化工原理习题及答案

第四章传热

姓名____________班级____________学号_____________成绩______________

一、填空题：

1.（6分）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500℃, 而环境温度为20℃, 采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=0.57w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。(注:大型容器可视为平壁)

***答案*** 1140w

2.（6分）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500℃, 而环境温度为20℃, 采用某隔热材料,其厚度为120mm, λ=0.25w.m.K,此时单位面积的热损失为_______。(注:大型容器可视为平壁)

***答案*** 1000w

3.（6分）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150℃, 而环境温度为20℃,要求每平方米热损失不大于500w, 采用某隔热材料,其导热系数λ=0.35w.m.K,则其厚度不低于_______。(注:大型容器可视为平壁)

***答案*** 91mm

4.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为___________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为0.8m.s时,此时传热系数α=_____________.

***答案*** α=0.023(λ/d)RePr

α=3.81(kw.m.K)

5.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形管内湍流的传热系数表达式为_____________________.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为1.2m.s时,此时传热系数 α=________________.

***答案*** α=0.023(λ/d)RePr

α=5.26(kw.m.K)

6.（3分）牛顿冷却定律的表达式为_________，给热系数（或对流传热系数）α的单位是_______。

***答案*** q=αA△t w.m.K

7.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为30℃和40℃,此时传热平均温度差△t=_________.

***答案*** 27.9K

8.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为15℃和30℃,此时传热平均温度差△t=_________.

***答案*** 41.6K

9.（2分）热量传递的方式主要有三种:_____、_______、__________.

***答案*** 热传导热对流热辐射

10.（6分）圆筒壁总传热系数K与间壁两侧对流传热系数α.α以及间壁导热系数λ的关系为_________.当间壁管规格为φ108×4mm,导热系数为45(w. m.K)时,管内外两侧给热系数分别为8000 (w.m.K)和1200(w.m.K)时,总传热系数K__________. ***答案*** 1/K=1/α+bd/λd+1d/αd； 946(w.m.K)

11.（4分）某逆流操作的间壁式换热器中,热流体的进.出口温度为80℃和50℃,冷流体的

进出.口温度为20℃和45℃,此时传热平均温度差△t=_______.

***答案*** 32.5℃

12.（3分）对流传热中的努塞特准数式是＿＿＿＿＿＿, 它反映了＿＿____________ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

***答案*** N＝αｌ/λ,对流传热过程几何尺寸对α的影响。

13.（4分）稳定热传导是指______________________________不随时间而改变。

***答案*** 传热系统中各点的温度仅随位置变

14.（2分）两流体的间壁换热过程中，计算式Q＝α.A.△ｔ，A表示为__________。 ***答案*** α一侧的换热壁面

15.（2分）在两流体通过圆筒间壁换热过程中，计算式Q=K.A.△t中,A表示为____________________。

***答案*** A 泛指传热面, 与K 相对应

16.（3分）两流体进行传热,冷流体从10℃升到30℃,热流体从80℃降到60℃，当它们逆流流动时, 平均传热温差△tm=____________,当并流时,△tm=_________。

***答案*** 50℃ 47.2℃

17.（4分）冷、热气体在间壁换热器中换热，热气体进口温度T＝400℃，出口温度T为200℃，冷气体进口温度ｔ＝50℃，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＿_＿℃；若热损失为5％时，冷气体出口温度为＿＿＿℃ ***答案*** 250℃， 240℃

18.（3分）一列管换热器，列管规格为φ38×3, 管长4m,管数127根，则外表面积F=_________________，而以内表面积计的传热面积F______________。

***答案*** F1=127×4π×0.038=60.6m

F2=127×4π×0.032=51.1m

19.（2分）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_________倍。

***答案*** 2

20.（2分）进行换热的两流体，若α》α时，要提高K值，应设法提高_______；当α≈α时，要提高K值，应使_________________。

***答案*** α； α与α同时提高

二、选择题：

1.（2分）间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( )

A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系

***答案*** A

2.（2分）翅片管换热器的翅片应安装在( )。

A. α小的一侧 B. α大的一侧 C. 管内 D. 管外

***答案*** A

3.（2分）穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示，试比较第一层的热阻 R与第二、三层热阻R、R的大小( )。

A. R>(R+R) B. R

C. R=(R+R) D. 无法比较

本题目有题图：

4.（2分）工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（）。

A. 增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观;

C. 增加传热面积，提高传热效果。

***答案*** C

5.（2分）有一列管换热器，用饱和水蒸汽（温度为120 ℃）将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃，该换热器的平均传热温度差Δｔ为（）。

A. -60/ln2.5; B. 60/ln2.5; C. 120/ln5

***答案*** B

6.（2分）将1500 kg.h，80℃的硝基苯通过换热器冷却到40℃，冷却水初温为30℃，出口温度不超过35℃，硝基苯比热为1.38kJ.kg.K，则换热器的热负荷为（）。

A. 19800 kJ.h; B. 82800 kJ.h; C. 82800 kw;

***答案*** B

7.（2分）对流传热是由（）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。

***答案*** C

8.（2分）法定计量单位中，属于国际热量计算单位的是（）。

A. kw; B. kcal; C. J

***答案*** C

9.（2分）热量传递的基本方式是（）。

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

***答案*** D

10.（2分）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（）。

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。

***答案*** D

11.（2分）公式q＝KAΔt中，Δt的物理意义是（）。

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。

***答案*** B

12.（2分）湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（）。

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。

***答案*** C

13.（2分）对一台正在工作的列管式换热器，已知α＝116w.m.Kα＝11600 w.m.K，要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（）。

A. 设法增大α; B. 设法增大α;

C. 同时增大α和α。

***答案*** A

14.（2分）用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（）

A. 蒸汽的温度； B. 空气的出口温度； C. 空气进、出口平均温度

15.（2分）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（）

A. α蒸汽 B. α空气 C. α蒸汽与α空气的平均值

***答案*** B

16.（2分）对流传热仅发生在（）中。

A. 固体 B. 静止的流体 C. 流动的流体

***答案*** C

17.（2分）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. 愈大 B. 愈小 C. 不变

***答案*** A

18.（2分）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（）方式进行的。

A. 热传导 B. 对流传热 C. 热辐射

***答案*** A

19.（2分）当壳体和管束之间温度大于50℃时，考虑热补偿，列管换热器应选用（）

A. 固定管板式 B. 浮头式 C. 套管式

***答案*** B

20.（2分）强化传热的主要途径是（）。

A. 增大传热面积 B. 提高K值 C. 提高△tm

***答案*** B

三、判断题：

1.（2分）凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。( )

***答案*** ×

2.（2分）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。（）

***答案*** √

3.（2分）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。（） ***答案*** ×

4.（2分）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。（）

***答案*** ×

5.（2分）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。（）

***答案*** ×

6.（2分）多层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。（）

***答案*** √

7.（2分）无相变的折，错流换热器，其平均温度差△t都比逆流时为小。（） ***答案*** √

8.（2分）换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。（）

***答案*** √

9.（2分）导热系数是物质的一种物理性质（），

***答案*** √

10.（2分）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（）

11.（2分）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（）.

***答案*** ×

12.（2分）在对流传热中，传热管壁的温度接近α值小的哪一侧流体的温度（）. ***答案*** ×

13.（2分）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。（）

***答案*** ×

14.（2分）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。（）

***答案*** ×

15.（2分）蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种（）

***答案*** √

16.（2分）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α（） ***答案*** √

17.（2分）维持膜状沸腾操作，可获得较大的沸腾传热系数。（）

***答案*** ×

18.（2分）为了提高间壁式换热器的传热系数K值，必须设法提高α值大的那一侧流体的对流传热系数。（）

***答案*** ×

19.（2分）强化传热的途径主要是增大传热面积（）

***答案*** ×

20.（2分）付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。（）

***答案*** ×

四、简答题：

1.（8分）在化工生产中,传热有哪些要求?

***答案***

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.（10分）传导传热,对流传热和辐射传热,三者之间有何不同?

***答案***

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.（10分）试述对流传热的机理?

***答案***

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.（8分）强化传热过程应采取哪些途径?

***答案***

根据ｑ＝K.A.△t方程, 指任一个K、A、△t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△t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△t最大；

(3)提高传热系数K由

K＝1/（1/α＋1/α＋Σ（δ/λ））

提高α、α降低δ,都能强化传热,要提高α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.（4分）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? ***答案***

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.（4分）为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作?

***答案***

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.（4分）什么是稳定传热和不稳定传热?

***答案***

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.（5分）导热系数受哪些因素影响?现有建筑砖（ρ＝1800kg.m）和煤灰砖（ρ＝700 kg.m）两种材料，哪种保温性能好?

***答案***

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.（2分）多层平面壁的导热速率是怎样计算的?

***答案***

Q/A=(Δt+Δt+Δt+...)/(b/λ+b/λ+b/λ+...)

10.（3分）题号4206 第4章知识点 100 难度中等

多层园筒壁的导热速率是怎样计算的?

***答案***

Q=2πL(Δt+Δt+...)/(ln(r/r)/λ+ln(r/r)/λ+...)

11.（4分）说明流体流动类型对给热系数的影响。

***答案***

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。

12.（6分）给热系数受哪些因素影响?

***答案***

流动类型：湍流时的给热系数大。流体的物性：粘度μ、密度ρ、比热Cp，导热系数λ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α大。

分析α＝0.023λ/d.Re.Pr也可以回答上列问题。

13.（3分）提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧?

***答案***

当忽略金属壁面的导热热阻时，

1/K=1/α+1/α=(α+α)/(α×α)

若α>>α,则α+α≈α ∴K≈α

即K接近α小的数值。

14.（4分）说明列管式换热器的基本结构。

***答案***

由壳体、管束、管板、封头等组成。

15.（4分）试比较各类常用热交换器的优缺点。

***答案***

略

16.（6分）有以下传热公式 A. Q=λ.A.(t-t)/δ

B. Q=α.A.(T-T)

回答下列问题：

（1）在什么传热情况下，可利用以上公式进行计算？

（2）写出以上公式中，热阻的表达式

***答案***

（1）A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。公式A为物质内部传导的传热速率计算。公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。

（2）A式：R=δ/λ或R=δ/A ×λ

B式：R=1/α或R=1/α×A

17.（8分）换热器的散热损失是如何产生的？应如何来减少此热损失？

***答案***

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。

18.（6分）列管换热器由哪几个基本部分组成？各起什么作用？

***答案***

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。

19.（8分）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。

***答案***

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△t比其它流向大。根据：Q=KA△t,当K、A一定时，△t↑则Q↑，对现有的换热器来说，可提高生产能力。当Q、K一定时，△t↑则A↓，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。

20.（8分）有一高温炉，炉内温度高达1000℃以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。

本题目有题图：titu185.bmp

***答案***

炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。在炉壁内通过传导传热，将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，它与炉内对流与辐射传热相串联。炉外通过对流与辐射并联联合传热，将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联，所以该传热过程的特点是：（1）传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；（2）并联、串联的联合传热同时存在。

五、计算题：

1.（8分）外径为100mm的蒸汽管外包一层厚 80mm、导热系数为λw.m.K的绝缘材料,管外壁温度为t,每米管长的热损失为Qw.m,试求绝热层外壁温度t（设管外壁与绝热层接触良好）

***答案***

Q=2πλ(t1-t2)/ln(r2/r1) ∴t2=t1-Q ln(r2/r1)/(2πλ)

=t1-Q/λ[ln(0.13/0.05)/(2×3.14)

=t1-0.152Q/λ

2.（14分）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1000℃, 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83℃,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800℃） ***答案***

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/λ1)

∴b1=λ1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m

跨过三层砖的热通量为:

q=(t1-t4)/[(b1/λ1)+(b2/λ2)+(b3/λ3)]

b2=[(t1-t4)/q-b1/λ1-b3/λ3]λ2

=[(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582]×0.233 =0.14m,

跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/λ3,

t3=q.b3/λ3+t4=930×0.1/0.582+83=243℃

3.（15分）在内管为φ180×10mm的套管换热器中，将流量为3500kg.h的某液态烃从100℃冷却到60℃，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40℃和50℃,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。

***答案***

冷却水用量：

Wｃ（T－T）＝Wｃ（t－t）

3500×2.38×（100－60）＝W×4.174×（50－40）

∴W＝7982kg.h

Δt逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75

Δt并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.9

Q＝KAΔt Q＝333200kJ.h

A逆＝333200×10/（2000×32.75×3600）＝1.41m

πｄｌ＝1.41 3.14×0.18×ｌ＝1.41

∴ｌ＝2.5 m

A并＝333200×10/（2000×27.9×3600）＝1.66 m

3.14×0.18×ｌ＝1.66

∴ｌ＝2.93 m

4.（15分）已知一外径为75mm,内径为55mm的金属管,输送某一热的物流,此时金属管内表面温度为 120℃,外表面温度为115℃,每米管长的散热速率为4545w. m,求该管材的导热系数。为减少该管的热损失, 外加一层石棉层（导热系数为0.15w.m.K）此时石棉层外表面温度为10℃, 而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%,求石棉层厚度及钢管和石棉层接触面处的温度。

***答案***

⑴ Q/L=2π(120-115)/[1/λ(ln(75/55))]=4545

(1/λ)ln(75/55)=2×3.14(125-115)/4545=0.00691

∴ λ=44.9w.m.K

⑵ 设外加石棉层厚度为δ

则:Q'/L

=2×3.14(120-10)/{(1/44.9)[ln(75/55)]+(1/0.15)ln(75+2δ)/75}

=4545×0.0387=175.9w.m

690.8=175.9{0.00691+(1/0.15)ln[(75+2δ)/75]}

解得: δ=30mm (石棉层厚度)

⑶ 设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'

则: 2×3.14(120-t2')/[(1/44.9)ln(75/55)]=175.9

解得: t2'=119.8℃

5.（12分）φ120×5mm的蒸汽管外拟包一层保温材料,其导热系数为0.07w.m.K。设蒸汽管的内壁温度为110℃,管壁导热系数为45w.m.K。要求保温层外壁温度不超过20℃,每米蒸汽管的热损失控制在60w以下,试计算保温层的最小厚度。

***答案***

按多层圆筒导热

ｑ＝（t－t）/（ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2π

λ）＋ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2πλ））

将ｒ＝0.06m,ｒ＝0.055m，ｒ＝0.06＋δ

λ＝0.07w/(m·K),λ＝45w/(m·K)，ｑ＝60w/m

t＝110℃,t＝20℃代入上式

60=(110-20)/(ln(0.06/0.055)/(2π×45)+ln(ｒ/0.06)/(2π

×0.07))

=90/(0.00031+(lnｒ+2.813)/0.4398)

解得ｒ＝0.116m,

δ＝0.116－0.06＝0.056m＝56mm

注：本题可简化不计管壁热阻。

6.（20分）某列管换热器,用100℃水蒸汽将物料由20℃加热至80℃,传热系数K＝100w.m.K。经半年运转后,由于污垢的影响,在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃, 现欲使物料出口温度仍维持80℃,问加热蒸汽温度应取何值?

***答案***

原：Wｃ（80－20）＝KAΔt ……（1）

Δt＝（80－20）/ｌｎ（80/20）＝43.28℃

半年后：Wｃ（70－20）＝KAΔt ……（2）

Δt＝（80－30）/ｌｎ（80/30）＝50.98℃

（2）/（1）得：

（70－20）/（80－20）＝KΔt/（KΔt）

＝(K/100)×50.98/43.28

K＝70.75 w.m.K

保持原生产能力,即 KAΔt＝KAΔt

Δt＝KΔt/K＝100×43.28/70.75

＝61.17℃

Δt＝（（T－20）-（T－80））/ｌｎ（T-20）/（T-80）

＝61.17

∴ 60/61.17＝ｌｎ（T－20）/（T－80）

∴2.667＝（T－20）/（T－80）

T＝115.8℃

7.（16分）在一套管换热器中用水逆流冷却某种溶液,溶液量为1.4kg.s,比热为2kJ. kg.K,走内管(规格为φ25×2.5mm),从150℃ 冷却到100℃ 。冷却水走套管环隙,从25℃升温至60℃,水的比热为4.18kJ.kg.K。1. 已知溶液一侧的对流传热系数为1160w.m.K,冷却水一侧的对流传热系数为930 w. m.K,忽略管壁和污垢的热阻及热损失, 求以传热外表面积为基准的总传热系数K 和冷却水的用量(kg.h)。 2.计算内管的外表面积和管长。

***答案***

溶液放热 Q=msCp△T=1.4×2×10×(150-100)

=1.4×10w

1/K=d/(αd)+1/α

=0.025/(1160×0.02)+1/930=2.15×10

K=464w.m.K

冷却水用量 ms'=Q/[Cp'(t2-t1)]

=1.4×10/[4180(60-25)]

=0.957kg.s=3445kg.h

△tm=[(150-60)-(100-25)]/ln[(150-60)/(100-25)]=82.3℃

A=Q/(K△tm)=1.4×10/(464×82.3)=3.67m

l=A/(πd)=3.67/(π×0.025)=46.7m

8.（10分）某车间有一台换热面积（以外表面积计）为2.5 m的单程列管换热器。用180℃的热废气预热轻油, 轻油走管外,其流量为200kg.h,比热为2kJ.kg.K,温度由30℃升至80℃。轻油与热气体作逆流流动。热废气出口温度为70℃。求：换热器的热负荷和传热系数。

***答案***

A＝2.5m , C＝2kJ.kg.K

Δtm ＝（(180-80)-(70-30)）/ｌｎ(100/40)

＝65.5℃

Q＝200×2×(80-30)＝20000kJ.h

Q＝KAΔtm

∴ K＝20000/(65.5×2.5)＝122.2kJ.m.K.h=34ｗ.m.K

9.（16分）在并流换热器中,用水冷却油。换热管长1.5m。水的进出口温度为15℃和40℃；油的进出口温度为120℃和90℃。如油和水的流量及进口温度不变,需要将油的出口温度降至70℃,则换热器的换热管应增长为多少米才可达到要求?（不计热损失及温度变化对物性的影响）

***答案***

由热量衡算

GC（T－T）＝GC（t－t）

按题意在两种情况下：

G,C,T和G,C,t不变, 故得

（GC）/（GC）

＝（t－t）/（T－T）＝（t'－t）/（T－T'）

＝（40－15）/（120－90）＝（t'－15）/（120－70）

t'＝56.7℃

由 Q＝KAΔt, 现K不变,而

Δt＝（（120-15）-（90-40））/ｌｎ（120-15）/（90－40）

＝74.1℃

Δt'＝（（120－15）－（70－56.7））/ｌｎ（120－15）/

（70－56.7）＝44.4℃

故 Q/Q＝GC（T－T）/（GC（T－T'））

＝ＬΔt/（ＬΔt）,

即（120－90）/（120－70）＝1.5×74.1/（Ｌ'×44．4）

得Ｌ＝4.17m。

10.（16分）用一传热面积为3m由φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器,用初温为 10℃的水将机油由200℃ 冷却至100℃ ,水走管内,油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg.h和1200kg.h,其比热分别为4.18kJ.kg.K和2.0kJ.kg.K;水侧和油侧的对流传热系数分别为2000w.m.K和250w.m.K,两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。(1)计算说明该换热器是否合用? (2)夏天当水的初温达到30℃,而油的流量及冷却程度不变时,该换热器是否合用?(假设传热系数不变)

***答案***

(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+240000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20)

K1=2 16.2ｗ.m.K

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(216.2×3600×110)

=2.8 m

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×216.2)=3.45m>3m

不适用

11.（10分）采用传热面积为4.48m单程管壳式换热器,进行溶剂和某水溶液间的换热.流量为3600kg.h,比热为1.88kJ.kg.K的苯,80℃冷却至30℃, 水溶液由20℃被加热到30℃。忽略热损失。试求：传热系数K

***答案***

（1）由 Q=K.A△tm 式求 K

其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/3600×1．88×10(80-5

0)=56400ｗ

Δt＝（Δt－Δt）/ｌｎ（Δt/Δt）

＝[（80－30）－（50－20）]/ｌｎ[(80-30)/(50-20)]

＝39.2℃

∴ 56400=K×4.48×39.2

解得 K=321ｗ.m.℃

12.（18分）某厂用一套管热交换器,每小时冷凝2000kg甲苯蒸汽,冷凝温度为110℃, 甲苯的汽化潜热为363kJ.kg, 其冷凝传热系数为14000w.m.K。冷却水于16℃及5000kg.h的流量进入套管内管(内径为50mm)作湍流流动，其对流传热系数为1740w.m.K。水的比热可取为4.19kJ.kg.K ：(1)试计算冷却水的出口温度及套管管长。(2)由于气候变热,冷却水进口温度升为25℃,试计算在水流量不改变的情况下,该冷凝器的生产能力的变化率。

***答案***

（1）由热量衡算得：

ｑ＝Gｒ＝W.Cp（t出－16） ∴t出＝Gｒ/（W.Cp）＋16)

＝2000/3600×363×10/5000/3600×4.19×10+16

＝50.65℃

取K＝1/[(1/1740)+(1/14000)]=1548w.m.K

ｑ＝Gｒ＝2000/3600×363×10＝2.02×10w

Δt1 ＝110－16＝94℃, Δt2 ＝110－50.65＝59.35℃

Δtm ＝（Δt1 ＋Δt2 ）/2＝（94＋59.35）/2＝76.8℃

又ｑ＝KAΔtm ＝KπｄｌΔtm

∴ 管长ｌ＝ｑ/（KπｄΔtm ）

＝2.02×10 /（1548×3.14×0.05×76.8）＝10.82m

（2）水温升高(忽略物性变化)

传热面积A＝πｄｌ＝3.14×0.05×10.8＝1.7m

q'=KA△tm' 其中q'=5000/3600×4.19×10(t'-25)

△tm'=[(110-25)+(110-t')]/2=97.5-0.5t'

∴ 5000/3600×4.19×10(t'-25) =1548×1.7(97.5-0.5t') , 解得 t'=56.4℃

q'=5000/3600×4.19×10(56.4-25)=1.83×10w

(q-q')/q×100%==9.4%

13.（14分）某厂在由177根φ25×2mm, 长3m的钢管构成的单壳程单管程列管换热器内,用 132.9℃的饱和水蒸汽在管间冷凝,将管内作湍流流动的常压乙烯气体加热。已知乙烯气体流量为0.6kg.s，进口温度为20℃,在操作条件下的密度为1kg.m，比热为1.84 kJ.kg.K,对流传热系数为53w.m.K,饱和水蒸汽冷凝传热膜系数为8000w.m.K,可忽略管壁及垢层热阻。(1)确定乙烯气体出换热器时的温度；(2)若乙烯气体通过换热器的压降要求不超过0.01 kgf.cm,通过换热器的总长度（包括局部阻力当量长度）为5.5m, 摩擦系数λ＝0.04, 试确定该换热器最多能允许通过多少kg.s的乙烯气体?

***答案***

（1） Q＝ｗCP (t2 -t1 )=0.6CP (t2 -20)

Q＝KAΔtm

Ai ＝ｎπｄi Ｌ＝177π×0.021×3 =35.014 m

∵αi

＝1/(1/53+1/8000)=52.65 ｗ.m.K

则 0.6×1.84×10^3×(t2 -20)=52.65×35.014×(t2 -20)

/ｌｎ(132.9-20)/(132.9-t2 )

ｌｎ(112.9/(132.9-t2 ))=1.668

112.9/(132.9-t2 )=5.304

704.89 - 5.304t2 =112.9 ∴t2 =111.61℃

（2） ΔP＝0.01 kgf/cm=0.01×9.804×10

=9.807×10Pa

ΔP＝λｌ/ｄ×U /2×ρ＝0.04×5.5/0.021×U/2×1

9.807×10=0.04×5.5/0.021×U/2

∴ U＝13.68 m.s

ｗ＝ｎπ/4 ｄi Uρ

＝177×0.785×0.021×13.68

＝0.8389 kg.s=0.84kg.s

14.（10分）在单程逆流列管式换热器中用水冷却空气, 水和空气的进口温度分别为20℃及110℃, 在换热器使用的初期,冷却水及空气的出口温度分别为45℃及40℃, 使用一年后,由于污垢热阻的影响,在冷热流体的流量及进口温度不变的情况下, 冷却水出口温度降至38℃。热损失可以忽略不计。求：(1)空气出口温度变为多少? (2)总传热系数为原来的多少倍?

***答案***

（1）初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(45-20)= K AΔtm

一年后 m1 CP1(110-T2' )= m2 CP2(38-20)= K' AΔtm '

(110-T2 ' )/(110-40) =(38-20)/(45-20)

解出 T2 ' =59.6℃

（2）Δtm ＝（(110-45)-(40-20)）/ln(65/20)= 38.2℃

Δtm ' ＝（(110-38)-(59.6-20)）/ln(72/39.6)=54.2℃

(38-20)/(45-20)=(K' /K)×(54.2/38.2)

解出 K'/K＝0.507

15.（10分）在换热器中，热水流量为2000kg.h，冷水流量为3000 kg.h,热水进口温度T＝85℃,冷水进口温度t＝15℃,如要求将冷水加热到t＝40℃, 求采用并流和逆流时的平均温度差,冷、热水的平均比热可认为相等。

***答案***

GC（T－T）＝GC（t－t）

2000（85－T）＝3000（40－15）

得T＝47.5℃

并流时 85℃→47.5℃

15℃→35℃

－－－－－－－－－

70 12.5

Δt＝（70－12.5）/（ｌｎ70/12.50）＝33.4℃

逆流时 85℃→47.5℃

35℃←15℃

－－－－－－－－－

50 32．5

Δt＝（50＋32.50）/2＝41.25℃

16.（15分）在内管为φ160×10mm的套管换热器中, 将流量为3500kg.h的某液态烃,从100℃冷却到60℃，其平均比热 C＝2.38 kJ.kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热C＝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。

***答案***

冷却水用量：

ｗｃ（T－T）＝ｗｃ（t－t）

3500×2.38×（100－60）＝ｗ×4.174×（50－40）

∴ｗ＝7982kg.h

Δt逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75

Δt并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.93

Q＝KAΔt Q=3500×2.38×（100-60）＝333200kJ.h

A逆＝333200×10/（2000×32.75×3600）

＝1.41m

πｄｌ＝1.41

3.14×0.16×ｌ＝1.41 ∴ｌ＝2.81m

A并＝333200×10/（2000×27.93×3600）

＝1.66 m

3.14×0.16×ｌ＝1.66 ∴ｌ＝3.3 m

17.（15分）在内管为φ189×4.5mm的套管换热器中，将流量为3500kg.h的某液态烃从 100℃冷却到60℃,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40℃和50℃,平均比热水为4.17kJ.kg.K，基于传热外面积的总传热系数K=2500 w.m.K,设其值恒定,忽略热损失。试求：(1)冷却水用量；(2)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。

***答案***

冷却水用量

Wh CP h (T1 -T2 )＝Wc CP c (t2 -t1 )

3500×2.38×(100-60)＝Wc× 4.17×(50-40)

Wc ＝7990kg.h

Δt逆＝(50-20)/ｌｎ(50/20)＝32.75℃

Δt并＝(60-10)/ｌｎ(60/10)＝27.91℃

Q＝KAΔtm Q＝7990×4.17×(50-40)=3.332×10kJ.h

∴A逆＝3.332×10/[(2500/1000)×32.75×3600]＝1.13(m)

πｄ0 ｌ＝1.13

3.14×0.18×ｌ＝1.13 ∴ ｌ逆＝2 (m )

A并＝3.332×10/[(2500/1000)×27.91×3600]＝1.33 (m)

3.14×0.18×ｌ并＝1.33 ∴ ｌ并＝2.35 (m )

18.（16分）用一外表传热面积为3m由φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器,用初温为 10℃的水将机油由200℃ 冷却至100℃ ,水走管内, 油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg.h和1200kg.h,其比热分别为4.18kJ.kg.K 和2.0kJ.kg.K,水侧和油侧的对流传热系数分别为2000w.m.K和200w.m.K,两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。(1)计算说明该换热器是否合用? (2)夏天当水的初温达到30℃,而油的流量及冷却程度不变时,该换热器是否合用?(假设传热系数不变)

***答案***

(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(m2·Cp2)=10+24000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/200+25/(2000×20)

K1=1 77.8w.m.K

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(177.8×3600×110)

=3.4 m>3m 故不适用

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×177.8)=4.195m>3m

不适用

19.（12分）一套管换热器,外管为φ83×3.5mm,内管为φ57×3.5mm的钢管, 有效长度为 60m。用 120℃的饱和水蒸汽冷凝来加热内管中的油.蒸汽冷凝潜热为2205kJ.kg。已知油的流量为6500kg.h,比热为 2.2kJ.kg.K,进口温度为30℃,出口温度为80℃。试求：

(1)蒸汽用量；(不计热损)(2)传热系数；

***答案***

（1）蒸汽用量 Q放＝W.ｒ＝2205×W kJ.h

Q吸＝W' CP(t出－t入）

＝6500×2.2×（80－30）＝7.15×10kJ.h

Q放＝Q吸

∴ ｗ＝7.15×10/2205≈324kg.h

（2）传热系数的计算由Q＝KAΔtm

Δtm ＝（(120-30)-(120-80)）/ｌｎ（(120-30)/(1 20-80)）

＝50/ｌｎ（90/40）＝61.66℃

∴ Ki＝Q/AiΔtm

＝7.15×10/[60×π×(50/1000)×61.66]

≈1231 kJ.h.m.℃

＝342 (ｗ.m.K)

20.（10分）有一逆流热交换器，将1.25 kg.s的苯从77℃冷却至27℃，苯的平均比热Cp为1.88 KJ.kg.K。冷却水的进、出口温度分别为25℃和47℃。换热器采用φ25×

2.5 mm的钢管，水在管内，苯在管外，水和苯的传热膜系数分别为α＝850w.m.K和α＝1700w.m.K。钢的导热系数λ＝49w.m.K。若忽略污垢的热阻，试求冷却水消耗量及管子的总长度。

***答案***

q=CpG(t-t)=117.5 KJ/S

W=117.5/[4.187×(47-25)]=1.276 kg.S

Δt=[(77-47)-(27-25)]/[ln(30/2)]=10.34 ℃

1/K=1/α+1/α+δ/λ

K=550.7 w.m.K

A=q/K.Δt=20.635 m

L=A/πdm=292.1 m

化工原理习题及答案

第四章传热

姓名____________班级____________学号_____________成绩______________

一、填空题：

***答案*** 1140w

***答案*** 1000w

***答案*** 91mm

***答案*** α=0.023(λ/d)RePr

α=3.81(kw.m.K)

***答案*** α=0.023(λ/d)RePr

α=5.26(kw.m.K)

6.（3分）牛顿冷却定律的表达式为_________，给热系数（或对流传热系数）α的单位是_______。

***答案*** q=αA△t w.m.K

7.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为30℃和40℃,此时传热平均温度差△t=_________.

***答案*** 27.9K

8.（4分）某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为15℃和30℃,此时传热平均温度差△t=_________.

***答案*** 41.6K

9.（2分）热量传递的方式主要有三种:_____、_______、__________.

***答案*** 热传导热对流热辐射

11.（4分）某逆流操作的间壁式换热器中,热流体的进.出口温度为80℃和50℃,冷流体的

进出.口温度为20℃和45℃,此时传热平均温度差△t=_______.

***答案*** 32.5℃

12.（3分）对流传热中的努塞特准数式是＿＿＿＿＿＿, 它反映了＿＿____________ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

***答案*** N＝αｌ/λ,对流传热过程几何尺寸对α的影响。

13.（4分）稳定热传导是指______________________________不随时间而改变。

***答案*** 传热系统中各点的温度仅随位置变

14.（2分）两流体的间壁换热过程中，计算式Q＝α.A.△ｔ，A表示为__________。 ***答案*** α一侧的换热壁面

15.（2分）在两流体通过圆筒间壁换热过程中，计算式Q=K.A.△t中,A表示为____________________。

***答案*** A 泛指传热面, 与K 相对应

16.（3分）两流体进行传热,冷流体从10℃升到30℃,热流体从80℃降到60℃，当它们逆流流动时, 平均传热温差△tm=____________,当并流时,△tm=_________。

***答案*** 50℃ 47.2℃

18.（3分）一列管换热器，列管规格为φ38×3, 管长4m,管数127根，则外表面积F=_________________，而以内表面积计的传热面积F______________。

***答案*** F1=127×4π×0.038=60.6m

F2=127×4π×0.032=51.1m

19.（2分）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_________倍。

***答案*** 2

20.（2分）进行换热的两流体，若α》α时，要提高K值，应设法提高_______；当α≈α时，要提高K值，应使_________________。

***答案*** α； α与α同时提高

二、选择题：

1.（2分）间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( )

A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系

***答案*** A

2.（2分）翅片管换热器的翅片应安装在( )。

A. α小的一侧 B. α大的一侧 C. 管内 D. 管外

***答案*** A

3.（2分）穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示，试比较第一层的热阻 R与第二、三层热阻R、R的大小( )。

A. R>(R+R) B. R

C. R=(R+R) D. 无法比较

本题目有题图：

4.（2分）工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（）。

A. 增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观;

C. 增加传热面积，提高传热效果。

***答案*** C

5.（2分）有一列管换热器，用饱和水蒸汽（温度为120 ℃）将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃，该换热器的平均传热温度差Δｔ为（）。

A. -60/ln2.5; B. 60/ln2.5; C. 120/ln5

***答案*** B

A. 19800 kJ.h; B. 82800 kJ.h; C. 82800 kw;

***答案*** B

7.（2分）对流传热是由（）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。

***答案*** C

8.（2分）法定计量单位中，属于国际热量计算单位的是（）。

A. kw; B. kcal; C. J

***答案*** C

9.（2分）热量传递的基本方式是（）。

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

***答案*** D

10.（2分）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（）。

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。

***答案*** D

11.（2分）公式q＝KAΔt中，Δt的物理意义是（）。

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。

***答案*** B

12.（2分）湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（）。

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。

***答案*** C

13.（2分）对一台正在工作的列管式换热器，已知α＝116w.m.Kα＝11600 w.m.K，要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（）。

A. 设法增大α; B. 设法增大α;

C. 同时增大α和α。

***答案*** A

14.（2分）用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（）

A. 蒸汽的温度； B. 空气的出口温度； C. 空气进、出口平均温度

15.（2分）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（）

A. α蒸汽 B. α空气 C. α蒸汽与α空气的平均值

***答案*** B

16.（2分）对流传热仅发生在（）中。

A. 固体 B. 静止的流体 C. 流动的流体

***答案*** C

17.（2分）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. 愈大 B. 愈小 C. 不变

***答案*** A

18.（2分）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（）方式进行的。

A. 热传导 B. 对流传热 C. 热辐射

***答案*** A

19.（2分）当壳体和管束之间温度大于50℃时，考虑热补偿，列管换热器应选用（）

A. 固定管板式 B. 浮头式 C. 套管式

***答案*** B

20.（2分）强化传热的主要途径是（）。

A. 增大传热面积 B. 提高K值 C. 提高△tm

***答案*** B

三、判断题：

1.（2分）凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。( )

***答案*** ×

2.（2分）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。（）

***答案*** √

3.（2分）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。（） ***答案*** ×

4.（2分）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。（）

***答案*** ×

5.（2分）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。（）

***答案*** ×

6.（2分）多层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。（）

***答案*** √

7.（2分）无相变的折，错流换热器，其平均温度差△t都比逆流时为小。（） ***答案*** √

8.（2分）换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。（）

***答案*** √

9.（2分）导热系数是物质的一种物理性质（），

***答案*** √

10.（2分）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（）

11.（2分）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（）.

***答案*** ×

12.（2分）在对流传热中，传热管壁的温度接近α值小的哪一侧流体的温度（）. ***答案*** ×

13.（2分）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。（）

***答案*** ×

14.（2分）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。（）

***答案*** ×

15.（2分）蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种（）

***答案*** √

16.（2分）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α（） ***答案*** √

17.（2分）维持膜状沸腾操作，可获得较大的沸腾传热系数。（）

***答案*** ×

18.（2分）为了提高间壁式换热器的传热系数K值，必须设法提高α值大的那一侧流体的对流传热系数。（）

***答案*** ×

19.（2分）强化传热的途径主要是增大传热面积（）

***答案*** ×

20.（2分）付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。（）

***答案*** ×

四、简答题：

1.（8分）在化工生产中,传热有哪些要求?

***答案***

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.（10分）传导传热,对流传热和辐射传热,三者之间有何不同?

***答案***

3.（10分）试述对流传热的机理?

***答案***

4.（8分）强化传热过程应采取哪些途径?

***答案***

根据ｑ＝K.A.△t方程, 指任一个K、A、△t都能提高强化传热

(3)提高传热系数K由

K＝1/（1/α＋1/α＋Σ（δ/λ））

5.（4分）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? ***答案***

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.（4分）为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作?

***答案***

7.（4分）什么是稳定传热和不稳定传热?

***答案***

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.（5分）导热系数受哪些因素影响?现有建筑砖（ρ＝1800kg.m）和煤灰砖（ρ＝700 kg.m）两种材料，哪种保温性能好?

***答案***

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.（2分）多层平面壁的导热速率是怎样计算的?

***答案***

Q/A=(Δt+Δt+Δt+...)/(b/λ+b/λ+b/λ+...)

10.（3分）题号4206 第4章知识点 100 难度中等

多层园筒壁的导热速率是怎样计算的?

***答案***

Q=2πL(Δt+Δt+...)/(ln(r/r)/λ+ln(r/r)/λ+...)

11.（4分）说明流体流动类型对给热系数的影响。

***答案***

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。

12.（6分）给热系数受哪些因素影响?

***答案***

分析α＝0.023λ/d.Re.Pr也可以回答上列问题。

13.（3分）提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧?

***答案***

当忽略金属壁面的导热热阻时，

1/K=1/α+1/α=(α+α)/(α×α)

若α>>α,则α+α≈α ∴K≈α

即K接近α小的数值。

14.（4分）说明列管式换热器的基本结构。

***答案***

由壳体、管束、管板、封头等组成。

15.（4分）试比较各类常用热交换器的优缺点。

***答案***

略

16.（6分）有以下传热公式 A. Q=λ.A.(t-t)/δ

B. Q=α.A.(T-T)

回答下列问题：

（1）在什么传热情况下，可利用以上公式进行计算？

（2）写出以上公式中，热阻的表达式

***答案***

（1）A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。公式A为物质内部传导的传热速率计算。公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。

（2）A式：R=δ/λ或R=δ/A ×λ

B式：R=1/α或R=1/α×A

17.（8分）换热器的散热损失是如何产生的？应如何来减少此热损失？

***答案***

18.（6分）列管换热器由哪几个基本部分组成？各起什么作用？

***答案***

19.（8分）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。

***答案***

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：

（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。

20.（8分）有一高温炉，炉内温度高达1000℃以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。

本题目有题图：titu185.bmp

***答案***

五、计算题：

***答案***

Q=2πλ(t1-t2)/ln(r2/r1) ∴t2=t1-Q ln(r2/r1)/(2πλ)

=t1-Q/λ[ln(0.13/0.05)/(2×3.14)

=t1-0.152Q/λ

2.（14分）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

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/λ1)

∴b1=λ1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m

跨过三层砖的热通量为:

q=(t1-t4)/[(b1/λ1)+(b2/λ2)+(b3/λ3)]

b2=[(t1-t4)/q-b1/λ1-b3/λ3]λ2

=[(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582]×0.233 =0.14m,

跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/λ3,

t3=q.b3/λ3+t4=930×0.1/0.582+83=243℃

***答案***

冷却水用量：

Wｃ（T－T）＝Wｃ（t－t）

3500×2.38×（100－60）＝W×4.174×（50－40）

∴W＝7982kg.h

Δt逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75

Δt并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.9

Q＝KAΔt Q＝333200kJ.h

A逆＝333200×10/（2000×32.75×3600）＝1.41m

πｄｌ＝1.41 3.14×0.18×ｌ＝1.41

∴ｌ＝2.5 m

A并＝333200×10/（2000×27.9×3600）＝1.66 m

3.14×0.18×ｌ＝1.66

∴ｌ＝2.93 m

***答案***

⑴ Q/L=2π(120-115)/[1/λ(ln(75/55))]=4545

(1/λ)ln(75/55)=2×3.14(125-115)/4545=0.00691

∴ λ=44.9w.m.K

⑵ 设外加石棉层厚度为δ

则:Q'/L

=2×3.14(120-10)/{(1/44.9)[ln(75/55)]+(1/0.15)ln(75+2δ)/75}

=4545×0.0387=175.9w.m

690.8=175.9{0.00691+(1/0.15)ln[(75+2δ)/75]}

解得: δ=30mm (石棉层厚度)

⑶ 设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'

则: 2×3.14(120-t2')/[(1/44.9)ln(75/55)]=175.9

解得: t2'=119.8℃

***答案***

按多层圆筒导热

ｑ＝（t－t）/（ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2π

λ）＋ｌｎ（ｒ/ｒ）/（2πλ））

将ｒ＝0.06m,ｒ＝0.055m，ｒ＝0.06＋δ

λ＝0.07w/(m·K),λ＝45w/(m·K)，ｑ＝60w/m

t＝110℃,t＝20℃代入上式

60=(110-20)/(ln(0.06/0.055)/(2π×45)+ln(ｒ/0.06)/(2π

×0.07))

=90/(0.00031+(lnｒ+2.813)/0.4398)

解得ｒ＝0.116m,

δ＝0.116－0.06＝0.056m＝56mm

注：本题可简化不计管壁热阻。

***答案***

原：Wｃ（80－20）＝KAΔt ……（1）

Δt＝（80－20）/ｌｎ（80/20）＝43.28℃

半年后：Wｃ（70－20）＝KAΔt ……（2）

Δt＝（80－30）/ｌｎ（80/30）＝50.98℃

（2）/（1）得：

（70－20）/（80－20）＝KΔt/（KΔt）

＝(K/100)×50.98/43.28

K＝70.75 w.m.K

保持原生产能力,即 KAΔt＝KAΔt

Δt＝KΔt/K＝100×43.28/70.75

＝61.17℃

Δt＝（（T－20）-（T－80））/ｌｎ（T-20）/（T-80）

＝61.17

∴ 60/61.17＝ｌｎ（T－20）/（T－80）

∴2.667＝（T－20）/（T－80）

T＝115.8℃

***答案***

溶液放热 Q=msCp△T=1.4×2×10×(150-100)

=1.4×10w

1/K=d/(αd)+1/α

=0.025/(1160×0.02)+1/930=2.15×10

K=464w.m.K

冷却水用量 ms'=Q/[Cp'(t2-t1)]

=1.4×10/[4180(60-25)]

=0.957kg.s=3445kg.h

△tm=[(150-60)-(100-25)]/ln[(150-60)/(100-25)]=82.3℃

A=Q/(K△tm)=1.4×10/(464×82.3)=3.67m

l=A/(πd)=3.67/(π×0.025)=46.7m

***答案***

A＝2.5m , C＝2kJ.kg.K

Δtm ＝（(180-80)-(70-30)）/ｌｎ(100/40)

＝65.5℃

Q＝200×2×(80-30)＝20000kJ.h

Q＝KAΔtm

∴ K＝20000/(65.5×2.5)＝122.2kJ.m.K.h=34ｗ.m.K

***答案***

由热量衡算

GC（T－T）＝GC（t－t）

按题意在两种情况下：

G,C,T和G,C,t不变, 故得

（GC）/（GC）

＝（t－t）/（T－T）＝（t'－t）/（T－T'）

＝（40－15）/（120－90）＝（t'－15）/（120－70）

t'＝56.7℃

由 Q＝KAΔt, 现K不变,而

Δt＝（（120-15）-（90-40））/ｌｎ（120-15）/（90－40）

＝74.1℃

Δt'＝（（120－15）－（70－56.7））/ｌｎ（120－15）/

（70－56.7）＝44.4℃

故 Q/Q＝GC（T－T）/（GC（T－T'））

＝ＬΔt/（ＬΔt）,

即（120－90）/（120－70）＝1.5×74.1/（Ｌ'×44．4）

得Ｌ＝4.17m。

***答案***

(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+240000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20)

K1=2 16.2ｗ.m.K

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(216.2×3600×110)

=2.8 m

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×216.2)=3.45m>3m

不适用

***答案***

（1）由 Q=K.A△tm 式求 K

其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/3600×1．88×10(80-5

0)=56400ｗ

Δt＝（Δt－Δt）/ｌｎ（Δt/Δt）

＝[（80－30）－（50－20）]/ｌｎ[(80-30)/(50-20)]

＝39.2℃

∴ 56400=K×4.48×39.2

解得 K=321ｗ.m.℃

***答案***

（1）由热量衡算得：

ｑ＝Gｒ＝W.Cp（t出－16） ∴t出＝Gｒ/（W.Cp）＋16)

＝2000/3600×363×10/5000/3600×4.19×10+16

＝50.65℃

取K＝1/[(1/1740)+(1/14000)]=1548w.m.K

ｑ＝Gｒ＝2000/3600×363×10＝2.02×10w

Δt1 ＝110－16＝94℃, Δt2 ＝110－50.65＝59.35℃

Δtm ＝（Δt1 ＋Δt2 ）/2＝（94＋59.35）/2＝76.8℃

又ｑ＝KAΔtm ＝KπｄｌΔtm

∴ 管长ｌ＝ｑ/（KπｄΔtm ）

＝2.02×10 /（1548×3.14×0.05×76.8）＝10.82m

（2）水温升高(忽略物性变化)

传热面积A＝πｄｌ＝3.14×0.05×10.8＝1.7m

q'=KA△tm' 其中q'=5000/3600×4.19×10(t'-25)

△tm'=[(110-25)+(110-t')]/2=97.5-0.5t'

∴ 5000/3600×4.19×10(t'-25) =1548×1.7(97.5-0.5t') , 解得 t'=56.4℃

q'=5000/3600×4.19×10(56.4-25)=1.83×10w

(q-q')/q×100%==9.4%

***答案***

（1） Q＝ｗCP (t2 -t1 )=0.6CP (t2 -20)

Q＝KAΔtm

Ai ＝ｎπｄi Ｌ＝177π×0.021×3 =35.014 m

∵αi

＝1/(1/53+1/8000)=52.65 ｗ.m.K

则 0.6×1.84×10^3×(t2 -20)=52.65×35.014×(t2 -20)

/ｌｎ(132.9-20)/(132.9-t2 )

ｌｎ(112.9/(132.9-t2 ))=1.668

112.9/(132.9-t2 )=5.304

704.89 - 5.304t2 =112.9 ∴t2 =111.61℃

（2） ΔP＝0.01 kgf/cm=0.01×9.804×10

=9.807×10Pa

ΔP＝λｌ/ｄ×U /2×ρ＝0.04×5.5/0.021×U/2×1

9.807×10=0.04×5.5/0.021×U/2

∴ U＝13.68 m.s

ｗ＝ｎπ/4 ｄi Uρ

＝177×0.785×0.021×13.68

＝0.8389 kg.s=0.84kg.s

***答案***

（1）初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(45-20)= K AΔtm

一年后 m1 CP1(110-T2' )= m2 CP2(38-20)= K' AΔtm '

(110-T2 ' )/(110-40) =(38-20)/(45-20)

解出 T2 ' =59.6℃

（2）Δtm ＝（(110-45)-(40-20)）/ln(65/20)= 38.2℃

Δtm ' ＝（(110-38)-(59.6-20)）/ln(72/39.6)=54.2℃

(38-20)/(45-20)=(K' /K)×(54.2/38.2)

解出 K'/K＝0.507

***答案***

GC（T－T）＝GC（t－t）

2000（85－T）＝3000（40－15）

得T＝47.5℃

并流时 85℃→47.5℃

15℃→35℃

－－－－－－－－－

70 12.5

Δt＝（70－12.5）/（ｌｎ70/12.50）＝33.4℃

逆流时 85℃→47.5℃

35℃←15℃

－－－－－－－－－

50 32．5

Δt＝（50＋32.50）/2＝41.25℃

***答案***

冷却水用量：

ｗｃ（T－T）＝ｗｃ（t－t）

3500×2.38×（100－60）＝ｗ×4.174×（50－40）

∴ｗ＝7982kg.h

Δt逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75

Δt并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.93

Q＝KAΔt Q=3500×2.38×（100-60）＝333200kJ.h

A逆＝333200×10/（2000×32.75×3600）

＝1.41m

πｄｌ＝1.41

3.14×0.16×ｌ＝1.41 ∴ｌ＝2.81m

A并＝333200×10/（2000×27.93×3600）

＝1.66 m

3.14×0.16×ｌ＝1.66 ∴ｌ＝3.3 m

流情况下的平均温差及所需管长。

***答案***

冷却水用量

Wh CP h (T1 -T2 )＝Wc CP c (t2 -t1 )

3500×2.38×(100-60)＝Wc× 4.17×(50-40)

Wc ＝7990kg.h

Δt逆＝(50-20)/ｌｎ(50/20)＝32.75℃

Δt并＝(60-10)/ｌｎ(60/10)＝27.91℃

Q＝KAΔtm Q＝7990×4.17×(50-40)=3.332×10kJ.h

∴A逆＝3.332×10/[(2500/1000)×32.75×3600]＝1.13(m)

πｄ0 ｌ＝1.13

3.14×0.18×ｌ＝1.13 ∴ ｌ逆＝2 (m )

A并＝3.332×10/[(2500/1000)×27.91×3600]＝1.33 (m)

3.14×0.18×ｌ并＝1.33 ∴ ｌ并＝2.35 (m )

***答案***

(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(m2·Cp2)=10+24000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/200+25/(2000×20)

K1=1 77.8w.m.K

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(177.8×3600×110)

=3.4 m>3m 故不适用

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×177.8)=4.195m>3m

不适用

(1)蒸汽用量；(不计热损)(2)传热系数；

***答案***

（1）蒸汽用量 Q放＝W.ｒ＝2205×W kJ.h

Q吸＝W' CP(t出－t入）

＝6500×2.2×（80－30）＝7.15×10kJ.h

Q放＝Q吸

∴ ｗ＝7.15×10/2205≈324kg.h

（2）传热系数的计算由Q＝KAΔtm

Δtm ＝（(120-30)-(120-80)）/ｌｎ（(120-30)/(1 20-80)）

＝50/ｌｎ（90/40）＝61.66℃

∴ Ki＝Q/AiΔtm

＝7.15×10/[60×π×(50/1000)×61.66]

≈1231 kJ.h.m.℃

＝342 (ｗ.m.K)

***答案***

q=CpG(t-t)=117.5 KJ/S

W=117.5/[4.187×(47-25)]=1.276 kg.S

Δt=[(77-47)-(27-25)]/[ln(30/2)]=10.34 ℃

1/K=1/α+1/α+δ/λ

K=550.7 w.m.K

A=q/K.Δt=20.635 m

L=A/πdm=292.1 m

化工原理习题及答案

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