第四章 传热及换热器
1）传热是以_________为推动力的能量传递过程。（答：温度差） 2）传热的基本方式有________、_________、_________三种。（答：导热，对流传热，热辐射）
3）热冷流体热交换的类型有三种，即__________式、_______式及_________式。（答：间壁，直接接触，蓄热）
4）常见的加热剂有_______、_______、及_________等。常用的冷却剂有________、______及________等。（答：水蒸气，热水，矿物油，冷水，空气，冷冻盐水）
5）对某换热设备，单位时间热冷流体间传递的热量称为__________，常以Q表示，单位为W。单位时间、单位传热面积传递的热量称为__________,常以q表示，单位是W/m2。（答：传热热率或热负荷，传热通量） 6）某传热过程测得控制体内某一点位置的温度随时间而变，即可判断该传热过程为________过程。（答：非定态）
7）定态、一维导热、傅里叶定律的表达式是dQ=__________.（答：???dA?dt/dn） 8）导热系数λ的单位是___________。使用此单位时，普通碳钢、不锈钢、空气在常温、常压下的λ值分别为___________、__________、____________。（答：W/(m·℃)，45，16，0.02）
9）对于大多数物质，导热系数λ与温度t（℃）的关系为λt=____________。（答：?o(1?at)） 10）温度升高金属的导热系数λ值__________，液体的λ值__________，空气的λ值___________。（答：减小，减小，增大）
11）面积A=0.05m2，壁厚为3.0mm的金属平壁，其导热系数λ=45W/(m·℃)。若壁的两侧面温度分别为104℃和103.6℃，则传热速率Q=_______W。（答：300） [分析] Q???A??t/??45*0.050*(104?103.6)/(3.0*10)?300W
12)Φ48×3.5mm钢管外包以8mm厚的保温层，保温层的导热系数λ=0.12W/(m·℃)，管内壁及保温层外侧温度分别为120℃及60℃，则每米管长的散热速率Q/L=_________W/m。（答：157） [分析]
?32?(t1?t3)Q2?(120?60)???157W/mL(1/?)ln(d2/d1)?(1/?2)ln(d3/d2)(1/45)ln(48/41)?(1/0.12)ln(64/48)13）对流给热共分为四种类型即_______、_______、_________和_______给热。（答：强制对流、自然对流、液体沸腾、蒸汽冷凝） 14）对于无相变的对流给热，以特征数表示的一般函数式为Nu=f(____,______,______).（答：Re，Gr，Pr）
15) Gr=______ ,表示______热过程的影响。（答：gl3??t/v2，自然对流运动）
16）Pr=_________,表示_________对给热过程的影响。（答：Cp??/?，流体物性） 17）Nu=___________,表示______________________________________。（答：?l/?，给热速率与相同条件下按导热计的导热速率之比） 18）水从Φ60×3.5mm钢管内流过且被加热，已知水的Pr=4.32，Re=1.44×105,λ=0.634W/(m·℃)，则水对管壁的给热系数α=__________ W/(m·℃). （答：6.613×103）
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[分析]当流体从圆直、等径管内流过，当Re>4000，属湍流，Pr＞0.7，流体粘度不大于同温度水的年度的二倍且管子的长，径比1/d>50（如无特殊说明，1/d的条件都满足）的条件下可应用Dittus和Boelter公式。该公式Nu=0.023Re0.8Prn（n=0.4，当流体被加热，n=0.3，流体被冷却）。本题符合上述条件，且流体被加热，故
??0.023(?/d)Re0.8Pr0.4?0.023(0.634/0.053)(1.44?105)0.8(4.32)0.4?6.613?103W/(m2·℃)
19）承18题，若管子不变，水流速增加至原来的1.5倍，该物性数据不变，则α’=________ W/(m2·℃). （答：9.147×103） [分析]
??0.023(?/d)(du?/?)0.8Pr0.4∝u0.8
℃) ??'??(u'/u)0.8?6.613?103?1.50.8?9.147?103 W/(m2·
20）承19题，若水流量不变，改用Φ68×3mm钢管，物性数据不变，则α’’=________ W/(m2·℃). （答：4.986×103） [分析] ??0.023?4v?0.80.411.8()Pr∝（） d?d?d℃) ?''??(d/d'')1.8?6.613?103(53/62)1.8?4.986?103 W/(m2·21）某流体经过一直管后流入同一内径的弯管，则α
弯
>α直的原因是____________。（答：
在弯管内流体有附加扰流）
22）某金属导线，直径0.50mm，电阻0.16欧姆/m，通过1.6安培电流。导线发热速率Q=I2R[W]。导线外包绝热层，厚0.8mm，其λ=0.16 w/(m·℃)。外围是20℃的空气，空气α=12 W/(m·℃).。过程定态。则金属线与绝热层间界面温度为_____________℃。（答：25.8）
[分析]这是有内热源的导热与对流给热串联传热的问题。令导热直径为d1，绝热层外直径为d2，导线外侧温度为t1，绝热层外侧温度为t2，大气温度为to，可建立如下传热速率式：
Q??2??L(t1?t2)??(?d2L)(t2?t0)ln(d2/d1) t?tt1?t0t1?t2?20?d1d111ln2ln2?2??Ld1??d2L2??Ld1??d2L即1.62?0.16?t2?t0
12.101ln?2??0.160.5012??2.1?10?3∴t1=25.8℃
23)某蒸汽管外包有厚度为δ的绝热材料。现将该保温层划分成厚度为δ/2的内外两层，略去保温层导热系数λ值随温度的变化，则内保温层热阻_______于外包保温层热阻。（答：大） [分析] Q??t
(?/2)(?Am,内)?（?/2）(?Am,外)17
因Am,内λ1则把λ1的绝热材料包在_________层的保温效果好。（答：内）
25）某小口径钢管，外半径为r1，外壁温度为T，外界空气温度为t0，空气给热系数为α。T>t0,为减小散热，拟在管外包导热系数为λ的保温层，保温层厚δ，保温层外半径为r2。设T、λ均为恒值。在实践中发现，单位管长散热速率Q/L随δ的增大出现先升后降的现象，如附图所示，Q/L最大时的δ为临界保温层厚δc，可推得，Q/L最大时保温层外半径 r2，c=____________。（答：?/?）
δ δC
[分析] Q/L?Q/L T?t012??lnr21?r12?r2??总温差?t 总热阻R可见，随r2增大，保温层的热阻增大，而空气的给热热阻减小，二者对Q/L的影响相反。可通过R对r2极值以求出r2，c 令
rdRd11?0,即(ln2?)?0 dr2dr22??r12?r2?11111?)(?2)?0即?2r2,c?r2,c?r2,c 得2?r2,c2???r2,c??/?此极限是极大还是极小值，须以二阶导数判定。
d2Rd11?12 ?(?)??dr22dr22??r22??r222??r222??r23d2R?2当r2.c??/?，则丨??0，即当???c时，R为极小亦即Q/L为极大。 2r2.c3dr22??26）大容器内液体沸腾给热随液体过热度△t（即加热壁壁温tw与液体饱和温度ts之差）增
加，可向后出现_______、__________及________给热三种状况。正常操作应在________给热状况。（答：自然对流、泡核沸腾、膜状沸腾、泡核沸腾）
27）承26题，_______给热状况是不允许发生的，若发生则属生产事故，故正常操作的过热度必须严控在________以下。（答：膜状沸腾、临界过热度） 28) 液体沸腾的必要条件是_________和___________。（答：液体过热、有汽化核心） 29）蒸汽冷凝分膜状与滴状冷凝两种类型。于同一蒸汽同一冷凝温度ts，滴状冷凝α值常取
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为_________ W/(m·℃). （答：大、膜、10000）
30）水蒸汽冷凝，若水蒸汽中混有1%的空气（不凝性气体），其α值会比纯水蒸汽α值下降________%（答：60）
31）蒸汽膜状冷凝凝液在壁面层流流下，若蒸汽饱和温度与壁温之差（ts—tw）增大，则α值__________。（答：减小）
g?2?3r1[分析] ??1.13[]4，此公式不必记，但?与(ts?tw)得关系应知道
?L(ts?tw)32) 靠自然抽风的烟囱，在烟囱内烟气与烟囱壁间的给热是自然对流还是强制对流给热？
答： 。（答：强制对流给热） 33) 黑体是 。黑体的辐射能力Eb=C0( )4 W/m2,其中C0是黑体的辐射系数，其
值为 W/(m2·K4). （答：吸收率a=1的物体，T/100,5.67）
34) 某种物体在某温度下对任一波长的单色辐射能力与同温同一波长的黑体单色辐射能力
之比Eλ/Ebλ=ε,若ε值不随波长而变，该物体称为 ，ε称为该物体的 。（答：灰体，黑度）
35) 空间有面积分别为A1及A2的两平面，其间相对位置是任意的。角系数?12表示 。
A1?12 A2?21。（答：黑体或灰体的A1平面发出的辐射能中到大A2的平面的分率，=）
36) 两灰体为透热体，则由1面至2面的净辐射传热速率Q12=C0·εs[ ][W]。式中εs为系统
黑度。对于很大的物体2包住凸面物体1，则上式中εs= 。（答：
A1?12,[(T1/100)4?(T2/100)4],?1）
37) 设有温度分别为TA和TB两平行平面，TA>TB,为减少辐射传热，在两平板间设置几块平行遮热板，所有板的黑度相等，各板面积相同，间距很小，则设置遮热板后的辐射传热速率为未装遮热板时 。（答：1/(n+1)） [分析]两平行板间：q1?2?c0??s[(本题条件下，?s?[T14T)?(2)4] 1001001?1?1?2?1]?1=常数
TA4T)?(B)4] 100100T4T4装遮热板后 qA?1?c0??s[(A)?(1)]
100100T4T4 q1?2?c0??s[(1)?(2)]
100100未装遮热板 qA?B?c0??s[( ……… Qn?B?c0??s[(Tn4T)?(B)4] 100100∵ qA?1?q1?2?......?qnB?(n?1)qA?1?qA?B ∴ qA?1?qA?B/(n?1)
38) 用热电偶测量某管道内流动气体的温度。由仪表中读得热电偶温度为780℃ 。热电偶的
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黑度为0.06，输气管管壁温度为600℃ 。气体的给热系数为65W/(m2.℃ )若把热电偶温度视为气体温度，按绝对温度计算的相对误差是______。减小测温误差的方法有_______。（答：-24.4%，热电偶外装遮热罩及减少输气管的散热速率等）
[分析]管内传热情况为：气体????热电偶????管壁。在过程定态，即热电偶温度恒定条件下，令气体、热电偶及管壁温度分别为Tg，T1，Tw，热电偶的黑度为?1，则下士成立：?（Tg-T1）=?1c0[(给热辐射T1T)4?(w)4] 100100)4?(273.2?600)4]
100100即65[Tg-(273.2+780)]=0.60*5.67[(273.2?780∴Tg=1392.9K=1120℃
故测温相对误差=（780+273.2-1392.9）、1392.9=-24.4%
39) 常见的间壁式换热器有以下类型：_____式，_____式及____式等。（答：套管，列管，板，螺旋板，热管?任写三种）
40) 用套管换热器以冷水使饱和甲苯蒸汽冷凝为饱和液体。甲苯走环隙，温度T=100℃ ，流量Wh=2200kg/h，其冷凝潜热rh=363kJ/h，冷凝水走内管内，进出口水温分别是t1=15℃ ，t2=43℃ ，水的比热Cp.c=4.174kJ/(kg.℃ )。则该换热器的热负荷Q=______kJ/h,平均传热温差△tm=_____℃ 。（答：7.986×105，6.833×103，70.07） [分析]Q=Wh×rh=2200×363=7.986×105 kJ/h
又Q=Wc·Cp，c（t1-t2）即7.986×105=Wc×4.174（43-15） 所以Wc=6.833×103kg/h
因为△t1=100-15=85℃，△t2=100-43=57℃
所以△tm=（△t1-△t2）/Ln（△t1/△t2）=（85-57）/Ln（85/57）=70.07℃
41) 承40）题，已知内管规格为Φ57×3.5mm，内管内冷凝水给热系数αi=3738W/(m2.℃ ),环隙中甲苯冷凝的给热系数α0=5200W/(m2.℃ ),若略去管壁及污垢热阻，则以内管壁面为基准的传热系数Ki=_______W/(m2.℃ ),该换热器的长度L=________m。（答：2292，7.68） [分析]
d111150 ??i,即??Ki?i?odoKi37385200?57所以Ki=2292 W/(m2.℃ )
又Q?Ki(?diL)??tm，即7.986?10(1000/3600)?2292(??0.050L)?70.07
所以L=8.8m
42) 承41）题， 若其它条件不变，只是因气候变化，冷水进口温度为20℃，设物性数据不变，则冷水出口温度t2'=______℃。（答：46.5）
[分析]对于热流体侧为蒸汽冷凝，有相变且热流体温度T保持不变，而冷流体侧则无相变，有温度变化的情况，可运用如下等式：
5Wc?Cp,c(t2?t1)?KiAi[(T?t1)?(T?t2)]/lnT?t1?KiAi(t2?t1)/lnT?t2T?t1T?t2
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