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第三章传热答案


第三章 传热
一、单项选择题(每小题 1 分) 1. 多层平壁定态热传导时,各层的温度降与各相应层的热阻 ( A.成正比 B.成反比 C.没关系 A.管壁热阻; C.管内对流传热热阻; 3.因次分析法的目的在于( )。D B.污垢热阻; D.管外对流传热热阻。 )A D.不确定 ) B。

2.传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时,影响传热过程

的将是(

A.得到各变量间的确切定量关系; B.得到各无因次数群间的确切定量关系; C.用无因次数群代替变量,使实验结果更可靠; D.用无因次数群代替变量,使实验与关联工作简化。 4.流体在圆形直管内作强制湍流时,其对流传热系数与雷诺数 Re 的 n 次方成正比,其中 n 的值为( )。B A.0.5; A.使 α 降低;
-1

B.0.8;

C.1;

D.2。 )。A D.无法确定。 )。C C.没有影响;
-1

5.在蒸汽冷凝传热中,不凝气的存在对 α 的影响是( B.使 α 升高;

6.下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是(

①空气流速为 30 m· 时的 α;②水的流速为 1.5 m· 时的 α;③蒸汽滴状冷凝时的 α; s s ④水沸腾时的 α。 A.③>④>①>②; C.③>④>②>①; B.④>③>②>①; D.③>②>④>①。

7.一定质量的流体在?25× mm 的直管内,作强制的湍流流动,其对流传热系数?i=1000 2.5 -2 -1 W· · ,如果流量和物性不变,改在?19× mm 的直管内流动,其?i 为( )。D m K 2 A.1259 W· -2· -1; m K C.1585 W· -2· -1; m K B.1496 W· -2· -1; m K D.1678 W· -2· -1。 m K

8.圆直管内流体在强制湍流流动时对管壁的对流传热系数为 α1,若流量不变,将管径增加 一倍,则 α2 值为( )。A A.0.287α1 ; B.2α1 ; C.1.74α1 ; D.0.87α1。

9.冷热水通过间壁换热器换热,热水进口温度为 90 ℃,出口温度为 50 ℃,冷水进口温度 为 15 ℃,出口温度为 53 ℃,冷热水的流量相同,且假定冷热水的物性为相同,则热损失占 传热量的( )。A A.5%; B.6%; C.7%; )。B D.8%。 10.关于传热系数 K 下述说法中错误的是(

A.传热过程中总传热系数 K 实际是个平均值; B.总传热系数 K 可用来表示传热过程的强弱,与冷、热流体的物性无关; C.总传热系数 K 随着所取的传热面不同而异; D.要提高 K 值,应从降低最大热阻着手。

1

11. 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,总传热系数应( )。B A.减小; B.增大; C.不变; D.无法确定。 12.利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的进出口温度及流量不变。 今因冷却水进口温度升高,为保证完成生产任务,提高冷却水的流量,其结果使 K( )。C A.不变; B.下降; C.增大; D.不确定。 13.利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的进出口温度及流量不变。 今因冷却水进口温度升高,为保证完成生产任务,提高冷却水的流量,其结果使 Δtm( )。 B A.增大; B.下降; C.不变; D.不确定。 14.冷热流体分别在列管换热器的管程和壳程中流动,若 αi 远小于 αo,则列管的壁温接近 于( )的温度 A A.热流体 B.冷流体 C.冷流体和热流体的平均温度 D.无法确定

15. 在两灰体间进行辐射传热,两灰体间的温度差为 50?C,现因某种原因,两者的温度均升 高 50?C,则此时的辐射传热量与原来的相比,应该 ( )A A. 增大 B. 减小 C. 相等 D. 不确定 16. 在两灰体间进行辐射传热,两灰体间的温度差为 50?C,现因某种原因,两者的温度均降 低 50?C,则此时的辐射传热量与原来的相比,应该 ( )B A. 增大 B. 减小 C. 相等 D. 不确定 17. 两个大的黑体平行放置与任意放置,辐射传热的量( )A A. 相等 B. 平行放置传热量小大于任意放置的传热量 C. 均等于零 D. 平行放置传热量大于任意放置的传热量 18. 下列表述正确的是( )D A. 发生在流体各部分之间的热传递过程均为对流传热过程 B. 热传导仅发生固体物质的各个部分或固体之间 C. 低温物体只能吸收来自高温物体的辐射 D. 对流传热与流体流动状态密切相关 二、填空题(每空 1 分) 1.一般而言,气体的导热系数随温度升高而 。[答:增大] 2.在钢、水、软木之间,保温效果最佳的是__________。[答:软木] 3.在钢、水、软木之间,导热效果最佳的是_________。[答:钢] 4.间壁传热时,各层的温度降与各相应的热阻 。[答:成正比] 。[答:大] 5.多层壁稳定导热中,若某层的热阻最大,则该层两侧的温差最

6. 金属的导热系数一般随温度的升高 而降低 。 7. 工业上用玻璃棉等作为保温材料,利用的是玻璃棉中气体导热系数小 的特点。 8. 工业上用玻璃棉等作为保温材料,利用的是玻璃棉中气体导热系数小的特点。 9.某圆形管道外有两层厚度相等的保温材料 A 和 B,温度分布线如 右图中所示,则 λA ______ λB (填“>”或“<”)。[答:<] 10.某圆形管道外有两层厚度相等的保温材料 A 和 B,当 λA<λB 时, 将______层材料放在里层时保温效果更好。[答: A]

2

11.因次分析法的目的在于

减少变量数目,使关联工作简化

。 。[答:上部]

12.为了在某固定空间造成充分的自然对流,加热器应置于该空间的 13. 流体流经弯管时, 给热系数 增大 度校正系数 ?
μ

。 对于高黏度流体, 当液体、 气体被加热时, 黏 。

可分别取为 1.05 1 书 249 页

14.圆直管内流体在强制湍流流动时对管壁的对流传热系数为 α1,若流体流速增加一倍, 则 α2 值为_____α1。[答:1.74] 15. 当小直径的圆管外包裹性能不良的保温材料时,若保温层的外径为 d,保温层的临界直 径为 dc,则当 d < dc 时,d 增大热损 增大 。 16. 大容器液体沸腾传热分为 自然对流、泡状沸腾、膜状沸腾 三个阶段。 17.冷热流体分别在列管换热器的管程和壳程中流动,若 αi 远大于 αo,则列管的壁温接近 于 的温度。[答:冷流体] 18. 在管壳式换热器中,用饱和蒸汽加热空气,则传热管壁的温度接近 的温度。 19.换热器管程内流体流速的选取,对一般液体取 取 。 [答: u=0.5~3 m·-1;u=5~30 m·-1] s s 20.在设计列管式换热器中,设置隔板以提高 ,气体 饱和蒸汽

程流速,以达到强化传热的目的。[管] 程流速。[答:壳] 程流动。[答:壳程] 。[答: u=0.5~3 m·-1] s

21.在设计列管式换热器中,设置折流挡板,以提高 22.管程内流体流速的选取,对一般液体取

23.在列管式换热器中用水蒸汽冷凝来加热原油,水蒸汽应在

24.化工生产中最常用的载热体(加热剂)为___________。[答:饱和蒸汽] 25.化工生产中最常用的冷却剂为_____________。[答:水] 26. 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,空气出口温度 。[答:下降] 27. 一单程列管换热器,列管管径为 ф 38╳3mm,管长为 6m,管数为 120 根,该换热器以内 表面积计的传热面积为 n3.14dl 72.3 m2。

28.物体黑度在数值上它与同一温度下物体的_________相等。[答:吸收率] 29. 两个大的黑体平行放置与任意放置,辐射传热的量 30. 冷热流体通过间壁两侧进行传热时,过程包括 管壁对外侧流体传热 三个步骤。 相等 (比较大小) 。

内侧流体对管壁传热、管壁热传导、 。

31.传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时,影响传热过程的将是 [答:污垢热阻]

32. 当总传热系数 K 随温度呈非线性变化时,换热器的换热面积可使用 分段计算、图解 积分、数值积分 法计算得到。书 236 页 33. 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,总传热系数应_____。[答:增大] 三、简答题(每小题 5 分,共 25 分) 1.气体、液体、固体的导热系数各有什么特点?
3

答: 导一般而言, 气体的导热系数随温度升高而增大(①分); 对于液体随温度升高而减小(水、 甘油例外) (①分);对于固体,金属的导热系数随温度升高而减小(高合金钢例外) (①分),非 金属的导热系数随温度升高而增大(冰例外) (①分);多数匀质固体: ? = ? 0 ?1 ? ? t ? (①分)。 2.流体在圆形直管中作强制湍流时对流传热系数的计算式 N u ? 0 .0 2 3 R e 件。 答: (1) Re>10000,充分湍流;(①分) (2) 0.7<Pr<120;(①分) (3) 流体是低粘度的(不大于 水的粘度的 2 倍);(①分) (4) 管长/管径=L/d>50,即进口段只占总数的很小一部分,而管 内流动是充分发展的时候。(②分) 3.傅立叶定律 Q ? ? ? A
?t ?n
0 .8

P r 的使用条

b

的物理意义。

答:傅立叶定律是热传导的基本定律(②分),表示传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流 方向的截面积成正比(③分)。 4.热传导、热对流和热辐射。 答:若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 引起的热量传递称为热传导(导热);(①分)热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热 流体质点相互掺混所引起的热量传递;(②分)任何物体,只要其绝对温度不为零度(0 K),都 会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物 体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时,该物体就与外界产生热量的传递。 这种传热方式称为热辐射。(②分) 5. 试述膜状冷凝和滴状冷凝,提出冷凝给热强化措施。垂直短管 水平细管 6. 试述影响冷凝给热的影响因素。 书 258 页。 7.根据 d Q ?
T ? Tw 1 ? Tw ? tw ? tw ? t 1

? ? d Am

,当 αi 较大或较小时,如何估算壁温?

? i d Ai

? o d Ao
T ? Tw Tw ? t

答: 金属壁的热阻通常可以忽略, Tw=tw, 即 于是

?

? o d Ao ? i d Ai

, (②分)若 αi 较大, 则

1

? i d Ai

较小,Tw 接近 T;若 αi 较小,则

1

? i d Ai

较大,Tw 接近 t。(②分)此式表明,传热面两侧温差

之比等于两侧热阻之比,壁温 Tw 必接近于热阻较小或给热系数较大的流体温度。(①分) 8. 什么是黑体、白体和透热体?试分别举 1 个黑体、白体和透热体的实例。黑煤 金属 H2 9. 灰体与黑体的共同点和不同点是?A《1 10. 试述黑体、白体、灰体之间的区别和联系。理想物体 A=1 R=1 D=1 11.总传热系数 K 的倒数的物理意义,它包含了哪几个分热阻? 答:总体热系数 K 的倒数为总热阻(①分)。总热阻包括内层对流给热热阻(①分)、间壁热传 导热阻(①分)、外层对流给热热阻(①分)以及两侧的污垢热阻(①分)。 12.根据热补偿方式的不同,列管换热器有哪几种形式?各有什么特点?书 273 页 四、计算题(每小题 8 分,共 40 分) 1. 在外径为 140 mm 的蒸气管道外包扎保温材料, 以减少热损失。 蒸气管外壁温度为 390℃,
4

保温层外表面温度不大于 40 ℃。保温材料的 λ 可视为常数,为 0.143W· -1· -1。若要求每米 m K -1 管长的热损失 Q/L 不大于 450 W· ,试求保温层的厚度。 m 解:此题为圆筒壁热传导问题,已知:r2=0.07 m,t2=390 ℃,t3=40 ℃ 保温层厚度
ln r3 r2 ? 2 ?? ? t 2 ? t 3 ? Q /L

②分

ln r3 ?

2 ? ? 0 . 143 ?390 ? 40 450

?

? ln 0 . 07

②分



r3=0.141 m ②分 b=r3-r2=0.141-0.07=0.071 m=71 mm ②分

故保温层厚度为

2.外径为 50 mm 的不锈钢管,外包 6 mm 厚的玻璃纤维保温层,其外再包 20 mm 厚的石棉 保温层,管外壁温为 300 ℃,保温层外壁温为 35 ℃,已知玻璃纤维和石棉的导热系数分别 为 0.07 W· -1?K-1 和 0.3 W· -1?K-1,试求每米管长的热损失。 m m 解:
Q L ? 2 ? ? t1 ? t 3 ? 1 ? 2? ? 3 0 0 ? 3 5 ? 1 0 .0 7 ln 62 50 ? 1 0 .3 ln 102 62 ? 3 5 1 .9 W ?m
-1

?1

ln

r2 r1

?

1

?2

ln

r3 r2

3.某液体在一直管内(忽略进口段的影响)稳定强制湍流流动,该管内径为 20 mm,测得其 对流传热系数为?,现将管内径改为 27 mm,并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。若 液体的质量流量保持不变,试问管内对流传热系数有何变化?已知
? ? 0 . 023 ? ? ? du ? ?
d ?? ? ? ? ? ? ?
0 .8

? cp? ?? ? ? ?

? ? 。 ? ?

n

解: 由 得

W 2 ? W 1 , W ? ? V ? ? uA
u2 u1 ? d ? ? ? 1 ? ?d ? ? 2 ?
2

u 2 A 2 ? u 1 A1 ,



? d 2 u 2 ?0 .8
所以
?2 ?1
? d2

? d 1 u 1 ?0 .8
d1
d1 d2 ?d ? ?? 2 ? ? d ? ? 1 ?

?

d1 d2

?d u ? ?? 2 2 ? ? d u ? ? 1 1 ?

0 .8

?

d1 d2

?d ? ?? 2 ? ? d ? ? 1 ?

0 .8

?? d ? 2 ? ?? 1 ? ? ? ? ?? d 2 ? ? ? ?

0 .8

0 .8

?

? d1 ? ? ? ?d ? ? 2 ?

1 .6

? d ? ? ? 1 ? ?d ? ? 2 ?

1 .8

? 20 ? ? ? ? ? 27 ?

1 .8

? 0 . 5826



4. 某炉壁由 200mm 厚的耐火砖,100mm 厚的绝热砖和 6mm 厚的钢板组成。耐火砖火层侧 的温度为 1150℃,钢板的外侧为 30℃。对炉子作精确的热量衡算得出从炉壁向外的热 损失为 900W/m2,已知在耐火砖与绝热砖之间以及绝热砖与钢板之间可能存在薄的空气 层,试问这些空气层相当于多少 mm 厚的绝热砖。已知耐火砖、绝热砖和钢板的导热 系数分别为 1.52、 0.138 和 50.6W/(m?K)。 5.一列管式换热器,由 ?25× mm 的钢管组成。管内为热空气,管外为冷却水。热空气 2.5 与冷却水逆流流动。已知水侧的对流传热系数为 1000 W· -2· -1,热空气侧的对流传热系数 m K
5

为 50 W· -2· -1。试求总传热系数 K,分别用内表面积 Ai,外表面积 Ao 表示。已知钢的导热 m K 系数 λ=45 W· -1· -1, m K 热空气侧污垢热阻 Rai=0.5× -3 m2· W-1, 10 K· 水侧污垢热阻 Rao=0.2× -3 10 2 -1 m· W 。 K· 已知
1 Ki ? 1

?i

? R ai ?

bi d i

? dm

? R ao

di do

?

1 di

? o do



1 Ko 1

?

1 do

? i di
? 1

? R ai

do di

?

bi d o

? dm
? R ao
0 .0 2

? R ao ? di do

1

?o

。 ②分
2 -1

解:以内表面计,内表面用下标 i 表示,则有 所以:
1 Ki ? 1 50 ? 0 .5 ? 1 0
-3

Ki
? 0 .0 0 2 5 45 ? 0 .0 2 0 .0 2 2 5 ? 0 .2 ? 1 0
-3

?i
?

? R ai ?
0 .0 2

bi d i

? dm
1 1000 ?

?

1 di

? o do

?

? 0 .0 3 3 6 m ? K ? W

0 .0 2 5

0 .0 2 5

算得: K i ? 2 9 .7 4 W· -2· -1 m K

③分
1 Ko ? 1 do ? R ai do di ? bi d o ? R ao ? 1

以外表面计,外表面用下标 o 表示,则有 同理算得: K o ? 3 7 .1 7 W· -2· -1 m K ③分

? i di

? dm

?o

6. 一列管式换热器,用饱和水蒸气来预热加入蒸发器的料液,料液的定压比热容为 4.0kJ(k g· k),密度为 1100kg/m3 。料液走管内,饱和水蒸气在管外冷凝,其冷凝温度为 395K。 料液初始温度为 295K。当料液流量为 1.76 ? 10-4m3/s 时,料液在换热器出口的温度为 375K, 而当料液流量为 3.25×10-4m3/s 时的出口温度为 370K。求该换热器的传热面积以及流量为 1.76 ? 10-4m3/s 时的传热系数。假设管内液体的对流传热系数与流速的 0.8 次方成正比, 蒸 2 气冷凝传热系数为 3.4kw/(m · K),并保持不变,管壁与污垢的热阻均可忽略不计。 7. 生产过程中应用列管式换热器,用 0.3MPa(表压)温度为 144℃的蒸汽加热某种气体,使 气体温度从 30℃加热到 70℃,现根据增加生产的要求需将气体的流量提高 20%,试问在加 热蒸汽压力保持不变的情况下,加热后气体的温度为多少度?假设气体在管内湍流。 8. 在一逆流换热器中,将 1.25kg/s 的苯用冷却水从 350K 冷却到 300K,苯的平均定压比热 容为 1.9kJ/(kg?K),水的平均定压比热容为 4.174kJ/(kg?K)。 冷却水入口 290K, 出口 320K。 换热器中采用 ? 25×2.5(mm)的钢管。水走管程,水和苯的对流传热系数分别为 0.85kW/(m2?K)和 1.7 kW/(m2?K),钢管的导热系数取为 50 W/(m?K)可忽略污垢热阻,试 求所需管子总长,并求冷却水消耗量。

6


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