第二章传热习题课

1). 在内管为φ189×10mm的套管换热器中，将流
量为 3500kg/h的某液态烃从 100℃冷却到60℃，其
平均比热 CP=2.38kJ/kg.℃， 环隙走冷却水，其进
出口温度分别为40℃和50℃，平均比热Ｃp水＝
4.17kJ/kg.℃，基于传热外面积的总传热系数 K0=2000W/m2· ℃, 设其值恒定, 忽略热损失。试求
对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性 参数的温度。
沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、核状沸腾区和膜状沸腾区，
生产中的沸腾传热过程应维持在核状沸腾区操作。 无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少 热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSΔt，式中Δt表示为两流体温度 差的平均值；。 在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=SΔt，式中Δt=tw-tm 或 Tm-Tw； S表示为一侧的传热壁面。 滴状冷凝的对流传热系数大于膜状冷凝对流传热系数。
温度差ΔtBaidu Nhomakorabea
注意：由于泡核 沸腾的传热系数 比膜状沸腾的大， 故一般都设法控 制蒸发器在泡核 状态下工作。
辐射传热




能全部吸收辐射能，即吸收率A=1的物体， 称为黑体或绝对黑体； 能全部反射辐射能，即反射率R=1的物体， 称为镜体或绝对白体； 能透过全部辐射能，即透过率D=1的物体， 称为透热体。一般单原子气体和对称的双 原子气体均可视为透热体。 一般来说，固体和液体都是不透热体，即 D=0，A+R=1。气体则不同，其反射率 R=0。A+D=1。

热系数的影响
多层（n层）平壁：
T T 1 T 1 T n +1 n n +1 q in bi Ri
i 1
i
i 1
公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成 反比。 由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面 的热阻愈小，其两侧的温差愈小，但导热速率相同。
位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流
和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体流过固体表面时 发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热；热辐射是因热的
原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能
发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依 靠其中的一种方式或几种方式同时进行。 传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（W）；热流密度q是指每单 位面积的传热速率（W/m2）。
4. 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。 5. 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的α( C )滴状冷凝的α。 A. 等于 B. 大于 C. 小于 6. 导热是（A ）热量传递的主要方式。 A. 固体中 B. 液体中 C. 气体中 7. 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. 传导传热、对流传热与辐射传热
式中K为总传热系数，单位为：W/（m2· ℃）；ΔTm为两流体的平均温度差 ，对两流体作并流或逆流时的换热器而言，
Q=KSΔTm
恒温传热时 变温传热时 错流和折流时
Tm Th Tc
T1 T2 Tm ln(T1 / T2 )
Tm
总传热系数
r0 r0 1 + Rsi + K 0 i ri ri
8. 湍流流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要 存在于（ C ）。 A. 流体内; B. 器壁内; C. 湍流体滞流内层中; D. 流体湍流区域内。 9. 对一台正在工作的列管式换热器，已知α1＝116，α2＝ 11600， 要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（ A ）。 A.设法增大α1 B. 设法增大α2 C. 同时增大α1和α2
r0 r0 ln( ) ri

+ Rs 0 +
1
0
换热器
间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。
提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，
及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节， 采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积； 增强流体的湍动程度以提高α。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和 冷凝水。 间壁换热器管壁温度Tw接近α大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大 的一侧的α值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对
11. 对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（ A ） 沸腾下操作。 A.核状 B. 稳定的膜状 C. 不稳定的膜状 12. 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数α 值（ A）。 A. 降低 B. 升高 C. 不变 13. 为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金 属皮，一般而言，应该选择_____D_____材料。 A. 表面粗糙，颜色较深 B.表面粗糙，颜色较浅 C. 表面 光滑，颜色较深 D.表面光滑，颜色较浅
： A)冷却水用量；B)分别计算两流体为逆流和并
流情况下的平均温差及所需管长。
解：冷却水用量 Ｗh ＣP h (Ｔ1 -Ｔ2 )＝Ｗc ＣP c (ｔ2 -ｔ1 ) 3500×2.38×(100-60)＝Ｗc× 4.17×(50-40) Ｗc ＝7990Kg/h Δｔ逆＝(50-20)／ｌｎ(50/20)＝32.75℃ Δｔ并＝(60-10)／ｌｎ(60/10)＝27.93℃ Ｑ＝ＫＡΔｔm Ｑ＝7990×4.17×(50-40)=3.332× １０5KJ/h ∴ Ａ逆＝3.332×１０5/[(2000/1000)×32.75×3600]＝ 1.41 (m2) πｄ0 L＝1.41 3.14×0.18×L＝1.41 ∴ L逆＝2.5 (m ) Ａ并＝3.332×１０5/[(2000/1000)×27.93×3600]＝ 1.66 (m2) 3.14×0.18×L并＝1.66 ∴ L并＝2.93 (m )
一热传导 1. 导热基本方程––––傅立叶定律
T dQ dS n
λ––––导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单 位为W/（m· K）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系 数随温度升高而增大。 式中负号表示热流方向总是和温度梯度的方向相反。 2．平壁的稳定热传导 T1 T2 T 注意食品物料中 单层平壁： q b R 水分的多少对导
料导热系数增大，保温效果降低。
二、对流传热
Q S T
准数名称
-------- 牛顿冷却定律。
α––––对流传热系数，单位为：W/（m2· K）
符号
意义 表示对流传热系数的 准数 确定流动状态的准数 表示物性影响的准数 表示自然对流影响的 准数
努塞尔特准数 雷诺准数
普兰特准数
Nu=αl/λ
选择题
1. 间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( A ) A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系
2. 翅片管换热器的翅片应安装在( A )。 A. α小的一侧 B. α大的一侧 C. 管内
D. 管外
3. 套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如 果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时: （1）传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( A ) （2）空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变 ( B ) （答案 A、B）
1 在定态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这层的导热 温差就小。（ F） 2 保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（ T ） 3 自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。 （ F ） 4 辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐射传热可 以在真空中传播。 （ T ） 6 辐射能力强的物体其吸收能力也强。 （ F ） 7 物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率。 （ T ）
在蒸汽冷凝时不凝性气体在液 膜表面形成一层气膜，使传热阻力加大，冷凝对流传热系数 降低。
3.9.2 液体的沸腾过程
液体沸腾传热过程的推动力是加热面温度和液体饱和温
度之差。在大空间内沸腾时，随着此温度差的不同，过程中 的对流传热系数α和热流密度q都发生变化。 α
自然对流 泡核沸腾 膜状沸腾
C
D A B
4）Φ 38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 第一 层是50 mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07 W/(m· ℃)；第二层是10mm 厚的石棉层，其平均导热系数为0.15 W/(m· ℃)。若管内壁温度为180℃，石 棉层外表面温度为35℃，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？ 解：①r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 m r2 = r1＋1 = 0.019＋0.05 = 0.069 m r3 = r2＋2 = 0.069＋0.01 = 0.079 m 0 = 45 W/(m· ℃)
(2) 高粘度流体
Nu=0.027Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14
2.流体在圆形直管内作强制滞流
Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14
影响冷凝传热的因素： 流体物性及液膜两侧的温差 蒸汽流速和流向的影响 不凝性气体的影响 蒸汽过热的影响 冷凝传热过程的强化
1.圆筒壁的稳定热传导 单层圆筒壁：
Q 2p L
T1 T2 r ln 2 r1
n层圆筒壁
Q

2 p L ( T1 T n + 1 ) i n ri+ 1 1 ln i ri i 1
一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果会降低， 主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材
流传热系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。
对于间壁换热器WhCph(Th1-Th2)=W2Cp2(Tc1-Tc2)=KSΔTm等式成立的条件是稳定传热、 无热损失、无相变化。 列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传 热，提高α值，支撑管子。 在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管 内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。
填空题
1. 蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设 计采用____膜状________冷凝。 2. 大容积的饱和沸腾传热可分为____自然对流_______、 ___核状沸腾______和__膜状沸腾_____三个阶段，而在 工业生产中常在___核状沸腾_____阶段操作。 3. 在对流传热中，按其产生的原因，可分为____自然 _________对流与___强制__________对流。 5. 定性温度指_用于决定准数中各物性的温度__________。
稳定传热过程计算
Q=Whcph(Th1-Th2)=Wccpc(Tc2-Tc1)
式中 cp——流体的平均比热，kJ/（kg· ℃）
Tc——冷流体的温度，℃ Th——热流体的温度，℃
Q Wh r + c ph (Ts Th2 ) Wcc pc (Tc 2 Tc1 )


换热器总传热速率方程
第二章 传热 ——复习与习题
传 热–––基本概念和基本理论
传热是由于 引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可 知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。
根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：
、
和
。
热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等 微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流体各部分之间发生相对
Re=luρ/μ Pr=cpμ/λ
Gr=L3gΔtl3ρ2/μ2
格拉斯霍夫准数
1. 圆形直管内强制湍流时的对流传热系数 应用范围 定性温度 特性尺寸
(1) 低粘度流体 （小于水粘度的2倍，<2.0*10-3Pa.s)
Nu=0.023Re Pr
0.8
n
di u 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di