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传热

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. 牛顿冷却定律表达式为_______，其中温度差代表_______。

 5. 对流传热系数的主要影响因素有_______、_______、_______。

 6. 当流体在管内呈湍流动时，对流传热热阻主要集中在_______，为了减小热阻以提高α值，可采用的措施是_______。

7. 流体在圆形直管中强制湍流传热时，对流传热系数关联式为α=0.023λ/d_i Re^0.8 Prⁿ，式中n是为校正_______的影响。当流体被加热时，n等于_______，当流体被冷却时，n等于_______。

8．努塞尔特准数Nu表示_______的准数，其准数式为_______；普兰特准数Pr 表示_______的准数，其准数式为_______

9. 蒸气冷凝有_______和_______两种方式。

10. 液体在大容器内沸腾时，随着温度差（ ）的不同，出现_______、_______和_______不同的沸腾状态。

11. 总传热系数的倒数1/K代表_______，提高K值的关键是_______。

12. 在卧式管壳式换热器中，用饱和水蒸气冷凝加热原油，则原油宜在_______程流动，总传热系数接近于_______的对流传热系数。

13．根据热补偿方式的不同，写出三种管壳式换热器的基本型式：_______、_______和_______。

14. 写出三种间壁式换热器的名称：_______、_______和_______。

15．蒸汽在套管换热器中的环隙中冷凝以加热管内的空气，则总传热系数K值接近于_______的对流传热系数；管壁的温度接近于_______的温度。

二、选择题

1．双层平壁定态热传导，两层壁厚相同，各层的导热系数分别为λ₁，和λ₂，其对应的温度差为△t₁和△t₂，若△t₁＞△t₂，则λ₁和λ₂的关系为（    ）。

    A． λ₁＜λ₂,     B． λ₁＞λ₂       C．λ₁=λ₂        D．无法确定

2．空气、水、金属固体的导热系数分别为λ₁、λ₂：和λ₃，其大小顺序为（    ）。

    A. λ₁＞λ₂＞λ₃     B. λ₁＜λ₂＜λ₃     C．λ₂＞λ₃＞λ₁,    D. λ₂＜λ₃＜λ₁,

3．通过三层平壁的定态热传导，各层界面间接触均匀，第一层两侧温度为120℃和80℃，第三层外表面温度为40℃，则第一层热阻R₁和第二、三层热阻R₂、R₃的大小为（   ）。

A.     R₁＞（R₂＋R₃）  B．R₁＜（R₂＋R₃）  C．无法确定    D． R₁=（R₂十R₃）

4．在管壳式换热器中，用饱和蒸汽冷凝以加热空气，下面两项判断为（    ）。

  甲：传热管壁温度接近加热蒸汽温度。

  乙总传热系数接近于空气侧对流传热系数。

  A．甲、乙均合理           B．甲、乙均不合理

  C．甲合理、乙不合理       D．甲不合理、乙合理

5．对流传热速率=系数×推动力，其中推动力是（    ）。

  A．两流体的温度差         B．.流体温度和壁温度差

  C．同一流体的温度差       D．两流体的速度差

6．因次分析的目的是（    ）。

  A．得到各变量间定量关系       B．用无因次数群代替变量，使实验简化

  C．得到无因次数群间定量关系  D．实验结果更可靠

7．计算液体在圆管内对流传热系数，若可采用Nu＝0.023Re^0.8 Prⁿ，式中指数n为（  ）。

    A ．0.4                             B．0.3

    C．被加热时为0.4,被冷却时为0.3      D．被加热时为0.3，被冷却时为0.4

8．水在圆管中强制湍流时的对流传热系数 为1000 W/（m²?℃），若将水的流量增加一倍，而其他条件不变，则 为（    ）。

    A. 2000     B. 1740     C. 1000      D. 500

 9．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△t_m大小为（  ）。

  A.△t_m逆＞△t_并     B. △t_m逆＜△t_并       C. △t_m逆=△t_并      D.无法确定

10．工业生产中，沸腾传热应设法保持在（   ）。

   A.自然对流区     B.核状沸腾区    C.膜状沸腾区    D.过渡区

三、计算题

1. 普通砖平壁厚度为460mm，一侧壁面温度为200℃，另一侧壁面温度为30℃，已知砖平均导热系数为0.93W/（m?℃），试求：

（1）通过平壁的热传导通量，W/m²；

（2）平壁内距离高温侧300mm处温度，℃

    2. 燃烧炉的平壁由三种材料的平砖砌成。内层为耐火砖，其厚度为150mm，平均导热系数为11.5W/（m?℃）；中间层为绝热砖，其厚度为130mm，平均导热系数为0.15W/(m?℃)外层为普通砖，其厚度为230mm，平均导热系数为0.8.W/(m?℃）。已知炉内、外壁表面温度分别为900℃和40℃，试求：

（1）耐火砖和绝热砖间界面温度t₂，℃；

（2）绝热砖和普通砖间界面温度t₃ ,℃；

（3）通过三层平壁的热传导通量，W/m²。

3．平壁炉是用内层为120mm厚的耐火砖和外层为230mm的普通砖砌成。两种砖的导热系数均为未知。测得炉内壁温度为800℃，炉外侧壁面温度为113℃。为减少热损失，后又在普通砖外包一层厚度为50mm、导热系数为0.2 W/(m?℃)的石棉。包扎后测得各层温度为：炉内壁温度为800℃，耐火砖和普通砖界面温度为686℃，普通砖和石棉界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃。试求包扎后热损失较原来热损失减小的百分数及耐火砖导热系数λ₁、普通砖导热系数λ₂。

4. 有一直径为Φ32mm×3.5mm的蒸汽管道，其长度为6m，已知管内壁温度为100℃，外壁温度为90℃，试求该管的散热量。钢管的导热系数为45 W/(m·℃)。

 5．在直径为Φ60 mm ×3.5mm的钢管外包有两层绝热材料。内层厚度为40mm，其平均导热系数为0.07W/(m.?℃)；外层厚度为20mm，其平均导热系数为0.15 W/(m?℃)。现测得管内壁温度为500℃，最外层表面温度为80℃，试求单位管长的热损失和两层保温层界面上的温度t₃。钢管导热系数为45 W/(m?℃)。

6. 在蒸汽管道外包扎有两层厚度相同而导热系数不同的保温层，外层的平均直径为内层的2倍，其导热系数也为内层的2倍。若将两种材料互换而其他条件不变，试何每米管长的热损失变化多少？说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适？

7．常压下空气以15 m/s的平均流速在长为4 m,管径为Φ60mm×3.5mm的钢管中流动，温度从150℃升高到250℃，试求管壁对空气的对流传热系数。

  8．某流体在圆形直管内作强制湍流传热，已知其对流传热系数为500 W/（m²?℃），现欲使α值提高到750W/（m²?℃），试问其流速应增加多少倍？

  9. 在套管换热器中，一定流量的水在内管中流过而被加热，并测得管内水侧对流传热系数为2 000W/(m²?℃).若相同体积流量的某油品通过该换热器内管中而被加热，试求此时管内油侧的对流传热系数。假设两种情况下流体均为强制湍流传热。已知两流体在定性温度下物性如下：

ρ，kg/m³

μ ，Pa?s

c_p ，kJ/（kg?℃）

λ ，W/（m?℃）

水

1000

0.54×10^-3

4.17

0.65

油品

810

5.1×10^-3

2.01

0.15

10. 试求绝压为200 kPa,流量为3 600 kg/h的饱和蒸汽冷凝后并降温到49℃时所放出的热量。

11. 在套管换热器中，用冷水将硝基苯从85℃冷却到35℃，冷却水进、出口温度分别为20℃和30℃。若硝基苯流量为1000 kg/h，试求冷却水用量，假设换热器热损失可忽略。

12. 在套管换热器中，水以1.0 m/s的速度流过套管中的内管，内管内径为25 mm、长为4m。水的进口温度为20℃，管内壁的平均温度为50℃，若管壁对水的平均对流传热系数为3 000 W/（m²?℃），试求水的出口温度。假设换热器的热损失可忽略。水的密度取为1000kg/m³，比热容为4.187 kJ/(kg?℃）。

13. 在套管换热器中，冷流体温度由100℃加热到160℃，热流体温度由250℃冷却到180℃，试计算两流体作并流和逆流时的平均温度差。

14. 在一单壳程、双管程的1-2型管壳式换热器中，冷流体的进、出口温度分别为20℃和50℃，热流体的进、出口温度分别为100℃和60℃，试求传热平均温度差。

15. 管壳式换热器管束由Φ25mm×2.5mm的钢管组成。管内空气侧的对流传热系数为40 W/（m²?℃），管外水侧对流传热系数为3 000 W/（m²?℃），空气侧污垢热阻为0.53×10^-3m²?℃/W，水侧污垢热阻为0.21×10^-3m²?℃/W，钢的导热系数为45 W/(m?℃)，试求基于管内表面的总传热系数K_i和基于管外表的总传热系数K_o。

16. 在一单程管壳式换热器中，管内为某溶液呈湍流流动，流量为15 000 kg/h，温度由15℃升到75℃，其平均比热容为4.18 kJ/(kg?℃)；壳程为110℃的饱和蒸汽冷凝，并在饱和温度下排出。已测得总传热系数K₀为400 W/（m²?℃），试求传热面积S₀。又若换热器列管管束由136根Φ25mm×2.5mm钢管组成，试求管有效长度。假设换热器热损失可忽略。

17. 在一套管换热器中，管内为冷却水，管间为空气，空气和水的流动均呈湍流状态。水侧对流传热系数为2000W/ (m²?℃)，空气侧对流传热系数为50 W/(m²?℃)，污垢热阻和管壁热阻均可忽略。若水的流量增加一倍，试求总传热系数增加的百分数。假设空气侧α不变，总传热系数可按平壁计算。

18.在传热面积为20m²的换热器中，用温度为20℃、流量为13200 kg/h的冷却水冷却进口温度为110℃的醋酸，两流体呈逆流流动。换热器刚开始运行时，水出口温度为45℃，醋酸出口温度为40℃，试求总传热系数K_o。而在换热器运行一段时间后，若两流体的流量不变，进口温度也不变，而冷水的出口温度降到38℃，试求总传热系数下降的百分数。水的比热容可取为4.2 kJ/(kg?℃)，换热器的热损失可忽略。

19．在1-4型管壳式换热器中，用饱和蒸汽将流量为53m³/h的某油品从60℃加热到80℃，已知油品的密度为800 kg/m³，比热容为2.0 kJ/（kg?℃），换热器的管束由368根Φ19mm×2mm的管子所组成，每根管子长度为6m。若基于管外表面的总传热系数为110 W/（m²?℃），冷凝水在饱和温度下排出，换热器的热损失可忽略，试求饱和蒸汽的温度。设传热平均温度差可按算术平均值计算。

20. 有一单程管壳式换热器，传热面积S₀为4m²，列管直径为Φ25mm×2.5mm。用温度为25℃水将油由200℃冷却至100℃，水走管内，油走管间，并呈逆流流动。已知水和油的流量分别为1200 kg/h和1400 kg/h,其比热容分别为4.18 kJ/(kg?℃)和2.0 kJ/(kg?℃)；水侧和油侧的对流传热系数为1800W/（m²?℃）和200 W/（m²?℃）。污垢热阻和管壁热阻均可忽略，换热器的热损失也可忽略。试校核该换热器是否合用？若不合用试定性分析应采取什么措施使该换热器合用。

21．有一管壳式换热器，管束由300根Φ25mm×2.5mm钢管组成，管长为2 m.管内为常压空气流过，其流量为8 000 kg/h，进、出口温度为20℃和85℃，壳方为108℃的饱和蒸汽冷凝，并在同温度下排出。若蒸汽冷凝传热系数为1×10⁴W/（m²?℃），管壁热阻和污垢热阻均可忽略，换热器的热损失也可忽略。空气在定性温度下物性如下：c_p为1kJ（kg?℃），μ为1 .98×10^-5Pa?s，λ为2.85 ×10^-2W/（m?℃），试求：

（1）空气在管内的对流传热系数；

（2）总传热系数K_o；

（3）校核该换热器能否满足要求。

22. 有一套管换热器，内管为Φ57mm×3.5mm、外管为Φ108mm×4mm的钢管。苯以流量3. 5×10³ kg/h在内管内流过，进、出口温度为50℃和80℃，苯的密度可取为880kg/m³。饱和蒸汽在外管内冷凝，饱和蒸汽绝压为2.00℃，并以饱和水排出。若蒸汽冷凝传热系数可取为1×10⁴W/（m²?℃），内管内侧污垢热阻可取为3.5 10^-4（m².℃）/W，内管管壁热阻及内管外侧污垢热阻均可忽略，换热器的热损失也可忽略，试求：

（1）加热蒸汽用量；

（2）套管的有效长度；

（3）若加热蒸汽绝压降到140 kPa,此时苯出口温度t₂如何变化？（假设总传热系数不变，传热平均温度差可按算术平均温度差计算）

23. 有一管壳式换热器，110℃的饱和蒸汽在壳方冷凝为同温度下的水，管内为一定流量的气体呈湍流流动，其温度从30℃加热到50℃。现因气体流量增加，而加热蒸汽温度和气体进口温度均不变，气体出口温度降到48℃，试求气体流量为原流量的倍数。假设管壁热阻、污垢热阻及换热器的热损失均可忽略。两种情况下气体物性可视为不变。

    提示：K≈α_i，α_i∝W^0.8_c。

24．在一管壳式换热器中，壳方用110℃饱和蒸汽冷凝，以加热管方呈湍流流动的空气，空气的温度由30℃升高到45℃，若空气的流量增加0.5倍，试求空气出口温度。假设管壁热阻、污垢热阻及热损失均可忽略。（计算中可作合理的假设）

25. 在一单程管壳式换热器中，用饱和蒸汽加热油品。壳方为160℃的饱和蒸汽冷凝为同温度的水。油品在管方呈湍流流动，并由20℃加热到110℃。换热器的热负荷为12.5×10³ W，蒸汽冷凝传热系数为7000W/（m²?℃），油侧污垢热阻为0.5×10^-3m²?℃/W，管壁热阻及蒸汽侧污垢热阻可忽略，换热器的热损失也可忽略。换热器的管束由25根Φ19mm×2mm的管子组成，管长为4 m。试求：

（1）管内油侧对流传热系数；

（2）若油的流速增加一倍，保持油的进、出口温度不变，求饱和蒸汽的温度。

参考答案

一、填空题

  1、热传导 热对流 热辐射

2、单位温度差下热传导热通量或热传导能力的大小

3、金属的λ＞非金属固体λ＞液体λ＞气体λ

4、Q=αs△t  液体温度和壁面温度差

5、流体物性 流动状况和原因 传热面的形状和分布

6、层流内层 提高液体的流速       7、热流方向  0.4  0.3

8、对流传热系统的准数  物性影响的准数

9、膜状冷凝 液状冷凝      10、自然对流 泡核沸腾 膜状沸腾

11、间壁两侧流体传热的总热阻 设法减小起决定作用的分热阻

12、管程 原油           13、U型 浮头式 带补偿圈的固定管板式

14、套管式 管壳式 平板式等     15、空气 蒸汽

二、选择题

  1、A   2、B   3、D   4、A   5、B   6、B   7、C   8、B   9、C   10、B

三、计算题

  1、⑴q=343.7 W/m²   ⑵t=89.1℃

  2、⑴t₂=813℃  ⑵t₃=232℃  ⑶q=670W/m²

  3、减少42.4℃    λ₁=1.38    λ₂=1.07

  4、Q=68.7kW         5、 =191.4W/m   t₃=131.2℃

  6、q^‘=1.25q   导热系数小的材料在内层

  7、             8、1.66倍       213

 10、 =2500kW          11、         12、 31.2℃

13、 64.5℃       84.9℃               14、 40℃

15、 38.4 ，            16、L=4.07m

17、约增加1%         18、 504      值下降49.3%

19、T=102.5℃     20、不合用    可增大冷却水用量       21、（1） 90

（2） 71.5        （3）可满足要求      22、（1） =88.6kg/h

(2)L=9.34m   (3) 75.3℃        23、1.83倍        24、 44℃

25、（1） 358        （2）T=186℃