传热复习题(一)参考答案

《传热技术》复习题(一)参考答案
一、填空题
1、写出三种间壁式换热器的名称：套管式换热器、管壳式换热器和板式换热器。

2、换热器在使用一段时间后，传热速率会下降很多，这往往是由于传热管表面有污垢积存的缘故。

3、用套管换热器加热内管的空气，蒸气在管间冷凝。

现欲通过实验方法测定蒸气和空气的给热系数，需要的主要仪器有温度计、流量计。

4、用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于空气侧的对流传热系数，而壁温接近于饱和蒸汽侧流体的温度值。

5、蒸气冷凝分滴状冷凝和膜状冷凝。

6、冷、热气体在间壁换热器中换热，热气体进口温度T1＝400℃，出口温度T2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
1
为相同，若不计热损失时，冷气体出口温度为250 ℃；若热损失为5％时，冷气体出口温度为240 ℃
7、应用准数关联式求取对流传热系数时，应注意：（1）应用范围；（2）特征尺寸；（3）定性温度。

8、列管换热器中，用饱和水蒸汽加热空气。

空气走管内，蒸汽走管间，则管壁温度接近水蒸汽的温度，总传热系数接近空气的对流传热系数。

9、列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是强化传热和支撑管束。

10、如图所示为间壁式换热器中冷流体B与热流体A
的稳态传热过程的温度分布曲线，该传热过程是由
对流传热、热传导和对流传热三个串联的热传递
环节组成，由图分析可知:α1< α2，因此若强化该
传热过程，应从A 侧着手。

11、强化传热的方法之一是提高K值. 而要提高K值,则应提高对流传热系数较小一侧的对流传热系数。

12、有两种不同的固体材料，它们的导热系数第一种为λ>第二种为λ，若作为换热器材料，应选用第一种；当作为保温材料时，应选用第二种。

13、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/m2.K，则其厚度不低于91mm 。

(注:大型容器可视为平壁) 14、列管式换热器的壳程内设置折流挡板的作用在于提高壳程流体的流速，折流挡板的形状有弓形，圆盘形等。

15、化工生产中最常用的载热体（加热剂）为饱和蒸汽，常用的冷却剂为水。

二、选择题
1、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/kJ℃，则换热器的热负荷为（ B ）。

A. 19800 kJ/h;
B. 82800 kJ/h;
C. 82800 kW;
D.19800kW
2、提高传热强度的主要途径是增大（C ）。

A. 传热温度差；
B. 加热蒸汽压力；
C. 传热系数；
D. 传热面积；
3、计算下列四种“数”时，其数值大小与单位制选择有关的是（ D ）。

A．普兰德准数B．传热单元数
C．离心分离因数ＫD．过滤常数Ｋ
4、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（D ）无关。

A．种类；B．表面状况；C．表面温度；D．.颜色
5、在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K值接近于（B ）。

A. α蒸汽
B. α空气
C. α蒸汽与α空气的平均值
D. α蒸汽与α空气的对数平均值
6、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（ A ）方式进行的。

A. 热传导
B. 对流传热
C. 热辐射
D.热对流
7、列管式换热器内，装设了两块横向折流挡板，则该换热器的壳程为（A ）
A. 单程
B. 双程
C.三程
D.四程
8、在下面几种换热器中，冷热两种流体能实现完全逆流的是（ A ）。

A. 套管式
B. 列管式
C. 板式
D.夹套换热器
9、热对流仅发生在（ C ）中。

A. 固体
B. 静止的流体
C. 流动的流体
D.真空
10、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 ）。

A. 愈大
B. 愈小
C. 不变
D.和温差无关
11、用两种不同的保温材料时，往往把导热系数入值小者放在（A ）。

A. 内层
B. 外层
C. 内外层均可内外层均不可
12、用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（A ）
A. 蒸汽的温度；
B. 空气的出口温度；
C. 空气进口温度
D. 空气进、出口平均温度
13、喷淋式换热器属于（ B ）换热器的一种。

A. 混合式
B. 间壁式
C. 蓄热式
D.直接接触式
14、热量传递的基本方式是（ D ）。

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. 导热、对流与辐射
15、工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（C ）。

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。

D.降低传热系数，减少散热
16、揭示了物体辐射能力与吸收率之间关系的定律是（B ）。

A．斯蒂芬-波尔兹曼定律；B．克希霍夫定律；
C．折射定律；D．普朗克定律
17、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（ D ）。

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
三、判断题
1、换热器的平均传热温度差，是指热流体进出口的平均温度与冷流体进出口的平均温度的差值。

（ F ）
2、固体材料的内部结构越松疏，其导热系数则越大（ F ）
3、在稳定的多层平壁导热中，热阻与温差成正比。

（ T ）
4、维持膜状沸腾操作，可获得较大的沸腾传热系数。

（ F ）
5、保温层应该选用导热系数小的绝热材料（T ）
6、传热边界层厚度总是小于或等于流动边界层厚度。

（ T ）
7、换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。

（T ）
8、在稳态传热中，凡热阻大处其温差也大。

( T )
9、在稳定的多层平壁导热中，若某层的热阻较大，则导热温度差就较小。

（ F ）
10、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。

（ F ）
11、多层平面壁稳态热传导时，推动力是内壁面与外壁面间总的温度差;总热阻是各层热阻的倒数之和。

（ F ）
12、由溶液沸点造成温度差损失等于溶液的沸点与相同压力下水的沸点之差。

（T ）
13、凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。

( F )
14、维持膜状沸腾操作，可获得较大的沸腾传热系数。

（ F ）
15、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。

（ F ）
16、蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种。

（T ）
四、简答题
1、列管换热器由哪几个基本部分组成？各起什么作用？
答：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。

2、提高传热系数时，为什么要着重提高给热系数小的这一侧?
解：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。

3、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：逆流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。

4、试述对流传热的机理?
答：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。

5、试分析对流传热系数的影响因素？
答：影响对流传热系数的因素有：d，u，ρ，μ，λ，c
P
五、计算题
1、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/m3，比热为1.84 kJ/kg.K，对流传热系数为53w/m2.K，饱和水蒸汽冷凝传热膜系数为8000 w/m2.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/cm2，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?
解：（1）Q＝ｗc P (t2 -t1 )=0.6C P (t2 -20)（1分）
Q＝KAΔtm（1分）
Si ＝ｎπｄi Ｌ＝177π×0.021×3 =35.014 m（1分）
∵αi<<αo Ki ＝1/（1/α1 ＋1/α2 ）
＝1/(1/53+1/8000)=52.65 ｗ.m .K （2分）
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℃（3分）
（2） ΔP ＝0.01 kgf/cm =0.01×9.804×10=9.807×10Pa （1分） ΔP ＝λｌ/ｄ×u 2/2×ρ＝0.04×5.5/0.021×u 2/2×1（2分）
9.807×10=0.04×5.5/0.021×u 2/2
∴ u ＝13.68 m.s
（2分） ｗ＝ｎπ/4 d i 2u ρ
＝177×0.785×0.021
×13.68 ＝0.8389 kg.s =0.84kg.s
（2分） 2、有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为φ89mm ×3.5mm ，流量为2000kg/h 的苯在内管中从80℃冷却到50℃。

冷却水在环隙从15℃升到35℃。

苯的对流传热系数αh =230W/（m 2·K ），水的对流传热系数αc =290W/（m 2·K ）。

忽略污垢热阻。

试求：(1)冷却水的消耗量；(2)逆流操作时所需传热面积。

解：(1)冷却水消耗量：
热量衡算式为
)()(1221t t c W T T c W Q pc c ph h -=-= （1分）
热负荷 43101.3)5080(1086.13600
2000⨯=-⨯⨯⨯=Q W （1分） 冷却水消耗量 1335)
1535(10178.43600101.3)(3412=-⨯⨯⨯⨯=-=t t c Q W pc c kg/h （1分） (2)并流操作时所需传热面积：
以内表面积S i 为基准的总传热系数为K i ，
碳钢的导热系数λ=45W/（m ·K ）（1分）
089.0290082.00855
.045082.00035.0230111⨯+⨯⨯+=++=o c i m i h i d d d bd K αλα =4.35×10－3+7.46×10－5+3.18×10－3
=7.54×10－3m 2·K/W （4分）
K i =133W/（m 2·K ）（1分）
逆流操作 80 50
45
35 3515 402
3545=+=逆m t ∆℃（3分） 传热面积 83.540133101.34=⨯⨯==
逆逆m i i t K Q S ∆m 2（3分）
3、现某厂准备选用一台换热器用19.61kPa(表压)的饱和水蒸汽供牛奶消毒用，牛奶在管内流动，从10℃加热到85℃，其平均比热为3.9kJ/kg.K ，处理量为3t/h 。

饱和水蒸汽在管外冷凝，冷凝水在饱和温度下排出，换热器的传热系数K=1400W/m 2.K （以外表面积计），换热器的散热损失为饱和蒸汽放出热量的5%，试求：
（1）饱和水蒸汽的消耗量为多少kg/h?
（2）要选用多大换热面积的换热器？当地大气压为98.07kN.m -2
附：饱和蒸汽性质表
压力kPa 温度(℃)
液体焓(kJ/kg) 蒸汽焓(kJ/kg) 汽化热(kJ/kg ) 19.61 53.6
224 2594 2370 98.07 99.1
415
2676
2261
117.7 104.2 437 2684 2247
解：（1）饱和水蒸汽的消耗量：
Q=W c c pc (t 2-t 1)
=3×1000×3.9×(85-10)/3600
=243.7kW(2分)
Q 热=Q ＋5%Q 热(1分)
Q 热=Q/0.95==243.7/0.95=256.58kW(1分)
W h =Q/r=256.58×3600/2247=411.1kg/h
(3分)
(2) 换热器面积
△t 1=104.2-10=94.2℃
△t 2=104.2-85=19.2℃
△tm=(△t 1-△t 2)/ln(△t 1 /△t 2)
=(94.2-19.2)/ln(94.2/19.2)
=47.14℃(2分)
S=Q/(K×△tm)=2.437×105/(1400×47.14)
=3.693 m (3分)
4、有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为φ89mm ×3.5mm ，流量为2000kg/h 的苯在内管中从80℃冷却到50℃。

冷却水在环隙从15℃升到35℃。

苯的对流传热系数αh =230W/（m 2·K ），水的对流传热系数αc =290W/（m 2·K ）。

忽略污垢热阻。

试求冷却水的消耗量和并流操作时所需传热面积。

解：(1)冷却水消耗量：
热量衡算式为
)()(1221t t c W T T c W Q pc c ph h -=-= （1分）
热负荷 43101.3)5080(1086.13600
2000⨯=-⨯⨯⨯=Q W （1分） 冷却水消耗量 1335)
1535(10178.43600101.3)(3412=-⨯⨯⨯⨯=-=t t c Q W pc c kg/h （1分） (2)并流操作时所需传热面积：
以内表面积S i 为基准的总传热系数为K i ，
碳钢的导热系数λ=45W/（m ·K ）（1分）
089.0290082.00855
.045082.00035.0230111⨯+⨯⨯+=++=o c i m i h i d d d bd K αλα =4.35×10－3+7.46×10－5+3.18×10－3
=7.54×10－3m 2·K/W （4分）
K i =133W/（m 2·K ）（1分）
并流操作 80 50
2.341565
ln 1565=-=并m t ∆℃（3分）
传热面积 81.62
.34133101.34=⨯⨯==并并m i i t K Q S ∆m 2（3分） 5、在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg ／s 的液体(比热容为1.9kJ ／kg.℃、密度为850kg ／m 3)，由80℃冷却到30℃，换热器的列管直径为φ25×
2.5mm ，水走管方。

水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW ／(m 2.℃)和
6515 1535
1.70kW ／(m
2.℃)，污垢热阻可忽略。

若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。

解：热负荷：
Q =W 1c p 1（T 1－T 2）=1.25×1.9×103（80－30）=1.2×105W(2分)
传热温度差：
Δt m =(Δt 2－Δt 1)/ln(Δt 2/Δt 1)
=[(80－50)－(30－20)]/ln(30/10)
=18.2℃(3分)
总传热系数：
33333o o o 1006.2107.1110201085.0102511---⨯=⨯+⨯⨯⨯⨯=+≈ααi i d d K m 2·℃/W
解得：K o =485.44W/(m 2·℃)，(4分)
5
21.21013.618.2485.44
m Q S m K t ⨯===∆⨯(3分) 6、某化工厂用一热交换器，每小时冷凝3.4t/h 工业酒精。

已知酒精温度80℃，汽化潜热为1072kJ/kg ，酒精蒸汽在管外冷凝，测得其αo =2268W/m 2.K ，冷却水
在管内流动，水流速度为0.4m/s ，进口水温度为20℃，流量为34500kg/h ，钢管规格：φ30×2.5mm ，长2m ，钢管导热系数46.5 W/m 2.K ，设过程无热损失，并忽略垢层热阻，试求：（1）传热速率；（2）冷却水出口温度；（3）换热器传热面积；（4）欲使传热速率Q 提高，有人认为只要提高αo 即可，你的看法如何？（水
的ρ=1000kg/m 3，Cp=4.18kJ/kg.K ，μ=1cp ，λ=0.65W/m.K)
解： （1）传热速率（2分）
Q=3.4×10×1072×10/3600=1.012×10w
（2 ）冷却水出口温度（2分）
1.012×10=34500×4.18×10
(t -20)/3600 t
=45.26℃ （3）换热器传热面积
Re=dup/μ=(25×10×0.4×10
)/(1×10)=10（1分） pr=Cp.μ/λ=(4.18×10×1×10)/0.65=6.431（1分）
L/d=2/(30×10)=66.67＞60（1分）
αi=0.023(λ/di)Re Pr（1分）
=0.023×(0.65/0.025)×(10)×(6.431)
=1996 W/m2.K（1分）
△t=80-20=60℃△t=80-45.26=34.74℃
△t=(60＋34.74)/2=47.37℃（1分）
K=1/[(do/αidi)＋(dδ)/(dλ)＋1/α] （1分）
=1/[30/(25×1996)＋(30×2.5×10)/(27.5×46.5)＋1/2268]
=908.4W.m.K（1分）
S=Q/(K.t)=(1.012×10)/(908.4×47.37) =25.6m（1分）
（4）要提高Q，不能单纯提高α，因为α与α数值相近，必须同时提高α与α，才能使K增大，从而使Q能显著提高。

（2分）
7、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。

解：（1）由热量衡算得：
Q＝W hｒ＝W c.Cp（t2－16）
∴t2＝W hｒ/（W.Cp）＋16)
＝2000/3600×363×10/5000/3600×4.19×10+16
＝50.65℃(2分)
K＝1/[(1/1740)+(1/14000)]=1548w.m.K(2分)
Q＝W hｒ＝2000/3600×363×10＝2.02×10w
Δt1＝110－16＝94℃，Δt2＝110－50.65＝59.35℃
Δtm ＝（Δt1＋Δt2 ）/2＝（94＋59.35）/2＝76.8℃(2分)
又Q＝KSΔtm ＝KπｄｌΔtm(1分)
∴管长l＝Q/（KπｄΔtm ）
＝2.02×105/（1548×3.14×0.05×76.8）＝10.82m(2分)
（2）水温升高(忽略物性变化)
传热面积S＝πｄｌ＝3.14×0.05×10.8＝1.7m(1分)
Q'=KS△tm' 其中Q'=5000/3600×4.19×10(t2′-25)
△tm'=[(110-25)+(110-t')]/2=97.5-0.5t'(2分)
∴5000/3600×4.19×10(t'-25) =1548×1.7(97.5-0.5t') ，
解得t'=56.4℃(3分)
Q'=5000/3600×4.19×10(56.4-25)=1.83×10w(2分)
(Q-Q')/Q×100%==9.4%(1分)
8、有一列管换热器，由φ25×2.5mm长为2m的26根钢管组成。

用120℃饱和水蒸汽加热某冷液体，该液体走管内，进口温度为25℃，比热为1.76kJ/kg.K，流量为18600kg/h。

管外蒸汽的冷凝传热系数为1.1×104W/m2.K，管内对流传热热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的6倍。

求冷流体的出口温度。

（设换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可略去不计）
解：据题意Rs i ≈Rs o ≈0 b/λ≈0
do/(αi d i )＝6/αo(2分)
∴ Ko ＝1/（1/αo +d o /(αi di )）＝1/（1/αo +6/αo ）
＝1.1×10/7＝1571.43 W/m2.K (3分)
So ＝ｎπｄo l＝26×3.14×0.025×2＝4.082 m2(2分)
T1＝120℃－－－→T2＝120℃（T1 ＝T2=T）
t1＝25℃－－－→t2＝?℃(2分)
Q＝Wc c P c（t2－t1）＝Ko So（T -t1 -T +t 2）/ln（(T - t1 )/(T -t2 )）(2分) 18600/3600×1760) (t2 -t1 )＝1571.43×4.082(t2 -t1)/ln（(T - t1 )/(T - t2 )）
ln（(T-t1 ) /(T-t2 )）＝1571.43×4.082×3600/(18 600×1760)＝0.7054(2分)
∴（T-t1 ）/（T-t2 ）＝2.025
120-25＝2.025(120-t2 )
∴ t
＝120- 95/2.025＝73.08℃(2分)
2。