第一部分 概念题示例与分析
一、思考题 3-1有人说：“算术平均温差是近似的，对数平均温差才是准确的。”这种说法对吗？ 答：不对。
算术平均温差当然是近似的。对数平均温差似乎比前者更接近实际，但并非完全准确。因为在其推导过程中已经做了几点假设：（1）各点的K值一致；（2）冷、热流体的比热容Cpc、Cph皆取平均温度下的平均值，且看作是不变的常委数；（3）没有热损失等。由于K、Cpc、Cph都是取的平均值，当然经这样的推导而得到的对数平均温差?tm也是近似的。所以通常规定当
?t1?t2?2时，可用算术平均温差代替对数平均温差，即?tm??t1??t22。这完全可以满足工程计算
的要求。如果片面地认为只有对数平均温差可靠，舍简求繁，不仅没有必要，也没有道理。
3-2保温瓶在设计和使用过程中采取了哪些防止热损失的措施？
答：首先，保温瓶瓶胆设计成玻璃夹层结构。夹层因空气被抽出接近真空，可防止对流散热损失。其次，瓶胆夹层内两表面均镀有银、铝等低黑度涂层，增加了辐射传热热阻大幅度降低了辐射散热量。举例说，如夹层内壁温度为98C，外壁温度为28C，黑度为0.95的玻璃表面镀上黑度为0.02的银层后,其辐射散热量可由原来的550Wm2降至6.15Wm2。第三，在使用保温瓶时，瓶盖选用导热系数很小的软木制作，而且在灌水时还要在瓶颈处留出一段空气的导热系数比水在小得多，从而有效地降低了瓶口的导热热损失。
３-3
计算蒸气在水平管外冷凝的凯恩（Kern）公式为：a?0.725(
?3??2?g?r??d0??t??)。试定性
说明各种因素对冷凝给热系数a的影响。
答：应当指出，冷凝给热的热阻是凝液造成的，因此式中各物性常数都是凝液的物性，而非蒸气的物性。
当?大时，液膜导热性能良好，a自然就大；?大，液膜容易从壁面上往下滑，同样使a增大，潜热r大，a也大。相反，若蒸气温度和壁温之间的温差?t大，则意味着单位时间内凝液量增多，凝液膜增厚，这反而不利于传热，因此a会变小；当粘度?增大时，因流动阻力增大，液膜增厚，a 必然减小；至于水平管的直径d0大了，会使管子下部液膜加厚，同样不利于传热， a也要变小。
将上面定性分析结果与凯恩公式对照后可以发现：二者是完全一致的． ３－４换热器的热负荷与传热速率有何不同？
答：冷、热流体在单位时间内在换器中所交换的热量，称为换热器的热负荷．它是针对换热任务的需要提出的，是生产上要求换热器应具有的换热能力，热负荷可根据生产中物流量、进出口温度及状态变化求化求出。
而传热速率则是指换热器本身在一定操作条件下所具有的传递热量的能力，是换热器本身的特性，二者是不相同的。
容易混淆的是，实际生产中设计或标定换热器时，常把传热速率与热负荷视为相等，一般都是通过热负荷的计算，求得换热器应具有的传热速率，再依据传热基本方程求出所需换热器的传热面积，尽管二者在数值上常视为相等，但就其本质讲，含义是完全不同的。
3-5试分析总传热速率方程与牛顿冷却定律、傅立叶定律之间的关系。
a2
a1 λ 答: 总传热速率方程Q=KA?tm又称传热基本方
程，它着眼于冷热流体通过间壁的传热，即包括
tw t T Tw 对流—导热—对流这样一个联合传热过程。其中
K称为总传热系数。
Q 如图3—1，总热阻等于两个对流传热阻加上平 壁导热热阻，即??K?b 1
热流体的平均温度分别为T与t，冷、热壁面的温度分别为TW和tW。总的传热推动力即为冷、热流体的平均温差，即?tm?T?t。
（1）若仅考虑流体和壁面间的对流传热，例如热流体和热壁面间的对流传热，即忽略导热
热阻和另一侧的对流热阻以及温差的变化。 则?tm?T?TW
11b??1?2.。设
11 K=?1 ?K?1 总传热速率方程变为 Q??1?A(T?TW)
若仅考虑冷流体和冷壁面间的对流传热，总传热速率方程则变为 Q??2A(tW?t) 此乃牛顿冷却定律：
（2）若仅考虑壁面的导热 ?tm?TW?tW 则总传热速率方程变为 Q?1b? K??bA(TW?tw)
此即傅立叶定律.由此可见,牛顿冷却定律、傅立叶定理不过是总传热率方程的特殊形式.换言之,总传热速率方程包括了对流、导热这两种基本传热形式。 3-6 何谓换热器的控制热阻?
答:换热器的总热阻1/K主要取决于冷、热流体的对流传热热阻，当然也和管壁的热阻及污垢热
111b????? 阻有关，即， K?i?0 若忽略管壁及污垢热阻，则有
111?? K?i?0 如果?i和?0相接近，也就是两种流体的传热阻力差不多时，在谋求强化传热过程中，一般要考虑把?i、?0都增大。但往往有这种情况，两者的? 值相差很大，例如?i>>?0,则
1?i??1?0。 这时
11 K??0 ?K?0 即总传热系数K 值接近对流传热系数小的一侧流体的? 值，在本例条件下总热阻完全被管外的对流传热热阻所控制。1/?0被称为控制热阻。
控制热阻的概念对强化传热研究是非常重要的。它可以使我们在寻求强化的过程中紧紧抓住主要矛盾，提醒我们为了增大换热器的总传热系数，减少热阻，关键在于增大控制热阻一侧的?。
3-7 用火炉烧开水，壶底的温度是接近火焰的温度还是接近水的温度？答：为了抓住问题的实质，暂不考虑壶底金属材料的热阻和污垢热阻，即将壶底内、外表面的温度统一用tw 来表示。
设ti 、to 分别代表水和火焰的温度。 由牛顿冷却定律：
Q??i(tw?ti)??0(t0?tw) A 由于水的对流传热系数?i远大于空气的对流传热系数?0 , 即?i >>?0, 由上式可知： (t0?tw)??(tw?ti)
即火焰和壶底的温度差远大于壶底和水的温度差。也就是说(tw?ti)的数值很小，tw?ti。由此可以得出结论，壶底的温度接近水的温度。推广开来，当两种流体通过壁面换热时，若对流传热系数相差较大，也可以说对流传热热阻相差较大时，壁温总是接近? 大（即对流热阻小）的那一侧流体的温度。两流体的?值相差愈大，壁温愈接近? 大的那一侧流体的温度。这就是为什么在加热炉中，虽然火焰的温度高于炉管材料的溶点，但由于管内有油品流动，管壁接近油品温度，炉管不会烧穿的原因。
3-8 使用对流传热系数关联式计算?时为什么要特别注意使用条件？
答：大家知道，不同流体在不同条件下的物性及流动状况千差万别，要找到一能慨括所有流体各种流体状态的? 经验式是不可能的。现在我们见到的所有的?经验式都是针对一定的物系，在一定的操作条件下经反复实验归纳出来的，在使用时必须严格对照公式条件。比如定性温度，由于其影响物性数值，即使在同样的实验条件下，? 也会因其不同而改变。再如特征尺寸，即对流体流动和传热造成主要影响的尺寸，也是实验中已经确定了的。还有实验范围，即Re、Pr的范围等。如果把某一公式随意用于限定的范围之外，或者没有依据公式的要求选取定性温度和特征尺寸，计算结果就会和实际情况大相径庭。 例如，流量为8.32kg/s、20℃的苯在内管内径为20mm的套管换热器中被加热到80℃,在求苯对管壁的对流传热系数时，如果严格按照流体在圆形直管内强制湍流时a的计算式（a=0.023
?dRe0.8?pr0.4）,计算结果为a=1270W/（m?℃）；如果其他条件都已满足，只是在
2选取定性温度时没有按公式的使用条件选取苯进、出口时的温度（50℃），而是取了苯出口时的温度（80℃）作为确定物性的温度，此时的计算结果为a=96W/（m?℃）。相对误差为24%。这就是提醒我们：在使用各种试验式时，一定要注意原公式的使用条件，已确保计算的准确性。
3—9 室内暖气片为什么只把外表面制成翅片状？
答：室内暖气片内部的热流体（水或水蒸气）与片外的冷流体（空气）之间的热递属对流—传导—对流过程。因为暖气片外壁与空气的对流传热系数远小于片内水或水蒸气与内壁的对流传热系数，即片外对流传热热阻为控制热阻。要增大冷、热介质的换热速率，改变片外的
2对流传热状况即减小控制热阻至关重要。暖气的外表面制成翅片状后，明显地增大了外表面的传热面积，使总传热系数（按光管传热面积计）较原来增大几倍。加之安装翅片后，加剧了空气的湍动程度，破坏了滞流内层，亦可使总传热系数增大。至于水或蒸汽侧由于不是控制热阻，改善其传热状况对整个冷、热流体的换热影响甚微。这就是室内暖气片只外表面制成翅片状的道理。
3—10 工业上常使用饱和蒸汽做为加热介质而不用过热蒸汽，为什么？
答：使用饱和蒸汽做为加热介质的方法在工业上已得到广泛的应用。这是因为饱和蒸汽与低于其温度的壁面接触后，冷凝为液体，释放出大量的潜在热量。虽然蒸汽凝结后生成的凝液覆盖着壁面，使后续蒸汽放出的潜热只能通过先前形成的液膜传到壁面，但因气相不存在热阻，冷凝传热的全部热阻只集中在液膜，由于冷凝给热系数很大，加上其温度恒定的特点，所以在工业上得到日益广泛的应用。
如要加热介质是过热蒸汽，特别是壁温高于蒸汽相应的饱和温度时，壁面上就不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面之间发生的只是通常的对流传热。此时，热阻将集中在靠近壁面的滞流内层中，而蒸气的导热系数又很小，故过热蒸汽的对流传热系数远小于蒸汽的冷凝给热系数，这就大大限制了过热蒸汽的工业应用。
3-11“为了节省冷却介质的用量，在设计换热器的过程中，应尽量提高冷却介质的出口温度。”这种说法是否正确？
答：不正确。
冷却介质的出口温度越高，其用量越小，回收热能的品位也越高，动力消耗也随之减小。但出口温度升高的结果，导致传热推动力即对数平均温差降低，所需传热面积增大，设备费用增大。因此必须从综合角度考虑，全面加以权衡，确定一个适宜的出口温度。
对于常用的冷却介质工业水，出口温度不宜过高。还因为工业水中含有许多盐类。如CaCO3、 MgCO3、CaS04、、MgSO4等。若出口温度过高，上述盐类就会因溶解度减小而析出，附在器壁表面上形成热阻很大的垢层，使传热过程恶化。尽管可以采取在冷却水中添加阻垢剂等化学方法，但至少从目前看，效果很有限。所以无节制了提高冷却介质出口温度的方法是行不通的。设计时常取冷却水进、出口的温度差为5-10℃
3-12 螺旋扁管换热器强化传热的道理何在？
答：螺旋扁管换热器是近期开发出来的一种新型高效传热设备。其制造过程是先将圆管压扁，然后扭曲成螺旋状。穿管时按同一方布置形成管束，管束无支撑件，只是依靠螺旋扁管外缘外螺旋线的接触点相互支撑。在管程，流体的螺旋流动提高了其湍流程度，减薄了作为传热主要热阻的滞流内层的厚度，使管内传热得以强化。在壳程，因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向，从而加强了流体的纵向混合。加之流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流，增强了流体自身的湍流程度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，因而使得壳程的传热也得以强化。管内，管外传热同时强化的结果，使其传热效果较普通管壳式换热器有大幅度提高，特别对流体粘度大，一侧或两侧呈滞流流动的换热过程，其效果尤为突出。 二、填空题
3-13 对流传热总是概括地着眼于壁面和流体主体之间的热传递，也就是将边界层的 和边界层外的 合并考虑，并命名为给热。 答案：热传导；对流传热
3-14 给热是以 和 的差作为传热推动力来考虑问题的。 答案：流体的平均温度；壁面温度
3-15 流体在垂直管内自上而下流动同时被加热时，其对流传热系数比用普通准数关联式计算的结果要 。 答案：大
分析：流体被加热时，自然对流的方向是自下而上，恰与流体流动的方向相反，引起湍动加剧。 3-16 金属的导热系数大都随其纯度的增加而 ，随其温度的升高而 。 答案：增大；减小
3-17 在工程计算中，对两侧温度分别为t1,t2的固体，通常采用平均导热系数进行热传导计算。平均导热系数的两种表示方法是 或 。 答案；????1??22；???t1?t2 23-18 图3-2表示固定管板式换热器的两块管板。由图可知，此换热器为 管程，管程流体的走向为 或 。
1 1 4 5 2 3 2 3
图3-2 3-18 附图
答案：4；2?4 ?1?5?3；3?5?1?4?2
3-19 对流传热的热阻主要集中在 ，因此， 是强化对流传热的重要途径。
答案：滞流内层；减薄湍流内层的厚度
3-20 在?、?、 ?、 cp这4个物性参数中，若 值大，对流传热系数?就增大；若 值大，对流传热系数?就减小。 答案：?、cp、?；?
3-21 黑体的表面温度从300℃升至600℃，其辐射能力增大到原来的 倍. 答案: 5.39
分析: 斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与绝对温度的4次方成正比, 而非摄氏
?600?273?温度,即??=5.39。
?300?273?3-22 流体在圆形直管内作强制湍流流动，若传热推动力增大1倍，则对流传热速率增大 倍。
答案：1
3-23 由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温度差称为 。这时单位时间、单位面积所传递的热量称为 。
答案：临界温度差；临界热负荷
3-24 用0.1Mpa的饱和水蒸气在套管换热器中加热空气。空气走管内，由20℃升至60℃，则管内壁的温度约为 。 答案：100℃
3-25 处理量为440kg/h的有机溶液在某换热器中预热。运转一周期后，该溶液在管内生成积垢，使换热器总热阻增加了10%。若维持冷、热介质出口温度不变，则该溶剂的处理量变为 。
答案：400kg/h
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