化工原理第四章题库与解答资料

1、（一）选择题：1、关于传热系数K 下述说法中错误的是（）A 、传热过程中总传热系数K 实际是个平均值；B、总传热系数K 随着所取的传热面不同而异；C、总传热系数K 可用来表示传热过程的强弱，与冷、热流体的物性无关；D、要提高K 值，应从降低最大热阻着手；答案： C2、揭示了物体辐射能力与吸效率之间关系的定律是（）。A 、斯蒂芬 -波尔兹曼定律；C、折射；B 、克希霍夫；D、普郎克；答案： B3、在确定换热介质的流程时，通常走管程的有（），走壳程的有（）。、高压流体；、蒸汽；、易结垢的流体；、腐蚀性流体；、粘度大的流体；、被冷却的流体；答案：、；、4、影响对流传热系数的因素有( ) 。、产生对流

2、的原因；B、流体的流动状况；C、流体的物性；D、流体有无相变；E、壁面的几何因素；答案 :A 、B、C、D、E5、某套管换热器，管间用饱和水蒸气将湍流流动的空气加热至指定温度，若需进一步提高空气出口温度，拟将加热管管径增加一倍（管长、流动状态及其他条件均不变）措施是：、不可行的；B、可行的；C、可能行，也可能不行；D、视具体情况而定；答案： A解：原因是：流量不变d2 u常数当管径增大时， a. ul / d 2，u0.8 / d 0.21/ d 1.8b. d 增大时， 增大，d综合以上结果，A1/ d 1.8，管径增加，A 下降根据 mcp t2 t1KAt mKAtmAt2t1ln Tt

3、1对于该系统 KTt 21mcpAln Tt1即Tt2，你认为此lnTt1A则Tt2 t 2本题在于灵活应用管内强制湍流表面传热系数经验关联式：N u即物性一定时，u0.8 / d 0.2 。0.023Re 0.8 Prn ，根据连续性方程，流量不变时，变化。Vd 2u常数4，所以管径变化，管内流速也发生管间用饱和水蒸气加热，热阻小，可以忽略不计，总热阻近似等于管内传热热阻，即K6、对下述几组换热介质，通常在列管式换热器中K 值从大到小正确的排列顺序应是（）。A 、 ；B、 ；C、 ；D、 ；冷流体热流体水气体水沸腾水蒸气冷凝 水 水水轻油答案： D7、为了在某固定空间造成充分的自然对流，有下

4、面两种说法：加热器应置于该空间的上部；冷凝器应置于该空间的下部；正确的结论应该是（）。A、这两种说法都对；C 、第一种说法对，第二种说法错；B、这两种说法都不对；D 、第二种说法对，第一种说法错；答案： B8、下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是（）。A、 ； C、 ；B、 ； D、 ；空气流速为30m/S 时的 a；水的流速为1.5m/s 时的 a；蒸汽滴状冷凝时的a；水沸腾时的a；答案： C9、传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时，影响传热过程的将是（）。A、管避热阻；B 、污垢热阻；C、管内对流传热热阻；D 、管外对流传热热阻；答案： B10、在冷凝器中用水冷凝苯蒸汽

5、，水走管程， 其雷诺数 Re1.2104 , 此时对流传热系数为。若将水的流量减半，其对流传热系数（ ）。0.80.8；A、 (1/2)； B 、 A，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。3、将流量为 2200kg/h的空气在蒸汽预热器内从20加热到 80。空气在管内作湍流流动，116的饱和蒸汽在管外冷凝。现因工况变动需将空气的流量增加20%，而空气的进、出口温度不变。 问采用什么方法才能完成新的生产任务？请作出定量计算（要求： 换热器的根数不作变化）。冷凝段冷却段分析：由传热基本方程QKA tm 着眼考虑：空气流量增加20%而进出口温度不变，即Q增加 20%。因为蒸汽的冷凝系数

6、远大于空气的对流传热系数 , 所以总传热系数 K 接近空气的对流传热系数。 空气流量增加后， 总传热系数增大， 但其增大的幅度不能满足热负荷增大的要求，故可以改变的只有tm 及 A。解：蒸汽空气 ，又管壁较薄可忽略其热阻K空气空气0.023 Re0.8 Pr 0.40.023d Ws /0 .8Pr0 .4ddd24W A0.8在物性不变的前提下空气C1d 1.8(a)QKA t mndLt m由题意， n 为常数QC 2WA0.8t mL将 （a）式代入：d 0.8（ b）（a）、（ b）二式中 C1 、 C2 均为比例系数。设“ 1”，“ 2”分别代表工况改变前后的情况，由（b）式：QW

7、A0.8d0 .8tm2L2122Q1W AL1d2t m110 .8t m21.20.8L 2d1L1d 2t m1Q2Q1已知：1.2t1t 2K A100t1ln100t 2(b)比较（ a）、（ b）二式得t 2t1100t12 ln 100t 2Kt mK 将已知数据代入ln100301483(3530)10029090.0604t 267.5增加冷凝量为t234.1 C2WcC p c(tt1 )2 (34.1 30)WQ21.64Wc C p c (t 2WQt 1 )35 30即蒸气冷凝量增加了64。此例可以帮助我们加深对控制热阻的理解。由于原来的冷却水出口温度已经很低，冷却水

8、流量加倍后，平均温差即传热推动力增加很少，这可由t 2 与 t 2 的比较看出。但因蒸气冷凝给热系数远大于冷却水的对流传热系数，所以管内对流传热热阻就成为整个冷凝过程的控制热阻。冷却水流量加倍后，管内对流传热系数增大到原来的 20.8 1.74 倍，控制热阻相应降低， 导致总传热系数几乎以与管内对流传热系数相同的幅度增大， 结果使冷凝液大量增加， 由此可见， 降低控制热阻，是增大传热速率的一个重要途径。4、废热锅炉由25mm 2.5mm 的锅炉钢管组成。管外为水沸腾，绝对压强为2.8MPa，管内走合成转化气，温度由550降至450。已知转化气一侧，10000W /(m2 ）。若忽略污垢热阻，求

9、换热管的壁温解：方法一：1） 先求总传热系数（以管子内表面为基准）Ki=242W/(m2 )（2）平均温度差 11bdid i2.8MPa 下水的饱和温度为230。o d oKiidm1.002520120tm(550 230)(450230)270 C（3）热通量25045 22510000250.0040.00004950.00008Qdi2qi0.00413Qt m24265.3kW/mAiK i270qoK ot mK it m（4）管壁温度Aodo1）先着眼于管内的对流传热20。2由牛顿冷却定律：2422527052.3kW/m又qi550i (TTw )T45023500 Cqi6

10、5.3Tw T10239500250i再眼于管外的对流传热250W /( m2 ）水侧 Tw 及 tw 。t w tq023052.3 103235100000方法二：先求传热过程的总热阻及分热阻（基于内表面）1R1 R21b didiRR3d m0 d 0Ki10.002520204522.5 10000 250.004 0.0000495 0.00008=0.00413( m2 )/W再求管壁温度在连续传热过程中，温降与热阻成正比。故TTWR1tWtR3TtRTtR550450已知： t = 2300c T =2= 500 R1 (Tt ) t w = T-R5000.004(500230

11、)239=0.00413t w = t +R3 (Tt )R2300.0008(500230)2350.00413=两种解法结果相同分析：由于管内外水沸腾传热系数较大，管内合成转化气对流传热系数相对要小得多, 所以壁温接近水的温度。 又因为管壁的热阻较小， 所以温降也小， 也就是说管壁两侧温度比较接近。两种方法略作比较可以发现，第二种方法更简捷、直观。壁温的估算对工程技术人员十分重要。 无论选择换热器类型还是选定换热器都需要知道壁温，一些对流传热系数的计算也需要知道壁温。5、在列管换热器中用蒸汽加热空气，蒸汽走完程，空气走管程且作湍流流动，若其它条件不变，仅将： (1) 空气的压强加倍； (2

12、) 传热管的数目加倍试估算 / ? t m将如何变化？解：（ 1） 蒸汽 空气由 Q =KA t m得 Q/t mKA空气dudGRe=K空气A由上可知，当压强加倍后，管内空气的，u 将有所改变，具体说增大 u 减少，但质dG量流速 G = u不变。即 Re=不变。cp又r=不变 不变 Q/t m亦不变化（ 2）传热管数目加倍。传热管数目加倍，则传热面积A 加倍；但流通面积增大 1 倍后，流速相应减少 1 倍，管内对流传热系数减至原来。0.574 倍。0.50 8（Q /）2A2t m 20.57421.15（Q /）A11t m 16、平均温度为270的机油从一 108mm6mm的钢管中流过

13、。已知油对管壁的对流传热系数为 340W/(m2 ) ，大气温度为12。试求： (1) 每米管长的热损失；(2) 若管外包以导热系数为 0.045W/(m ) ，厚度为20mm的玻璃棉作保护层，此时的热损失又为多少？假设管壁及污垢热阻可以忽略不计，外壁对空气的对流辐射联合传热系数可用TWWT的单位为2a =8+0.05t来计算。其中t 表示壁温，； W/(m ) 。解：（ 1）设油和空气的温度分别为t 1、 t 2。从热油和空气的传热来看Q=KA(t1-t 2)欲求 Q必先知 K，而 K 又与 T 有关。由 T 的计算式可以看出， 求解 t W是关键。但从外壁对周围环境的联合传热方程 QT=

14、TA(t W-t) 分析，要想求得 t W又须知 QT。如此应采取试差法求解。设未保温时管外壁温度为265则T =8+0.05 265=21.3 W/(m 2 )每米钢管的外表面积A= dL=3.14 0.108 1=0.339m2散热量QT=TA(t W-t)=21.3 0.339(265-12)=1827W校核壁温由 Q=KA(t 1-t 2)11111其中:K1T34021.32=0.0499 （ m） /WK=20W/(m 2 )又 Q=20 0.339(270-12)=1753W稳定传热时， QT 应等于 Q；现 QTQ，说明假设的壁温偏高。重设 t W=250T =8+0.05 2

15、50=20.5W/(m 2 K) QT=20.50 0.339(250-12)=1654W校核壁温111340 20.5 =0.0517(m 2 )/WK=19.3W/(m 2 K)Q 19.3 0.339(250-12)=1688WQTQ,说明所设壁温合理。16541688故每米钢管的损失约为2=1671W。设保温后外壁温度为 50T =8+0.05 50=10.5W/(m 2 )此时每米管长的外表面积2A =(0.108+0.04) 1=0.465mT散热量 QT=10.5 0.465(50-12)=186W校核壁温b由于增加了保温层的热阻，总热阻111b110.02K1T34010.50

16、.045 =0.543(m 2 )/WK=1.84W/(m 2 )0.3390.465传热面积取保温层内、外表面积的平均值A=2=0.402m2Q=KA(t1-t2)=1.84 0.402(270-12)=190WQ QT，说明所设壁温合理。186190188故保温后每米钢管热损失仅有2=188W，为不保温时的1671 =11.3%。2分析：比较保温前后可以看出：保温前总热阻为0.0517(m )/W ，保温后总热阻为0.543(m 2 )/W，大了一个数量级；保温前钢管外壁温度为 250，保温后保温层表面温度降至 50，下降了 200。本例提示我们：高温设备经保温可极大限度地减少热损失，因此

17、是十分必要的。7、用传热面积 A1=1m 2的蛇管加热器加热容器中的某油品，拟将油温从t1 20 C 升至t 280 C 。已知加热器的总传热系数K 200W /( m2C) ，油品质量 m500kg ，比热容 cp2.2kJ /(kgC) 。容器外表面散热面积S2 12m2, 空气温度 t20 , 空气与器壁的对流传热系数10W /(m2C ) ，加热蒸汽的压强为250kPa 。试求：1）所需加热时间；2）油品能否升至 90 C 。不考虑管壁热阻及油与壁面的对流传热热阻。分析：显然，这也是个不定态的问题。蒸气通过蛇管加热器使油品不断升温，当油品温度超过容器外空气温度后在自身升温的同时又不断向

18、器外空气散热。器内器外传热推动力都随时间不断变化。但不管情况如何改变， 热平衡关系却总是成立的。因此，求解本题的关键在于找出其间这样一个平衡关系： 蒸气的加热速率等于油品的吸热速率与容器向外散热速率之和。又：油温升高的过程即为器壁向环境散热量不断增加的过程，直至这两个过程速率相等。此时的油品温度即为其可能达到的最高温度。解：油品从20 C 升至 80 C 所需时间查表得， 250KPa 时蒸气的饱和温度TA=127蛇管加热器的传热速率QhKA1 TAt式中 t任一瞬间油品温度，CQcmc pdt油品的吸热速率d器壁的散热速率QA2t t由热平衡关系QhQc Qa故 KA TStdtmc p d

19、A2t t将已知条件代入2001 127 t5002.210 3 dt10 12 t 20dtdd3438t整理86.9d343880dt积分020 86.9tQ3438 ln 86.92086.9807810s2.17h油品可能升至的最高温度令加热器的传热量与器壁的散热量相等即 KA1TAtA2tt代入数据200 1127t10 12 t20解之t =86.9 T138.9 , 所以此蒸汽能满足传热要求。19、有一套管式换热器，甲流体（走管间）和乙流体（走管间）在其中逆流换热。生产要求将流量为810 kg / h 的甲流体（ CP0.8Kcal / kg）从 120冷却至 70，管壁的对流膜

20、系数12000Kcal / m2h ，并可视作不变。乙流体由20被加热至 50。 35的水的粘度为 0.72Cp ，已知内管内径为0.0508 m，乙流体的平均流速为0.15 m/ s ，管内壁对乙流体的对流传热膜系数2627Kcal / m2h，内管两端压强差为P 。如果管壁及污垢热阻不计，流体的物性常数及摩擦力系数均可视为常数。求当此换热器内管两端压强差经调节增至3P 时，完成这一传热过程所需的传热面积。Plu 2解：当内管压强差为P 时，d23 Pl(u ) 23d2内管压强差为P 时，u23u3uu0.150.26m / suRedu0.05080.15 9941.0510 40.72

21、10 3湍流当内管压强差为 3P(u0.26m / s) 时，管内流动也肯定为湍流0.80. 822u6270.26974kcal / m2 h则u0.15K122000974655kcal / m2h122000974又由原工况： w1 C p1 T1T2w2 C p 2t 2 t1可得：8100.8(12070)w2C p 2 (5020)w2 C p21080kcal / h 热流体的流量，进出口温度不变（生产要求）w1C p1 (T1T2 ) w2 C p2 t 2 t18100.8 120 700.261080 t 2100.15解得： t 237.3 t mT1t2T2t112037.370 2065ln T1t212037.3ln平均温差：T2t17020则由 w1 C p1T1T2KAt mP 可得： 8100.8 120 70655A 65A0.761m 220、有一换热器，并流操作时，冷流体进出口温度分别为25和 70，热流体进