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1、第五章第五章 传热复习与习题传热复习与习题传 热基本概念和基本理论基本概念和基本理论传热是由于温度差引起的能量转移，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：热传导（导热）、热对流（对流）和热辐射。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（给热）；
2、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）；热通量q是指每单位面积的传热速率（W/m2）。一热传导1.导热基本方程傅立叶定律导热系数，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）。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平壁的稳定热传导单层平壁：多层（n层）平壁：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
3、）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。1.圆筒壁的稳定热传导单层圆筒壁： 或 当S2/S12时，用对数平均值，即：当S2/S12时，用算术平均值，即：Sm=（S1+S2）/2多层（n层）圆筒壁：或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，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因是为了减少热损失，降低壁面温度。二、对流传热1.对流传热基本方程牛顿冷却定律对流传热系
4、数，单位为：W/（m2），在换热器中与传热面积和温度差相对应。1.与对流传热有关的无因次数群（或准数）表1 准数的符号和意义准数名称符 号意 义努塞尔特准数 LNu= 含有特定的传热膜系数，表示对流传热的强度雷诺准数 LuRe= 反映流体的流动状态普兰特准数 CpPr= 反映流体物性对传热的影响格拉斯霍夫准数 g t L32Gr= 反映因密度差而引起自然对流状态1.流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数对气体或低粘度的液体气体或低粘度的液体Nu=0.023Re0.8Prn或 Lu Cp =0.023 0.8 n d 流体被加热时，n=0.4；液体被冷却时，n=0.3。定型几何尺寸为管子内
5、径di。定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围为Re10000，Pr=0.7160，(l/d)60。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、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在泡壮沸腾区操作。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。引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的流动。用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系：无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr）自然对流传热
6、 Nu=f（Gr，Pr）强制对流传热 Nu=f（Re，Pr）在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSt，式中t表示为两流体温度差的平均值；S表示为泛指传热面，与K相对应。在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=St，式中t=tw-tm 或 Tm-Tw；S表示为一侧的传热壁面。滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。水在管内作湍流流动时，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 20.8倍。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的40.820.2倍。（设条件改变后，仍在湍流范围）三、间壁两侧流体的热交换间壁两侧流体热交换的传热速率方程式Q=KStm式中K为总传热系数，单位
7、为：W/（m2）；tm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，当t1/t2 2时，tm可取算术平均值，即：tm=（t1+t2）/2基于管外表面积So的总传热系数Ko四、换热器四、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。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t
8、w接近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流传热膜系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。对于间壁换热器m1Cp1(T1-T2)=m2Cp2(t1-t2)=KStm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。1. 蒸汽冷凝液的型态有滴状冷凝和膜状冷凝两种，工程设蒸汽冷凝液的型态有滴
9、状冷凝和膜状冷凝两种，工程设计采用计采用_冷凝。冷凝。2. 大容积的饱和沸腾传热可分为大容积的饱和沸腾传热可分为_、_和和_三个阶段，而在工业生产中常在三个阶段，而在工业生产中常在_阶段操阶段操作。作。3. 在对流传热中，按其产生的原因，可分为在对流传热中，按其产生的原因，可分为_对流与对流与_对流。对流。 4. 在包有二层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导在包有二层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数热系数_（填大，小）的材料包在内层。（填大，小）的材料包在内层。5. 定性温度指定性温度指_。6. 工业上冷热流体的接触方式有工业上冷热流体的接触方式有_， _和和_。 填空题填空题
10、1. 间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻( )A. 成正比成正比 B. 成反比成反比 C. 没关系没关系（答案（答案 A）2. 翅片管换热器的翅片应安装在翅片管换热器的翅片应安装在( )。 A. 小的一侧小的一侧 B. 大的一侧大的一侧 C. 管内管内 D. 管外管外（答案（答案 A） 3. 套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果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）传热系数K应应 A 增大增大 B 减小减小 C 基本
11、不变基本不变 ( ) （2）空气出口温度）空气出口温度 A 增大增大 B 减小减小 C 基本不变基本不变 ( ) （3）壁温）壁温 A 增大增大B 略有减小略有减小 C 基本不变基本不变 ( )（答案（答案 A、B、 C）选择题选择题4. 工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管，其目的是（ ）。）。 A. 增加热阻，减少热量损失增加热阻，减少热量损失; B. 节约钢材、增强美观节约钢材、增强美观 C. 增加传热面积，提高传热效果。增加传热面积，提高传热效果。（答案（答案 C）5. 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的蒸汽冷凝时，膜状冷凝的( )滴状冷凝的滴状冷凝的。A.
12、 等于等于 B. 大于大于 C. 小于小于（答案（答案 C）6. 导热是（导热是（ ）热量传递的主要方式。）热量传递的主要方式。A. 固体中固体中 B. 液体中液体中 C. 气体中气体中（答案（答案 A）7. 热量传递的基本方式是（热量传递的基本方式是（ ）。）。 A. 恒温传热和稳态变温传热恒温传热和稳态变温传热 B. 导热给热和热交换导热给热和热交换 C. 气化、冷凝与冷却气化、冷凝与冷却 D. 传导传热、对流传热与辐射传热传导传热、对流传热与辐射传热（答案（答案 D）8. 湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（要存在于（ ）
13、。）。 A. 流体内流体内; B. 器壁内器壁内; C. 湍流体滞流内层中湍流体滞流内层中; D. 流体湍流区域内。流体湍流区域内。（答案（答案 C）9. 对一台正在工作的列管式换热器，已知对一台正在工作的列管式换热器，已知1116，211600， 要提高传热系数（要提高传热系数（K），最简单有效的途径是），最简单有效的途径是（ ）。）。A. 设法增大设法增大1; B. 设法增大设法增大2;C. 同时增大同时增大1和和2（答案（答案 A）10. 在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，此过程的在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气，此过程的总传热系数总传热系数K值接近于（值接近于（ ）。）。A.
14、蒸汽蒸汽 B. 空气空气 C. 蒸汽与蒸汽与空气的平均值空气的平均值（答案（答案 B）11. 对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（对于沸腾传热，工业生产一般应设法控制在（ ）沸腾下操作。沸腾下操作。 A.核状核状 B. 稳定的膜状稳定的膜状 C. 不稳定的膜状不稳定的膜状（答案（答案 A）12. 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数值（值（ ）。）。 A. 降低降低 B. 升高升高 C. 不变不变 （答案（答案 A）13. 为了减少室外设备的热损失，在保温层外包一层金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，应该选择属皮
15、，一般而言，应该选择_材料。材料。A. 表面粗糙，颜色较深表面粗糙，颜色较深 B.表面粗糙，颜色较浅表面粗糙，颜色较浅 C. 表面表面光滑，颜色较深光滑，颜色较深 D.表面光滑，颜色较浅表面光滑，颜色较浅（答案（答案 D） 1 在定态的多层平壁导热中，若某层的热阻大，则这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。（层的导热温差就小。（ ） 2 保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（保温材料应该选用导热系数小的绝热材料。（ ）3 强化传热过程最有效的途径是增大传热面积。强化传热过程最有效的途径是增大传热面积。 （ ）4 自然对流主要受温度引起的流体密度变化的影响。自然对流主
16、要受温度引起的流体密度变化的影响。 （ ）5 辐射传热与传导传热和对流传热的主要差别在于辐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。射传热可以在真空中传播。 （ ） 6 辐射能力强的物体其吸收能力也强。辐射能力强的物体其吸收能力也强。 （ ） 7 物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率。物质的黑度在数值上等于该物体对辐射能的吸收率。 （ ） 判断题判断题1). 在内管为在内管为18910mm的套管换热器中，将的套管换热器中，将流量为流量为 3500kg/h的某液态烃从的某液态烃从 100冷却到冷却到60，其平均比热，其平均比热 CP烃烃=2.38kJ/kg.，
17、环隙环隙走冷却水，其进出口温度分别为走冷却水，其进出口温度分别为40和和50，平均比热平均比热p水水4.17kJ/kg.，基于传热外面，基于传热外面积的总传热系数积的总传热系数K0=2000W/m2, 设其值恒设其值恒定定, 忽略热损失。试求：忽略热损失。试求： A)冷却水用量；冷却水用量；B)分分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差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。及所需管长。 解：冷却水用量 h P h (1 -2 )c P c (2 -1 ) 35002.38(100-60)c 4.17(50-40) c 7990Kg/h 逆(50-20)(50/20)32.75
18、并(60-10)(60/10)27.93 m 79904.17(50-40)=3.3325KJ/h 逆3.3325/(2000/1000)32.7536001.41 (m2) 0 L1.41 3.140.18L1.41 L逆2.5 (m ) 并3.3325/(2000/1000)27.9336001.66 (m2) 3.140.18L并1.66 L并2.93 (m ) 2）用平板法测定材料的导热系数，其主要部件为被测材料构成的平板，其一侧用电热器加热，另一侧用冷水将热量移走，同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2，厚度为0.01m。测量数据如下：电热器材料的表面温度
19、 安培数 A伏特数 V高温面低温面2.82.314011530020010050试求：该材料的平均导热系数。如该材料导热系数与温度的关系为线性：，则0和a值为多少？ 3）通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分别为500、400、200和100，试求合平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。4）382.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 50第一层是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
20、度？解：r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r11 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r22 = 0.0690.01 = 0.079 m0 = 45 W/(m)W/m 即 t2 = 41.8 5）水流过603.5mm的钢管，由20被加热至60。已知，水流速为1.8m/s，试求水对管内壁的给热系数。6）某列管换热器，用饱和水蒸汽加热某溶液，溶液在管内呈湍流。已知蒸汽冷凝给热系数为104 W/(m)，单管程溶液给热系数为400W/(m)，管壁导热及污垢热阻忽略不计，试求传热系数。若把单管程改为双管程，其它条件不变，此时总传热
21、系数又为多少？热阻分配：污垢：管外：管内：管壁： = 0.01010 m2/W W/( m2) ， = 0.01521 m2/W W/( m2)7)9)10) 120饱和水蒸汽将空气从20加热至80，空气流量1.20104kg/h。现有单程列管换热器，252.5mm钢管300根，管长3m，0 = 104W/(m2)，污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。解：50空气， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)， = 0.02824W/(m) = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s10000W/(m2)0i Ki = i = 124.5 W/(m2
22、)Q = WcCpct = 1.00560 = 201 kJ/stm = Q = KiAitm 即 201103 = 124.5Ai65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = ndiL 即 24.6 = 3000.020L L = 1.31 m3 m 满足要求 11）一套管换热器，用热柴油加热原油，热柴油与原油进口温度分别为155和20。已知逆流操作时，柴油出口温度50，原油出口60，若采用并流操作，两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同，试问并流时柴油可冷却到多少温度？12）一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为55和115。并流操作时，冷、热流体的出口温度分别为75和9
23、5。试问逆流操作时，冷、热流体的出口温度分别为多少？假定流体物性数据与传热系数均为常量。13）一列管换热器，管外用2.0105Pa的饱和水蒸汽加热空气，使空气温度从20加热到80，流量为20000kg/h，现因生产任务变化，如空气流量增加50%，进、出口温度仍维持不变，问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务？14）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20加热到80，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为200根，长度为6m，管子规格为383mm。现因生产要求需要设计一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格改为191.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少米？
