发布时间 : 星期一 文章《传热学》考试试题库汇总#更新完毕开始阅读
点。设计中,一般较 多选用逆流布置,使换热器更为经济、有效,但同时也要考虑冷、热流体流道布置上的可行性,如 果希望得到较高的壁面温度,则可选用逆流布置,反之,如果不希望换热器壁面温度太高,则可以 选择顺流布置,或者顺、逆流混合布置方式。 ) 4. 试解释并比较换热器计算的平均温差法和 ε— NTU 法?
(提示:从平均温压法和 ε— NTU 法的原理、特点上加以阐述。两种方式都可以用于换热器的 设计计算和校核计算,平均温差法是利用平均温差来进行换热器的计算,而 ε— NTU 法是利用换热 器效能 ε与传热单元数 NTU 来进行换热器计算。平均温压法要计算对数平均温压,而 ε— NTU 法则 要计算热容量比、传热单元数或换热器效能。设计计算时,用平均温差法比用 ε— NTU 法方便,而 在校核计算时,用 ε— NTU 法比用平均温差方便。 )
5. 请说明在换热设备中,水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响,如何防止。 (提示:从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中,水垢、灰垢的存在将使系统中导热 热阻大大增加,减小了传热系数,使换热性能恶化,同时还使换热面易于发生腐蚀,并减小了流体 的流通截面,较厚的污垢将使流动阻力也增大。此外,热流体侧壁面结垢,会使壁面温度降低,使 换热效率下降 ·,而冷流体侧壁面结垢,会导致壁温升高,对于换热管道,甚至造成爆管事故。防止 结垢的手段有定期排污、清洗、清灰,加强水处理,保证水质,采用除尘、吹灰设备等。 ) 传热过程及换热器部分 一、基本概念
主要包括传热方程式及换热器设计、对数平均温差、换热器中两流体沿程温度变化曲线、强化 传热及热阻分析、传热系数实验测定方法等等。
1、对壳管式换热器来说,两种流体在下列情况下,何种走管,何种走管外?
(1)清洁与不清洁的; (2)腐蚀性大与小的; (3)温度高与低的; (4)压力大与小的; (5)流量大与小的; (6)粘度大与小的。
答:(1)不清洁流体应在管,因为壳侧清洗比较困难,而管可定期折开端盖清洗; (2)腐蚀性 大的流体走管,因为更换管束的代价比更换壳体要低,且如将腐蚀性强的流体置于壳侧,被腐蚀 的不仅是壳体,还有管子; (3)温度低的流体置于壳侧,这样可以减小换热器散热损失; (4)压力大的 流体置于管,因为管侧耐压高,且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损; (5)流量大的流体放在 管外,横向冲刷管束可使表面传热系数增加; (6)粘度大的流体放在管外,可使管外侧表面传热系数 增加。
2、 为强化一台冷油器的传热, 有人用提高冷却水流速的办法, 但发现效果并不显著 c 试分析原因。 答:冷油器中由于油的粘度较大,对流换热表面传热系数较小,占整个传热过程中热阻的主要 部分,而冷却水的对流换热热阻较小,不占主导地位,因而用提高水速的方法,只能减小不占主导
地位的水侧热阻,故效果不显著。
3、有一台钢管换热器,热水在管流动,空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管热 水。有人提出,为提高冷却效果,采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理 性。
答:该换热器管为水的对流换热,管外为空气的对流换热,主要热阻在管外空气侧,因而在 管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的,但该换热器中管壁导热热阻不是传 热过程的主要热阻,因而无需将钢管换成铜管。
4、为了简化工程计算,将实际的复合换热突出一个主要矛盾来反映,将其次要因素加以适当考 虑或忽略掉,试简述多孔建筑材料导热、房屋外墙表面的总换热系数、锅炉炉膛高温烟气与水冷 壁之间的换热等三种具体情况的主次矛盾。
答:⑴通过多孔建筑物材料的导热 , 孔隙虽有对流和辐射 , 但导热是主要的 , 所以热量传递按导热 过程进行计算 , 孔隙中的对流和辐射的因素在导热系数中加以考虑。⑵房屋外墙表面
的总换热系数 是考虑了对流和辐射两因素的复合 , 两者所起作用相当 , 因对流换热计算简便 , 将辐射的因素折算在对 流换热系数中较方便些。⑶锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热 , 由于火焰温度高达 1000℃以上 , 辐 射换热量很大 , 而炉膛烟气流速很小 , 对流换热相对较小 , 所以一般忽略对流换热部分 , 而把火焰与水冷 壁之间的换热按辐射换热计算。 5、肋片间距的大小对肋壁的换热有何影响 ?
答:当肋片间距减小时,肋片的数量增多,肋壁的表面积相应地增大 , 故肋化系数 β值增大 , 这对 减小热阻有利 ; 此外适当减小肋片间距可以增强肋片间流体的扰动 , 使换热系数 h 相应提高。但是减小 肋片的间距是有限的 , 一般肋片的间距不小于边界层厚度的两倍 , 以免肋片间流体的温度升高 , 降低了 传热的温差。 6、如何考虑肋片高度 l 对肋壁传热的影响 ?
答:肋高 l 的影响必须同时考虑它对肋片效率 ηf 和肋化系数 β两因素的作用。 l 增大将使 η f
降低 , 但却 能使肋面积 A 2
增大 , 从而使 β增大。因此在其他条件不变的情况下 , 如能针对具体传热情况 , 综合考虑上 述两项因素 , 合理地选取 l , 使 1/(hη f
β)项达一最低值 , 从而获得最有利的传热系数 KА值 , 以达到增强传热 的目的。
7、 试述平均温差法 (LMTD法 ) 和效能 ─ 传热单元数法 (ε-NTU 法 ) 在换热器传热计算中各自的特点 ? 答:LMTD 法和 ε-NTU 法都可用于换热器的设计计算和校核计算。这两种方法的设计计算繁简程
度差不多。但采用 LMTD 法可以从求出的温差修正系数 φ Δt
的大小看出所选用的流动形式接近逆流程 度 , 有助于流动形式的选择 , 这是 ε-NTU 法所做不到的。 对于校核计算 , 两法都要试算传热系数 , 但是由于
LMTD 法需反复进行对数计算故较 ε-NTU 法稍嫌麻烦些 , 校核计算时如果传热系数已知 , 则 ε-NTU 法可 直接求得结果 , 要比 LMTD 法简便得多。
8、 热水在两根相同的管以相同流速流动, 管外分别采用空气和水进行冷却。 经过一段时间后, 两管产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大 ? 为什 么 ?
答:采用水冷时,管道外均为换热较强的水,两侧流体的换热热阻较小,因而水垢的产生在 总热阻中所占的比例较大。而空气冷却时,气侧热组较大,这时,水垢的产生对总热阻影响不大。 故水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。 二、定量计算
主要包括:复合换热及传热过程、热阻分析、换热器设计计算、换热器校核计算。
1、外径为 200mm 采暖热水输送保温管道,水平架空铺设于空气温度为 -5℃的室外,周围墙壁表 面平均温度近似为 0℃, 管道采用岩棉保温瓦保温, 其导热系数为 λ(W/m℃) =0.027+0.00017t (℃) 。 管热水平均温度为 100℃,由接触式温度计测得保温层外表面平均温度为 45℃,表面发射率为 0.9, 若忽略管壁的导热热阻,试确定管道散热损失、保温层外表面复合换热系数及保温层的厚度。 解:管道散热损失包括自然对流散热损失和辐射散热损失两部分。
确定自然对流散热损失: 定性温度 ℃
则
确定辐射散热损失: 属空腔(A 2 )与包壁(A 1
)之间的辐射换热问题,且 。 单位管长管道散热损失
确定保温层外表面复合换热系数: 确定保温层的厚度:
由傅立叶定律积分方法获得。 ,分离变量得:,即: 得管道外径 保温层的厚度为
2、 一所平顶屋, 屋面材料厚 δ=0.2m , 导热系数 λ w
=0.6W/(m·K) , 屋面两侧的材料发射率 ε均为 0.9。 冬初,室温度维持 t f1
=18℃,室四周墙壁亦为 18℃,且它的面积远大于顶棚面积。天空有效辐射 温度 为 -60℃。室 顶棚表面对流表面传热系数 h 1
=0.529W/(m2·K) ,屋顶对流表面 传热系数 h 2 =21.1W/(m2·K) ,问当室外气温降到多少度时,屋面即开始结霜 (t w2
=0℃ ) ,此时室顶棚温度为多
少 ? 此题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数 ? 解:⑴求室顶棚温度 t w1
稳态时由热平衡,应有如下关系式成立:
室复合换热量 Φ’ =导热量 Φ=室复合换热量 Φ” ;
因 Φ’ =Φ
,且结霜时 ℃,可得: ,即 解得: ℃。
⑵求室外气温 t f2 因 Φ” =Φ,可得: ,即:
℃
⑶注意到传热方向,可以求出复合换热系数 h f1、 h f2 依据 ,得 依据 ,得
⑷求传热系数 K
3、一蒸汽冷凝器,侧为 t s =110℃的干饱和蒸汽,汽化潜热 r=2230
,外侧为冷却水,进出 口水温分别为 30℃和 80℃,已知外侧换热系数分别为
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,及 3000,该冷凝器面积 A=2m2,现为了强化传热在外侧加肋,肋壁面积为原面积的 4倍,肋壁总效率 η=0.9,若忽略冷凝器本 身导热热阻,求单位时间冷凝蒸汽量。 解:对数平均温差:℃, ℃
℃
传热系数
单位时间冷凝蒸汽量:
7、设计一台给水加热器,将水从 15℃加热到 80℃,水在管受迫流动,质量流量为 2kg/s,比热 为 4.1868kJ/kg℃。管径为 0.0116m ,外径 0.019m ,用 110℃的饱和蒸汽加热,在加热器为饱和液体。 已知管外的对流传热系数分别为 4306 W/ m2℃和 7153W/ m2℃; 汽化潜热 r = 2229.9kJ/kg; 且忽略管 壁的导热热阻,试利用 ε-NTU 法确定所需传热面积。该换热器运行一段时间后,在冷热流体流量及进 口温度不变的条件下,只能将水加热到 60℃,试采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。 提示:一侧流体有相变时, ε=1-e -NTU 。 解:利用 ε-NTU 法确定所需传热面积。 换热器效能为: 传热单元数为: 传热系数为:
需说明因为管径为 0.0116m ,外径 0.019m ,即管壁较薄,可视为平壁的传热过程。 由 ,得:
换热器面积为:
采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。 对数平均温差:℃, ℃
℃
运行中产生的污垢热阻为: 热辐射基本定律部分 一、基本概念
主要包括热辐射基本概念及名词解释、黑体辐射基本定律、实际物体辐射特性及其应用。 1、北方深秋季节的清晨,树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱 ? 为什么 ? 答:霜会结在树叶的上表面。因为清晨,上表面朝向太空,下表面朝向地面。而太空表回的温 度低于摄氏零度,而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说,其上表面需要向太 空辐射更多的能量,所以树叶下表面温度较高,而上表面温度较低且可能低于零度,因而容易结霜。 2、如图所示的真空辐射炉,球心处有一黑体加热元件,试指出①,②,③ 3处中何处定向辐射 强度最大 ? 何处辐射热流最大 ? 假设①,②,②处对球心所立体角相同。 答:由黑体辐射的兰贝特定律知,定向辐射强度与方向无关。故 I l =I 2 =I 3
。而三处对球心立体角
相当,但与法线方向夹角不同, θ1 >θ 2 >θ 3
。所以①处辐射热流最大,③处最小。
3、有 — 台放置于室外的冷库,从减小冷库冷量损失的角度出发,冷库外壳颜色应涂成深色还