1、第四章第四章 传热过程及换热器传热过程及换热器 习习 题题 课课1.1.重点内容重点内容（1 1）热传导速率方程及其应用热传导速率方程及其应用（单层、多层平壁热传导速率方（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程，单层、多层圆筒壁热传导速率方程及其应用）；）；（2 2）对流传热系数对流传热系数的影响因素的影响因素（3 3）传热过程传热过程的计算的计算（4 4）总传热速率方程和总传热系数的总传热速率方程和总传热系数的计算；计算；2.2.难点内容难点内容（1 1）总）总传热速率方程；传热速率方程；（2 2）因次分析法在建立对流传热系数关联式的应用；影响对流传）因次分析
2、法在建立对流传热系数关联式的应用；影响对流传热系数的因素及不同情况下的几种准数关联热系数的因素及不同情况下的几种准数关联式；式；（3 3）传热单元数法的概念）传热单元数法的概念及工程及工程的应用（操作型的传热的应用（操作型的传热计算）计算）（4 4）换热器的结构型式和强化途径。）换热器的结构型式和强化途径。1、传导传热、传导传热 2、对流传热、对流传热 3、辐射传热、辐射传热 1 1、傅立叶定律、傅立叶定律dxdTA金属金属 液体液体 气体气体2 2、平壁热传导、平壁热传导单层单层多层多层RTATT21niiinATT1113 3、圆筒壁热传导、圆筒壁热传导单层单层多层多层）（）（1221ln
3、2rrTTLniiiirrTL11ln12T=T1Tn+11 1、牛顿冷却定律、牛顿冷却定律)(WTThA2 2、表面表面传热系数传热系数h h的计算的计算直直管内强制对流管内强制对流湍流湍流层流层流过渡流过渡流液体的沸腾液体的沸腾1.1.传热总方程传热总方程221111AhAAhtTKA t总阻力总推动力RtRtii1 12211h AAh AR2.2.传热系数传热系数K K单层平面壁单层平面壁21111hhK1 122111h AAh ARKA单层圆筒壁面单层圆筒壁面2211111AhAAhmKA22112121hAAAhAmK 2111121hRRhKhih 122112121212ln
4、lnmttTTtttttTttT 122112121212lnlnmttTTtttttTttT ldAnTKAmm管数：面积：一、填空一、填空(1)(1)用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K K接近于接近于 侧的对侧的对流传热系数，而壁温接近于流传热系数，而壁温接近于 侧流体的温度值。侧流体的温度值。(2)(2)热传导的基本定律是热传导的基本定律是 。间壁换热器中总传热系。间壁换热器中总传热系数数K K的数值接近于热阻的数值接近于热阻 （大、小）一侧（大、小）一侧的的h h值值。间壁换热器。间壁换热器管壁温度管壁温度tW接近接近于于h值值 （大、小）一侧的流体温度
5、。（大、小）一侧的流体温度。(3)由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数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愈大，则该壁面的热阻愈大，则该壁面的热阻愈 ，其两侧的温差愈，其两侧的温差愈 。(4)(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 ，减少热阻的最有效措施是减少热阻的最有效措施是 。习习 题题一、填空一、填空(1)(1)用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K K接近于接近于空气空气 侧的侧的对流传热系数，而壁温接近于对流传热系数，而壁温接近于饱和水蒸汽饱和水蒸汽侧流体的温度值。侧流体的温度值
6、。(2)(2)热传导的基本定律是热传导的基本定律是傅立叶定律傅立叶定律。间壁换热器中总传热系。间壁换热器中总传热系数数K K的数值接近于热阻的数值接近于热阻大大（大、小）一侧的（大、小）一侧的 值。间壁换热器值。间壁换热器管壁温度管壁温度tWtW接近于接近于 值值大大（大、小）一侧的流体温度。（大、小）一侧的流体温度。(3)(3)由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数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，则该壁面的热阻愈愈大，则该壁面的热阻愈小小，其两侧的温差愈，其两侧的温差愈小小。(4)(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在在无相变的对流传热过程中，热阻
7、主要集中在 滞离层滞离层内（或热边界层内），内（或热边界层内），减少热阻的最有效措施是减少热阻的最有效措施是 提高流体提高流体湍动程度湍动程度。，（6)6)在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括 、和和 三个阶段。实际操作应控制在三个阶段。实际操作应控制在 。在这一阶段内，传热系数。在这一阶段内，传热系数随着温度差的增加而随着温度差的增加而 。(7)(7)传热的基本方式有传热的基本方式有 、和和 三种。热传导的基三种。热传导的基本定律是本定律是其表达式为其表达式为dQdQ=。(8)(8)导热系数的单位为导热系数的单位为 ，对流传热系数的单位，对流传热系数的单位为为 ，总传
8、热系数的单位为，总传热系数的单位为 。(6)(6)在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括自然对流自然对流 、泡泡核沸腾核沸腾和和膜状沸腾膜状沸腾三个阶段。实际操作应控制在三个阶段。实际操作应控制在泡核沸泡核沸腾腾。在这一阶段内，传热系数随着温度差的增加而。在这一阶段内，传热系数随着温度差的增加而增加增加。(7)(7)传热的基本方式有传热的基本方式有传导传导、对流对流和和辐射辐射三种。热传导三种。热传导的基本定律是的基本定律是傅立叶定律傅立叶定律 其表达式为其表达式为 dQ=-dQ=-dAdt/ddAdt/d。(8)(8)导热系数的单位为导热系数的单位为W/W/（mm），对
9、流传热系数，对流传热系数的单位为的单位为W/W/（m2m2），总传热系数的单位为，总传热系数的单位为W/W/（m2m2）。1 1热传递的基本方式是：传导、（热传递的基本方式是：传导、（）、辐射。）、辐射。A A 对流；对流；B B 流动；流动；C C 传递；传递；D D 透热透热2 2物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电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（子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为（）。）。A A 热传导；热传导；B B 热传递；热传递；C C 热放射；热放射；D D 热流动。热流动。3 3物质导热系数的顺
10、序是：（物质导热系数的顺序是：（）。）。A A金属一般固体液体气体；金属一般固体液体气体；B B金属液体一般固体气金属液体一般固体气体；体；C C金属气体液体一般固体；金属气体液体一般固体；D D金属液体气体一般固金属液体气体一般固体。体。A A、A A、A A、二、选择二、选择4 4在管壳式换热器中，不洁净和易结垢的流体宜走管内，因在管壳式换热器中，不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内（为管内（）。）。A A 清洗比较方便；清洗比较方便；B B 流速较快；流速较快；C C 流通面积小；流通面积小；D D 易于传热。易于传热。5 5在管壳式换热器中，被冷却的流体宜走管间，可利用外壳在管壳式换
11、热器中，被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，（向外的散热作用，（）。）。A A 以增强冷却效果；以增强冷却效果；B B 以免流速过快；以免流速过快；C C 以免流通面积过小；以免流通面积过小；D D 以免传热过多。以免传热过多。6 6有一套管换热器，环隙中有有一套管换热器，环隙中有119.6119.6的蒸气冷凝，管内的空的蒸气冷凝，管内的空气从气从2020被加热到被加热到5050，管壁温度应接近（）。，管壁温度应接近（）。A 20A 20；B 50B 50；C 77.3C 77.3；D 119.6D 119.6。A、A、D三、简答三、简答 1 1热传递有哪几种基本方式？热传递有哪几
12、种基本方式？热传导、对流、辐射。热传导、对流、辐射。2 2各种传热方式相比较，热传导的主要特点是什么？各种传热方式相比较，热传导的主要特点是什么？在热传导中，物体各部分之间不发生相对位移。在热传导中，物体各部分之间不发生相对位移。3 3各种传热方式相比较，对流的主要特点是什么？各种传热方式相比较，对流的主要特点是什么？对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。4 4流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在何处？流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在何处？热阻主要集中在紧挨固体壁面处的层流底层内。热阻主要集中在紧挨固体壁面处的层流底层内。5
13、 5强化对流传热的主要途径是什么？强化对流传热的主要途径是什么？提高流体的湍动程度，减小层流底层的厚度。提高流体的湍动程度，减小层流底层的厚度。6 6在一套管换热器中，若两流体的进、出口温度不变，在一套管换热器中，若两流体的进、出口温度不变，应选择并流换热还是逆流换热？为什么？应选择并流换热还是逆流换热？为什么？应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较大，可以节省换热面积。大，可以节省换热面积。7 7在设计换热器时，如何安排不洁净和易结垢的流体在设计换热器时，如何安排不洁净和易结垢的流体的流径（管内或是管间）？简述理由。的流径（管内或是管间）？简述理由。
14、走管内，因为管内清洗比较方便。走管内，因为管内清洗比较方便。四计算：四计算：1.在一间壁式换热器中，用裂化渣油来加热原油。裂化渣油的在一间壁式换热器中，用裂化渣油来加热原油。裂化渣油的初温为初温为300,终温为终温为200，原油的初温为，原油的初温为25，终温为，终温为150,分别求出并流与逆流操作时的对数平均温度差。分别求出并流与逆流操作时的对数平均温度差。解：（解：（1）并流）并流 t1=300-25=275,t2=200-150=50 t tm m=(275-50)/=(275-50)/lnln(275/50)=131.98(275/50)=131.98 （2 2）逆流逆流 t t1 1
15、=300-150=150=300-150=150,t t2 2=200-25=175=200-25=175 t tm m=(175-150)/=(175-150)/lnln(175/150)=162.8(175/150)=162.8 2一套管式换热器管内流体的对流传热系数一套管式换热器管内流体的对流传热系数i=20 W/（m2），管间流体的对流传热系数），管间流体的对流传热系数0=350 W/（m2）。）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数系数K分别相应增加多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，分别相应增加多少？
16、（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）管壁厚度按薄壁管处理）解：原流动情况解：原流动情况 m2/W K=18.92 W/m2 （1）管内对流传热系数增加一倍）管内对流传热系数增加一倍=220=40 W/m2 K=35.9 W/m2 （35.9-18.92）/18.92=89.75%（2）管外对流传热系数增加一倍）管外对流传热系数增加一倍=2350=700 W/m2 K=19.44 W/m2 （19.44-18.92）/18.92=2.75%3.3.在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为口温度分别为2020和和
17、110110。在换热器使用的初期，冷却水。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为及空气的出口温度分别为4545和和4040，使用一年后，由于，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至况下，冷却水出口温度降至3838，试求：，试求：（1 1）空气出口温度为）空气出口温度为多少？多少？（2 2）总传热系数为原来的多少倍？）总传热系数为原来的多少倍？（3 3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（变，冷
18、热流体的出口温度各为多少？（水水 空气）空气）（4 4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？为多少？解：解：使用初期使用初期 使用一年后使用一年后 110 40 110 110 40 110 45 20 38 20 45 20 38 202T（1 1）空气出口温度）空气出口温度题意可得：使用初期题意可得：使用初期 2TmphhpcctKSTTCWttCWQ)()(2112 使用一年后使用一年后 mphhpcctKSTTCWttCWQ)()(22112两式相比得：两式相比得：)2045()2038()40110()110(2T则：
19、则：=59.6=59.62T（2 2）总传热系数）总传热系数 KK/CtCtTtTtTtTtmm2.546.3972ln6.3972206.5938110ln)202.59()38110(2.342065ln2065ln)()(122112212.382.54)2045()2038(KK%50.0KK（3 3）冷热流体的出口温度）冷热流体的出口温度 22Tt 及一年后：一年后：mphhpcctSKTTCWttCWQ)()(2112mphhpcctSKTTCWttCWQ )()(2211220110ln)20()110(2.5412038)20(26.59110110222222 TtTtKKt
20、T两式相比得：两式相比得：22179.06.39Tt 又因又因 空气水空气K1 空空KK20110ln)20()110(2.54196.59110)20()110(222222 TtTttT2.544.4120110ln22 Tt22153Tt Ct 4.292CT 5.572（4 4）冷却水流量加大后：）冷却水流量加大后：Ctm 3.565.376.80ln5.376.80205.574.29110ln)205.57()4.29110(04.12.543.56 mmttQQ4.4.有有一换热器，管内通一换热器，管内通9090的热流体，膜系数为的热流体，膜系数为11001100，管外有某，管外
21、有某种液体沸腾，沸点为种液体沸腾，沸点为5050，膜系数为，膜系数为58005800。试求以下两种情况下。试求以下两种情况下的壁温：（的壁温：（1 1）管壁清洁无垢）管壁清洁无垢 ；（；（2 2）外侧有污垢产生，污垢热）外侧有污垢产生，污垢热阻为阻为0.0050.005解：忽略管壁热阻解：忽略管壁热阻，当，当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：可得：2111tTTTww58001501100190wwTTCTw4.5602111RtTTTww005.058001501100190wwTTCTw 84 由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。
