第二章傳熱習題課

1、傳 熱基本概念和基本理論基本概念和基本理論傳熱是由于傳熱是由于 引起的能量轉移，又稱熱傳遞。由熱力學第二定律可引起的能量轉移，又稱熱傳遞。由熱力學第二定律可知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處熱從高溫處傳遞到低溫處。根據傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式根據傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式： 、 和和 。熱傳導熱傳導是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞；微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞；熱對流熱對流是流體各部分之間發(fā)生相對是

2、流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的自然對流自然對流和由外力所致的質點的強制運動引起的和由外力所致的質點的強制運動引起的強制對流強制對流），流體流過固體表面時），流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程稱為發(fā)生的對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程稱為對流傳熱對流傳熱；熱輻射熱輻射是因熱的是因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能原因而產生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依發(fā)射

3、輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時進行?？科渲械囊环N方式或幾種方式同時進行。傳熱速率傳熱速率Q是指單位時間通過傳熱面的熱量（是指單位時間通過傳熱面的熱量（W）；）；熱流密度熱流密度q是指每單是指每單位面積的傳熱速率位面積的傳熱速率（W/m2）。RTbTTq21一熱傳導 導熱基本方程傅立葉定律導熱系數，表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，單位為W/（mK）。純金屬的導熱系數一般隨溫度升高而降低，氣體的導熱系數隨溫度升高而增大。式中負號表示熱流方向總是和溫度梯度的方向相反。2平壁的穩(wěn)定熱傳導單層平壁：多層（n層）平壁：公式表明導熱速

4、率與導熱推動力（溫度差）成正比，與導熱熱阻（R）成反比。由多層等厚平壁構成的導熱壁面中所用材料的導熱系數愈大，則該壁面的熱阻愈小，其兩側的溫差愈小，但導熱速率相同。nTdSdQ注意食品物料中注意食品物料中水分的多少對導水分的多少對導熱系數的影響熱系數的影響+n1ii11111RqnniiiinTTbTT圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導單層圓筒壁：單層圓筒壁：1221ln2rrTTLQp+niiiiinrrTTLQ1111ln1)(2pn層圓筒壁層圓筒壁一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當石棉泥受潮后，其保溫效果會一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當石棉泥受潮后，其保溫效果會降低降低，主要原因是因主

5、要原因是因水的導熱系數大于保溫材料的導熱系數水的導熱系數大于保溫材料的導熱系數，受潮后，使保溫層材，受潮后，使保溫層材料導熱系數料導熱系數增大增大，保溫效果降低。，保溫效果降低。對流傳熱系數，單位為：W/（m2K）- 牛頓冷卻定律。牛頓冷卻定律。 TSQnpiicudd)()(023. 08 . 0Nu=0.023Re0.8Prn Nu=0.027Re0.8Pr1/3（/w）0.14 Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（/w）0.14 不凝性氣體的影響不凝性氣體的影響 在蒸汽冷凝時不凝性氣體在液在蒸汽冷凝時不凝性氣體在液膜表面形成一層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對流傳熱系數膜表

6、面形成一層氣膜，使傳熱阻力加大，冷凝對流傳熱系數降低降低。 蒸汽流速和流向的影響蒸汽流速和流向的影響 冷凝傳熱過程的強化冷凝傳熱過程的強化流體物性及液膜兩側的溫差流體物性及液膜兩側的溫差 蒸汽過熱的影響蒸汽過熱的影響 溫度差溫度差t A B C D 液體沸騰傳熱過程的推動力是加熱面溫度和液體飽和溫液體沸騰傳熱過程的推動力是加熱面溫度和液體飽和溫度之差。在大空間內沸騰時，隨著此溫度差的不同，過程中度之差。在大空間內沸騰時，隨著此溫度差的不同，過程中的對流傳熱系數的對流傳熱系數和熱流密度和熱流密度q都發(fā)生變化。都發(fā)生變化。 自然對流自然對流泡核沸騰泡核沸騰膜狀沸騰膜狀沸騰注意：由于泡核注意：由于泡

7、核沸騰的傳熱系數沸騰的傳熱系數比膜狀沸騰的大，比膜狀沸騰的大，故一般都設法控故一般都設法控制蒸發(fā)器在泡核制蒸發(fā)器在泡核狀態(tài)下工作。狀態(tài)下工作。對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，定性溫度定性溫度是指確定準數中各物性是指確定準數中各物性參數的溫度。參數的溫度。沸騰傳熱沸騰傳熱可分為三個區(qū)域，它們是可分為三個區(qū)域，它們是自然對流區(qū)自然對流區(qū)、核狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰核狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)區(qū)，生產中的沸騰傳熱過程應維持在生產中的沸騰傳熱過程應維持在核狀沸騰區(qū)核狀沸騰區(qū)操作。操作。無相變的對流傳熱過程中，無相變的對流傳熱過程中，熱阻熱阻主要集中在主要集中在傳熱邊界層或滯

8、流層內傳熱邊界層或滯流層內，減少，減少熱阻的最有效的措施是熱阻的最有效的措施是提高流體湍動程度提高流體湍動程度。在兩流體的間壁換熱過程中，計算式在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=KSt，式中，式中t表示為兩流體表示為兩流體溫度溫度差的平均值差的平均值；。；。在兩流體的間壁換熱過程中，計算式在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q= St，式中，式中t=tw-tm 或或 Tm-Tw；S表示為表示為一側的傳熱壁面一側的傳熱壁面。滴狀冷凝滴狀冷凝的對流傳熱系數大于的對流傳熱系數大于膜狀冷凝膜狀冷凝對流傳熱系數。對流傳熱系數。式中式中 cp流體的平均比熱，流體的平均比熱，kJ/（kg ） Tc冷流體的溫度

9、，冷流體的溫度， Th熱流體的溫度，熱流體的溫度， Q=Whcph(Th1-Th2)=Wccpc(Tc2-Tc1) )()(122ccpcchsphhTTcWTTcrWQ+)/ln(2121TTTTTm換熱器總傳熱速率方程換熱器總傳熱速率方程Q=KSTm式中K為總傳熱系數，單位為：W/（m2）；Tm為兩流體的平均溫度差，對兩流體作并流或逆流時的換熱器而言，恒溫傳熱時變溫傳熱時錯流和折流時mT00000001)ln(1+siisiiiRrrrrrRrrK總傳熱系數chTTTm換熱器換熱器間壁式換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高間壁式換熱器傳熱系數的主要途徑是提

10、高流體流速、增強人工擾動；防止結垢，及時清除污垢。消除列管換熱器溫差應力常用的方法有三種，即在殼體上加膨脹節(jié)，采用浮頭式結構或采用U型管式結構。翅片式換熱器安裝翅片的目的是增加傳熱面積；增強流體的湍動程度以提高。為提高冷凝器的冷凝效果，操作時要及時排除不凝氣和冷凝水。間壁換熱器管壁溫度Tw接近大的一側的流體溫度；總傳熱系數K的數值接近熱阻大的一側的值。如在傳熱實驗中用飽和水蒸氣加熱空氣，總傳熱系數接近于空氣側的對流傳熱系數，而壁溫接近于水蒸氣側的溫度。對于間壁換熱器WhCph(Th1-Th2)=W2Cp2(Tc1-Tc2)=KSTm等式成立的條件是穩(wěn)定傳熱、無熱損失、無相變化。列管換熱器，在殼

11、程設置折流擋板的目的是增大殼程流體的湍動程度，強化對流傳熱，提高值，支撐管子。在確定列管換熱器冷熱流體的流徑時，一般來說，蒸汽走管外；易結垢的流體走管內；高壓流體走管內；有腐蝕性的流體走管內；粘度大或流量小的流體走管外。1. 蒸汽冷凝液的型態(tài)有滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種，工程設蒸汽冷凝液的型態(tài)有滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種，工程設計采用計采用_膜狀膜狀_冷凝。冷凝。2. 大容積的飽和沸騰傳熱可分為大容積的飽和沸騰傳熱可分為_自然對流自然對流_、_核狀沸騰核狀沸騰_和和_膜狀沸騰膜狀沸騰_三個階段，而在三個階段，而在工業(yè)生產中常在工業(yè)生產中常在_核狀沸騰核狀沸騰_階段操作。階段操作。3. 在對流傳熱中，按

12、其產生的原因，可分為在對流傳熱中，按其產生的原因，可分為_自然自然_對流與對流與_強制強制_對流。對流。 5. 定性溫度指定性溫度指_用于決定準數中各物性的溫度用于決定準數中各物性的溫度_。 填空題填空題1. 間壁傳熱時，各層的溫度降與各相應層的熱阻間壁傳熱時，各層的溫度降與各相應層的熱阻( A )A. 成正比成正比 B. 成反比成反比 C. 沒關系沒關系2. 翅片管換熱器的翅片應安裝在翅片管換熱器的翅片應安裝在( A )。 A. 小的一側小的一側 B. 大的一側大的一側 C. 管內管內 D. 管外管外 3. 套管冷凝器的內管走空氣，管間走飽和水蒸汽，如套管冷凝器的內管走空氣，管間走飽和水蒸汽

13、，如果蒸汽壓力一定，空氣進口溫度一定，當空氣流量增加時果蒸汽壓力一定，空氣進口溫度一定，當空氣流量增加時: （1）傳熱系數）傳熱系數K應應 A 增大增大 B 減小減小 C 基本不變基本不變 ( A ) （2）空氣出口溫度）空氣出口溫度 A 增大增大 B 減小減小 C 基本不變基本不變 ( B )（答案（答案 A、B）選擇題選擇題4. 工業(yè)采用翅片狀的暖氣管代替圓鋼管，其目的是（工業(yè)采用翅片狀的暖氣管代替圓鋼管，其目的是（ C ）。）。 A. 增加熱阻，減少熱量損失增加熱阻，減少熱量損失; B. 節(jié)約鋼材、增強美觀節(jié)約鋼材、增強美觀 C. 增加傳熱面積，提高傳熱效果。增加傳熱面積，提高傳熱效果。

14、5. 蒸汽冷凝時，膜狀冷凝的蒸汽冷凝時，膜狀冷凝的( C )滴狀冷凝的滴狀冷凝的。A. 等于等于 B. 大于大于 C. 小于小于6. 導熱是（導熱是（A ）熱量傳遞的主要方式。）熱量傳遞的主要方式。A. 固體中固體中 B. 液體中液體中 C. 氣體中氣體中7. 熱量傳遞的基本方式是（熱量傳遞的基本方式是（ D ）。）。 A. 恒溫傳熱和穩(wěn)態(tài)變溫傳熱恒溫傳熱和穩(wěn)態(tài)變溫傳熱 B. 導熱給熱和熱交換導熱給熱和熱交換 C. 氣化、冷凝與冷卻氣化、冷凝與冷卻 D. 傳導傳熱、對流傳熱與輻射傳熱傳導傳熱、對流傳熱與輻射傳熱8. 湍流流體與器壁間的對流傳熱（即給熱過程）其熱阻主要湍流流體與器壁間的對流傳熱（

15、即給熱過程）其熱阻主要存在于（存在于（ C ）。）。 A. 流體內流體內; B. 器壁內器壁內; C. 湍流體湍流體滯流內層中滯流內層中; D. 流體湍流區(qū)域內。流體湍流區(qū)域內。9. 對一臺正在工作的列管式換熱器，已知對一臺正在工作的列管式換熱器，已知1116，211600， 要提高傳熱系數（要提高傳熱系數（K），最簡單有效的途徑是（），最簡單有效的途徑是（ A ）。）。 設法增大設法增大1 B. 設法增大設法增大2C. 同時增大同時增大1和和211. 對于沸騰傳熱，工業(yè)生產一般應設法控制在（對于沸騰傳熱，工業(yè)生產一般應設法控制在（ A ）沸騰下操作。沸騰下操作。 A.核狀核狀 B. 穩(wěn)定的膜

16、狀穩(wěn)定的膜狀 C. 不穩(wěn)定的膜狀不穩(wěn)定的膜狀12. 蒸汽中不凝性氣體的存在，會使它的對流傳熱系數蒸汽中不凝性氣體的存在，會使它的對流傳熱系數值（值（ A）。）。 A. 降低降低 B. 升高升高 C. 不變不變13. 為了減少室外設備的熱損失，在保溫層外包一層金為了減少室外設備的熱損失，在保溫層外包一層金屬皮，一般而言，應該選擇屬皮，一般而言，應該選擇_D_材料。材料。A. 表面粗糙，顏色較深表面粗糙，顏色較深 B.表面粗糙，顏色較淺表面粗糙，顏色較淺 C. 表面表面光滑，顏色較深光滑，顏色較深 D.表面光滑，顏色較淺表面光滑，顏色較淺1 在定態(tài)的多層平壁導熱中，若某層的熱阻大，則這層的導熱在定

17、態(tài)的多層平壁導熱中，若某層的熱阻大，則這層的導熱溫差就小。（溫差就小。（ F）2 保溫材料應該選用導熱系數小的絕熱材料。（保溫材料應該選用導熱系數小的絕熱材料。（ T ）3 自然對流主要受溫度引起的流體密度變化的影響。自然對流主要受溫度引起的流體密度變化的影響。 （ F ）4 輻射傳熱與傳導傳熱和對流傳熱的主要差別在于輻射傳熱可輻射傳熱與傳導傳熱和對流傳熱的主要差別在于輻射傳熱可以在真空中傳播。以在真空中傳播。 （ T ）6 輻射能力強的物體其吸收能力也強。輻射能力強的物體其吸收能力也強。 （ F ）7 物質的黑度在數值上等于該物體對輻射能的吸收率。物質的黑度在數值上等于該物體對輻射能的吸收率

18、。 （ T ）1). 在內管為在內管為18910mm的套管換熱器中，將流的套管換熱器中，將流量為量為 3500kg/h的某液態(tài)烴從的某液態(tài)烴從 100冷卻到冷卻到60，其，其平均比熱平均比熱 CP=2.38kJ/kg.， 環(huán)隙走冷卻水，其進環(huán)隙走冷卻水，其進出口溫度分別為出口溫度分別為40和和50，平均比熱，平均比熱p水水4.17kJ/kg.，基于傳熱外面積的總傳熱系數，基于傳熱外面積的總傳熱系數K0=2000W/m2, 設其值恒定設其值恒定, 忽略熱損失。試求忽略熱損失。試求： A)冷卻水用量；冷卻水用量；B)分別計算兩流體為逆流和并分別計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及所需管長。流情

19、況下的平均溫差及所需管長。 QLttrrrrrr+211123141803514519165100769191015796947103010121232p()lnlnln.()ln.ln.ln.QLttrr2123232p()ln471235101579692.().lnp t4）382.5mm的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。 第一層是50 mm厚的氧化鋅粉，其平均導熱系數為0.07 W/(m)；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導熱系數為0.15 W/(m)。若管內壁溫度為180，石棉層外表面溫度為35，試求每米管長的熱損失及兩保溫層界面處的溫度？解：r0 = 16.5mm =

20、 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r11 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r22 = 0.0690.01 = 0.079 m0 = 45 W/(m)W/m 即 t2 = 41.8 7)略同理由）解得到那些結論。流和并流做一比較，可根據計算結果，對逆換熱面積。平均溫度差和所需要的兩種流體做并流時的換熱面積。平均溫度差和所需要的兩種流體做逆流時的冷水流量。試求：總傳熱系數為升到冷水溫度從卻到冷溫度從加熱冷水，熱水流量為在列管換熱器。用熱水)489. 285.25) 5/75(/ ) 575() 389. 1) 8.39108. 23600/(10

21、181. 440105. 48.39)35/45(/ )3545()2/6010/174. 4/181. 41)./(108. 2,5020,5595,/105. 4)2620233300002300003mSCLntmSTCWtKSCLnthkgWCkgkJCCkgkJCtCWTCWQQCmWCCCChkgmphhmCpcphpcCphhChQ2300200200005300002020008 .15)6 .23603/(102256 .23)15/35(/ )1535()/(603)/(/001611. 0900/1)3545/(38003. 0)322500/(38/1/135)32/3

22、8(3238(/1025. 210508 . 15 . 2/8 . 1552/ )3080(,45),/(900),2500W/(,3080 /5 . 2.15338)28mSCLntCmWKCmWddbdKmmLndsJQCkgkJCCtCCmWCmCCskgCmmmiimP+）查得甲苯的物性數據：解：器的傳熱面積。試求該換熱水的出口溫度不能高于污垢熱阻忽略不計。若側的給熱系數分別為水走管程，水側和甲苯冷卻到苯由的甲的水將，用初溫為規(guī)格為在逆流換熱器中，管子149. 1/:149. 1/2 .60809 .64752 .60)55/7 .65()557 .65(9 .64)60/70()60

23、70(3 .84)15()70150()1580()75150(:707515080 15)300002200000LLSSKSCWKSCWtKSQtKSQCLntCLntCttCWCWCWCWtCWTCWQQCCCCCphhphhmmmmpccphhpccphhpccphhCh即又則解生產要求？原來的多少倍才能滿足試問此換熱器管長增為失忽略不計，發(fā)生變化，換熱器的損溫度，流量及物性均不假設水和液體的進出口，體進出口溫度降至?，F因生產任務要求液和體的進出口溫度分別為，液和口溫度分別為冷卻某液體，水的進出在逆流換熱器中，用水Q9)t +2080250uVndpp41201036001093400

24、2300324242.Re.du0020324109319610361105410) 120飽和水蒸汽將空氣從20加熱至80，空氣流量1.20104kg/h?，F有單程列管換熱器，252.5mm鋼管300根，管長3m，0 = 104W/(m2)，污垢及管壁熱阻不計。問此換熱器能否滿足要求。解：50空氣， = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)， = 0.02824W/(m) = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s100004 . 08 . 044 . 08 . 0698. 01061. 3020. 002824. 0023. 0PrRe023. 0ii

25、d5 .1541201036004.1004010040655ln. W/(m2)0i Ki = i = 124.5 W/(m2)Q = WcCpct = 1.00560 = 201 kJ/stm = Q = KiAitm 即 201103 = 124.5Ai65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = npdiL 即 24.6 = 300p0.020L L = 1.31 m3 m 滿足要求 11）一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進口溫度分別為155和20。已知逆流操作時，柴油出口溫度50，原油出口60，若采用并流操作，兩種油的流量、物性數據、初溫和傳熱系數皆與逆流時相同，試問并

26、流時柴油可冷卻到多少溫度？CCtCTtKSQtTtTttCWTCWtCWTCWQQCWKStKSQCtCWCWtCWTCWQQmmpccphhpccphhchphhmmpccphhpccphhch0020222222207 .644 .547 .6421)2()/(135ln/)(135)20()155() 1 (862. 14 .56)30/95ln()3095()2060()50150(即并流時柴油冷卻到）解得：）（聯立方程（則并流時：則解：逆流時：12）一套管換熱器，冷、熱流體的進口溫度分別為55和115。并流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為75和95。試問逆流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為多少？假定流體物性數據與傳熱系數均為常量。CtCTtTtTTtTtttttTtTttTtCWTCWCWKStKSQCtCWCWCWCWtCWTCWQQ