第6章 传 热
一、选择题
1．已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度（ ）耐火砖的黑度。[浙江大学2011年研]
A．大于
B．等于
C．不能确定是否大于
D．小于
【答案】D
【解析】物体的吸收率越大，其辐射能力也越强，灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度，耐火砖的辐射能力大，则其吸收率也大，即其黑度大。
2．为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该选择（ ）和（ ）的。[华南理工大学2011年研]
A．表面光滑
B．表面粗糙
C．颜色较深
D．颜色较浅
【答案】A；D
【解析】表面光滑，减少对流传热系数，从而降低对流传热损失。颜色较浅，辐射能力弱，降低辐射热损失。
3．穿过三层平壁的稳定导热过程，如图6-1所示，试比较第一层的热阻R1与第二、三层热阻R2、R3的大小（ ）。[浙江大学2011年研]
图6-1
A．R1＞（R2+R3）
B．R1＜（R2+R3）
C．R1＝（R2+R3）
D．无法比较
【答案】C
【解析】第一层的传热推动力为120－80＝40℃，第二、三层的传热推动力为（80－45）＋（45－40）＝40℃，传热推动力相同，故热阻也相同。
4．将单程列管式换热器改为双程，会使得传热系数（ ），使传热温差（ ）。[华南理工大学2011年研]
A．不确定
B．不变
C．增大
D．减小
【答案】C D
【解析】为了提高管内流速，增大对流传热系数，可采用多管程。但是管程数过多，导致管程流动阻力加大，同时会使平均温度差下降。
二、填空题
1．一列管换热器，用饱和蒸汽加热某种易结垢的悬浮液，此换热器在流程安排上应使悬浮液走管程还是壳程？______。若蒸气中含不凝性气体，则冷凝热阻由______决定。[华南理工大学2011年研]
【答案】管程；气膜热阻
【解析】由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。易结垢的悬浮液走管内，管内清洗较为方便。当两种流体的对流传热系数相差很大时，此传热过程的热阻主要在气体一侧。
2．导热的机理是______，符合______定律，表达式为______；
对流换热的机理是______，符合______定律，表达式为______；
辐射换热的机理是______，符合______定律，表达式为______。[中山大学2010年研]
【答案】
导热的机理是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。导热符合傅里叶定律，表达式为
。
对流换热的机理是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程。对流换热符合牛顿冷却定律，表达式为
。
辐射换热的机理是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。辐射换热符合：斯蒂芬-玻尔兹曼定律，表达式为
。
【解析】根据传热机理的不同，热传递可分为热传导、热对流、热辐射3种基本方式，传热时可依靠其中的一种或几种方式同时进行。
3．列管换热器设计时，流体流动通道选择原则有：有腐蚀性和易结垢的流体宜走_____程；粘度大或流量较小的流体宜走_____程；当两流体温差较大时，给热系数大的宜走_____程。[武汉理工大学2010年研]
【答案】管程；壳程；壳程
【解析】换热器设计时，不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管内清洗比较方便；黏度大的液体或流量较小的流体宜走壳程，因流体在壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低的Re值下即可达到湍流，以提高对流传热系数。
4．在列管换热器的流体流径选择中，易产生污垢的流体通常走______，高压高温流体走______。[华南理工大学2012年研]
【答案】管内；管内
【解析】易结垢流体走管内，因为管内较易清洗；高压流体走管内，以免壳体受压，可减少壳层金属消耗量。
5．在一卧式列管换热器中，利用水蒸气冷凝加热某种液体，应安排水蒸气走_____程，换热器顶部设置排气阀是为了______。[北京化工大学2012年研]
【答案】壳；防止发生堵塞
【解析】水蒸气宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较清洁，它对清洗无要求。
三、计算题
1．现有两台单壳程单管程的传热面积均为18m2的列管式空气加热器，每台加热器均由64根φ57×3.5mm钢管组成，壳程为160℃的饱和水蒸气冷凝（冷凝潜热r＝2087.1kJ/kg），空气入口温度tl＝25℃，流量为2.6kg/s。以湍流方式通过管内。
（1）若两台换热器并联使用，通过每台换热器的空气流量均等，此时空气的对流给热系数为40W（m2·℃），求空气的出口温度t2及水蒸气的总冷凝量W01为多少？
（2）若两台换热器改为串联使用，问此时空气出口温度t2’及水蒸气的总冷凝量W02为多少？
假定空气的物性不随温度压力而变化，视为常量，Cp＝1kJ/（kg·℃）。忽略热损失。[南京理工大学2010年研]
解：（1）换热器并联，热量衡算
因为
，所以
平均温度差为
代入
，则
，
热量
水蒸气冷凝量
（2）换热器串联
水蒸气的总冷凝量
2．在一垂直放置的套管换热器内（内管直径为φ38×3mm，换热管有效长度为3m），用冷水来冷凝环隙间的90℃有机蒸汽。夏天操作时，冷水进口温度为28℃，出口温度为48℃。冬天时冷水进口温度降为15℃，其流率仍和夏天相同。假设两种情况下物料所有的物性常数和总传热系数均相同，忽略热损失。求：
（1）冬天操作时冷水出口温度为多少？
（2）冬天操作时有机蒸汽的冷凝量将比夏天时的增大百分之几？
（3）若将换热器改为水平放置，其它条件均不变，试定性判断有机蒸汽冷凝量将如何变化？[华南理工大学2011年研]
解：（1） 
因为冬天和夏天总传热系数和物性常数都一样
即 
解得 t2＝39.187℃
（2） 
＝20.93%
（3）若将换热器改为水平放置，有机蒸汽的冷凝量应该减少。
蒸汽在垂直管外或垂直平板侧冷凝时，
蒸汽在单根水平管上冷凝时，
即 
＝2.29
蒸汽的对流传热系数增加，所有冷凝量减小。
3．精馏塔顶装一台卧式列管冷凝器（单壳程单管程），用循环水冷凝壳程80℃的饱和有机蒸汽。共有φ25×2.5mm的管子40根，管长2m。冬季冷却水的进口温度为10℃。蒸汽流量为2.2kg/s。流程如图6-2所示。已测得冷水流经换热器的压头损失可表示为hf＝8u2（u为换热管内流速，m/s；hf以m表示），流经上水管A和回水管B的压头损失分别为3.5m和2m。离心泵的特性曲线表示为H＝30－1.20×105V2，式中V以m3/s表示，H以m表示。试求：
图6-2
（1）塔顶冷凝器所需冷却水体积流量（m3/h）；
（2）该换热器是否适用；
（3）若精馏塔通过改进挖潜，生产能力提高10%，在原来的操作条件下，此换热器是否依然适用？并定性分析应该如何调整操作参数以满足生产要求？
假设相关参数均不发生改变，其中水的物性数据为：
ρ＝992.2kg/m3 λ＝0.6338W/（m·K） Cp＝4.187×103J/（kg·K）
μ＝6.56×10－4Pa·s Pr＝4.31
有机蒸汽的参数为：冷凝对流传热系数α＝6000W（m2·K），汽化潜热γ＝395×103J/kg。[浙江大学2011年研]
解：（1）管路特性曲线为：
＝5.5＋50700Q2
与离心泵特性曲线H＝30－120000V2联立
得Q＝0.01198m3/s＝43.13m3/h
所以u＝0.954m/s
（2）由Q＝43.13m3/h得
W/（m2·K）
W/（m2·K）
代入数据得tc2＝27.46℃
平均传热温差：
Ao＝nπdL＝40×3.14×0.025×2＝6.28m2
得出A需＝6.07m2
所以改换热器合用。
（3）因为αo和αi较为接近，故K值由两者共同决定，生产能力增加10%时，K值增加很小，近似认为不变，但Q增加10%，于是需要的换热面积A也增加10%为6.67m2，此时换热器就不再使用了。
解决办法：此时可通过降低冷却水入口温度，以提高传热推动力，使换热器满足要求。
4．高温气体在废热锅炉中φ38×3mm的钢质列管内流过，进口温度580℃，出口温度470℃，管外沸腾水温为225℃。已知气体一侧的对流给热系数为300W/（m2·k），水侧的对流热系数为10000W/（m2·k）。不计污垢热阻，试求总温度差以及内、外壁面的平均温度各为多少？钢的l＝45W/（M·℃），设管内、外壁面温度各自为定值。[中南大学2012年研]
解：基于外表面的总传热系数为：
＝242W/（m2·K）
总温度差：
跨过管外膜层的温度差：
跨过管内膜层的温度差：
因是稳定传热，故跨过各层的传热速率相等，即：
将已知值代入前两项，即：
242×38×296.6＝300×32×（580－470）/ln[（580-Tw）]
Tw＝237.4℃
5．重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，重油放热由243℃降至167℃，原油吸热由128℃升至157℃。若维持两种油的初温和质量流量不变，而将两流体改为逆流流动，试求此时冷、热流体的出口温度和此时的对数平均温度差。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，热损失也可以忽略。[中山大学2010年研]
解：依题意，开始时原油重油并流，已知
又
，其中
代入得：
当将并流改为逆流时，初始温度不变
综上可以得出：
，
解得：
此时对数平均温度差为