化工原理分章试题与解答第四章

第四章传热一：填空题1．三层圆筒壁热传导过程中，最外层的导热系数小于第二层的导热系数，两层厚度相同。在其他条件不变时，若将第二层和第三层的材料互换，则导热量变（），第二层与第三层的界面温度变（）。答：变小，变小。2．在垂直冷凝器中，蒸汽在管内冷凝，若降低冷却水的温度，冷却水的流量不变，则冷凝传热系数（），冷凝传热量（）。答：减小，增加。冷凝传热系数与温差的-1/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热系数减小；冷凝传热量与温差的3/4次方成正比，故温差增加，冷凝传热量增加。3．在管壳式换热器中，热流体与冷流体进行换热，若将壳程由单程该为双程，则传热温度差（）。答：下降4．在高温炉外设置隔热档板，挡板材料的黑度越低，则热损失越（）。答：越小5．黑体的表面温度提高一倍，则黑体的辐射能力提高（）倍。答：156．沸腾传热设备壁面越粗糙，汽化核心越（），沸腾传热系数α越（）。答：多，大7．苯在内径为20mm的圆形直管中作湍流流动，对流传热系数为1270W/（m2．℃）。如果流量和物性不变，改用内径为30mm的圆管，其对流传热系数变为（）W/（m2．℃）。答：612=0.023nrPd8.0Re=0.023dnSdWdPr4/8.02∝8.0)21(1d=8.1d=8.12030=0.482=0.482=0.4821270=612W/(2m·℃)8．热油和水在一套管换热器中换热，水由20℃升至75℃。若冷流体为最小值流体，传热效率为0.65，则油的入口温度为（）。答：104℃ε=2020751T=0.651T=104℃二、选择题1．某一套管换热器，由管间的饱和蒸汽加热管内的空气，设饱和蒸汽温度为100℃，空气进口温度为20℃，出口温度为80℃，则此套管换热器内壁温度应是（）。A接近空气平均温度B接近饱和蒸汽和空气的平均温度C接近饱和蒸汽温度答：C2．测定套管换热器传热管内对流传热系数αi，冷流体走传热管内，热流体走套管环隙，冷热流体均无相变。冷流体的流量及进、出口温度均可测量,且测量的精确度基本上相同。用公式αi=Q/si△ti求αi时，式中的Q用下面（）公式计算。AQ=WcCp,c(t2-t1)BQ=WhCp,h(T1-T2)CQ=WcCp,c(t2-t1)和Q=WhCp,h(T1-T2)均可以。答：A3．在卧式列管换热器中，用常压饱和蒸汽对空气进行加热。（冷凝液在饱和温度下排出），饱和蒸汽应走（）A壳程B管程C壳程和管程都可以两流体在换热器中必须（）流动。A逆流B并流C逆流和并流都可以答：A，C4．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管壁热阻B污垢热阻C管内对流传热热阻D管外对流传热热阻答：B5．下述措施中对提高换热器壳程对流传热系数有效的是（）。A设置折流板；B增大板间距C换热器采用三角形排列；D增加管程数答：A，C6．在确定换热介质的流程时，通常走管程的有（），走壳程的有（）。A高压流体；B蒸汽；C易结垢的流体；D腐蚀性流体E粘度大的流体F被冷却的流体答：A，C，D；B，E，F7．采用多管程换热器，虽然能提高管内流体的流速，增大其对流传热系数，但同时也导致（）。A．管内易结垢；B壳程流体流速过低C平均温差下降D管内流动阻力增大答：C，D8．下面关于辐射的说法中正确的是（）。A同一温度下，物体的辐射能力相同；B任何物体的辐射能力和吸收率的比值仅和物体的绝对温度有关；C角系数的大小与两表面的形状、大小、相互位置及距离有关；D只要物体与周围环境的温度相同，就不存在辐射和吸收过程答：B，C三、计算题1．有一列管式换热器，用120℃的饱和水蒸气加热某种气体，冷凝水在饱和温度下排出，气体由20℃升高到80℃，气体在列管内呈湍流流动。若气体流量增加50%，而气体进入列管换热器的温度、压强不变。试计算加热蒸汽量为原用量的倍数。管壁热阻、污垢热阻及热损失可忽略，且气体物性可视为不变。加热蒸汽温度不变。解：mcpctKAttcW)(12,（1）mcpctAKttcW)(5.112,（2）而KKKKi383.15.1,8.021212121212020120ln383.18012020120ln383.1)(5.1ttttttKtKttttmm772t℃425.160)2077(5.12080)(5.112ttWWhh2．现有一列管换热器，内有φ25×2.5mm的钢管300根，管的有效长度为2m。要求将8000kg/h的空气于管程有20℃加热到85℃，采用108℃的饱和蒸汽于壳程冷凝加热之，冷凝液在饱和温度下排出。蒸汽冷凝的传热系数为1×104w/m2℃，空气的对流传热系数为90w/m2℃，管壁及两侧污垢热阻均可忽略，且不计热损失。空气在平均温度下的比热为1kJ/kg℃。试求：1）换热器的总传热系数K。2）通过计算说明该换热器能否满足要求。3）通过计算说明管壁温度接近那一侧流体的温度？解：1）总传热系数./(49.712025901101111112400mWddKii℃）2）mtKAQ需kWttcWQcpc4.144208513600/800012）（）（，4.488510820108ln2085mt℃237.414.4849.71104.144mtKQAm需21.472025.014.3300mdlnA实需实AA，该换热器能满足要求。3)iWWtTTT11090/15.5210/11084WWTT5.107WT℃接近蒸汽的温度。3．有一管程为单程的列管换热器，由φ25×2.5mm，长2.5m的20根钢管组成。用120℃饱和水蒸汽加热某冷液体（冷凝液在饱和温度下排出），该冷液体走管内，进口温度为25℃，比热为1.58kJ/kg℃，流量为15000kg/h，管外蒸汽的冷凝传热系数为1.0×104w/m2℃。管内对流传热的热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的6倍。求：1）基于管外表面积的总传热系数K02）冷液体的出口温度。（换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可忽略不计）解：1）总传热系数24400/1429100.1/6100.1/11/1/11mWKi.℃2）211212,120120ln)(ttttKAtKAttcWmcpc2925.35.2025.020mdlnA2312025120ln/925.314291058.13600/15000t5.792t℃4．有一列管式换热器由φ25×2.5mm，长3m的100根钢管组成。饱和水蒸气将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动，饱和蒸汽在壳方冷凝为同温度的水。今因生产任务增大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。换热器为φ19×2mm的120根钢管组成。如果新旧两台换热器并联使用，且使两台换热器在空气流量、进出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，求新换热器管长为多少米？解：因两台并联操作的换热器在空气流量，近、出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，则由mcpctKSttcWQ)(12,看，Q及mt均相同，从而两台换热器的2211SKSK，关键是要找出12/KK的关系，才能求出2S，进一步求出新换热器管长2L。因饱和蒸汽与空气换热，空气K，而空气在管内湍流流动，则8.0Re)1(d，即：2.08.0du，又新旧换热器空气流量相等，即21VV，依据以上关系，找出1u与2u的关系，从而可求出12/KK。原换热器：11112,1)(mcpctSKttcWQ新换热器：22212,2)(mcpctSKttcWQ因在新、旧换热器中，cW、1t、2t及T均相同，故2121,mmttQQ，则：2211SKSK因饱和蒸汽与空气换热，空气K，而空气在管内湍流流动，则8.0Re)1(d，2.08.0du，又新旧换热器空气流量相等，21WW，即21VV，则有2222121144udnudn443.1)1925(120100)(22212112ddnnuu则：416.1)1925(443.1)()(2.08.02.0218.01212dduuKK原换热器：2111155.233025.014.3100mLdnS新换热器：212126.16416.155.23mSKKS则新换热器管长mdnSL32.2019.014.31206.162225．在一单程列管换热器中，用饱和蒸气加热原料油，温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管程湍流流动，并由20℃加热到106℃。列管换热器的管长为4m，内有φ19×2mm的列管25根。若换热器的传热负荷为125kw，蒸汽冷凝传热系数为7000w/m2℃，油侧垢层热阻为0.0005m2℃/w。管壁热阻及蒸汽侧垢层热阻可忽略。试求：1）管内油侧对流传热系数2）油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度，假设油的物性不变，求油的出口温度。3）油的流速增加一倍，保持油进出口温度不变，求饱和蒸汽温度。解：1）管内油侧对流传热系数kWQ125271.44015.014.325mLdnSii9010616020160ln20106ln2112tTtTtttm℃23/(2959071.410125mWtSQKmii.℃）0011ddRKiSiii197000150005.012951i2/(360mWi℃）2、油的出口温度油的流速增加一倍，则：28.08.0/(8.62636022mWi℃）0011ddRKisiii700019150005.08.62611iK解出：2/(9.452mWKi℃）535.12959.452iiKK列热量衡算与传热速率方程式原来：miicpctSKttcW)(12,（1）后来：miimiicpctSKtSKttcW535.1)(212,（2）mmtttttt535.1)(2)(12122222160140ln2016020160ln)160()20160(tttttm则：222160140ln20535.190)20(220106ttt733.090535.143160140ln2t082.21601402733.0te所以8.922t℃4）饱和蒸汽温度因1t及2t不变，列热量衡算及传热速率方程式如下：原来：miicpctSKttcW)(12,后来：miimiicpctSKtSKttcW535.1)(212,mmmttt535.190535.1213.117535.1902mt3.117ln2112tTtTtttm3.11710620ln20106TT5.185T℃由计算结果可知，油速增加一倍，使及K均提高，且mt也提高。若饱和蒸汽温度T不变，则油出口温度2t下降；欲保持1t及2t不变，则加热蒸汽温度T必然提高，采取的措施是提高加热蒸汽的压强。