化工原理第四章思考题答案

第四章传热思考题

4-1 根据传热机理的不同，有哪3种基本传热方式？他们的传热机理有何不同？

答：（1）基本传热方式有热传导、热对流和热辐射3种。

（2）热传导简称导热，是通过物质的分子、原子或自由电子的热运动来传递热量；对流传热是通过冷、热不同部位的流体质点做宏观移动和混合来传递热量；辐射传热是物体因自身具有温度而激发产生电磁波，向空间传播来传递热量。

4-2 傅里叶定律中的负号是什么意思？

答：由于x方向为热流方向，与温度梯度的方向正好相反。Q是正值,而是负值,加上负号,故式中加负号。

4-3 固体、液体、气体三者的热导率比较，哪个大，哪个小？

答：物质热导率的大小主要与物质种类（固、液、气）和温度有关。一般来说，固体、液体、气体三者的热导率大小顺序:固体>液体>气体。

4-4 纯金属与其合金比较，热导率哪个大？

答：在各类物质中，纯金属的热导率为 ,合金的热导率为 , 故热导率纯金属比合金大。

4-5 非金属的保温材料的热导率为什么与密度有关？

答：大多数非金属的保温材料呈纤维状或多孔结构，其孔隙中含有值小的空气。密度越小，则所含的空气越多。但如果密度太小，孔隙尺寸太长，其中空气的自然对流传热与辐射作用增强，反而使增大。故非金属的保温材料的热导率与密度有关。

4-6 在两层平壁中的热传导，有一层的温度差较大，另一层较小，哪一层热阻大？热阻大的原因是什么？

答：（1）温度差较大的层热阻较大。

（2）对于两层平壁导热,由于单位时间内穿过两层的热量相等，即导热速率相同，采用数学上的等比定律可得。由此可见，热阻大的保温层，分配与该层的温

度差就越大，即温度差与热阻成正比。

4-7 在平壁热传导中可以计算平壁总面积A的导热速率Q，也可以计算单位面积的导热速率（即热流密度）。而圆筒壁热传导中，可以计算圆筒壁内、外平均面积的导热速率Q，也可以计算单位圆筒长度的壁面导热速率 ,为什么不能计算热流密度？

答：在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r无关，但热流密度

却随着坐标r变化，故不能计算热流密度。

4-8 输送水蒸气的圆管外包覆两层厚度相同、热导率不同的保温材料。若改变两层保温材料的先后次序，其保温效果是否会改变？若保温不是圆管而是平壁，保温材料的先后次序对保温效果是否有影响？

答：（1）改变。为了保温，应使总的导热热阻最大，当管外包裹两层保温材料时，

热导率小的材料包裹在管内时，其导热热阻

为：

，

式中，d1---管内径，d2---管外径，d3---保温材料层的外径。

热导率大的材料包裹在管内时，其导热热阻

为：

，

在d1、d 2、d 3不变时，两者的热阻之差为：

（2）不影响。若保温不是圆管而是平壁，总的热阻等于各层热阻之和，故改变保温材料的先后次序不影响保温效果。

4-9 对流传热速率方程（牛顿冷却公式）中的对流传热系数与哪些因素有关？答：（1）流体的物理性质：有比热容，热导率、密度、粘度和体积膨胀系数；

（2）流体胡对流起因：有强制对流和自然对流两种；

（3）流体的流动状态：层流、过渡流或湍流；

（4）流体的相态变化：在传热过程中，有相变化时，其值比无相时大得多。

（5）传热面的形状、相对位置与尺寸：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。

4-10 流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数的计算式中，Pr的指数n 由什么决定？流体在管内的流速及管径对的影响有多大？管长、管的曲率对管内对流传热有何影响？

答：（1）湍流时,圆形直管中的Pr的指数n由温度决定，当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3；

（2）湍流时,圆形直管中的对流传热系数α与流速的0.8次方呈正比,与管径的0.2次方呈反比；

（3）流体在圆形直管内强制湍流时,若改变管长，其传热面积也相应改变，从而改变对流传热速率。若改变弯管的曲率，弯管内的流体在流动时，由于离心力的作用，扰动增大，从而强化了对流传热。

4-11 水的对流传热系数一般比空气大，为什么？

答：由于水的密度、比热容、粘度和热导率都比空气大，所以水的热传导系数比空气大。

4-12 为什么滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的大？由于壁面上不容易形成滴状冷凝，蒸气冷凝多为膜状冷凝。影响膜状冷凝传热的因素有哪些？

答：（1）在滴状冷凝时,冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面，使蒸气能在壁面上冷凝，其热阻比膜状冷凝时小，因此滴状冷凝传热系数可能比膜状冷凝时高出倍。

（2）①流体的物性；②冷凝壁面尺寸及放置位置；③冷凝传热温度差；

④不凝性气体的影响；⑤蒸汽流速和流向的影响；⑥蒸汽过热的影响；⑦传热面的形状与布置。

4-13 液体沸腾的两个基本条件是什么？

答：①液体必须过热；②要有汽化核心。

4-14 为什么核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的大？影响核状沸腾的主要因素有哪些？

答：（1）膜状沸腾传热需要通过气膜，而气膜的热阻大，使膜状沸腾的对流传热系数急剧降低，故核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的大。

（2）①表面粗糙度；②汽化核心；③温差。

4-15 同一液体，为什么沸腾时的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大？答：因为相变时液体吸收汽化热变成蒸汽，或蒸汽放热r变为液体。对于同一液体，其r比大得多，故沸腾时的对流传热系数比无相变时的对流传热系数大。

4-16 换热器中的冷热流体在变温条件下操作时，为什么多采用逆流操作？在什么情况下可以采用并流操作？

答：（1）逆流操作时，热流体的出口温度可以降低到小于冷流体的出口温度；而并流操作时，热流体的出口温度总是大于冷流体的出口温度，则表明热流体的用量比并流操作时少。同理，逆流操作时，冷流体的出口温度可以升高到大于热流体的出口温度；而并流操作时，冷流体的出口温度总是小于热流体的出口温度，则表明冷流体的用量比并流操作时少。故多采用逆流操作。

（2）当要求控制换热器的流体出口温度时，可采用并流操作。例如，流体加热时，可以避免出口温度高于某一规定温度；冷却时，也可以避免低于某一规定的温度。

4-17换热器在折流或错流操作时的平均温度差如何计算？

答：计算错流或折流时的平均温度差，通常是先按逆流算出对数平均温度差，然后再乘以温差校正系数，即

=

校正系数与是辅助流量R和P的函数，即 =f(R·P)

，

根据R和Pd的数值，从教材图4-5中可查得值。

4-18换热器的总传热系数的大小，受哪些因素影响？怎样才能有效地提高总传热系数？

答：（1）影响总传热系数大小的因素主要是对流传热系数和污垢热阻。