学习指南

基本要求：

三种传热方式的基本概念与基本方程式的应用；

牛顿定律、常用准数及对流传热系数关联式应用；

热辐射斯蒂芬玻尔兹曼定律、两固体间的相互辐射。

重  点：

单壁、多层壁热传导计算；

要求能够根据计算结果及工艺要求选用合适的换热器；

了解列管换热器的结构特点及其应用。

难  点：

流体在圆形直管内强制湍流传热及对流传热系数的计算

填料床层内热流量计算与热平衡分析。

概  述

主要介绍传热的几种基本方式，冷、热流体热交换的主要形式，传热速率和热通量及其相互关系以及传热在化工生产中的应用。

热传导

主要介绍温度场与傅立叶定律，导热率的物理意义以及温度和压力对导热系数的影响；

平壁和圆筒壁的热传导过程的特点、壁内温度分布形式、接触热阻等

两流体间的热量传递

主要介绍两流体通过间壁传热现象，传热速率、传热系数的计算，传热温差和热量的衡算以及复杂流向时的平均温差问题。

给热系数

主要介绍给热系数的影响因素和数值范围、给热系数与量纲分析其中重点介绍了流体做强制对流时的给热系数、流体做自然对流时的给热系数

辐射传热

主要介绍辐射传热的基本概念、物体的辐射能力和有关的定律、克希霍夫定律以及两固体间的相互辐射换热现象。

传热设备

主要介绍了换热器的分类，传热过程的强化途径，换热器的设计与选型，其中有夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器等

填料床的传热分析

分别从初始定义及假设、稳态逆流传热和填料床层中的传热系数等几个方面进行了分析。

实践内容

1.了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2.掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3.学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

实践原理

在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

                 图 间壁式传热过程示意图

实践装置及参数

1．实验装置  

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备主要技术参数：

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

1．红砖平壁墙，厚度为500mm，一侧温度为200℃，另一侧为30℃。设红砖的平均导热系数取0.57W/（m·℃），试求：

（1）单位时间、单位面积导过的热量；

（2）距离高温侧350mm处的温度。

2．用平板法测定材料的导热系数。平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷却水通过夹层将热量移走。所加热量由加至电热器的电压和电流算出，平板两侧的表面温度用热电偶测得（见附表）。已知材料的导热面积为0.02m²，其厚度为0.01m，测得的数据如下，试求：

（1）材料的平均导热系数；

（2）设该材料的导热系数为，试求和a'。

3.某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次彻成；

耐火砖：导热系数=1.05 W/（m·℃）；

        厚度b₁=0.23m；

绝热砖：导热系数=0.151 W/（m·℃）

        每块厚度b₂=0.23m；

普通砖：导热系数=0.93 W/（m·℃）

        每块厚度b₃=0.24m；

若已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖接触处温度为940℃，而绝热砖与普通砖接触处的温度不得超过138℃，试问：

（1）绝热层需几块绝热砖？

（2）此时普通砖外侧温度为多少？

4．φ60×3铝合金管（导热系数按钢管选取），外包一层厚30mm石棉后，又包一层30mm软木。石棉和软木的导热系数分别为0.16W/（m·℃）和0.04W/（m·℃）。又已知管内壁温度为－110℃，软木外侧温度为10℃，求每米管长所损失的冷量。若将两保温材料互换，互换后假设石棉外侧的温度仍为10℃不变，则此时每米管长上损失的冷量为多少？

5．空心球内半径为r₁、温度为t_i，外半径为r₀、温度为t₀，且t_i＞t₀，球壁的导热系数为λ。试推导空心球壁的导热关系式。

6．在长为3m，内径为53mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为172kg/（s·m²）。苯在定性温度下的物性数据如下：

Pa·S；w/m·K；kJ/（kg·℃）。

试求苯对管壁的对流传热系数。

7．有一套管换热器，内管为φ25×1mm，外管为φ38×1.5mm。冷水在环隙内流过，用以冷却内管中的高温气体，水的流速为0.3m/s，水的入口温度为20℃，出口温度为40℃。试求环隙内水的对流传热系数。

8．某无相变的流体，通过内径为50mm的圆形直管时的对流传热系数为120W/（m²·℃），流体的Re=2×10⁴。假如改用周长与圆管相等，高与宽之比等于1∶2的矩形管，而流体的流速增加0.5倍，试问对流传热系数有何变化？

9．某厂用冷水冷却柴油。冷却器为φ14×8钢管组成的排管，水平浸于一很大的冷水槽中，冷水由槽下部进入，上部溢出，通过槽的流速很小。设冷水的平均温度为42.5℃，钢管外壁温度为56℃，试求冷水的对流传热系数。

10．室内有二根表面温度相同的蒸气管，由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径的10倍，小管的（Gr·Pr）=10⁸。试问两水平管单位时间、单位面积的热损失的比值为多少？

11．饱和温度为100℃的水蒸气在长3m、外径为0.03m的单根黄铜管表面上冷凝。铜管坚直放置，管外壁的温度维持96℃，试求每小时冷凝的蒸气量。

又若将管子水平放，冷凝的蒸气量又为多少？

12．求直径d=70mm、长L=3m的钢管（其表面温度t₁=227℃）的辐射热损失。假定此管被置于：（a）很大的红砖里，砖壁温度t₂=27℃；（b）截面为0.3×0.3m²的砖槽里，t₂=27℃，两端面的辐射损失可以忽略不计。

13．用175℃的油将300kg/h的水由25℃加热至90℃，已知油的比热容为2.61kJ/（kg·℃），其流量为360kg/h，今有以下两个换热器，传热面积为0.8m²。

换热器1：K₁=625 W/（m²·℃），单壳程双管程。

换热器2：K₂=500 W/（m²·℃），单壳程单管程。

为满足所需的传热量应选用那一个换热器。

14．在一套管换热器中，用冷却水将1.25kg/s的苯由350K冷却至300K，冷却水在φ25×2.5的管内中流动，其进出口温度分别为290K和320K。已知水和苯的对流传热系数分别为0.85 kW/（m²·℃）和1.7 kW/（m²·℃），又两侧污垢热阻忽略不计，试求所需的管长和冷却水消耗量。

15．在一列管换热器中，用初温为30℃的原油将重油由180℃冷却到120℃，已知重油和原油的流量分别为1×10⁴（kg/h）和1.4×10⁴（kg/h）。比热容分别为0.52（kcal/kg·℃）和0.46（kcal/kg·℃），传热系数K=100（kcal/m²·h·℃）试分别计算并流和逆流时换热器所需的传热面积。

16．在并流换热器中，用水冷却油。水的进出口温度分别为15℃和40℃，油的进出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃，设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m，试求将此换热器的管长增至多少米才能满足要求？设换热器的热损失可忽略。

17．一传热面积为15m²的列管换热器，壳程用110℃饱和水蒸汽将管程某溶液由20℃加热至80℃，溶液的处理量为2.5×10⁴kg/h，比热容为4kJ/（kg·℃），试求此操作条件下的总传热系数。又该换热器使用一年后，由于污垢热阻增加，溶液出口温度降至72℃，若要出口温度仍为80℃，加热蒸汽温度至少要多高？

18．用20.26kPa（表压）的饱和水蒸汽将20℃的水预热至80℃，水在列管换热器管程以0.6m/s的流速流过，管子的尺寸为φ25×2.5。水蒸气冷凝的对流传热系数为10⁴W/（m²·℃），水侧污垢热阻为6×10^－4（m²·℃）/W，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求：

（1）此换热器的总传热系数；

（2）设备操作一年后，由于水垢积累，换热能力下降，出口温度只能升至70℃，试求此时的总传热系数及水侧的污垢热阻。

19．今欲于下列换热器中，将某种溶液从20℃加热到50℃。加热剂进口温度为100℃，出口温度为60℃。试求各种情况下的平均温度差。

（1）单壳程，双管程

（2）双壳程，四管程

20．有一单壳程双管程列管换热器，管外用120℃饱和蒸气加热，干空气以12m/s的流速在管内流过，管径为φ38×2.5mm，总管数为200根，已知总传热系数为150 W/（m²·℃），空气进口温度为26℃，要求空气出口温度为86℃，试求：

（1）该换热器的管长应多少？

（2）若气体处理量、进口温度、管长均保持不变，而将管径增大为φ54×2mm，总管数减少20%，此时的出口温度为多少？（不计出口温度变化对物性的影响，忽略热损失）。

1. 固液气体导热系数的确定

2. 影响对流换热系数的因素有哪些？

3. 常见的准数方程及适用的范围。

4. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律中的各物理量的单位。