化工原理測(cè)考試試題

1、化工原理測(cè)考試試題第四章傳熱主講教師童漢清1/17化工原理測(cè)考試試題1概述一、傳熱操作的目的1、加熱或冷卻2、熱量回收3、保溫，減少熱量或冷量的損失二、傳熱過程中冷熱流體的接觸方式1、直接接觸式傳熱2、間壁式傳熱3、蓄熱式傳熱三、傳熱的基本方式1、熱傳導(dǎo)靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式，沒有物質(zhì)的宏觀位移。2、對(duì)流傳熱流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量交換。3、輻射傳熱熱能以電磁波的形式在空間傳遞。特點(diǎn)：1）絕對(duì)零度以上的任何物質(zhì)均能發(fā)生熱輻射。2）熱輻射不僅是能量的轉(zhuǎn)移，而且發(fā)生了能量形式的變化，不需任何物質(zhì)做傳熱媒介。本章的學(xué)習(xí)任務(wù)：熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流體的一系列計(jì)算。2/17化工原理測(cè)考

2、試試題n0n2、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的必要條件：溫度差；傳熱媒介。溫度差是傳熱過程的推動(dòng)力。一、溫度場(chǎng)和溫度梯度1、溫度場(chǎng)三維溫度場(chǎng)：tfx,y,z,一維溫度場(chǎng)：tfx,一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)：tfx2、等溫面溫度場(chǎng)內(nèi)，溫度相同的點(diǎn)組成的面為等溫面。不同的等溫面不會(huì)相交。3、溫度梯度兩等溫面間的溫度差與其間的垂直距離之比的極限。ttlimn溫度梯度的方向以溫度增加的方向?yàn)檎?，與傳熱方向相反。二、傅立葉定律通過等溫面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。dQdAtn溫度梯度的方向：低溫面向高溫面?zhèn)鳠岬姆较颍焊邷孛嫦虻蜏孛?/17化工原理測(cè)考試試題QAtb對(duì)于一維穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)過程，則有：t推動(dòng)力b阻力A三、導(dǎo)熱系

3、數(shù)物理意義：溫度梯度為1oC/m；導(dǎo)熱面積為1m2的情況下，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。標(biāo)志著物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。單位：W/moC導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素：1、物質(zhì)的種類導(dǎo)熱材料（大多數(shù)金屬）；隔熱材料（0.22W/moC）2、物質(zhì)的狀態(tài)固體較大；氣體較小。3、物質(zhì)的濕度濕材料較大；干材料較小。4、物質(zhì)的溫度四、平面壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：1）平壁材料均勻。2）導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而變。3）平壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的方向發(fā)生變化。4）平壁面積與側(cè)面積相比為無窮大。（側(cè)面散熱為零）4/17化工原理測(cè)考試試題ttt推動(dòng)力Q12bR阻力A2、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)Qt1t4bbb213AAA123總推

4、動(dòng)力總阻力3、推動(dòng)力和阻力的加和性RQ總QQQt11231t2R2t3R3ttt12RRR1233t:t:tR:R:R123123例：穿過三層等厚的平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，如圖，已知t1=200oC，t2=150oC，t3=120oC，t4=100oC，由圖判斷導(dǎo)熱系數(shù)最大的一層為（）。A：第一層B：第二層C：第三層D：不能判斷5/17化工原理測(cè)考試試題五、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：1、溫度沿圓筒的徑向而變化，等溫面為一系列同心的圓筒壁面。2、導(dǎo)熱面積因直徑不同而不同。3、總傳熱速率不變，傳熱通量沿徑向變化。則傳熱速率的計(jì)算式為：dtdtQA2rldrdrdtdr2lrQdr2ldtrQr2r1t2

5、t1Qttlnrlnr212l12Qtt1rrrbtttt121212ln2212lrrr2rl1212lmrln2r11rrrbQttttttln2211212122lr2rl2rlA121m2rlln22rl1m2A對(duì)數(shù)平均半徑rrr1rln2r1；對(duì)數(shù)平均面積AmAA21ln2A1同理，多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的計(jì)算式為：6/17化工原理測(cè)考試試題bQb1Am11tt142Am22b3Am33P2126內(nèi)；Rb內(nèi)2rlm內(nèi)內(nèi)R外b外2rlm外外b外4rlm內(nèi)外，則R總b若內(nèi)外內(nèi)2rlm內(nèi)內(nèi)b外4rlm內(nèi)外b內(nèi)2rl2m內(nèi)小b外4rlm外小2b4rlm外小若內(nèi)外，則R總b內(nèi)2rlm內(nèi)內(nèi)b外4

6、rlm內(nèi)外b內(nèi)2rlm內(nèi)小b4rm外外l2小5b8rlm外小3對(duì)流給熱一、概述1、對(duì)流傳熱與對(duì)流給熱對(duì)流傳熱：流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流給熱：流體流過固體傳熱面時(shí)，與該面發(fā)生的熱傳導(dǎo)、流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)以及對(duì)流傳熱共同的傳熱作用。7/17化工原理測(cè)考試試題2、自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流：傳熱過程中因冷熱流體密度不同而產(chǎn)生環(huán)流引起的熱交換。強(qiáng)制對(duì)流：流體在外力作用下產(chǎn)生宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱交換。二、對(duì)流給熱過程的計(jì)算1、牛頓冷卻定律流體被加熱：QATtW流體被冷卻：QATTw0.0232）0.7Cp式中：為對(duì)流給熱系數(shù)，單位：W/m2oC2、對(duì)流給熱系數(shù)的計(jì)算1）無相變低粘度流體在

7、圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的du0.8Cpbd流體被加熱：b=0.4；流體被冷卻：b=0.3應(yīng)用范圍：1）Re100001603）ld504）2水8/17化工原理測(cè)考試試題例：某列管換熱器由38根252.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20oC被加熱到80oC。苯的流量為8.32kg/s，外殼通入水蒸氣進(jìn)行加熱。試求管壁對(duì)苯的對(duì)流給熱系數(shù)。若苯的流量提高一倍，給熱系數(shù)有何變化？4傳熱過程的計(jì)算一、熱量衡算方程式對(duì)于無相變的傳熱過程：熱流體的放熱量=W1Cp1（T1T2）冷流體的吸熱量=W2Cp2（t2t1）若不計(jì)熱損失，則有：熱流體的放熱量=冷流體的吸熱量9/17Q總化工原理測(cè)考試試題=W1

8、Cp1（T1T2）=W2Cp2（t2t1）二、傳熱速率方程式Q熱T1TWQ壁T1WAtb1wAmQ熱Q壁Q熱Q總Q熱t(yī)W2t1A2b1Q總TT1TtttWwWW1A1Am2A2Q總Tt1b1AAA11m22對(duì)于平面壁：傳熱面積A1AmA2A設(shè)K111b12則有QKATtKAt平面壁傳熱速率方程式對(duì)于圓筒壁：傳熱面積以圓管外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)KA外1A內(nèi)內(nèi)1b1AAm外外10/17化工原理測(cè)考試試題則有QKATtKAt外外圓筒壁傳熱速率方程式三、總傳熱系數(shù)K1、總傳熱系數(shù)K的物理意義：溫度差為1oC時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量。單位：W/m2oC2、總傳熱系數(shù)K的來源1）選用實(shí)際生產(chǎn)的

9、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3）K值的計(jì)算。3、提高K值的途徑減小熱阻；增大流體對(duì)流給熱系數(shù)。例：10;1000則K121111211110100010將提高10倍，則K111111102101000012將1提高10倍，則K111121111001000100當(dāng)1和2相差較大時(shí)，K值取決于較小的對(duì)流給熱系數(shù)，所以，要提高總傳熱系數(shù)值，關(guān)鍵在于從熱阻較大的一側(cè)入手，設(shè)法增加較小的對(duì)流給熱系數(shù)。11/17化工原理測(cè)考試試題四、平均溫度差的計(jì)算1、恒溫差傳熱壁面兩側(cè)進(jìn)行熱交換的冷熱流體，其溫度不隨時(shí)間及位置而變化。2、變溫差傳熱采用對(duì)數(shù)平均值計(jì)算平均溫度差（傳熱平均推動(dòng)力）。1）并流冷熱流體流動(dòng)方向相

10、同。tTt并流平均溫度差tm并ttTtTt1211221lnln11tTt2222）逆流冷熱流體流動(dòng)方向相反。tTt逆流平均溫度差tm逆ttTtTt1212211lnln12tTt2213）錯(cuò)流冷熱流體流動(dòng)方向垂直。12/17化工原理測(cè)考試試題4）折流并流和逆流共存的傳熱流程。5）錯(cuò)流和折流的平均溫度差安德華（Underwood）鮑曼（Bowman）圖算法：先按逆流操作算出對(duì)數(shù)平均溫度差，再由曲線圖差出校正系數(shù)。tmttm/曲線圖橫坐標(biāo)P冷流體的溫升tt2冷熱流體的最初溫差Tt111曲線圖縱坐標(biāo)R熱流體的溫降TT12冷流體的溫升tt213、對(duì)數(shù)平均值與算術(shù)平均值tt1tln1t22tt1226

11、.9572例：86868ln628.5743280680680ln64、逆流推動(dòng)力與并流推動(dòng)力逆流：245oC175oC160oC120oC13/17化工原理測(cè)考試試題tm逆245160175120245160ln175120855568.9oC85ln55并流：245oC175oC120oC160oCtm并245120175160245120ln1751601251051.9oC125ln10例1：在一傳熱外表面積為300m2的單程列管換熱器中，300oC的某氣體通過殼方被加熱到430oC，另一種560oC的氣體作為加熱介質(zhì)。兩氣體逆流流動(dòng)，流量均為10000kg/h，平均比熱均為1.05k

12、j/kgoC。若換熱器的熱損失為殼方氣體傳熱量的10%，試求總傳熱系數(shù)K。例2：每小時(shí)500的常壓苯蒸汽用直立列管換熱器加以冷凝，并冷卻到30oC。冷卻介質(zhì)為20oC的冷水，冷水的出口溫度不超過45oC，冷熱流體呈逆流流動(dòng)。已知苯蒸汽的冷凝溫度為80oC，汽化潛熱為390kj/kg，平均比熱為1.86kj/kgoC，并估算出冷凝段的傳熱系數(shù)為500w/m2oC，冷卻段的傳熱系數(shù)為100w/m2oC。試求所需傳熱面積及冷卻水用量。若采用并流操作，所需的冷卻水用量為多少？14/17化工原理測(cè)考試試題5有相變的流體傳熱過程一、蒸汽冷凝給熱1、蒸汽冷凝給熱的特點(diǎn)1）飽和蒸汽與過熱蒸汽飽和蒸汽與冷壁面接

13、觸后，立即發(fā)生相變，放出潛熱。過熱蒸汽與冷壁面接觸后，放出顯熱，溫度下降到飽和溫度后才發(fā)生相變，放出潛熱。2）蒸汽冷凝給熱的熱阻與推動(dòng)力飽和蒸汽冷凝給熱：蒸汽主體無熱阻，熱阻集中在冷凝液膜上。過熱蒸汽冷凝給熱：蒸汽主體有溫差（過熱溫度與飽和溫度），則蒸汽主體有熱阻。所以過熱蒸汽冷凝給熱系數(shù)比飽和蒸汽冷凝給熱系數(shù)小得多。2、分類1）膜狀冷凝：冷凝液能潤濕壁面，并形成完整冷凝液膜沿壁面向下流動(dòng)。2）滴狀冷凝：冷凝液不能完全潤濕壁面，在壁面形成液滴。3、冷凝給熱系數(shù)的影響因素1）不凝性氣體的影響產(chǎn)生氣膜，增加熱阻，減小給熱系數(shù)。2）蒸汽流速及流向的影響15/17化工原理測(cè)考試試題3）流體物性的影響,R等物理性質(zhì)影響冷凝給熱系數(shù)。4）冷凝液膜兩側(cè)的溫度差溫度差越大，冷凝液量越多，熱阻越大，給熱系數(shù)越小。5）冷凝