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1、第三章 傳熱 基本要求1. 掌握的內(nèi)容: (1)熱傳導(dǎo)基本原理,一維定常傅里葉定律及其應(yīng)用,平壁及園筒壁一維定常熱傳導(dǎo)計(jì)算及分析;(2)對(duì)流傳熱基本原理,牛頓冷卻定律,影響對(duì)流傳熱的主要因;。(3)無(wú)相變管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式及其應(yīng)用,Nu、Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的物理意義及計(jì)算,正確選用對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式,注意其用法、使用條件;(4)傳熱計(jì)算:傳熱速率方程與熱負(fù)荷計(jì)算,平均傳熱溫差計(jì)算,總傳熱系數(shù)計(jì)算及分析,污垢熱阻及壁溫計(jì)算,傳熱面積計(jì)算,加熱與冷卻程度計(jì)算,強(qiáng)化傳熱途徑。2. 熟悉的內(nèi)容: (1)對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)式建立的一般方法;(2)蒸汽冷凝、液體沸騰對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算;(3)熱輻射

2、基本概念及兩灰體間輻射傳熱計(jì)算;(4)列管式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型計(jì)算。3. 了解的內(nèi)容: (1)加熱劑、冷卻劑的種類(lèi)及選用;(2)各種常用換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用;(3)高溫設(shè)備熱損失計(jì)算。思考題1傳熱速率方程有哪幾種?各有什么特點(diǎn)?分別寫(xiě)出它們的表達(dá)式并指出相應(yīng)的推動(dòng)力和熱阻。2何謂熱負(fù)荷與傳熱速率?熱量衡算式與速率方程式的差別是什么?3如圖所示為冷熱流體通過(guò)兩層厚度相等的串聯(lián)平壁進(jìn)行傳熱時(shí)的溫度分布曲線,問(wèn):(1)兩平壁的導(dǎo)熱系數(shù)l1與l2哪個(gè)大?(2)間壁兩側(cè)的傳熱膜a1與a2哪個(gè)大?(3)若將間壁改為單層薄金屬壁,平均壁溫接近哪一側(cè)流體的溫度?4試分別用傅立葉定律、牛頓冷卻定律說(shuō)明導(dǎo)熱系

3、數(shù)及對(duì)流傳熱系數(shù)的物理意義,它們分別與哪些因素有關(guān)?5在什么情況下,管道外壁設(shè)置保溫層反而增大熱損失?6在包有內(nèi)外兩層相同厚度保溫材料的圓形管道上,導(dǎo)熱系數(shù)小的材料應(yīng)包在哪一層,為什么?7某人將一盤(pán)熱水和一盤(pán)冷水同時(shí)放入冰箱,發(fā)現(xiàn)熱水比冷水冷卻速度快,如何解釋這一現(xiàn)象?8試述流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響?9分別說(shuō)明強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流的成因,其強(qiáng)度用什么準(zhǔn)數(shù)決定?10層流及湍流流動(dòng)時(shí)熱量如何由管壁傳向流體,試分別說(shuō)明其熱量傳遞機(jī)理。11某流體在圓管內(nèi)呈湍流流動(dòng)時(shí),若管徑減小至原管徑的1/2,而流量保持不變,忽略出口溫度變化對(duì)物性的影響,問(wèn)管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)如何變化?12水在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí),若流速提高

4、為原流速的2倍,則對(duì)流傳熱系數(shù)如何變化(忽略出口溫度變化對(duì)物性的影響);若以空氣代替水,其他條件不變,則對(duì)流傳熱系數(shù)是增大還是減小?13一根很長(zhǎng)的水平光滑管用來(lái)加熱流經(jīng)管內(nèi)湍流流動(dòng)的流體,管壁維持恒溫,若流量增加至使單位長(zhǎng)度管壓降增加1倍,則對(duì)流傳熱系數(shù)將增加多少?14若傳熱推動(dòng)力增加1倍,試求在下述流動(dòng)條件下傳熱速率增加多少倍?(1)圓形管內(nèi)強(qiáng)制湍流;(2)大容器內(nèi)自然對(duì)流;(3)大容器內(nèi)飽和沸騰;(4)蒸汽膜狀冷凝。15為什么滴狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)高?16膜狀冷凝時(shí)雷諾數(shù)如何定義?17氣體與固體壁面之間、液體與固體壁面之間、有相變流體與固體壁面之間的對(duì)流傳熱系數(shù)的

5、數(shù)量級(jí)分別為多大?18熱輻射與其他形式的電磁輻射有什么不同?19何謂黑體、灰體、鏡體、透熱體?20如圖所示,管道內(nèi)有一溫度計(jì)套管,內(nèi)插溫度計(jì)測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)的高溫氣體的溫度,試問(wèn):(1)溫度計(jì)所示溫度與流體實(shí)際溫度相同嗎?哪個(gè)大?(2)為減少測(cè)量誤差可采取哪些措施?21設(shè)備保溫層外常包有一層薄金屬皮,為減少熱輻射損失,此層金屬皮的黑度值是大好還是小好?其黑度值與材料的顏色、光潔度的關(guān)系又是如何?22物體的吸收率與輻射能力之間存在什么關(guān)系?黑度與吸收率之間有何聯(lián)系?23有兩臺(tái)同樣的管殼式換熱器,擬做氣體冷卻用,在氣液流量及進(jìn)口溫度一定時(shí),為使氣體溫度降至最低,如何安排流程?24有一管式換熱器,管程走

6、液體,殼程走蒸汽,由于液體入口溫度下降,在液體流量不變的情況下,仍要達(dá)到原來(lái)的出口溫度,可采取什么措施?25有一間壁式換熱器,管內(nèi)空氣被加熱,管間為飽和水蒸汽,總傳熱系數(shù)K接近于哪一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)?壁溫接近于哪一側(cè)流體的溫度?26有一套管換熱器,用飽和水蒸汽將在管內(nèi)做湍流流動(dòng)的空氣加熱,若總傳熱系數(shù)K近似等于空氣的對(duì)流傳熱系數(shù),今空氣流量增加1倍,而空氣進(jìn)出口溫度及飽和水蒸汽溫度仍不變,問(wèn)該換熱器長(zhǎng)度應(yīng)增為原長(zhǎng)的多少倍?27有一套管換熱器,用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)的空氣,如要測(cè)總傳熱系數(shù)K,需要測(cè)定哪些參數(shù)?若要測(cè)得飽和水蒸汽一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù),還需要補(bǔ)測(cè)哪些參數(shù)?28有一套管換熱器,管內(nèi)流體的

7、對(duì)流傳熱系數(shù)為管間流體的1/4,已知兩種流體均為湍流流動(dòng),試問(wèn):(1)管內(nèi)流速增加1倍;(2)管間流速增加1倍,總傳熱系數(shù)各增加多少?(管壁熱阻及污垢熱阻可不計(jì))29列管換熱器在什么情況下要考慮熱補(bǔ)償,熱補(bǔ)償?shù)男问接心男?0為提高列管式換熱器的總傳熱系數(shù)K,在結(jié)構(gòu)上可采取哪些措施?31如圖所示為一釜式設(shè)備,夾套內(nèi)通蒸汽加熱釜內(nèi)液體,試問(wèn):(1)為提高總傳熱系數(shù)K,可采取什么措施;(2)標(biāo)出加熱蒸汽的進(jìn)出口;(3)若傳熱面積不夠,可采取什么措施?(4)操作后期,夾套內(nèi)通冷卻水冷卻釜內(nèi)液體,標(biāo)出水的進(jìn)出口。32從強(qiáng)化傳熱過(guò)程角度來(lái)比較列管式換熱器與板式換熱器、螺旋板式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)。學(xué)習(xí)指導(dǎo)書(shū):

8、(1)重點(diǎn)例題:例3-3、6、7、8、10、11、12、13、16(2)填空題:重點(diǎn)掌握內(nèi)容,必須會(huì)分析;(3)選做題:見(jiàn)后面習(xí)題課內(nèi)容:習(xí)題指導(dǎo)書(shū):p105 339、41、42、43、44、453-39 116的飽和水蒸汽在一單管程列管式換熱器的殼程冷凝,一定流量的空氣在管程湍流流動(dòng),其溫度由20升至80。設(shè)總傳熱系數(shù)近似等于空氣對(duì)流傳熱系數(shù)。(1)操作中若空氣流量增加20%,為保持空氣出口溫度不變,問(wèn)加熱蒸汽溫度應(yīng)提高至多少度?(2)若采用一雙管程的換熱器,其換熱管管徑和總管數(shù)與原換熱器相同,則為完成相同的換熱任務(wù),所需要換熱管長(zhǎng)度為原換熱器的多少倍?忽略氣體溫度變化對(duì)其物性的影響。3-4

9、1 有一蒸汽冷凝器,蒸汽在其殼程中冷凝傳熱系數(shù)為10000W/m2×K,冷卻水在其管程中的對(duì)流傳熱系數(shù)為1000W/m2×K。已測(cè)得冷卻水進(jìn)、出口溫度分別為t1=30、t2=35。現(xiàn)將冷卻水流量增加一倍,問(wèn)蒸汽冷凝量將增加多少?已知蒸汽在飽和溫度100下冷凝,且水在管程中流動(dòng)均達(dá)到湍流。(忽略污垢熱阻和管壁熱阻)3-42 用套管換熱器每小時(shí)冷凝甲苯蒸汽1000kg,冷凝溫度為110,冷凝潛熱為363 kJ/kg,冷凝傳熱系數(shù)×。換熱器的內(nèi)管尺寸為,外管尺寸為,有效長(zhǎng)度為5m。冷卻水初溫為16,以3000kg/h的流量進(jìn)入內(nèi)管,其比熱為4.174kJ/kg×

10、;,粘度為1.11cP,密度為995kg/m3。忽略管壁熱阻、污垢熱阻及熱損失。求:(1)冷卻水出口溫度;(2)管內(nèi)水的對(duì)流傳熱系數(shù);(3)若將內(nèi)管改為的鋼管,長(zhǎng)度不變,冷卻水的流量及進(jìn)口溫度不變,問(wèn)蒸汽冷凝量變?yōu)樵瓉?lái)的多少倍?3-43一單殼程雙管程列管式換熱器中,用130的飽和水蒸汽將36000kg/h的乙醇水溶液從25加熱到80。列管換熱器由90根,長(zhǎng)3m的鋼管管束組成,乙醇水溶液走管程,飽和水蒸汽走殼程。已知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·K,乙醇水溶液在定性溫度下的密度為880kg/m3,粘度為1.2×10-3Pa·s,比熱為4.02kJ/kg·K,導(dǎo)

11、熱系數(shù)為0.42W/m·K,水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為10000W/m2·K,忽略污垢熱阻及熱損失。試問(wèn):(1)此換熱器能否完成任務(wù)?(2)若乙醇水溶液流量增加20%,而溶液進(jìn)口溫度、飽和水蒸汽壓力不變的條件下,仍用原換熱器,乙醇水溶液的出口溫度變?yōu)槎嗌??(乙醇水溶液的物性可視為不變?-44 兩臺(tái)完全相同的單管程列管式換熱器,用水蒸汽在殼程冷凝以加熱管程內(nèi)的空氣。若加熱蒸汽壓力相同,空氣進(jìn)、出口溫度t1和t2也分別相同,問(wèn)(1)將兩臺(tái)換熱器串聯(lián)操作及并聯(lián)操作(見(jiàn)本題附圖),哪種方案生產(chǎn)能力大,相差多少倍?(并聯(lián)時(shí)空氣均勻分配于兩換熱器中);(2)由以上求出的生產(chǎn)能力之比,計(jì)算

12、兩方案由于流動(dòng)阻力引起的總壓降比為多大(注:蒸汽冷凝傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的對(duì)流傳熱系數(shù);不計(jì)換熱器進(jìn)、出口及聯(lián)接管線所引起的壓降;空氣在換熱管內(nèi)流動(dòng)均按湍流考慮;直管摩擦阻力系數(shù)用柏拉修斯方程計(jì)算)習(xí)題3-43附圖3-45 在單管程逆流列管式換熱器中用水冷卻空氣。水和空氣的進(jìn)口溫度分別為25及115。在換熱器使用的初期,水和空氣的出口溫度分別為48和42;使用一年后,由于污垢熱阻的影響,在水的流量和入口溫度不變的情況下,其出口溫度降至40。不計(jì)熱損失。求(1)空氣出口溫度變?yōu)槎嗌???)總傳熱系數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的多少倍;(3)若使水流量增大一倍,而空氣流量及兩流體入口溫度都保持不變,則兩流體的出口溫度變?yōu)槎嗌??(提示:水的?duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣)臨界保溫半徑:在f25×2.5mm的蒸氣管道外包一層厚度為37.5mm、導(dǎo)熱系數(shù)為的保溫層。管內(nèi)飽和蒸氣溫度為130,大氣溫度為30。試求: (1) 保溫層的表面溫度并計(jì)算分析此保溫層能否起到減小熱損失的作用。 (2) 若采用的保溫材料,其它不變,再計(jì)算保溫效果。以上計(jì)算可

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