换热器原理与设计(问题详解)剖析

广东海洋大学 2013年清考试题
《换热器原理与设计》课程试题
课程号： 1420017
√ 考试
□ A 卷
□ 闭卷
□ 考查
□ B 卷
√ 考试
一．填空题（10分。

每空1分）
1．相比较沉浸式换热器和喷淋式换热器，沉浸式换热器传热系数
较低。

2．对于套管式换热器和管壳式换热器来说， 套管式换热器 金属耗量多，体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。

3．在采用先逆流后顺流<1-2>型热效方式热交换器时，要特别注意温度交叉问题，避免的方法是 增加管外程数 和两台单壳程换热器串联。

4．在流程的选择上，腐蚀性流体宜走 管程，流量小或粘度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数(Re ＞100)下即可达到湍流。

5．采用短管换热，由于有入口效应，边界层变薄，换热得到强化。

6. 相对于螺旋槽管和光管，螺旋槽管的换热系数高.
7. 根据冷凝传热的原理，层流时，相对于横管和竖管，横管 传热系数较高。

8.减小管子的支撑跨距能增加管子固有频率，在弓形折流板缺口处不排管，将 减小 管子的支撑跨距
9. 热交换器单位体积中所含的传热面积的大小大于等于700m 2/m 3，为紧凑式换热器。

10. 在廷克流动模型中ABCDE5股流体中，真正横向流过管束的流路为B 股流体,设置旁路挡板可以改善C 股流体对传热的不利
GDOU-B-11-302
班级：
姓
名：
学号：
试题共
4 页
加白纸3
张
密
封
线
影响。

二．选择题（20分。

每空2分）
1.管外横向冲刷换热所遵循侧传热准则数为(C )
A. 努赛尔准则数
B. 普朗特准则数
C. 柯尔本传热因子
D. 格拉肖夫数
2.以下哪种翅片为三维翅片管( C )
A. 锯齿形翅片
B. 百叶窗翅片
C. C管翅片
D. 缩放管
3.以下换热器中的比表面积最小( A )
A．大管径换热器B．小管径换热器
C．微通道换热器 D. 板式换热器
4. 对于板式换热器，如何减小换热器的阻力(C )
A．增加流程数B．采用串联方式
C．减小流程数 D. 减小流道数。

5.对于板翅式换热器，下列哪种说法是正确的( C )
A．翅片高度越高，翅片效率越高
B．翅片厚度越小，翅片效率越高
C．可用于多种流体换热。

D. 换热面积没有得到有效增加。

6.对于场协同理论，当速度梯度和温度梯度夹角为( A )，强化传热效果最好。

A．0度B．45度 C.90度 D. 120度
7. 对于大温差加热流体(A )
A．对于液体，粘度减小B．对于气体，粘度减小
C．对于液体，传热系数减小 D. 对于气体，传热系数增大8. 对于下列管壳式换热器，哪种换热器不能进行温差应力补偿( B ) A．浮头式换热器B．固定管板式换热器
C．U型管换热器 D. 填料函式换热器。

9. 对于下列管束排列方式，换热系数最大的排列方式为( A ) A．正三角形排列B．转置三角形排列
C．正方形排列 D. 转正正方形排列。

10. 换热器内流体温度高于1000℃时，应采用以下何种换热器(A ) A ．辐射式换热器 B ．强制对流式换热器 C ．自然对流式换热器 D. 复合式换热器。

三．名词解释(15分，每题5分) 1.布管限定圆(5分)
热交换器的管束外缘受壳体内径的限制，因此在设计时要将管束外缘置于布管限定圆之内，布管限定圆直径Dl 大小为
浮头式：
固定板或U 型管式
2.卡路里温度(5分)
对于油类或其他高粘度流体，对于加热或冷却过程中粘度发生很大变化，若采用流体进出口温度的算术平均温度作为定性温度，往往会使换热系数的数值有很大误差，虽然可以分段计算，但是工作量较大，工业上常采用卡路里温度作为定性温度。

热流体的平均温度
冷流体的平均温度
壳侧流体被管侧的水冷却时 F c =0.3 壳侧流体被管程的水蒸气加热时 F c =0.55 壳侧和管侧均为油时 F c =0.45 粘度在10-3Pa•s 以下的低粘性液体 F c =0.5 3.热混合(5分)
为了使换热器更好地满足传热和压力降的要求，传热流体流经混合板流道就相当于其单独流过这两种倾角的板片各自组成的流道后再混合，所以此种组合而成的板式热交换器在性能上体现了一种“热混合”
采用方法：
⑴每两种波纹倾角不同的人字形板片相叠组装成一台板式热交换器 ⑵各自分段采用波纹倾角不同的人字形板片组装成一台板式热交换器
⑶将流道数分段组装，进一步实现热混合
1232()L i D D b b b =-++32L i D D b =-"'"1111()m c t t F t t =+-)('
2"2'22t t F t t c m -+=
四．简答题(30分，每题10分)
1. 请说出序号3、6、7、10、18各代表什么零件，起什么作用？(10分
)
3----设备接管法兰，与换热器壳程外流路管路连接； 6---拉杆，安装与固定折流板；
7---膨胀节，补偿管子与壳体热应力不同； 10---放气嘴，用来释放不凝结性气体,
18---折流板-使壳程流体折返流动，提高传热系数。

支撑管束，防止弯曲
2. 分析下列换热器型号(10分)
(1) 6
800 1.654425
BES ----Ⅱ(5分) 浮头式换热器：前端管箱为封头管箱，壳体型式为单壳程，后端为钩圈式浮头，公称直径800mm ，管程压力为 1.6Mpa,壳程压力为1.6Mpa ，公称换热面积54m 2,管长为6m ，管外径为25mm ，4管程，Ⅱ级管束，普通级冷拔钢管。

(2)
1.014
1.680D 160018BLC --
-- (5分)
换热面积为80m2, 碳钢不可拆螺旋板式换热器，其两螺旋通道的距离分别为14mm和18mm，螺旋板的板的板宽为1000mm，公称压力为1.6MPa,公称直径为1600mm.堵死型
3. 举例说明5种换热器，并说明两种流体的传热方式？说明两种流体的传热机理？
1）蒸发器：间壁式，蒸发相变—导热—对流
2）冷凝器：间壁式，冷凝相变—导热—对流
3）锅炉：间壁式，辐射—导热—对流
4）凉水塔：混合式，接触传热传质
5）空气预热器：蓄热式，对流—蓄热，蓄热—对流
五．计算题（25分）
1. 某换热器用100℃的饱和水蒸汽加热冷水。

单台使用时，冷水的进口温度为10℃，出口温度为30℃。

若保持水流量不变，将此种换热器五台串联使用，水的出口温度变为多少？总换热量提高多少倍？（15分）
解：根据题意，将换热器增加为5台串联使用，将使得传热面积增大为原来的5倍，相比较水蒸气换热为相变换热的流体，水为热容值小的流体，因此
因此根据效能数和单元数的关系
可得：
现将传热面积增大为原来的5倍，单元数增大为原来的5倍，
由于
效能数为
水的出口温度为
根据热平衡式，对于冷水，热容值不变，温差增大的倍数为换热量增加的倍数：
2. 在一传热面积为16m 2的逆流式套管换热器中，用油加热冷水，油的流量为3kg/s ，进口温度为110℃，水的流量为1 kg/s,进口温度为35℃，油和水的平均比热为2 kJ/kg•℃和4.18 kJ/kg•℃,换热器的总传热系数为350W/m 2•℃，求水的出口温度（10分）
注：1exp[(1)]
1exp[(1)]c c c NTU R R NTU R ---=---ε
解： W 1=3×2000=6000W/ ℃ W 2=1×4180=4180W/ ℃ 因此冷水为最小热容值流体
min max 4180
06000
W Rc W =
==.697
单元数为
min 35016
1.344180
KF NTU W ⨯=
==
效能数为
1exp[(1)]
1exp[(1)]c c c NTU R R NTU R ---=
---ε
1exp[ 1.34(10.697)]
10.697exp[ 1.34(10.697)]
---=
---
0.334
0.536
=
=0.623 "'22''
12
t t t t -=-ε
"'''2212()t t t t =+-=ε35+0.623×(110-35)=81.73℃。