCWTCWQQmmpccphhpccphhchphhmmpccphhpccphhch0020222222207 .644 .547 .6421)2()/(135ln/)(135)20()155() 1 (862. 14 .56)30/95ln()3095()2060()50150(即并流时柴油冷却到）解得：）（联立方程（则并流时：则解：逆流时：12）一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为55和115。并流操作时，冷、热流体的出口温度分别为75和95。试问逆流操作时，冷、热流体的出口温度分别为多少？假定流体物性数据与传热系数均为常量。CtCTtTtTTtTtttttTtTttTtCWTCWCWKStKSQCtCWCWCWCWtCWTCWQQ