传热操作技术
1、有一?108mm ?4mm 的管道，内通以200KPa 的饱和蒸气。已知其外壁温度为110℃。内壁温度以蒸气温度计。求每米管长的导热量。
解：已知：2254 5.410r mm m -==? 2221 5.410410 5.010r m ---=?-?=? 1L m = 2110t ω=℃ 查表得145m λω-=??℃ 1120t ω=℃
()222
12 3.14112011045
236720.375.4105.010
36720.37n n
l t Q W r l l r W
πλ--???-?=
==??∴ 每米管长的导热量为 2、水在一圆形直管内呈强制湍流时，若流量及物性均不变，现将管内径减半，则管内对流传热系数为原来的多少倍？
解：已知：12λλ= 2112
d d = 21P P C C = 21μμ= 21ρρ= 21qV qV = 2
222
4
qV u d π
=
0.8
22222222222240.023n
P qV d d C d d ρπλμμλ?? ?
??? ?∴= ? ??? ? ??? 0.8
122222111210.811
240.023222 3.48n P d qV d C d ρπλμμλαα?? ?
??? ?= ? ???
? ???
=?=
3、用一列管式换热器来加热某某溶液，加热剂为热水。拟定水走管程，溶液走壳程，已知溶液的平均比热容为13.05KJ Kg - ℃，进出口温度分别为35℃和60℃，其流量为1600Kg h - ；水的进出口温度分别为90℃和70℃。若不考虑热损失，试求热水的消耗量和该换热器的热负荷。
解：已知： 190n t =℃ 270n t =℃ 135c t =℃ 260c t =℃
33.0510P C C J Kg ?=? ℃ 111
600600/36006
mc q kg h kg s --===
由题意可知：
()2131 3.051025
612708.3C mc pc c c C Q q C t t Q W
=-=???=代入数据
又 不考虑热损失，则在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸
收的热量
()()()
121212C h
h mh Ph n n C C
mh P h n n Ph n n Q Q Q q C t t Q Q q C t t C t t ∴==-∴==
--
查表可得80℃时，314.19510Ph C J kg -=?
℃ 13
12708.3
0.154.1951020
mh q kg s -∴=
=?? ∴热水的消耗量为10.15kg s - ，该换热器的热负荷为12708.3w 。 4、在一釜式列管式换热器中，用280KPa 的饱和水蒸气加热并汽化某液体（水
蒸气仅放出冷凝潜热）。液体的比热溶为14.0kJ kg - ℃，进口温度为50℃，沸点为88℃，汽化潜热为22001kJ kg - ，流量为11000kg h - 。忽略热损失，求加热水蒸气的消耗量。
解：已知：280P kPa =水 C =液14.0kJ kg -
℃ 50T =进℃ 88T =沸℃ 11000
1000/3600m q kg h kg s -==
12200r kJ kg -= 潜热 36111000
2200100.61103600
h m Q q r J S -==
??=? 湿热 ()()34121000
4.0108850 4.2103600h m Q q C T T J S -=-=
???-=? 进沸 6451120.6110 4.210 6.5210h h Q Q Q J S -∴=+=?+?=?
又Q q r = 水水
51
65210Q J S q r r -??∴==
水水水
31270.25217810KPa J kg -=? h1在压强下,r 31313.11216310KPa J kg -=?
h2压强下,r
270.25,313.11kPa kPa ∴n
由的汽化比焓可求得
280kPa 下汽化比焓r
33
36270.25313.11217810216310270.252802178102.17510n n r r -?-?=
-?-=?
541
6
41
6.52103102.17510310q kg s
kg s --?∴==??∴? 水加热用水蒸气的消耗量为 5、用一单壳程四管程的列管式换热器来加热某溶液，使其从30℃加热至50℃，加热剂则从120℃下降至45℃，试求换热器的平均温度差。 解：当并流时 30℃→50℃ 120℃→45℃
11203090t =-= ℃ 250455t =-= ℃
1212
905
29.4190
5m n n
t t t t l l t --∴
=== ℃ 当逆流时 30℃→50℃ 45℃←120℃
11205070t =-= ℃ 2453015t =-= ℃
1212
70155535.717014
153m n n n
t t t t l l l t --∴
==== ℃ ∴当并流时，换热器的平均温度差为29.41℃，当逆流时，换热器的
平均温度差为35.71℃
6、在某列管式换热器中，管子为?25mm ?2.5mm 的钢管，管内外的对流传热系数
2200w m - ℃和22500w m - ℃，不计污垢热阻，试求：
（1）此时的传热系数。（2）将i α提高1倍时（其它条件不变）的传热系数。（3）将0α提高1倍时（其它条件不变）的传热系数。
解：已知： 2.50.0025mm m δ== 0250.025A mm m == 2200i w m α-=
℃-1 25 2.52200.020i A mm m =-?== 145w m λ-= ℃-1 00.02252
i
m A A A m +=
= （1）202500w m α-=
℃-1 000
1
1i i M K A A A A δαλα∴=
++
1
0.0250.00250.0251
2000.02450.02252500
=
?++
?? 2149.0313W m -= ℃-1
（2）将i α提高1倍，即i α`=400
`k 000
1
1i i m A A A A δαλα=
++
1
0.0250.00250.0251
4000.02450.02252500
=
?++
??
=2278.9400w m - ℃-1
（3）将0α提高1倍，即0α`=50002w m - ℃-1
K`000
1
1i i M A A A A δαλα=
++
1
0.0250.00250.0251
2000.02450.02255000
=
?++
??
2153.6098w m -= ℃-1
增幅：
153.6098149.0313
3.1149.0313
-=%
7、为了测定套管甲苯冷却器的传热系数，测得实验数据如下：冷却器传热面积为2.82m ，甲苯的流量为12000kg h - ，由80℃冷却到40℃。冷却水从20℃开始到30℃，两流体呈逆流流动，试求所测得的传热系数和水的流量为多少？ 解：已知：A 22.8m = 2000
/3600
mh q kg s =
查表可得 31.710/Ph C KJ =?(kg ℃) 甲苯 80℃→40℃ 水 30℃←20℃ 150t = 220t = 1212
5020
32.7550
20m n n
t t t t l l t --=
== ℃ ()12h mh ph n n Q q C h h =-
32000
1.71040
360037777.8w
=
???=
又m
Q
A K t = m Q K A t ∴=
237777.8
411.972.837.5
K w m -∴=
=? ℃-1
又C h Q Q = ()21c mc c c pc Q q h h C =- 查表得 4.179/pc C kJ =(kg/℃-1) ()2137777.8
0.904/4.17910
h mc pc c c Q q kg s C h h ∴=
==-?
∴所测得的传热系数为2411.97w m - ℃-1，水的流量为0.904kg/s. 8、用列管式冷却器将一有机液体从140℃冷却至40℃，该液体的处理量为，比热容为。用一水泵抽河水作冷却剂，水的温度为30℃，在逆流操作下冷却水的出
45℃，总传热系数为，温度差校正系数为0.8。计算：（1）冷却水的
用量（水的比热容为）；（2）冷却器的传热面积。（3）若水泵的最大供水量为，采用并流操作行不行？
解：已知：1140n t =℃ 240n t =℃ 31610/3600m q kg s -=?
12.303C KJ kg -= ℃-1 130c t =℃ 235c t =℃ 0.8t α= 1290.75K w m -= ℃-1 14.187C KJ kg -= 水℃-1
(1) mh mc q C t q C t =
热水水 ()()
3610/3600 2.30314040 6.114.1874530mh mc q C t q kg C t ???-∴=
==?- 水水℃-1 (2) 逆流 140→40 45←30
1404595t =-= ℃ 2403010t =-= ℃
1212
9510
`37.7895
10`37.780.830.22
m n n m m t t t t l l t t t t α--=
====?= 由m Q AK t = 得
32610/3600 2.3031000.044290.7530.22
mh m m q C t Q
A m K t K t ???====?
（3）采取并流流操作 140→40 30→45
114030110t =-= ℃ 245405t =-= ℃
1212
1105
`33.98110
5m n n
t t t t l l t --∴
=== `33.980.827.18m m t t t α==?= 31610/3600 2.303100 3.374.18727.18
mh m m m q C t Q
q kg s C t C t -???====?
由m Q K A t = 得： 32610/3600 2.303100
0.049290.7527.18
m Q A m K t ???===?
3113.37
68.780.068780.049
m q qv m s L S A --=
=== 17qv L S -∴? ∴可以采取并流流操作。
第二章 思考题 1 试写出导热傅里叶定律的一般形式，并说明其中各个符号的意义。 答：傅立叶定律的一般形式为： n x t gradt q ??-=λλ＝－，其中：gradt 为空间某点的温度梯度；n 是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指 向温度升高的方向；q 为该处的热流密度矢量。 2 已知导热物体中某点在x,y,z 三个方向上的热流密度分别为y x q q ,及 z q ，如何获得该点的 热密度矢量？ 答：k q j q i q q z y x ?+?+?=，其中k j i ,,分别为三个方向的单位矢量量。 3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律。 答：导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。 4 试分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。 答：① 第一类边界条件：)(01ττf t w =>时， ② 第二类边界条件： )()( 02τλτf x t w =??->时 ③ 第三类边界条件： )()( f w w t t h x t -=??-λ 5 试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。 答：在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。使用条件是对于各个传热环节的传热面积必须相等。 7.通过圆筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无关，而通过球壳的导热量计算式却与半径的绝对值有关，怎样理解？ 答：因为通过圆筒壁的导热热阻仅和圆筒壁的内外半径比值有关，而通过球壳的导热热阻却和球壳的绝对直径有关，所以绝对半径不同时，导热量不一样。 6 发生在一个短圆柱中的导热问题，在下列哪些情形下可以按一维问题来处理？ 答：当采用圆柱坐标系，沿半径方向的导热就可以按一维问题来处理。 8 扩展表面中的导热问题可以按一维问题来处理的条件是什么？有人认为，只要扩展表面细长，就可按一维问题来处理，你同意这种观点吗？
传热计算习题课 稳定传热计算总结 利用公式 m Q K S t =??? 1221W ()W ()h ph c pc Q c T T c t t =-=- 221[()]()h ph s c pc Q W r C T T W C t t =+-=- 应用条件：（a ）稳定传热；（b ）c p 、k 为常数；（c ）忽略热损失。 计算类型：设计型：已知生产任务，求S ，步骤：Q →Δt m →K →S 应S 实>S 计算，考虑热损失. 操作型：已知S ，W c ，W h ，T 进，t 进 求T 出，t 出等。 1.某列管换热器列管为φ25× 2.5mm 钢管组成，热空气走管内，冷却水走管间，水侧42s 210/o o R m C W -=??，空气侧42s 510/o i R m C W -=??，逆流操作，管内侧250/o i W m C α=?，管外侧水的C m W o o 2/1000=α， C m W o /45=钢λ。 求：①基于管外面积的总传热系数K ； ②按平壁计算的总传热系数K ； ③若忽略壁面及污垢热阻，总传热系数K 为多少，若将αi 提 高一倍时的总传热系数K 为多少； ④若忽略壁面及污垢热阻，求将αo 提高一倍时的总传热系 数K 为多少。 解：①d i =20mm (内径） d o =25mm （外径） αo =1000W/m 2℃ αi =50W/m 2℃ W C m R o o /10224s -?= W C m R o i /10524s -?= C m W o /45=钢λ 0s s b 11o o i o i i i m o d d d R R K d d d αλα=++++ 20 251051022/)2520(45250025.05020251000144??+?++??+?+=-- W C m o /0269.02= 则C m W K o 2/17.31= ② i o i o R R K s s 1b 11++α+λ+α= =W C m o /0218.0105102501450025.010001244=?+?+++--
第五章自然对流换热 当流体内部的温度分布或浓度分布不均匀时，会造成密度分布的不均匀，在体积力场的作用下，形成浮升力，而引起流体的流动与换热，这种现象称为自然对流。 在自然界与工程技术中，自然对流现象很多，譬如：地面与大气间温度差引起的复杂大气环流，工业排烟在大气中的混合与蔓延，工业废水在水域中的混合与扩散，各种电子器件的散热冷却，建筑物内的采暖，炉中的火焰与烟气的蔓延等。 在铸造、温控等涉及固/液相变的技术过程中，自然对流也是重要的物理过程。 与强制对流换热一样，自然对流也有层流与湍流，内部流动与外部流动的区别。
5-1 自然对流边界层分析 一、自然对流边界层的特点 以放置于静止流体中的竖壁为例。流体温度为T ∞，壁面温度为w T ，当w T T ∞>时，壁面附近的流体被加热，温度升高，密度变小，在重力场作用下产生浮力，使流体向上运动，如图。 (a) Pr 1=, ()T δδ= (b)Pr >>1, ()T δδ>
一般来说，不均匀的温度场仅出现在离壁面较近的流体层内，表现出边界层的特性。与强制对流不同，离壁面较远的流体静止不动。 对不同类的流体，其边界层内的速度分布、温度分布及控制机理有所不同。 (a) 当Pr 1=时，T δδ=，温度分布单调，速度分布在离壁面一定距离 处取得较大值，从壁面到速度极大值处，浮升力克服粘性力产生惯性力（速度）。随着离开壁面的距离的增加，浮升力减小，但粘性力以更快的速度减小，直至为零，即在此处取得极大值。从该点向边界层外缘，由于浮升力进一步减小，不足以维持如此大的惯性，所以速度又逐渐降低。 (b)Pr >>1时，T δδ>。在T y δ<区域，浮升力克服粘性力产生惯性；在T y δ>区域浮升力为零，流体靠消耗惯性力来克服粘性力。此时，温度分布与速度分布的宽度不同。 (c) Pr <<1时，T δδ<，热扩散能力大于粘性扩散能力。在y δ<区域，
【2-1】一食品冷藏室由内层为19 mm 厚的松木，中层为软木层，外层为51 mm 厚的混凝土所组成。内壁面温度为-17.8 ℃,混凝土外壁面温度为29.4 ℃。松木、软木和混凝土的平均热导率分别为0.151,0.043 3,0.762 W/(m ·K )，要求该冷藏室的热损失为15W/m 2。求所需软木的厚度及松木和软木接触面处的温度。 解：三层平壁的导热。 1）所需软木的厚度2b 由 ∑=-=3141i i i b T T q λ 得 151 .0019.00433.0762.0051.08.174.29152+++=b 解得： m b 128.02= 2）松木和软木接触面处的温度3T 由 151 .0019 .08.17153+==T q 解得：9.153-=T ℃ 解题要点：多层平壁热传导的应用。 【2-2】为减少热损失，在外径为150 mm 的饱和蒸汽管道外加有保温层。已知保温材料的热导率λ=0.103+0.000 198 T(式中T 为℃),蒸汽管外壁温度为180 ℃,要求保温层外壁温度不超过50 ℃,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在1×10-4 kg/(m ·s)以下,问保温层厚度应为多少?(计算时可假定蒸汽在180 ℃下冷凝)。 解：保温层平均热导率为： )./(126.02 501801098.1103.04K m W =+??+=-λ 由于本题已知的是蒸汽管道外壁面温度，即保温层内壁面温度，故为一层导热。 由 )()(21 221r r Ln T T L Q -=λπ 得： )()(21 221r r Ln T T L Q -=πλ （1）
第 二 章 热 传 导 方 程 §1 热传导方程及其定解问题的提 1. 一均匀细杆直径为l ，假设它在同一截面上的温度是相同的，杆的表面和周围介质发生热交换，服从于规律 dsdt u u k dQ )(11-= 又假设杆的密度为ρ，比热为c ，热传导系数为k ，试导出此时温度u 满足的方程。 解：引坐标系：以杆的对称轴为x 轴，此时杆为温度),(t x u u =。记杆的截面面积4 2 l π为S 。由假设，在任意时刻t 到t t ?+内流入 截面坐标为x 到x x ?+一小段细杆的热量为 t x s x u k t s x u k t s x u k dQ x x x x ????=???-???=?+221 杆表面和周围介质发生热交换，可看作一个“被动”的热源。由假设，在时刻t 到t t ?+在截面为x 到x x ?+一小段中产生的热量为 ()()t x s u u l k t x l u u k dQ ??--=??--=111124π 又在时刻t 到t t ?+在截面为x 到x x ?+这一小段内由于温度变化所需的热量为 ()()[]t x s t u c x s t x u t t x u c dQ t ????=?-?+=ρρ,,3 由热量守恒原理得： ()t x s u u l k t x s x u k t x s t u c x t ??-- ????=????11 2 24ρ 消去t x s ??，再令0→?x ，0→?t 得精确的关系： ()11 224u u l k x u k t u c -- ??=??ρ 或 ()()11 22 2112244u u l c k x u a u u l c k x u c k t u --??=--??=??ρρρ 其中 ρ c k a =2 2. 试直接推导扩散过程所满足的微分方程。 解：在扩散介质中任取一闭曲面s ，其包围的区域 为Ω，则从时刻1t 到2t 流入此闭曲面的溶质，由dsdt n u D dM ??-=，其中D 为扩散系数，得 ?????= 2 1 t t s dsdt n u D M 浓度由u 变到2u 所需之溶质为 ()()[]???????????ΩΩΩ ??=??=-=2 12 1121,,,,,,t t t t dvdt t u C dtdv t u C dxdydz t z y x u t z y x u C M 两者应该相等，由奥、高公式得： ????????Ω Ω??==????????? ??????+???? ??????+??? ??????=2 12 11t t t t dvdt t u C M dvdt z u D z y u D y x u D x M 其中C 叫做孔积系数=孔隙体积。一般情形1=C 。由于21,,t t Ω的任意性即得方程： ?? ? ??????+???? ??????+??? ??????=??z u D z y u D y x u D x t u C 3. 砼(混凝土)内部储藏着热量，称为水化热，在它浇筑后逐渐放出，放热速度和它所储藏的水化热成正比。以()t Q 表示它在单位体积中所储的热量，0Q 为初始时刻所储的热量，则Q dt dQ β-=，其中β为常数。又假设砼的比热为c ，密度为ρ，热传导系数为k ，求它在浇后温度u 满足的方程。 解： 可将水化热视为一热源。由 Q dt dQ β-=及00Q Q t ==得()t e Q t Q β-=0。由假设，放热速度为 t e Q ββ-0 它就是单位时间所产生的热量，因此，由原书71页，(1.7)式得 ??? ? ??-=+??? ? ????+??+??=??-ρρββc k a e c Q z u y u x u a t u t 20222222 2
第二章进程管理 2. 试画出下面4条语句的前趋图: S2: b:=z+1; S3: c:=a-b; S4: w:=c+1; 3. 程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作， 致使在这些并发执行的进程之间，形成了相互制约的关系，从而也就使得进程在执行期间出现间断性。 4. 程序并发执行时为什么会失去封闭性和可再现性？ 因为程序并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态是 由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。而程序一旦失去了封闭性也会导致其再失去可再现性。 5. 在操作系统中为什么要引入进程概念？它会产生什么样的影响? 为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并能对并发执行的程序加以控制和描述，从而在操作系统中引入了进程概念。 影响: 使程序的并发执行得以实行。 6. 试从动态性，并发性和独立性上比较进程和程序? a. 动态性是进程最基本的特性，可表现为由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源 而暂停执行，以及由撤销而消亡，因而进程由一定的生命期；而程序只是一组有序指令的集合，是静态实体。 b. 并发性是进程的重要特征，同时也是OS的重要特征。引入进程的目的正是为了使其 程序能和其它建立了进程的程序并发执行，而程序本身是不能并发执行的。 c. 独立性是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和 独立调度的基本单位。而对于未建立任何进程的程序，都不能作为一个独立的单位来运行。 7. 试说明PCB的作用?为什么说PCB是进程存在的唯一标志? a. PCB是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。PCB中记录了操 作系统所需的用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息。因而它的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单位，一个能和其它进程并发执行的进程。 b. 在进程的整个生命周期中，系统总是通过其PCB对进程进行控制，系统是根据进程 的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的，所以说，PCB是进程存在的唯一标志。 8. 试说明进程在三个基本状态之间转换的典型原因. a. 处于就绪状态的进程，当进程调度程序为之分配了处理机后，该进程便由就绪状态变 为执行状态。 b. 当前进程因发生某事件而无法执行，如访问已被占用的临界资源，就会使进程由执行 状态转变为阻塞状态。 c. 当前进程因时间片用完而被暂停执行，该进程便由执行状态转变为就绪状态。 9. 为什么要引入挂起状态？该状态有哪些性质？ a. 引入挂起状态主要是出于4种需要（即引起挂起的原因）: 终端用户的请求，父进程 请求，负荷调节的需要，操作系统的需要。
传热操作技术 1、有一?108mm ?4mm 的管道，内通以200KPa 的饱和蒸气。已知其外壁温度为110℃。内壁温度以蒸气温度计。求每米管长的导热量。 解：已知：2254 5.410r mm m -==? 2221 5.410410 5.010r m ---=?-?=? 1L m = 2110t ω=℃ 查表得145m λω-=??℃ 1120t ω=℃ ()222 12 3.14112011045 236720.375.4105.010 36720.37n n l t Q W r l l r W πλ--???-?= ==??∴ 每米管长的导热量为 2、水在一圆形直管内呈强制湍流时，若流量及物性均不变，现将管内径减半，则管内对流传热系数为原来的多少倍？ 解：已知：12λλ= 2112 d d = 21P P C C = 21μμ= 21ρρ= 21qV qV = 2 222 4 qV u d π = 0.8 22222222222240.023n P qV d d C d d ρπλμμλ?? ? ??? ?∴= ? ??? ? ??? 0.8 122222111210.811 240.023222 3.48n P d qV d C d ρπλμμλαα?? ? ??? ?= ? ??? ? ??? =?= 3、用一列管式换热器来加热某某溶液，加热剂为热水。拟定水走管程，溶液走壳程，已知溶液的平均比热容为13.05KJ Kg - ℃，进出口温度分别为35℃和60℃，其流量为1600Kg h - ；水的进出口温度分别为90℃和70℃。若不考虑热损失，试求热水的消耗量和该换热器的热负荷。
第五章 复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？ 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22 x A ，因此仅 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？ 答： =???- =y y t t h λ（5—4） )()( f w t t h h t -=??-λ （2—11） 式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？ 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？ 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度 的如下变化关系式： x x Re 1 ~δ 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为：
第二章传热操作技术 知识目标： ●了解各类型换热器的结构、特点及应用； ●理解传热的基本方式、机理、特点及影响因素；●掌握间壁式换热器的传热计算； 能力目标： ●能操作换热器； ●能进行列管式换热器的选型计算； 在化工生产中，通常需对原料进行加热或冷却，在化学反应中，对于放热或吸热反应，为了保持最佳反应温度，又必须及时移出或补充热量；对某些单元操作，如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等，也需要输入或输出热量，才能保证操作的正常进行；此外，设备和管道的保温，生产过程中热量的综合利用及余热回收等都涉及传热问题。因此，传热设备不仅在化工厂的设备投资中占有很大的比例，而且它们所消耗的能量也是相当可观的。 化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热；二是削弱传热，如设备和管道的保温。 第一节换热器的分类及结构型式 在化工生产过程中，传热通常是在两种流体间进行的，故称换热。要实现热量的交换，必须要采用特定的设备，通常把这种用于交换热量的设备通称为换热器。 一、换热器的分类 由于物料的性质和传热的要求各不相同，因此，换热器种类繁多，结构形式多样。换热器可按多种方式进行分类。 (一)按换热器的用途分类 见表2-1。 表2-1 换热器的用途分类 名称应用 加热器用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在加热过程中不发生相变。
（二）按换热器的作用原理分类 见表2-2。 表2-2 换热器的用途分类 （三）按换热器传热面形状和结构分类 （1）管式换热器管式换热器通过管子壁面进行传热，按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。 （2）板式换热器是通过板面进行传热，按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和板式换热器等几种。 （3）特殊型式换热器这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。 二、间壁式换热器的结构型式 （一）列管换热器 列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、坚固耐用、用材广泛、清洗方便、适用性强等优点，在生产中得到广泛应用，在换热设备中占主导地位。列管换热器根据结构特点分为以下几种，见表2-3。
《过程设备设计》 教案 6—换热设备 课程名称：过程设备设计专业：过程装备与控制工程任课教师：贺华
第6章换热设备 §6-1 概述 一、换热设备应满足的基本要求 1、换热设备的设计内容 （1）工艺尺寸的设计和计算 （2）零部件结构的设计和计算 2、换热设备应满足的基本要求 （1）满足化工工艺要求（工艺过程所要求的温度、压力、流量、传热量等）（2）流体流动阻力小，压力降小，传热效率高 （3）安全可靠 （4）便于安装、操作和维修 （5）经济合理 二、换热设备的分类及特点 （1）混合式换热器 （2）蓄热式换热器 （3）间壁式换热器 *
（4）中间载热体式换热器 ?? ?? ? ? ? ???? ??? ? ? ?? ? ?????????????? ??????? ?? ??热管换热器聚四氟乙烯换热器石墨换热器其它型式换热器伞板式板壳式板翅式 螺旋板式板式板面式换热器缠绕管式管壳式套管式 蛇管式管式换热器间壁式换热器
§6-2 管壳式换热器 一、管壳式换热器的类型 管壳式换热器由壳体、管束、管箱等结构组成，根据其结构特点的不同可分为两大类：一类时刚性结构，如不带膨胀节的固定管板式换热器；另一类是具有温差补偿结构的管壳式换热器，如带膨胀节的固定管板式换热器、浮头式、U型管式换热器等。 1、固定管板式换热器 优点：（1）结构简单紧凑，制造成本低 （2）与其它类型换热器相比，在相同壳体直径下，排管数目最多 （3）管内便于清洗 缺点：（1）壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体 （2）不设膨胀节时，管、壳程可能产生较大的温差应力 2、浮头式换热器 优点：（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力 （2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗 缺点：（1）结构复杂，造价高。 （2）为使一端管板浮动，需增加一个浮头盖及相关连接件以保证壳程密封，操
1题 解： 由题意已知水蒸气：T 1＝100℃，T 2＝100℃， 盐溶液：t 1＝20℃，t 2＝50℃ 操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝100－50＝50℃，T 2－t 1＝100－20＝80℃ 取 801=?t ℃，502=?t ℃ 83.635080ln 50-80ln 2 121=???-?=? t t t t t m ℃ 5815 152.460025.0930111121++=++=αλδαK ，122.769--??=k m W K 盐溶液W t t C q p m 332111072.8)2050(100935.23600 500)(?=-???= -?=Φ m t KA ?=Φ 23 1776.083 .632.7691072.8m A =??= 21776.0038.014.3m l A =??= 所需加热钢管长度m l 49.1038 .014.31776.0=?= 2题 解：解： 由题意已知溶剂苯：T 1＝80℃，T 2＝50℃， 水溶液：t 1＝20℃，t 2＝30℃ 操作时的平均温度差计算：T 1－t 2＝80－30＝50℃，T 2－t 1＝50－20＝30℃ 取 501=?t ℃，302=?t ℃ 14.393050ln 30-50ln 2 121=???-?=? t t t t t m ℃ 苯W t t C q p m 432111064.5)5080(1088.136003600)(?=-???= -?=Φ m t KA ?=Φ
124 65.32114 .3948.41064.5--??=??=k m W K 3题 解：11567.02 52.0614.0--??=+= k m W λ W t A 8.20048 .0302001567.0=-??=?=Φδλ 4题 解： 221130-30 -75δλδλT A A =Φ==Φ W T 7.1462 .030-1163.005.030-751163.021=??=Φ=??=Φ 壁面温度T=210℃ 5题 解： 钢管面积m m lr A π2= 222111 2 1t -m m A A t λδλδ+=Φ m r m 0285.0027 .003.0ln 027.003.01=-= 21179.00285.0114.322m lr A m m =???==π m r m 0472.003 .007.0ln 03.007.02=-= 222296.00472.0114.322m lr A m m =???==π W A A t m m 93.79296.012.004.0179.050003.020110t -222111 2 1=?+?-=+=Φλδλδ
第二章 1、有一2O （A ）和2CO (B)的混合物，温度为297K ，压力为 1.519х105Pa,已知s m u s m u y B A A /02.0,/08.0,40.0===，试计算下列各值： （1） 混合物、组分A 和组分B 的摩尔浓度B A c c c , （2） 混合物、组分A 和组分B 的质量浓度B A ρρρ, （3） 混合物的质量平均速度和A 、B 组分的相对速度v u v u v B A --,, （4） 混合物、组分A 和组分B 的绝对摩尔扩散通量B A N N N ,, （5） 混合物、组分A 和组分B 的绝对质量扩散通量B A n n n ,, （6） 组分B 的相对质量扩散通量和相对摩尔扩散通量B B J j , 答案：(1)333/0369.0;/0246.0;/0615.0m kmol m kmol m kmol (2)333/624.1;/787.0;/411.2m kg m kg m kg (3) s m s m s m /0196.0;/0404.0;/0396.0- (4) ()()()s m kmol s m kmol s m kmol ./000738.0./00197.0;./00271.0222 (5)()()()s m kg s m kg s m kg ./0325.0./0630.0./0955.0222 (6)()()s m kmol s m kg ./1086.8;./0318.0242-?-- 2、氢气和空气在总压力为1.0132×105Pa ，温度为25℃的条件下作等摩尔互扩散，已知扩散率为0.6×10-4m2/s ，在垂直于扩散方向距离为10mm 的两个平面上氢气分压力为16000Pa 和5300Pa 。试计算此两种气体的摩尔扩散通量。（必做）答案：() s m mol ?-2/0259.0 3、采用量筒来测定水蒸气在空气中的扩散系数。试验用量筒内径为30mm ，水面离开量筒口边缘的距离为100mm ，筒底水温及环境温度均为25℃，相对湿度为30%的一股气流吹过筒口1小时后，用精密天平测得水的损失为10.7mg 。试确定在试验条件下水蒸气在空气中的扩散系数。大气压力为1.013×105Pa 。25℃水蒸气的饱和压力为3289.5Pa 。 答案：s m /1051.225-?
第二章传热过程和传热设备 一、选择题 1．套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时，总传热系数应( )。 A．增大；B．减小；C．不变；D．无法确定。 2．套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时，空气出口温度( )。 A．增大；B．减小；C．不变；D．无法确定。 3．利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的进出口温度及流量不变。今因冷却水进口温度升高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其结果使K( )。 A．增大；B．下降；C．不变；D．不确定。 4．利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的进出口温度及流量不变。今因冷却水进口温度升高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其结果使Δt m( )。 A．增大；B．下降；C．不变；D．不确定。 5．传热过程中当两侧流体的对流传热系数都较大时，影响传热过程的将是( )。 A．管壁热阻；B．污垢热阻； C．管内对流传热热阻；D．管外对流传热热阻。 6．在蒸汽冷凝传热中，不凝气的存在对α的影响是( )。 A．使α降低；B．使α升高；C．没有影响；D．无法确定。7．下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是( )。 ①空气流速为30 m·s-1时的α；②水的流速为1.5 m·s-1时的α；③蒸汽滴状冷凝时的α； ④水沸腾时的α。 A．③>④>①>②；B．④>③>②>①； C．③>④>②>①；D．③>②>④>①。 8．某套管换热器由?108×4mm和?55×2.5mm钢管组成，流体在环隙间流动，其当量直径为( )mm。 A．53；B．45；C．50；D．58。 9．冷热流体分别在列管换热器的管程和壳程中流动，若αi远小于αo，则列管的壁温接近于( )的温度。 A．冷流体；B．热流体； C．冷流体和热流体的平均温度；D．无法确定。 10．由傅立叶定律，可以定义出导热系数λ；由牛顿冷却定律，可以定义出对流传热系数α。对于λ及α的下列认识哪个正确？( ) A．λ和α皆为物质的物理性质； B．λ和α具有相同的因次； C．λ和α不一样，仅λ为物质的热物理性质； D．λ和α不一样，仅α为物质的热物理性质。 11．一套管换热器，环隙为120 ℃蒸汽冷凝，管内空气从20 ℃被加热到50 ℃，则管壁温度应接近于( )。 A．35 ℃；B．120 ℃；C．77.5 ℃；D．50 ℃。 12．水蒸汽在一外径为25 mm、长为2.5 m的水平管外冷凝。若管外径增大一倍，则冷凝传
第二章 建筑传热的基本原理 2.1 传热方式 传热是指物体内部或者物体与物体之间热能转移的现象。凡是一个物体的各个部分或都物体与物体之间存在着温度差，就必然有热能的仁慈转移现象发生。建筑物内外热流的传递状况是随发热体(热源)的种类、受热体（房屋）部位、及其媒介（介质）围护结构的不同情况而变化的。热流的传递称为传热。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射3种。 1、导热 （1）导热的机理 导热是指物体内部的热量由一高温物体直接向另一低温物体转移的现象。这种传热现象是两直接接触的物体质点的热运动所引起的热能传递。一般来说，密实的重质材料，导热性能好，而保温性能差；反之，疏散的轻质材料，导热性能差，而保温性能好。材料的导热性能以热导率表示。 热导率是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料，两侧表面的温差为l 开(K)或1摄氏度(℃)，在1h 内；通过1㎡面积传递的热量，单位为瓦／(米·开)[W/（m·K ）]，或[瓦／(米·℃)W ／(m·℃) ]。热导率与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。通常把热导率较低的材料称为保温材料，把热导率在0.05W ／(m·K)以下的材料称为高效保温材料。 普通混凝土的热导率为1．75W ／(m·K)，粘土砖砌体为0．81W ／(m·K)，玻璃棉、岩棉和聚苯乙烯的为0.04～0.05W/（m·K ）。 1）杆的导热 若一根密实固体的棒，除两端外周围用理想的绝缘材料包裹，其 两端的温度分别为1T 和2T ，如图2-1所示。如1T 大于2T ，则有热量 Q 通过截面F 以导热方式由1T 端向2T 端传递。 依据实验可知： Q = F l T T 21-λ （2-1） 式中 Q ——棒的导热量(W)； F ——-棒的截面积(㎡)； 1T ，2T ——分别为棒两端的温度(K)； l ——棒长(m)； λ——导热系数(W ／(m· K))。 由上式可知，棒在单位时间内的传热量Q 与两端温度差(21T T -)、截面面积F 及棒体材料的导热系数 λ 成正比，而与传热距离即棒长 l 成反比。 2）壁的导热 图2-2 平壁的 导热 图2-1 棒的导热