化工原理传热习题及答案汇总.docx
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化工原理传热习题及答案汇总
化工原理习题及答案
第五章传热
姓名班级学号成绩
一、填空题：
1.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层，以减少热损失，若容器外表温度为500C,而
环境温度为20C,采用某隔热材料,其厚度为240mm,入=0.57w.m.K,此时单位面积的热损失为。
（注：
大型容器可视为平壁）
***答案1140w
2.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层，以减少热损失，若容器外表温度为500C,而
环境温度为20C,采用某隔热材料,其厚度为120mm,入=0.25w.m.K,此时单位面积的热损失为。
（注:
大型容器可视为平壁）
***答案***1000w
3.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层，以减少热损失，若容器外表温度为150C,而
环境温度为20C,要求每平方米热损失不大于500w,采用某隔热材料，其导热系数入
=0.35w.m.K,则其厚度不低于。
（注:
大型容器可视为平壁）
***答案***91mm
4.
（6分）某间壁换热器中，流体被加热时，圆形直管内湍流的传热系数表达式为
a=3.81（kw.m.K）
5.（6分）某间壁换热器中，流体被加热时，圆形管内湍流的传热系数表达式为
.当管内水的流速为0.5m.s吋，计算得到管壁对水的传热系数a=2.61（kw.m.K）.若水的其它物性不变，仅改变水在管内的流速，当流速为1.2m.s[1寸,此时传热系数a=.
***答案***a=0.023（入/d）RePr
a=5.26（kw.m.K）
6.（3分）牛顿冷却定律的表达式为，给热系数（或对流传热系数）a的单位是
进出•口温度为20C和45C，此时传热平均温度差厶t
32.5
***答案N-a1/入,对流传热过程几何尺寸对a的影响。
13.（4分）稳定热传导是指不随时间而改变。
***答案***传热系统中各点的温度仅随位置变
14.（2分）两流体的间壁换热过程中，计算式QJ=a.A.A表示为。
***答案***a一侧的换热壁面
15.
（2分）在两流体通过圆筒间壁换热过程中，计算式Q=KA△t中,A表示为
4.（2分）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；B.节约钢材、增强美观；
C.增加传热面积，提高传热效果。
液由20C加热到80C，该换热器的平均传热温度差△t>'ji
A.-60/ln2.5;B.60/ln2.5;C.120/ln5
***^答***b
6.（2分）将1500kg.h
；80C的硝基苯通过换热器冷却到40C，冷却水初温为30C,
出口温度不超过35C，硝基苯比热为1.38kJ.kg.K•疋枚热潤阳M：
肓人1、）。
7.（2分）对流传热是由（）因素产生的。
A.流体分子的热振动；B.流体体内电子的移动
C.流体质点的位移、扰动。
8.（2分）法定计量单位中，属于国际热量计算单位的是（）。
A.kw;B.kcal;C.J
C.气化、冷凝与冷却；D.传导传热、对流传热与辐射传热
答案***D
10.
（2分）在比较多的情况下，尤其是液-液热交换过程中，热阻通常较小可以忽略不计的是（）。
12.（2分）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（A.流体内；B.器壁内；C.湍流体滞流内层中；
D.
a二11600w.m
流体湍流区域内。
13.（2分）对一台正在工作的列管式换热器，已知a二116w.m.K
.K
:
要据髙传抱系数
fK）,
最简单有效的途径是（
）
A.
设法增大a；
B.
设法增大a；
C.
同时增大aa
0
^答***
A
14.（2分）用饱和水蒸汽加热空气时，传热管的壁温接近（）
A.蒸汽的温度；B.空气的出口温度；C.空气进、出口平均温度
20.（2分）强化传热的主要途径是（
A.增大传热面积B.提高
答案***B
三、判断题：
1.（2分）凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。
***^答***x
2.（2分）传导和对流传热的传热速率与温度的一次方之差成正比，而辐射的传热速率与温度的四次方之差成正比。
（）
***^答***V
3.（2分）凡稳态的园筒壁传热过程，单位时间单位面积所传递的热量相等。
***^答***x
4.（2分）热量传递过程的规律与流体流动过程相似，流速越大，则其过程的阻力越大。
（）
***^答***x
5.（2分）当保温材料的厚度加大时，内外壁面的总温度差增大，总的热阻也增大，总推动
力与总阻力之比为定值，即导热速率不变。
（）
***^答***x
6.（2分）多层平壁导热过程中，传热总推动力为各壁面温度差之和。
***^答***V
7.（2分）无相变的折，错流换热器，其平均温度差厶t邯亡逆玮E寸为小。
〔）
***^答***V
8.（2分）换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。
***^答***V
9.
）,
（2分）导热系数是物质的一种物理性质（
***^答***V
10.（2分）在列管换热器管间装设了两块横向折流档板，则该换热器变成为双壳程的换热器（）
20.
（2分）强化传热的途径主要是增大传热面积（
答案***X
四、简答题：
1.（8分）在化工生产中，传热有哪些要求？
^答***
传热一般有两方面的要求：
、尽量使传热情况良好，即要求高的传热效率，以减少设备尺寸;
、尽量避免传热，即保温或保冷。
（2分）付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。
答案***X
1
2
2.（10分）传导传热，对流传热和辐射传热，三者之间有何不同？
***^答***
传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。
对流传热则是流体质点发生相对位移来传递热量，辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间发射能量来传递热量。
3.（10分）试述对流传热的机理？
***^答***
热流体流过管道时，在湍流主体中，流体剧烈拢动，形成漩涡，使质点强烈混合而交换热量，温度较均匀，几乎不存在温度梯度；但在紧靠管壁，有一层很薄的作层流流动的流体层（层流底层），在这层薄层内，热量传递以导热方式进行，从微观上言，是靠分子传递。
由于流体的导热系数很小，故热阻丝要集中层流底层内。
对管内层流流动，热量传递也是主要靠导热。
但由于温度存在（轴向的，径向的），有密度差，会引起质点的对流，比较复杂。
4.（8分）强化传热过程应采取哪些途径？
***^答***
根据q=K.A.△t,指任一个K、A、At
（2）增大
!
t
（1）增加传热面积，如在管内外壁装上翅片，采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；
传热温差厶t,因为当TT
温差△t最大；
（3）提高传热系数K由
K=1/（1/a—1/a+》（3/入门
由单层改为多层，或在壳程中增设档
（强化圈）在列管换热器中可，还可
提高a\a陆,都能强化传热，要提高板，对于蛇管中，加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物采用导热系数大的流体作载热体。
5.（4分）传热有哪几种方法？
各有何特点？
试就锅炉墙的传热分析其属哪些传热方式
***^答***
传导、对流、辐射
导热一一分子原位振动，电子定向流动。
对流流体质点流动与混合。
锅炉壁为导热，外壁对烟气为对流，火焰和炉墙的热辐射。
6.（4分）为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作？
***^答***
操作可以获得较大的平均传热温度差，从传递相同热负荷言，须较小的传热面积，节省设备费用。
此外，逆流热流体出口温度Tt
言，需加热剂少；同样，就冷流体而言，逆流体出口温度tT!
对相同热负荷言，需要冷却剂少，故对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑，逆流操作费小。
7.（4分）什么是稳定传热和不稳定传热？
***^答***
在传热过程中，传热面上各点的温度不随时间变化，称为稳定传热。
稳定传热时，传热速率为定值。
反之，若传热面上各的温度随时间而变，则为不稳定传热。
不稳定传热时，传热速率也
随时间而变。
8.
〕和ft.檢II7?
p=700kg.m
（5分）导热系数受哪些因素影响？
现有建筑砖（p=1800kg.m
?
***^答***
组成
结构
温度
11.（4分）说明流体流动类型对给热系数的影响。
***^答***
当为湍流时，传热是
流体为层流时，传热是以导热方式进行的。
则此时给热系数较小。
以对流方式进行的，此时给热系数增大。
所以流体的传热，多在湍流情况下进行。
12.（6分）给热系数受哪些因素影响？
***^答***
流动类型：
湍流时的给热系数大。
流体的物性：
粘度□、密度P、比热Cp,导热系数
入均对给热系数有影响。
传热面的形状、大小和位置：
管子的排列、折流都是为了提高给热
系数。
流体的对流情况，强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有
相变a大。
分析a=0.023入/d.Re.Pr乜i]'以回答卜.绷问題:
:
13.（3分）提高传热系数时，为什么要着重提高给热系数小的这一侧？
***^答***
当忽略金属壁面的导热热阻时，
1/K=1/a+1/a=（a+a）/（a、、
若a>>a,则a+a空a二K~a
即K接近a小的数值。
14.
（4分）说明列管式换热器的基本结构。
:
^答***
由壳体、管束、管板、封头等组成。
15.
（4分）试比较各类常用热交换器的优缺点。
:
^答***
略
（6分）有以下传热公式A.Q=入.A.（t
B.Q=aA（T-T）
回答下列问题：
（1）在什么传热情况下，可利用以上公式进行计算？
（2）写出以上公式中，热阻的表达式
***^答***
A为物质内部传导的传热
（1）A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。
公式速率计算。
公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。
（2）A式:
R=S/入或R=S/AX入
B式：
R=1/a或R=1/aXA
17.（8分）换热器的散热损失是如何产生的？
应如何来减少此热损失?
答案
由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度，外壁面不断通过对流和辐射传将
热量传给换热器周围的空气而散失，即产生散热损失。
为了减少散热损失，一般在换热器外
壁面上包上一层（或两层）导热系数较小的绝热材料（或不同的两种导热系数较小的绝热材料）,使传热热阻增大，外壁面温度降低，从而减小了散热损失。
18.（6分）列管换热器由哪几个基本部分组成？
各起什么作用？
主要由壳体、管束、管板和顶盖（又称封头）等基部分组成。
壳体和管束作为冷热两流体的流动空间，通过管壁进行换热。
管束安装在管板上，通过管板使管束与壳体连成一体。
顶盖（封头）上有管程流体进出口，且有分程、密封，封头可拆卸，便于管子清洗等作用。
19.（8分）当间壁两侧流体稳定变温传热时，工程上为何常采用逆流操作？
并简要定性分析主要原因。
答案
因为逆流操作有较高的经济效益。
主要原因可由以下两方面分析：
（1）当TTttt
Q=KA\t,当K、A一定时，△t'忠Qf,对现有的换热器来说，可提高生产能力。
当QK一定时，△t“训AJ,对生产能力要求一定时，新设计制造换热器由于A较小，设备
尺寸可减小，节省投资费。
（2）一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。
逆流操作时，载热体用量比其它流向的要小，降低能耗，提高了经济效益。
20.（8分）有一高温炉，炉内温度高达1000C以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定
性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。
I///Z////777
/炉内/
/t内>100012/
炉壁
炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。
在炉壁内通过传导传热，它与炉内对流与辐射传热相串联。
炉外通过对流与辐
将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联，所以该
（1）传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；
（2）并联、串联的联合
本题目有题图：
titu185.bmp
将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，射并联联合传热，传热过程的特点是：
传热同时存在。
五、计算题：
1.
100mm的蒸汽管外包一层厚80mm导热系数为入w.m.K爪哟缘材料,
每米管长的热损失为Qw.m,试求绝热层外壁温度t
（8分）外径为管外壁温度为t热层接触良好）
Q=2n入（t1-t2）/ln（r2/r1）/•t2=t1-QIn（r2/r1）/（2
=t1-Q/入[ln（0.13/0.05）/（2X3.14）
绝热砖和普通砖组成，它们的导热系数分别为
],为使炉内壁温度保持1000C,每平方米炉壁的热损失
10cm,炉外壁温度为83C,求：
耐火砖和绝热砖厚度各为
?
（假设绝热砖与耐火砖交界面温度为800C）
=t1-0.152Q/入
2.（14分）某平壁炉的炉壁由耐火砖
1.163,0.233和0.582[w.m.K控制在930w以下，若普通砖厚度取为多少？
绝热砖和普通砖交界面温度t
b2跨过耐火砖的热通量为
设耐火砖厚度b1,绝热砖厚度q=（t1-t2）/（b1/入1）
•••b1=入1（t1-t2）/q=1.163（1000-800）/930=0.25m
跨过三层砖的热通量为：
q=（t1-t4）/[（b1/入1）+（b2/入2）+（b3/入3）]
b2=[（t1-t4）/q-b1/入1-b3/入3]入2
=[（1000-83）/930-0.25/1.163-0.1/0.582]X0.233=0.14m,
跨过普通砖的热通量：
=t3-t4/b3/入3,
t3=q.b3/入3+t4=930X0.1/0.582+83=243C
3.（15分）在内管为$180X10mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h闾某液态佥从100C冷却到60C,其平均比热为2.38kJ.kg.K,环隙走冷却水，其进出口温度分别为40C和
K,基于传热外面积的总传热系数K=2000w.mK,且保
:
（1）冷却水用量；
（2）计算两流体为逆流和并流情况下
50C,平均比热为4.174kJ.kg持不变.设热损失可以忽略。
试求的平均温差及管长。
***^答***
冷却水用量：
[T.T.）—W
wc
3500X2.38X（100-60）•••W二7982kg.h
△t迫一I50-20）/
△t\〔60—10）/
Q=KA^tQ
A逆=333200X10
=WX4.174X（50—40）
1n（50/20）=32.75
1n（60/10）=27.9
=333200kJ.h
/
（2000X32.75X3600）=1.41m
X0.18Xl=1.41
nd=1.413.14
••l=2.5m
A并=333200X10/
3.14X0.18Xl=1.66
••l=2.93m
4.（15分）已知一外径为75mm内径为55mm的金属管，输送某一热的物流，此时金属管内表面温度为120C,外表面温度为115C，每米管长的散热速率为系数。
为减少该管的热损失，外加一层石棉层（导热系数为外表面温度为10C,而每米管长的散热速率减少为原来的棉层接触面处的温度。
***^答***
⑴Q/L=2n（120-115）/[1/入（In（75/55））]=4545
（1/入）ln（75/55）=2X3.14（125-115）/4545=0.00691
入=44.9w.m.K
⑵设外加石棉层厚度为3
则:
Q'/L
=2X3.14（120-10）/{（1/44.9）[In（75/55）]+（1/0.15）In（75+2
=4545X0.0387=175.9w.m
（2000X27.9X3600）=1.66m
4545w.m,求该管材的导热
0.15w.m.K「比时•仃柏J
3.87%,求石棉层厚度及钢管和石
S）/75}
3）/75]}
690.8=175.9{0.00691+（1/0.15）In[（75+2
解得：
3=30mm（石棉层厚度）
⑶设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'
则:
2X3.14（120-t2'）/[（1/44.9）In（75/55）]=175.9
解得：
t2'=119.8C
5.（12分）$120X5mm的蒸汽管外拟包一层保温材料，其导热系数为0.07w.m.K
蒸汽管的内壁温度为110C,管壁导热系数为45w.m.K
20C,每米蒸汽管的热损失控制在60w以下，试计算保温层的最小厚度。
***^答***
按多层圆筒导热
q=It
/（ln（r/r丨/（2n
）/（2n入'}）
二0.055m,r二0.06+
入j-In（I'/r
将r二0.06m,r
入二0.07w/（m•K）,入二45w/（m•K）,q
t110C,t二20C代入上式
60=（110-20）/（ln（0.06心055）/（2nX45）+ln（r
X0.07））
=90/（0.00031+（lnr+2.813）/0.4398）
解得r二0.116m,
S=0.116—0.06=0.056m=56mm
注：
本题可简化不计管壁热阻。
6.（20分）某列管换热器，用100C水蒸汽将物料由
二60w/m
/0.06）/（2n
20C加热至80C,传热系数K=100w.m
70C,现欲
.K,由于污垢的影响，在相同操作条件下物料出口温度仅为
使物料出口温度仍维持80C,问加热蒸汽温度应取何值？
***^答***
原：
W
△t
半年后：
△t
（2）/
i80—20）=KAAt……
（1）
（80—20）/ln（80/20）=43.28C
WC[70—20）
=180—30）/ln
（1）得:
=KAAt……
（2）
（80/30）=50.98C
（70—20）/（80—20）=K
=（K
.K
KA△t二KAAt/K二100X
=61.17
二〔［T—20）-（T—80））
=61.17
•••60/61.17=ln（T—20）/
•••2.667=（T—20）/（T—80）
T=115.8C
7.（16分）在一套管换热器中用水逆流冷却某种溶液，溶液量为1.4kg.s,比热为2kJ.kg
.K,走内管（规格为$25X2.5mm）,从150C冷却到100C。
冷却水走套管环隙，从25C
升温至60C,水的比热为4.18kJ.kg
.K,冷却水一侧的对流传热系数为求以传热外表面积为基准的总传热系数面积和管长。
***^答***
溶液放热
=1.4
1/K=d
△t/（KAtj
/100）X50.98/43.28
K二70.75w.m
保持原生产能力，即
△t二心t
43.28/70.75
C
/ln（T-20）/（T-80）
（T—80）
:
:
1.已知溶液一侧的对流传热系数为1160w.m
930w.m.K,忽略管壁和污垢的热阻及热损失，
K和冷却水的用量（kg.h）。
2.计算内管的外表
/（
=0.025/（1160
K=464w.m
Q=msCpAT=1.4X2X10X（150-100）
X10w
d）+1/a
X0.02）+1/930=2.15X10
.K
冷却水用量ms'=Q/[Cp'（t2-t1）]
=1.4X10/[4180（60-25）]
=0.957kg.s=3445kg.h
△tm=[（150-60）-（100-25）]/ln[（150-60"（100-25）]=82.3C
A=Q/（K色tm）=1.4X10/（464X82.3）=3.67m
l=A/（nd）=3.67/（nX0.025）=46.7m
8.（10分）某车间有一台换热面积（以外表面积计）为2.5m|'也单桿札管棋热签、..用180C
的热废气预热轻油，轻油走管外，其流量为200kg.h,比热为2kJ.kg.K,温度由30C
升至80C。
轻油与热气体作逆流流动。
热废气出口温度为70C。
求：
换热器的热负荷和传
热系数。
A=2.5m,C二2kJ.kg.K
△tm=（（180-80）-（70-30））/In（100/40）
=65.5C
Q=200X2X（80-30）=20000kJ.h
Q=KAAtm
•••K=20000/（65.5X2.5）=122.2kJ.m.K.h=34w.m.K
9.（16分）在并流换热器中，用水冷却油。
换热管长1.5m。
水的进出口温度为15C和40C；油的进出口温度为120C和90C。
如油和水的流量及进口温度不变，需要将油的出口温度降
至70C,则换热器的换热管应增长为多少米才可达到要求？
（不计热损失及温度变化对物性
的影响）
由热量衡算
GC[T・T}
=G
C〔t
■t
按题意在两种情况下：
G,C,T和G,C
t
M,
故得
（GC）/（GC
）
=（t・t/（T
■T
丿=it
'-1；'/（T・T'）
=（40-15）/（120-90）=（t'—15）/（120-70）
t'二56.7C
由Q=KAAt,现K不变，而
△t=〔〔120-15）-（90-40））/ln（120-15）/（90-40）
=74.1C
△t'=（（120-15）-（70-56.7））/ln（120-15）/
（70-56.7）=44.4C
故Q/Q二GC〔T・T：
'/（GC〔T・T'））
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