换热器原理与设计期末复习题重点

第一章

1.填空：

1．按传递热量的方式，换热器可以分为间壁式, 混合式, 蓄热式

2. 对于沉浸式换热器，传热系数低， 体积大，金属耗量大。

3.

相比较沉浸式换热器和喷淋式换热器，沉浸式换热器传热系数较低，喷淋式换热器冷却水过少时，冷却器下部不能被润湿.

4.在沉浸式换热器、喷淋式换热器和套管式换热器中，套管式换热器中适用于高温高压流体的传热。

5.换热器设计计算内容主要包括热计算、 结构计算 流动阻力计算和强度计算

6.按温度状况来分，稳定工况的 和 非稳定工况的换热器

7.对于套管式换热器和管壳式换热器来说，套管式换热器金属耗量多，体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。

2.简答：

1.说出以下任意五个换热器，并说明换热器两侧的工质及换热方式

答：如上图，热力发电厂各设备名称如下：

1．锅炉(蒸发器) *； 2．过热器*； 3．省煤器* 4．空气预热器*； 5．引风机； 6．烟囱； 7．送风机； 8．油箱 9．油泵 1 0．油加热器*； 11．气轮机； 12．冷凝器*； 13．循环水冷却培* 14．循环水泵； 15．凝结水泵；16．低压加热器*； 17．除氧(加热)器*；18．给水泵 19．高压加热器·

柱!凡有·者均为换热器

2．比较沉浸式换热器、喷淋式换热器、套管式换热器和管壳式换热器的优缺点

答：⑴沉浸式换热器

缺点：自然对流，传热系数低，体积大，金属耗量大。

优点： 结构简单，制作、修理方便，容易清洗，可用于有腐蚀性流体

⑵喷淋式换热器：

优 点：结构简单，易于制造和检修。换热系数和传热系数比沉浸式换热器要大，可以用来冷却腐蚀性流体

缺点：冷却水过少时，冷却器下部不能被润湿，金属耗量大，但比沉浸式要小

⑶套管式换热器：

优点：结构简单，适用于高温高压流体的传热。特别是小流量流体的传热，改变套管的根数，可以方便增减热负荷。方便清除污垢，适用于易生污垢的流体。

缺点：流动阻力大，金属耗量多，体积大，占地面积大，多用于传热面积不大的换热器。

⑷管壳式换热器：

优点：结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还可以适应高温高压的流体。可靠性程度高

缺点：与新型高效换热器相比，其传热系数低，壳程由于横向冲刷，振动和噪音大

3.举例说明5种换热器，并说明两种流体的传热方式？说明两种流体的传热机理？

1）蒸发器：间壁式，蒸发相变—导热—对流

2）冷凝器：间壁式，冷凝相变—导热—对流

3）锅炉：间壁式，辐射—导热—对流

4）凉水塔：混合式，接触传热传质

5）空气预热器：蓄热式，对流—蓄热，蓄热—对流

第一章

1.填空：

1．传热的三种基本方式是_导热__、____对流__、和 辐射_。

2..两种流体热交换的基本方式是___直接接触式___、_间壁式_、和___蓄热式_。

3．采用短管换热，由于有入口效应，边界层变薄，换热得到强化。

4．采用螺旋管或者弯管。由于拐弯处截面上二次环流的产生，边界层遭到破坏，因而换热得到强化，需要引入大于1修正系数。

5．通常对于气体来说，温度升高，其黏度增大，对于液体来说，温度升高，其黏度减小

6．热计算的两种基本方程式是_传热方程式__和热平衡式_。

7．对于传热温差，采用顺流和逆流传热方式中，顺流

传热平均温差小，逆流时传热平均温差大。

8.当流体比热变化较大时，平均温差常常要进行分段计算。 9.在采用先逆流后顺流<1-2>型热效方式热交换器时，要特别注意温度交叉问题，避免的方法是增加管外程数和两台单壳程换热器串联工作。

10. 冷凝传热的原理，层流时，相对于横管和竖管，横管传热系数较高。

11.对于单相流体间传热温差，算术平均温差值大于对数平均温差

12.管内流体的换热所遵守的基本准则为努赛尔准则数，其大小与雷诺数、普兰特数和格拉肖夫数有关

13．设计计算时，通常对传热面积进行判定，校核计算时，通常对传热量进行判定

2.简答（或名词解释）：

1. 什么是效能数？什么是单元数？（要用公式表示）

答：实际情况的传热量q总是小于可能的最大传热量qmax，我们将q/qmax定义为换热器的效能，并用 ? 表示，即

换热器效能公式中的 KA依赖于换热器的设计， Wmin 则依赖于换热器的运行条件，因此， KA/Wmin在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数NTU

2. 热交换器计算方法的优缺点比较？

对于设计性热计算，采用平均温差法可以通过Ψ的大小判定所拟定的流动方式与逆流之间的差距，有利于流动方式的选择。

而在校核性传热计算时，两种方法都要试算。在某些情况下，K是已知数值或可套用经验数据时，采用传热单元书法更加方便

假设的出口温度对传热量Q的影响不是直接的，而是通过定性温度，影响总传热系数，从而影响NTU，并最终影响 Q值。而平均温差法的假设温度直接用于计算Q值，显然?-NTU法对假设温度没有平均温差法敏感，这是该方法的优势。

3、传热的基本方式有哪几种？

答：分为三种，热传导，热对流和辐射

热传导

热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。

热对流

流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流，对流只能发生在流体中。 热辐射

辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。

4、流体换热的基本方式有哪些？

答：主要分为三种：直接接触式传热，蓄热式换热和间壁式换热。

直接接触式传热

直接接触式传热的特点是冷、热两流体在换热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。

蓄热式换热

蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。

间壁式换热

间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。

5、流体传热的基本准则方程式为努赛尔准则，与哪些无因次方程有关？

答：根据量纲分析

努赛尔准则数与雷诺数、普兰特数和格拉肖夫数有关

6．当换热管分别为短管时和螺旋管时，换热系数增加还是减少，为什么？

答：对于短管。入口效应，边界层变薄，换热得到强化。换热系数增加。

对于螺旋管或者弯管。由于拐弯处截面上二次环流的产生，边界层遭到破坏，因而换热得到强化，需要引入修正系数，换热系数增加。

7、当出现大温差加热流体时，分别对于气体和液体，换热系数增加还是减少，为什么？

答：当流体与壁面之间的温差出现大温差时，一般对气体超过50℃，对水超过30 ℃，对油超过10 ℃

超过上述温差时，气体被加热粘度增大，换热能力减小；液体加热时，液体粘度减小，换热能力增大。

8、什么是对数平均温差，算术平均温差和积分平均温差，它们之间的联系和区别是什么？

答：

由于计算结果表达式中包含了对数项，我们称之为对数平均温差，例如我们将顺流和逆流情况下对数平均温差写成如下统一形式

平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即

积分平均温差的形式。 按比热不同分段

按温度等分段可得

算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当maxmin2tt 时，两者的差别小于4％；当7.1minmaxtt 时，两者的差别小于％。

当流体的比热随温度变化不大时，采用对数平均温差。

当流体的比热随温度变化较大时（大于2-3倍时），采用对数平均温差计算，误差较大，这时应该采用积分平均温差。

9、采用平均温差法进行设计计算的步骤？

平均温差法用作设计计算时步骤如下：

(1)假定传热系数，求得初始传热面积

(2)初步布置换热面(实际传热面积)，计算出相应的传热系数。

(3)根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度。(约束）

(4)由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差?tm,计算时要注意保持修正系数Ψ具有合适的数值。

(5)由传热方程求出所需要的换热面积A（与原传热面积比较)，并核算换热面两侧有流体的流动阻力。

(6)如流动阻力过大，改变方案重新设计。

10.采用效能单元数法进行设计计算的步骤？

(1) 先假定一个流体的出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度

(2) 根据4个进出口温度求得平均温差?tm

(3) 根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k(或已知)

(4) 已知kA，按传热方程式计算在假设出口温度下的?tm,得到Q

(5) 根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个Q ，这个值和上面的 Q，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量

(6) 比较两个 Q 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)-(6)，直至满足精度要求。

11.对于冷凝换热，卧式和立式换热器选型选型及原因说明

膜状冷凝

垂直管 水平管

一般来说，由于管子的长度远大于管子的直径，即L>>d,因而，水平管的凝结换热系数大于垂直管的凝结换热系数。

12.采用积分平均温差适用的条件？

当流体的比热随温度变化较大时（大于2-3倍时），采用对数平均温差计算，误差较大，这时应该采用积分平均温差。

积分平均温差的出发点：

虽然流体的比热在整个温度变化范围内是个变量，但是若把温度范围分成若干个小段，每个小段内的温度变化小，就可将流体的比热当作常数来处理。

3.计算题

1.有一蒸汽加热空气的热交换器，它将流量为5kg/s的空气从10℃加热到60℃，空气与蒸汽逆流，其比热为(kg℃),加热蒸汽系压力为P=,温度为150℃的过热蒸汽，在热交换器中被冷却为该压力下90℃的过冷水，试求其平均温差。（附：饱和压力为,饱和蒸汽焓为kg，饱和水焓为kg.150℃时，水的饱和温度为133℃，过热蒸汽焓为2768 KJ/kg，90时，过冷水的焓为377 KJ/kg）

解：由于蒸汽的冷却存在着相变，因此在整个换热过程中，蒸汽的比热不同，在整个换热过程中的平均温差应该分段计算再求其平均值。

将整个换热过程分为三段：

过热蒸汽冷却为饱和蒸汽所放出的热量Q1，相变过程的换热量Q2，从饱和水冷却到过冷水所放出的热量Q3

Q=M2C2(t"2-t'2)=5××50＝255KJ/s；

根据热平衡蒸汽耗量M1=Q/(i'1-i"1)=255/(2768-377)

=0.1066kg/s

因为在热交换器换热过程中存在着两个冷却过程和一个冷凝过程，因而将之分为三段计算。

Q1= M1(i'1-i’)=×= KJ/s

Q2= M1(i’-i”)=× KJ/s

Q3= M1(i”-i"1)=×= KJ/s

因为Q3＝M2C2(tb-t'2)，可得tb＝(5×+10=℃