化工原理传热复习讲解

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1、化工原理 1 1 作业题 24、单程列管换热器，内有37根25mm2.5mm、 长3m的换热管。今拟采用此换热器冷凝并冷却 CS2饱和蒸汽，自饱和温度46 oC冷却到10 oC ， CS2在壳程冷凝，其流量为300kg/h, 冷凝潜热 为351.6kJ/kg。冷却水在管程流动，进口温度为 5 oC ，出口温度为32 oC ，与CS2冷凝液逆流流 动。已知CS2冷凝段和冷却段的总传热系数分 别为K1=291,K2=174。问此换热器是否适用？ （传热面积A及总传热系数均以外表面积计） 化工原理 2 2 解：已知列管尺寸 题中所给的两个K值均以外表面积为基准。现有传热面积 总传热量 (式中Q1为冷

2、凝段热负荷，Q2为冷却段热负荷) 查得时 为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度 化工原理 3 3 4646 327.45 1438.55 4610 7.455 38.555 此换热器可满足生产要求。传热面积富裕 化工原理 4 4 26、在一单壳程、双管程列管换热器。壳程为120oC的饱和水蒸 气冷凝。常压空气以12m/s的流速在管程流过。列管为 38*2.5mm 的钢管，总管数为200根。已知空气进口温度为26 ，要求被加热到86，蒸汽侧对流传热系数为为10000 W/(m2K) ， 壁阻和污垢热阻可忽略不计。试求：（1）换热器列管每根长为 多少米？（2)由于此换热器损坏，重新设计一台新

3、换热器，其 列管尺寸改为54*2mm，总管数减少20%，但每根管长维持原 值。用此换热器加热上述空气，求空气的出口温度 化工原理 传热复习 本章学习目的 掌握传热的基本原理、传热的规律，并运用这些原理和规律 去分析和计算传热过程的有关问题： 换热器的设计和选型 换热器的操作调节和优化 强化传热或削弱传热（保温） 化工原理 6 6 (1)本章重点掌握的内容 傅里叶定律；单层、多层平壁热传导速率方程，单层、多层 圆筒壁热传导速率方程及其应用 牛顿冷却定律；平均温度差； 对流传热系数的影响因素及量纲分析法 换热器的能量恒算，总传热速率方程和总传热系数的计算， （2）本章应掌握的内容 传热的基本方式

4、换热器的结构形式和强化途径 对流传热系数的影响因素及量纲分析法 化工原理 7 7 （3）本章一般了解的内容 对流-辐射联合传热 一般传热设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题 （4）本章学习中应注意的问题 边界层概念 量纲分析法 辐射传热的基本概念和定律，影响辐射传热速率的因素 化工原理 8 8 1、三种传热方式比较 传热方式热传导对流传热辐射传热 定律名称傅里叶定律 牛顿冷却定 律 辐射定律 定律表达 式 组合结果 两流体通过间壁传 热 高（低）温设备散 热（冷） 化工原理 9 9 导热 概念： 导热系数（单位、固液气的相对大小） 、t对的影响 公式： 1、傅里叶定律 2、一维稳态导热

5、化工原理 1010 对流 概念： 热边界层、各种对流传热情况下的 影响因素、数量级、几个准数:Nu、Pr 公式： 1、牛顿冷却定律 2、管内湍流时： 被加热n=0.4 被冷却n=0.3 适用条件 化工原理 1111 辐射 概念：黑体、灰体、吸收率、黑度、角系数 公式： -斯蒂芬-波尔兹曼定律 -克希霍夫定律 化工原理 1212 传热过程计算 换热器 传热的三个环节 列管式换热器的结构、热补偿方法 流程选择原则、强化传热措施 圆筒壁 错、并流、及相变的情况 操作型和设计型计算类型 化工原理 1313 对流传热系数的影响因素 例： 水在一定流量下通过某列管换热器的管程，利用壳程水蒸汽冷凝可以将水的

6、温 度从25升至75，现场测得此时水在管程的对流传热系数为1100W/(m2K),且已知 水在管内的流动已达到湍流。试求(1)与水质量相同的空气通过此换热器时的对流传 热系数是多少？已知该股空气的定性温度为140。（2）若与水质量流量相同的苯 以同样的初始温度通过此换热器管程，问此时苯通过管程的对流传热系数是多少？ 已知苯的定性温度为60。（3）在水质量流量一定的情况下，现拟采用一个传热面 积与原换热器相同的新换热器，新换热器中换热管长度与原换热器相同，但其内径 只有原换热管的1/2。试问水在该换热器管程的对流传热系数是多少？假设水的定性 温度不变。（4）若水在原换热器管程中流动时的雷诺数为1

7、0000，现欲提高水的出 口温度，拟采用一换热面积为原换热器5倍的列管换热器，该换热器换热管的长度和 内、外径均与原换热器相同（长径比达200），问采用该换热器能将水的出口温度提 高吗？ 化工原理 1414 解：（1）查水和空气在各自定性温度下的物性参数：，Cp，同样质量流量 下空气在换热管内的雷诺数大于水的值，其流动也未湍流，则 空气与水的对流传热系数之比为 则空气的对流传热系数为380W/(m2K) (2) 同理，可以计算出苯的对流传热系数为368.5W/(m2K) 化工原理 1515 （3）两换热器中换热面积相同，即ndl=n dl ,由此可得两换热器换热管根数之比 =2200 W/(m

8、2K) （3）换热面积为原来5倍，换热管尺寸不变，换热管根数应为原来5倍，流通截面积 为原来5倍，流速只有原来的1/5，雷诺数也只有原来1/5为2000，层流，此时传热系 数计算公式发生了变化，计算结果为传热系数只有原来的1/10。 传热面积增加5倍，传热系数（该换热器取决于管程）减小为1/10，新换热器不 仅不能使水的出口温度提高，反而会使其降低。 化工原理 25mm2.5mm的钢管，外包有热导率为0.4W/(m.k)的保温 材料，以减少热损失。已知钢管外壁温度t1=320 ,环境温度 t0=20 。求保温层厚度分别为10mm、20mm、27.5mm、40mm、 50mm、60mm、70mm

9、时，每米管长的热损失及保温层外表面温度 t2。保温层外表面与环境的对流传热系数为100W/(m2.k)，保温 层与钢管接触良好。 通过圆筒壁的热传导速率： 保温层外表面与环境的自然对流传热速率 热传导 1616 化工原理 当热损失达到定态时，每米管长的热损失为 保温层厚 102027.540506070 半径 22.532.54052.562.572.582.5 热阻 0.9410.870.8610.8740.8950.9190.944 热损失 318.8344.8348.4343.2335.2326.4317.8 外表面温 度 2453.188.7158.6123.9105.391.681.

10、2 1717 化工原理 保温层的热传导+保温层外表面的自然对流 导热热阻 自然对流热阻 保温层厚度 r2 保温层并不总是越厚越好，当其半径在小于临界值的范 围内变化时，保温层越厚保温效果越差。 1818 化工原理 1919 1.在通过三层平壁的定态热传导过程中，各层平壁厚度相同， 接触良好。若第一层两侧温度分别为150和100，第三层 外表面温度为50，则这三层平壁的热导率1、2、3之间 的关系为（ ）。 2.一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温 效果应（ ），原因是（）。 3. 由多层等厚平壁构成的保温层中，如果某层材料的热导率 越大，则该层的热阻就越（ ），其两侧的温差就越

11、（ ）。 化工原理 20 4. 在厚度一定的圆筒壁定态热传导过程中，由内向外通过各等 温面的传热速率Q将（ ），由内向外通过各等温面的热通量q 将（ ）。 5. 蒸汽冷凝现象有（ ）冷凝和（ ）冷凝之分；工业 冷凝器都是按（ ）冷凝来设计的；大容积沸腾现象有（ ） 沸腾和（ ）沸腾之分，工业上沸腾传热装置一般是按（ ） 沸腾来设计的。 6. 在对流传热系数的无量纲特征数关联式中， （ ）代表了流 动类型和湍动程度对对流传热的影响；（ ）代表了流体的物 性对对流传热的影响；（ ）代表了自然对流对对流传热的影 响。 化工原理 21 7. 在开发和使用传热系数的时，需要确定的特征物理量是（ ） 、（

12、 ）和（ ）。 8. 水在管内做湍流流动，若使流速提高至原来的2倍，则其对流 传热系数约为原来的（ ）倍；若管径改为原来的1/2，则其对流 传热系数约为原来的（ ）。 9. 在无相变强制传热过程中，热阻主要集中在（ ）；在蒸汽冷 凝传热过程中，热阻主要集中在（ ）。 10. 饱和蒸汽冷凝时，壁温与饱和蒸汽的温差越大，则冷凝传热 系数越( );液体核状沸腾时，壁温与饱和液体的温差越大，则沸 腾传热系数越（ ）。 化工原理 22 11. 计算冷凝传热系数时，关联式中的t是指( )；蒸汽冷凝相 变焓按（ ）温度取，其余物性按（ ）温度取。 12. 通常，蒸汽在水平管外的冷凝传热系数（ ）垂直管外的

13、冷凝传热系数，其原因是（ ）；蒸汽冷凝于水平管束时的传 热系数（ ）冷凝于单根水平管式，其原因是（ ）。 13. 工业上为提供冷凝器冷凝传热效果，在操作时需要及时排 放冷凝器内积存的（ ）和（ ）。 14. 克希霍夫定律的物理含义可以从两方面理解：一是灰体的 （ ）与（ ）之比等于（ ）；二是灰体的（ ）与（ ） 在数值上相等。 化工原理 23 15. 两灰体表面间的辐射传热速率与（ ）、（ ）、（ ）、 （ ）有关。 16. 在高温物体附近设置隔热板是消弱（ ）散热的有效方 法。挡板材的（ ）越低，散热量越小。 17. 通过一换热器，用饱和水蒸汽加热水，可使水的温度有 20升高到80，现发现

14、水的出口温度降低了，经检查水的 入口温度和流量均无变化，则引起出口水温下降的原因可能 有：（ ），（ ），（ ），（ ）。 化工原理 24 18. 比较下列不同情况下列管式换热器平均传热推动力的大小 a: 逆流与并流：两流体均发生温度变化，两种流型下两流体进口温度相同 ，出口温度也相同，则tm并 （ ）tm逆 b：逆流与并流：一次流体恒温，另一侧流体温度发生变化，两种流型下 两流体进口温度相同，出口温度也相同，则tm并 （ ）tm逆； c：逆流与1-2折流：两流体均发生温度变化，两种流型下两流体进口温度 相同，出口温度也相同，则tm1-2折 （ ）tm逆； d：逆流与1-2折流：一次流体恒温，

15、另一侧流体温度发生变化，两种流型 下两流体进口温度相同，出口温度也相同，则tm1-2折 （ ）tm逆 化工原理 25 19、利用水在逆流操作的套管式换热器中冷却某物料，要求热流体的进、 出口温度保持一定。现由于冷却水进口温度升高，为了保证完成任务，采 用提高冷却水流量的办法，则与原来相比，其结果是：换热器的传热速率 （ ）、总传热系数（ ）、对数平均温差（ ）。 20、将列管式换热器由单管程改为多管程是为了（ ），但这可能使（ ）减小，并且（ ）也将增大。通常是在列管式换热器的（ ）内设置（ ）来实现多管程。 21、 工业上使用列管式换热器时，需要根据流体的性质和状态确定其是 走管程还是壳程，一般来说，蒸汽走（ ）；易结垢的流体走（ ）；有 腐蚀性的流体走（ ）；高压流体走（ ）；粘度大流量小的流体走（ ）。 化工原理 26 22、列管式换热器中，用饱和水蒸汽加热空气，则换热管管壁温度接近于 （ ）的温度，而总传热系数接近于（ ）的对流传热系数。 23、 消除列管式换热器热应力的常用方法有三种，即在壳体上加（ ）， 采用（ ）结构或采用（ ）结构。 24、 用冷却水在套管式换热器中将高温气体冷却，水走管内、气体走环 隙。为强化传热，应在内管的（ ）侧装翅片，因为（ ）。 25、为提高列管式换热器壳程传热系数，在壳程上设置了（ ）板和（ ）板。 26、工业上常用的换热器中，