化工原理传热复习题

传热复习题1

（1）保温瓶在设计和使用过程中采取了哪些防止热损失的措施？

答：首先，保温瓶瓶胆设计成玻璃夹层结构。夹层因空气被抽出接近真空，可防止对流散热损失。其次，瓶胆夹层内两表面均镀有银、铝等低黑度涂层，增加了辐射传热热阻大幅度降低了辐射散热量。举例说，如夹层内壁温度为98οC ，外壁温度为28ο

C ，黑度为的玻璃表面镀上黑度为的银层后,其辐射散热量可由原来的5502m W 降至2m W 。第三，在使用保温瓶时，瓶盖选用导热系数很小的软木制作，而且在灌水时还要在瓶颈处留出一段空气的导热系数比水在小得多，从而有效地降低了瓶口的导热热损失。 （2）计算蒸气在水平管外冷凝的凯恩（Kern ）公式为：=a (t

d r

g ??????02

3

μρ

λ)。试定性说明各种因素对冷凝给

热系数a 的影响。

答：应当指出，冷凝给热的热阻是凝液造成的，因此式中各物性常数都是凝液的物性，而非蒸气的

物性。

当λ大时，液膜导热性能良好，a 自然就大；ρ大，液膜容易从壁面上往下滑，同样使a 增大，潜热r 大，a 也大。相反，若蒸气温度和壁温之间的温差t ?大，则意味着单位时间内凝液量增多，凝液膜增厚，这反而不利于传热，因此a 会变小；当粘度μ增大时，因流动阻力增大，液膜增厚，a 必然减小；至于水平管的直径d 0大了，会使管子下部液膜加厚，同样不利于传热， a 也要变小。

将上面定性分析结果与凯恩公式对照后可以发现：二者是完全一致的． （3）换热器的热负荷与传热速率有何不同？

答：冷、热流体在单位时间内在换器中所交换的热量，称为换热器的热负荷．它是针对换热任务的需要提出的，是生产上要求换热器应具有的换热能力，热负荷可根据生产中物流量、进出口温度及状态变化求化求出。

而传热速率则是指换热器本身在一定操作条件下所具有的传递热量的能力，是换热器本身的特性，二者是不相同的。

容易混淆的是，实际生产中设计或标定换热器时，常把传热速率与热负荷视为相等，一般都是通过热负荷的计算，求得换热器应具有的传热速率，再依据传热基本方程求出所需换热器的传热面积，尽管二者在数值上常视为相等，但就其本质讲，含义是完全不同的。 （4）何谓换热器的控制热阻

答:换热器的总热阻1/K 主要取决于冷、热流体的对流传热热阻，当然也和管壁的热阻及污垢热阻有关，

即， λααb K

i ∑++=0111

若忽略管壁及污垢热阻，则有

1

11αα+≈i K

如果i α和0α相接近，也就是两种流体的传热阻力差不多时，在谋求强化传热过程中，一般要考虑把

i α、0α都增大。但往往有这种情况，两者的α 值相差很大，例如i α>>0α,则

1

1

αα<<

i

。

这时

11α≈K K ≈0α

即总传热系数K 值接近对流传热系数小的一侧流体的α 值，在本例条件下总热阻完全被管外的对流传热热阻所控制。1/0α被称为控制热阻。

控制热阻的概念对强化传热研究是非常重要的。它可以使我们在寻求强化的过程中紧紧抓住主要矛盾，提醒我们为了增大换热器的总传热系数，减少热阻，关键在于增大控制热阻一侧的α。 （5）室内暖气片为什么只把外表面制成翅片状？

答：室内暖气片内部的热流体（水或水蒸气）与片外的冷流体（空气）之间的热递属对流—传导—

对流过程。因为暖气片外壁与空气的对流传热系数远小于片内水或水蒸气与内壁的对流传热系数，即片外对流传热热阻为控制热阻。要增大冷、热介质的换热速率，改变片外的对流传热状况即减小控制热阻至关重要。暖气的外表面制成翅片状后，明显地增大了外表面的传热面积，使总传热系数（按光管传热面积计）较原来增大几倍。加之安装翅片后，加剧了空气的湍动程度，破坏了滞流内层，亦可使总传热系数增大。至于水或蒸汽侧由于不是控制热阻，改善其传热状况对整个冷、热流体的换热影响甚微。这就是室内暖气片只外表面制成翅片状的道理。

（6） 工业上常使用饱和蒸汽做为加热介质而不用过热蒸汽，为什么？

答：使用饱和蒸汽做为加热介质的方法在工业上已得到广泛的应用。这是因为饱和蒸汽与低于其

温度的壁面接触后，冷凝为液体，释放出大量的潜在热量。虽然蒸汽凝结后生成的凝液覆盖着壁面，使后续蒸汽放出的潜热只能通过先前形成的液膜传到壁面，但因气相不存在热阻，冷凝传热的全部热阻只集中在液膜，由于冷凝给热系数很大，加上其温度恒定的特点，所以在工业上得到日益广泛的应用。

如要加热介质是过热蒸汽，特别是壁温高于蒸汽相应的饱和温度时，壁面上就不会发生冷凝现

象，蒸汽和壁面之间发生的只是通常的对流传热。此时，热阻将集中在靠近壁面的滞流内层中，而蒸气的导热系数又很小，故过热蒸汽的对流传热系数远小于蒸汽的冷凝给热系数，这就大大限制了过热蒸汽的工业应用。

（7）“为了节省冷却介质的用量，在设计换热器的过程中，应尽量提高冷却介质的出口温度。”这种说法是否正确？

答：不正确。

冷却介质的出口温度越高，其用量越小，回收热能的品位也越高，动力消耗也随之减小。但出口温度升高的结果，导致传热推动力即对数平均温差降低，所需传热面积增大，设备费用增大。因此必须从综合角度考虑，全面加以权衡，确定一个适宜的出口温度。

对于常用的冷却介质工业水，出口温度不宜过高。还因为工业水中含有许多盐类。如CaCO 3、 MgCO 3、CaS04、、MgSO 4等。若出口温度过高，上述盐类就会因溶解度减小而析出，附在器壁表面上形成热阻很大的垢层，使传热过程恶化。尽管可以采取在冷却水中添加阻垢剂等化学方法，但至少从目前看，效果很有限。所以无节制了提高冷却介质出口温度的方法是行不通的。设计时常取冷却水进、出口的温度差为5-10℃ 四`选择题

(一)单项选择题

3-53 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 ．②>④>③>①；

B ．③>④>②>①；

C ．③>②>①>④；

D ．②>③>④>①；

冷流体 热流体 ① 水 气 体 ②水沸腾 水蒸气冷凝 ③ 水 水

④ 水 轻油 答案：D

3-54 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：C

3-55 为了在某固定空间造成充分的自然对流，有下面两种说法： ① 加热器应置于该空间的上部；

② 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：B

3-56 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 ． ③>④>①>②； C. ③>④>②>①； B.

④>③>②>①； D. ③>②>④>①； ① 空气流速为30m/S 时的a; ② 水的流速为1.5m/s 时的a; ③ 蒸汽滴状冷凝时的a; ④ 水沸腾时的a; 答案：C

3-57 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：B

3-58 在冷凝器中用水冷凝苯蒸汽，水走管程，其雷若数4102.1?=e

R ,此时对流传热系数为

α。若将水的流量减半，其对流传热系数'α（ ）。

A. >(1/2)α8

.0 B. <(1/2)α8.0

C.=(1/2)α8.0

D.无法确认

答案：B

分析：水的流量减半后，按流()104>e

R 公式计算，αα8.0')2/1(=但本例中流型 已变成渡流

)1053

?=e R ，此时ααΦ='

。又)2/1(,11061'8

.05<∴

αe

R

3-59 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：B

3-60 关于辐射传热，下述几种说法中错误的是（ ）。 A ． 除真空和大多数固体外，热射线可完全透过；

B ． 热辐射和光辐射的本质完全相同，不同的仅仅是波长的范围；

C ． 热射线和可见光一样，都服从则折射定律；

D ． 物体的温度不变，其发射的辐射能也不变 答案：A

3-61 关于下面两种说法的正确结论应是（ ）。 1） 物体的相应位置确定后，系统的黑度只与表面黑度有关； 2） 通过改变表面黑度的方法不能强化或消减辐射过程。 A. 这两种说法都对； C.第一种说法对，第二种说法不对； B. 这两种说法都不对； D.第二种说法对，第一种说法不对 答案：C

3-62 关于下面两种说法的正确结论应是（ ）。

1） 固体的辐射和吸收只能在表面上进行，因此只和表面积的大小和表面特性有关； 2） 气体的辐射和吸收是在整个龙积上进行的，必然和气体积的大小和形状有关。 A. 这两种说法都对； C. 第一种说法对，第二种说法错； B. 这两种说法都错； D.第二种说法对，第一种说法错 答案：A

（二） 多项选择题

3-63 用流子翅片管制成空气预热管回收加热炉烟器气中的余热，可以（ ）。 A. 节省料油（气）的用量； B. 提高加热炉的热效率； C. 增大空气预器的总传热系数； D. 降低动力消耗. 答案：A 、B 、C

3-64 确定换热器总传热系数的方法有（ ）。 A. 查样本书； B. 经验估算； C. 公式计算； D. 实验测定 答案：B 、C 、D

分析：总传热系数K 是一个与流体物性、流体流动状态等有关的参数，而非某台换热器的属性。换言之同一台换热器如果流体不同，流动状态不同或其它工艺条件不同，K 值是不同的。所以换热器的总传热系数不能象离心泵的流量和压头的对应关系那样从样本书上查到。

经验估计、实验测定和公式计算3种方法常常是互相结合的，很难轻易下结论哪种方法比其他两种方法更好些。

3-65 热管换热器特别适合气一气换热的原因在于（ ）。

A. 把传统的内、外表面间的传热巧妙地转化为两管外表面的传热；

B. 可以耐高温；

C .冷热两端皆可用加翅片的方法进行强化；

D. 热管内部热量的传递是一个沸腾一冷凝过程，α较大

答案：A、Ｃ、Ｄ

分析：热管空气预换器是一种新型高效传热设备。但目前我国大部分炼厂用水作为热管工质，由

于其饱和蒸汽压较大，一般工质许用温度在300ο

C[])

87

(,

82

.8atm

MP

a

对应压强为。

3-66 下述措施中对提高换热器壳程对流传热系数有效的是( )。

Ａ. 设备折流板；Ｂ. 增大板间距；

C . 换热器采用三角形排列；Ｄ. 增加管程数

答案：Ａ、Ｃ

3-67 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；

答案：Ａ、Ｃ、Ｄ；B、Ｅ、Ｆ

3-68 下列换热器中属于间壁式换热器的有（）。

A. 蛇管式；

B. 螺旋板式；

C. 板翅式；

D. 夹套式

答案：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ

3-69 通过一换热器用一定温度的饱和蒸汽加热某油品。经过一段时间后发现油品出口温度降低。究其原因可能是（）。

A.油的流量变大; C. 管内壁有污垢积存;

B.油的初温下降; D. 管内汽侧有不凝气体产生

答案:A,B,C,D

3-70 在套管换热器中用冷却水从热流体中移走一定的热量.已知该地冬(I).夏)

(X两季水的平均温度相差10℃.若维持水的终温不变,则( ).

答案:A,D,F

3-71 高翅片管换热器对下述几种情况无明显效果的是( ).

A.一侧为空气冷凝,一侧为液体沸腾;

B.一侧为油气冷凝,一侧为气体被加热;

C.两侧均为液体;

D.一侧为水,一侧为空气

答案:A,C

3-72 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; C. 平均温差下降;

B.壳程流体流速过低; D. 管内流动阻力增大

答案：C,D

3-73 物质的导热系数与其( )有关.

A.组成;

B. 颜色;

C. 温差;

D. 密度

答案:A,C,D

3-74关于对流传热系数有两种说法:

1)对流传热系数是衡量对流传热过程强烈程度的标志;

2)对流传热系数越大,在相同传热推动力下所交换的热量越多.

正确的结论应是( ).

A.两种说法都对; C. 第一种说法对,第二种说法错;

B.两种说法都错; D. 第二种说法对,第一种说法错

答案:A

3-75 影响对流传热系数的因素有( ).

A.产生对流的原因;

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,E

3-76 增大换热器传热面积的办法有( )

A．选用粗管排列； B．选用翅片管；

C．增加管程数； D．采用板式换热器；

答案：B、D

3-77选择换热器管长的原则是（）。

A．和壳程相适应；

B．管材使用合理；

C．与管板配套；

D．清洗方便

答案：A、B、D

3-78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

答案：B、C

3-79黑度表明物体的辐射能力接近黑体的程度，其值大小与物体的（）有关。

A．种类；

B．表面状况；

C．表面温度；

D．颜色

答案：A、B、C

（三）选择连线

3-80请将换热器的种类与其对应的特点用直线连接。

螺旋板式换热器可以任意调整传热面积

翅片式换热器高效、紧凑、强度大

板式换热器能充分利用低温热源

板翅式换热器适用于两侧 过于悬殊的场合

３-81 侧是冷、热换热介质，右侧是通常采取的强化措施，试将对应项用直线连接。管内空气、管外烟气管内加扰流子

管内水，和外蒸汽管外加翅片

管内轻油，管外空气管内加翅片

管内二氧化碳，管外水 管内加扰流子，管外加翅片

３-82

试将左侧的各种物质与右侧其相对应的导热系数大致范围用直线连接。

建筑材料

～ W/(m . 0C) 金 属 ～3W/(m .0C) 液 体 ～420W/(m .0

C) 气 体 ～(m .0

C)

3-85 一立式换热器规格如下：管长3m ，管数30根，管径为 φ5.225? mm ，管程为1。现拟选用此换热器冷凝、冷却 2CS 饱和蒸气，使之从饱和温度46 ℃ 降至10 ℃ ， 走管外，其流量W=0.07kg/s ，其冷凝潜热为356kJ/kg ，比热容为(kg ℃) 。水走管内，且与2CS 呈逆流流动。冷却水进出口温度为5 ℃ 和30℃ 。已知冷凝和冷却段基于换热管外表面的总传热系数分别为/2001

w K =(?2m ℃) 和

/1002w K =(?2m ℃)。问此换热器是否合用？

分析：判断一台换热器是否合用，一般可以采用比较传热速率或传热面积的方法，本例采用后一种方法：分别计算已有换热器面积和所需换热器面积，比较二者后即可以得出结论。本例不同之点在于：该换热器既作冷凝器又作冷却器，需分段计算所需面积，即冷凝段所需面积

1A 和冷却段所需面积 2A ，而

1A 、2A 的求得又须以 1m t ? 、 2m t ? 为前提。因此，解决该题的重点在于求出冷凝、冷却段交界

处的冷却水温度，即冷却水离开冷却段的温度t 。

解：（1）以管子外表面为基准计算已有换热器的传热面积： （1） 求所需的传热面积 ① 冷凝段与冷却段的传热量

kW r W Q 9.2435607.0=?=?=

()()kW T T c W Q s P h h 2065104605.107.022

=-?=-=

②两段的平均温差 总传热量：kW Q Q Q 5.2765.29.2421=+=+=

冷却水用量

()()

s kg t t C Q W c p c /263.053018.45

.2712=-?=-=

冷却水离开冷却段的温度 4.718

.4263.065

.2521=?+=+

=C p C C W Q t t

℃

冷凝段的平均温差 4646→℃

CS 2

2

冷却段

冷凝段

6

.384

.71630←

℃ 4.1616

6.38ln 166.381=-=?m t ℃ 冷却段的平均温差 4646→℃

5

5

6.384.7←℃ 4.165

6.38ln

56.382=-=

?m t ③所需传热面积

冷凝段 23

11184.47.25200109.241m t K Q A m =??=?=

冷却段 23

22261.14

.161001065.22m t K Q A m =??=?=

A>

'A ，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。

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）。 分析：由传热基本方程m t KA Q

?= 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 m t ? 及A 。

解： 空气蒸汽

αα>>Θ ，又管壁较薄可忽略其热阻

在物性不变的前提下 8

.18

.01d W C A

=空气α (a)

由题意，n 为常数

将∴（a ）式代入：8

.08.02

d L

t W C Q m A ???= （b ）

（a ）、（b ）二式中1C 、2C 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： 已知：

=1

2

Q Q 2

1100

10012ln ‘‘’

t t t t A

K ---=

(b)

比较（a ）、（b ）二式得 将已知数据代入 增加冷凝量为

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，冷却水流量加倍后，平均温差即传热推动力增加很少，这可由2

't

与2t 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74.12

8

.0=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。

某废热锅炉由φ25mm ?2。5mm 的锅炉钢管组成。管外为水沸腾，绝对压强为2。8Mp a ，管内走合成转化气，温度由550℃降至450℃。已知转化气一侧，?=21

/(250m W α℃）水侧

?=20/(10000m W α℃）。若忽略污垢热阻，求换热管的壁温w T 及w t 。

解：方法一

（1） 先求总传热系数（以管子内表面为基准） （2）

平均温度差

a 下水的饱和温度为230℃。 （3）热通量 （4）管壁温度

1） 先着眼于管内的对流传热。 由牛顿冷却定律： 又

239250

103.655003

=?-=-=i i

w q T T α℃

②再眼于管外的对流传热

23510000

103.522303

00

=?+=+=αq t t w ℃

方法

(1) 先求传热过程的总热阻及分热阻（基于内表面）

00413.000008

.00000495.0004.025201000012520450025.0250111=++=?+?+=++=o

o i m i

i i d d d d b K αλα2

kW/m 3.65270242=?=?==m i i

i t K A Q q )

(w i i T T q -=α

=(2

m ℃)/W

(2) 再求管壁温度

在连续传热过程中，温降与热阻成正比。故 已知：t = 2300

c T =

2

450

550+= 500℃

∴ T w = T-

)(1

t T R

R - =239)230500(00413

.0004

.0500=--

℃

t w = t +

)(3

t T R

R - = 235)230500(00413

.00008

.0230=-?+℃

两种解法结果相同

分析：由于管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。

质量流率相同的两种液体通过某套换热器的管程并被加热，其对流传热系数都可以用下式表示：

4.08.0)()(023

.0?

μμρλαp c du d = 若定性温度下两流体的物性1p c = 2p c ， ?? = ??为了简化计算，其它物性可认为相同，问二者的对流传热系数有多大差别？

解：由给热系数的计算公式知： ??p c ?

?

57.32.32.4)(6.04.06

.02

14

.0212

1=?=????????=λλααp p c c 即二者的对流传热系数之比为倍。

分析：在相同的质量流率下，由于两种液体的物性不同，其对流传热系数相差是很大的。换言之，流体的物性对对流传热系数的影响是甚大，这点我们应予以充分注意。至于气体与液体之间，这种区别就更大。例如定性温度为50 ?c 时，在相同的流动状态下，水和空气的对流传热系数相差700倍以上。因此在一般操作情况下，空气的流速往往比水的流速要大几倍甚至十几倍。

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)传热管的数目加倍 试估算Ｑ/?t m 将如何变化？

解：（1） ?蒸汽》?空气 ?K ? ?空气

由 Q =KAΔt m 得 Q/A A K t m

?≈?=?空气α

Re=

μ

μ

ρ

dG

du =

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，但质量流速G = u ?不变。即Re=

μ

dG

?不变。

又 ?r=

λ

μ

p c 不变

∴ ?不变 ∴

Q/Δt 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574.05

.08

0=。倍。