化工原理 习题及答案

第四章传热

一、名词解释

1、导热

若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导（导热）。

2、对流传热

热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。热对流仅发生在流体之中, 而且必然伴随有导热现象。

3、辐射传热

任何物体, 只要其绝对温度不为零度(0K), 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量, 同时又不断地吸收来自外界物体的辐射能, 当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时, 该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。

4、传热速率

单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）

5、等温面

温度场中将温度相同的点连起来，形成等温面。等温面不相交。

二、单选择题

1、判断下面的说法哪一种是错误的（）。 B

A 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大；

B 在同一温度下，物体吸收率A与黑度ε在数值上相等，因此A与ε的物理意义相同；

C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强；

D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。

2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为_______ 。 C

A 传导和对流

B 传导和辐射

C 对流和辐射

3、沸腾传热的壁面与沸腾流体温度增大，其给热系数_________。 C

A 增大

B 减小

C 只在某范围变大

D 沸腾传热系数与过热度无关

4、在温度T时，已知耐火砖辐射能力大于磨光铜的辐射能力，耐火砖的黑度是下列三数值之一，其黑度为_______。 A

A 0.85

B 0.03

C 1

5、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度______耐火砖的黑度。D

A 大于

B 等于

C 不能确定是否大于

D 小于

6、多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_____。 A

A 成正比

B 成反比

C 没关系

7、在列管换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否正确： A

甲、传热管的壁温将接近加热蒸汽温度；

乙、换热器总传热系数K将接近空气侧的对流给热系数。

A 甲乙均对

B 甲乙均不对

C 甲对，乙不对

D 乙对，甲不对

8、列管换热器管程常用流速范围为：一般液体_______，气体__________。 A C

A 0.5 - 3 m/s

B 3 - 15 m/s

C 5 - 30 m/s

9、一管壳式换热器，管内走液体，管间走蒸汽，由于液体入口温度下降，在流量不变情况下，仍要达到原来的出口温度t，此设备已不允许再提高蒸汽压力强度，采取简便有效措施______。A

A 管内加扰流内件

B 提高壳程数

10、碳钢的导热率为_______；不锈钢的导热率为_______；铜的导热率为_______，常压常温空气的导热率为_______；常温水的导热率为_______。C, D, B, F, E

A 151W/(m?℃)

B 370W/(m?℃)

C 45W/(m?℃)

D 16W/(m?℃)

E 0.62W/(m?℃)

F 0.025W/(m?℃)

11、套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸气，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时 A B B

①传热系数K应 A 增大 B 减小 C 基本不变

②空气出口温度 A 增大 B 减小 C 基本不变

③壁温 A 增大 B 略有减小 C 基本不变

12、一定流量的液体在一?25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流给热系数?＝1000W/(m2·℃)。如流量与物性都不变，改用一?19×2mm的直管，则其?值将变为__________ W/(m2·℃)。D

A 1059

B 1496

C 1585

D 1678

13、穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示。试比较第一层的热阻R1与第二、三层热阻R2、R3的大小____________。 C A C

A R1> (R2+R3)

B R1< (R2+R3)

C R1= (R2+R3)

D 无法比较

14、①在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，换热器最好____________放置；冷却水应走____________。 A C

A 水平

B 垂直

C 管内

D 管外

②已知某平壁外两层不等厚(b1

A 小于

B 不能确定是否大于

C 大于

D 等于

15、稳定传热是指______。 B

A 传热系统中各点的温度不随位置和时间而变。

B 传热系统中各点的温度仅随位置变，而不随时间变。

C 传热系统中各点的温度不随位置变而随时间变。

D 传热系统中各点的温度随位置和时间而变。

16、棉花保温性能好，主要是因为______。 C

A 棉纤维素导热率小；

B 棉花中含有相当数量的油脂；

C 棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到阻碍；

D 棉花白色，因而黑度小。

17、无相变强制对流α来自_______。 C

A 纯经验方法

B 纯理论方法

C 因次分析与实验结合（半理论、半经验方法）

D 数学模型法

E 因次分析法

18、在蒸汽冷凝中，不凝气体的存在对α的影响是______。 B

A 使α值升高

B 使α值大大降低

C 使α值有一定影响

D 对α值无影响

19、红砖的黑度为0.93，若温度为300℃，则红砖的发射能力为________W/m 2。 B

A 6112.3 W/m 2

B 5684 W/m 2

C 916.8 W/m 2

D 1000 W/m 2

20、换热器中冷热流体进出口温度一定时，下面说法中正确的是 。 D

A ?t m 并

B ?t m 逆＝?t m 并＝?t m 折

C ?t m 并

D ?t m 并< ?t m 逆 >?t m 折

21、对在蒸汽与空气间壁换热过程中，为强化传热下列方案中的_____在工程上可行。 A

A 提高空气流速

B 提高蒸汽流速

C 采用过热蒸汽以提高蒸汽温度

D 在蒸汽一侧管壁上加装翅片，增加冷凝面积并及时

导走冷凝液。

22、在间壁换热器中，当两流体均变温时，采用折流的目的是 。 A

A 提高K

B 提高?t m

C 增加传热面积A

D 使K 和A 均增加。

23、100℃时铜的导热率为_____，18℃时钢的导热率近似为_______，20℃时空气的导热率近似为

______，20℃水的导热率近似为______。 C A B D

A 45W/(m?K)

B 0.026W/(m?K)

C 377W/(m?K)

D 0.6W/(m?K)

24、在相同温度下，实际物体的吸收率A 与黑体的吸收率A 0的关系是 。 C

A A ? A 0

B A ? A 0

C A ? A 0

D 不一定

25、判断下面关于系统进行稳定传热时的说法哪一个是错误的_______。 C

A 通过一定传热面的传热速率不随时间变化，为一定值；

B 系统中任一点的温度维持恒定；

C 总的传热速率等于通过垂直于热流方向的各传热面的传热速率之和；

D 系统中任一传热面上的热通量在过程中不变。

26、一管壳式换热器，管内走液体，管间走蒸汽，由于液体入口温度下降，在流量不变情况下，仍要

达到原来的出口温度t ，此设备已不允许再提高蒸汽压力强度，采取简便有效措施______。 A

A 管内加扰流内件

B 提高壳程数

27、有一列管换热器，由38根?25?2.5mm 无缝钢管组成，某有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，

水流速0.5m/s ，相应的R e=104及对流给热膜系数为?。当水流量减为一半时，对流给热膜系数改变为

??，则 。 A

A αα8.0)21(='

B αα8

.0)21(?' C αα8

.0)21(?' D 不一定 28、两流体在一套管换热器中换热，热流体温度由90℃降至60℃，冷流体温度由20℃升至50℃。若

逆流操作，?t m ＝ 。 D

A 70℃

B 30℃

C 10℃

D 40℃

29、热传递的基本方式是：（ ）、对流、辐射。 A

A 传导 ；

B 传递；

C 放射；

D 流动。

30、物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量

传递称为（ ）。 A

A 热传导；

B 热传递；

C 热放射；

D 热流动。

31、流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为（ ）。 A

A 对流；

B 流动；

C 传递；

D 透热。

32、物质导热系数的顺序是：（）。 A

A 金属＞一般固体＞液体＞气体；

B 金属＞液体＞一般固体＞气体；

C 金属＞气体＞液体＞一般固体；

D 金属＞液体＞气体＞一般固体。

33、吸收率（）1的物体称为黑体。 C

A 大于；

B 小于；

C 等于；

D 近似于。

34、（）等于1的物体称为白体。 B

A 吸收率；

B 反射率；

C 透过率；

D 折射率。

35、单原子气体和对称双原子气体均可视为（）。 D

A 白体；

B 灰体；

C 黑体；

D 透热体。

36、液体是（）。 D

A 白体；

B 灰体；

C 透热体；

D 不透热体。

37、在管壳式换热器中，不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内（）。 A

A 清洗比较方便；

B 流速较快；

C 流通面积小；

D 易于传热。

38、在管壳式换热器中，腐蚀性的流体宜走管内，以免（），而且管子也便于清洗和检修。

A

A 壳体和管子同时受腐蚀；

B 流速过快；

C 流通面积过小；

D 传热过多。

39、在管壳式换热器中，压强高的流体宜走管内，以免（），可节省壳程金属消耗量。

A 壳体受压；

B 流速过快；

C 流通面积过小；

D 传热过多。 A

40、在管壳式换热器中，饱和蒸气宜走管间，以便于（），且蒸气较洁净，它对清洗无要求。

A

A 及时排除冷凝液；

B 流速不太快；

C 流通面积不太小；

D 传热不过多。

41、在管壳式换热器中，有毒流体宜走管内，使（）。 A

A 泄漏机会较少；

B 流速很快；

C 流通面积变小；

D 传热增多。

42、在管壳式换热器中，被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，（）。

A 以增强冷却效果；

B 以免流速过快；

C 以免流通面积过小；

D 以免传热过多。 A

43、在管壳式换热器中，黏度大的液体或流量较小的流体宜走（），因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re＞100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。B

A 管内；

B 管间；

C 管径；

D 管轴。

44、对于刚性结构的换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走（），因壁面温度与大的流体温度相近，可以减少热应力。 B

A 管内；

B 管间；

C 管径；

D 管轴。

45、在管壳式换热器中安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的（），使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。 C

A 黏度；

B 密度；

C 速度；

D 高度。

46、有一套管换热器，环隙中有119.6℃的蒸气冷凝，管内的空气从20℃被加热到50℃，管壁温度应接近（）。 D

A 20℃；

B 50℃；

C 77.3℃；

D 119.6℃。

47、已知在温度T时耐火砖的发射能力（辐射能力）大于铜的发射能力，则铜的黑度为（），耐火砖的黑度为（）。 A B

A 0.6；

B 0.9；

C 1.0；

D 1.2。

48、两灰体间进行辐射换热，两者间的温度差为100℃。若将两灰体的温度各升高100℃，则此时的辐射传热量与原来的传热量相比，将（）。 A

A 增大；

B 减小；

C 不变；

D 不一定。

49、判断下面的说法哪一种是错误的（ ）。 B

A 在一定的温度下，辐射能力越大的物体，其黑度越大；

B 在同一温度下，物体吸收率A 与黑度ε在数值上相等，因此A 与ε的物理意义相同；

C 黑度越大的物体吸收热辐射的能力越强；

D 黑度反映了实际物体接近黑体的程度。

50、当换热器中冷热流体的进出口温度一定时，判断下面的说法哪一个是错误的（ ）。B

A 逆流时，Δt m 一定大于并流、错流或折流时的Δt m ；

B 采用逆流操作时可以节约热流体（或冷流体）的用量；

C 采用逆流操作可以减少所需的传热面积；

D 温度差校正系数φΔ t 的大小反映了流体流向接近逆流的程度。

三、 填空题

1、对流给热的热阻主要在____________，此处的__________最大。

滞流内层 温差

2、热损失是_______损失和________损失之和。

热辐射传热引起的 对流给热引起的

3、列管式换热器中，壳程设有折流挡板，当两流体均无相变时，挡板能起强化传热的作用，其原因

是

①______________________________________________________________；

②______________________________________________________________；

③_____________________________________________________________ 。

① 流速增大，使壳程α增大；

② 流体大部分横穿流过管束，流道短，边界层薄，比顺着管子纵向流动α高；

③ 流体在折流挡板间穿行时，流向及流速都在不断变化，增加了扰动，强化了传热。

4、水蒸气冷凝时的α比气体无相变时的α大得多，其原因是气体的_____________________

_________________________，而蒸汽冷凝，其凝液的_____________________________；且只有

_______________才有热阻。

导热率小、密度小，整个气体都呈现热阻 导热率和密度都比气体大 很薄的液膜

5、在管式间壁换热器中，以外表面为基准的传热系数K 的计算式为_________________，与之对应的

传热量Q ＝_______________。

6、① 已知传热系数K =1250kcaL/(m 2?h?℃)，在SI 制中，K =_____W/(m 2?K)；汽化潜热r =2200kJ/kg ，

在工程单位制中r =________________kcaL/kg 。

② 普兰德准数的定义式是__________________________。

① 1453 525 ② λ

μp C =Pr 7、在压强恒定的条件下，空气黏度随温度升高而________________。

增大

8、厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b 1?b 2?b 3，导热率?1? ?2? ?3。在稳定传热

过程中，各层的热阻R 1 R 2 R 3，各层导热速率Q 1 Q 2 Q 3。

>， > ； =， =

9、一包有石棉泥保温层的蒸汽管道,当石棉泥受潮后，其保温效果应_____________，主要原因是

_______________________________________________________________。

降低 因水的导热率大于保温材料的导热率,受潮后,水占据一定的孔隙空间，使保温层材

料导热率增大,保温效果降低。

8、 蒸汽冷凝放热时，要经常注意排放_________________，这是因为 ___________________

________________________________________________________。

不凝气和冷凝水 不凝气构成附加的气膜传热阻力，而冷凝水的积累减小换热面积。

11、①设置隔热挡板是____________辐射散热的有效方法。挡板材料的黑度愈低，辐射散热量

____________。

②有一单层平壁如图所示。已知材料的导热率λ为常数，从左等温面1t 至右等温面2t 的稳定导

热热流量为Q ，则平壁内的温度分布表达式为__________________________。

① 减少 愈低 ② λλQx t t x t t Q -=→-=11)(

12、某物体（可近似为灰体）在20℃时，其黑度为ε=0.8，其吸收率为______________。

0．8

13、浮头式或带膨胀节的换热器适用于____________ 与____________流体的温差很大的场合。 管程 壳程

14、① 根据有无热补偿或补偿方法不同，列管式热器的一般结构型式有__________________、

__________________、__________________。

② 换热器中，热流体由200℃ 冷却到140℃，冷流体由20℃升高到35℃，热流体的热容量流

率较小, 则传热效率为__________________。

① 膨胀节；浮头式；U 型管 ② 33.3%

15、消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加______________，采用______________

结构或采用______________式结构。

膨胀节 浮头式 U 型管

16、如图所示，为尽量减少Ａ、Ｂ两个温度不同的固体表面间的辐射传热，可以采取的措施

是________________________________________________。

在两固体壁面间，平行放置多块黑度较小的遮热板。

17、① 用冷却水将一定量的热流体由100℃冷却到40℃，冷却水初温为15℃，在设计列管式换热器

时，采用两种方案比较。方案Ⅰ是令冷却水终温为30℃，方案Ⅱ是令冷却水终温为35℃，则用水量

W 1___W 2，所需传热面积A 1___A 2。

② 如图所示,蒸汽在管束外冷凝，(a)、(b )两种排列方式的其它条件均一样，比较它们的冷凝给

热系数的大小a α___b α，因为______________________________________。

① 大于, 小于

② 大于,因为冷凝液从上面各排流到下面各排,液膜逐排增厚,沿垂直方向管数愈多,液膜愈厚。

18、两流体的间壁换热过程中t WC Q p ?=计算式中，?t 表示 。

T 1-T 2 或t 2-t 1

19、设备保温层外包一层表面_________、颜色_________的金属，可使设备的热损失减少。

光滑 较浅

20、举出五种间壁式换热器____________、____________、____________、____________、

____________。

套管式换热器，列管式换热器，夹套式换热器，板式换热器，螺旋板式换热器，蛇管式换热器，板翅

式换热器等任选五种。

21、导热率的物理意义是____________________________________，其SI 制的单位为_____________，

工程制的单位为_______________。

单位温度梯度、单位导热面积上所传导的热量 W/(m?℃) 千卡/小时?米?℃

22、① 定性温度是指____________________。

② 沸腾传热可分为三个区域，它们是____________、____________和____________，生产中的

沸腾传热过程应维持在____________区操作。

① 确定准数中各物性参数的温度

② 自然对流区 核状沸腾区 膜状沸腾区 核状沸腾

23、对多层圆筒壁的热传导，通过各层的传热速率________，热通量________,沿圆筒壁的径向温度

分布为____________线。

相等 不相等 曲线

24、① 已知导热率λ=2.388×10-3Cal/(cm?s?℃), 此值在SI 制中为__________W/(m?K)。

② 写出比热C p 的单位，工程制为____________，SI 制为____________。

③ 物体的辐射传热速率与其绝对温度的_________次方成正比。

① 1 ② kCaL/(kg?℃), J/(kg?℃) ③ 四

25、在传热实验中，用饱和水蒸气加热空气，总传热系数Ｋ接近于____________侧的对流传热系数，

而壁温接近于________________侧流体的温度。蒸汽冷凝时的对流给热系数α较大。原因是

__________________________。

空气 饱和水蒸气 蒸汽冷凝时释放较大冷凝潜热

26、① 估计列管式换热器中金属管壁的温度t w ，壳程为0.1MPa 的饱和水蒸气冷凝。

A 管程是平均温度为40℃的空气，t w 约为________；

B 管程是平均温度为40℃的水，水的对流给热系数为2000W/(m 2?℃)，基于内面积的总传热系

数K i =1600W/((m 2?℃)) ，t w 约为_______。

② 在设计时，欲略为增大一卧式冷凝器的传热面积，从有利于传热角度看，宜采取的措施为

_____________，因为_____________________________。

① (1) 100℃ (2) 88℃

② 增加管长。 如果采用增加管数的办法,则沿垂直方向管数也增加,冷凝液从上面各排流到

下面各排,液膜逐渐增厚,α降低。

27、管内湍流传热，流体内温度梯度最大的部分是在______________，原因是_____________

____________________________________。

滞流底层 滞流底层的传热机理是导热, 流体的导热率一般比较低。

28、在稳态传热中，凡热阻大处其温差也____________。滴状冷凝的给热系数_________膜状冷凝给

热系数。

大 大于

29、沸腾传热时，在核状沸腾区壁面与沸腾流体的温差愈大，则α__________。

越大

30、对于间壁式换热器：m h h p c t KA T T C W t t C W ?=-=-)()2112（等式成立的条件

是 、 、 。

31、下列各种情况下的对流给热系数

空气流速为6m/s 时的1α； 空气流速为25m/s 时的2α；水的流速为1.2m/s 时的3α； 水的流速

为2.5m/s 时的4α； 蒸汽膜状冷凝时的5α之间的数值按自大而小的顺序为 ________ > ________ >

________ > ________ > ________。

32、不需要任何介质的传热称为（ ）传热。

辐射

33、在列管式换热器中，流体在管内流动称为流经（ ）。

管程

34、列管式换热器中，流体在（ ）流动称为流经壳程。

管间

35、能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞的所有波长范围的辐射能的物体称为（ ）。

灰体

36、在辐射传热中，气体的反射率为（ ）。

37、在辐射传热中，黑体的透过率为（ ）。

38、在辐射传热中，灰体的透过率为（ ）。

39、灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的（ ）。

黑度

40、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则传热管的壁温接近（ ）的温度。

饱和蒸气

41、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则总传热系数Ｋ接近（ ）的对流传热系数。

空气

42、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则空气应走（ ）。

管内

43、在列管换热器中，若用饱和蒸气加热空气，则饱和蒸气应走（ ）。

管间 ?

44、判断下列物性数值大小?金属 ____ ?液 ___?气。

＞ ＞

四、判断题 （每题1分）

1、在辐射传热中，黑体的反射率为1。 （ × ）

2、对流传热包括强制湍流传热和强制层流传热。 （ × ）

3、滴状冷凝比膜状冷凝效果好。 （ √ ）

4、圆筒壁热传导是传热速率与热通量相等 （ × ）

5、一般固体、液体和气体相比较，导热系数值的大小顺序为固体＞气体＞液体。 （ × ）

6、夏季人们穿深色衣服不会感觉太热。 （ × ）

7、对流传热仅发生在流体中。 （ × ）

8、流体与固体壁面间对流传热的热阻主要集中在流动边界层。 （ × ）

9、一套管换热器逆流操作与并流操作一样。 （ × ）

10、虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。 （ √ ）

五、问答题

1、在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，传热管的壁温接近哪一种流体的温度？ 为什么？ （3分）

答： 壁温接近饱和蒸气的温度。 因为o

o w

i i W A t t A T T αα11-=- ， 饱和蒸气的o α＞＞空气的i α，则i α1＜＜o α1

所以，W T T -＜＜t t w -,传热管的壁温接近饱和蒸气(α大)的温度。

2、为什么内部孔隙多的材料保温效果好? （3分）

因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。

3、在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度? （3分）

由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以

提高传热效果。

4、在传热实验中，试分析说明饱和水蒸气与管壁间的对流给给热系数(α)如何确定的？并指出相应测

试的基本参量有哪些？ （4分）

答：)()(120t t C W t T A Q p c w s -=-=α

∴ 012)()

(A t T t t C W w s p c --=α

即需测参数：空气流量c W ； 空气进、出口温度（ｔ1、ｔ2）； 饱和蒸汽压力,然后查出饱和蒸汽

温度T s ；管壁温（ｔw ）

5、在蒸汽冷凝时，其冷凝液为层流流动，若要提高蒸汽冷凝的给热系数，可考虑采取哪些措施？ （4分）

答： 措施一：让液膜和蒸汽同向流动，则磨擦力使液膜流动加速，厚度减薄，从而使增大；

措施二：若为单根管，将垂直放置改为水平放置。若为管束，则需减小垂直列上的管数，或把

管子排列旋转一定的角度；

措施三：及时排除不凝气体。

6、 ① 作图定性示出沸腾传热系数α随相应的传热温差Δｔ（壁面和沸腾液体之间）的变化关系。

② 列管换热器封头装置隔板的作用是什么？ （4分）

答：① 如图

② 隔板将管子分成若干组，构成多程换热器, 增大流速, 以提高管程α。

7、现场有一列管式加热器，管程有φd ×δmm 钢管n 根，每根长L 米,内通水。壳程为压力等于P Pa(绝)

的饱和水蒸气冷凝。今欲实测此换热器传热系数K ，试问

① 需要测取哪些数据?说出所用仪表。

② 根据测得的数据列出计算K 值的有关公式及计算方法。 （4分）

答： ① 需要测水的进、出口温度1t 和2t ，可使用温度计测量;需要的加热蒸汽温度,可使用热电偶测

量, 需要测水的流量, 可使用转子流量计测量。

② )(12t t C W Q p -=水

水 换热器面积 L d n A 00π=

平均推动力 2

121ln(t t t t t m ???-?=? 12t T t -=? 21t T t -=? 基于外表面的总传热系数 m

p m t L d n t t C V t A Q K ??-=?=01200)πρ（水水 五、计算题

1、某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100 mm ，其导热系数分别为

0.9 W/（ｍ·℃）及0.7 W/（ｍ·℃）。待操作稳定后，测得炉壁的内表面温度为700℃, 外表面温度为

130℃。为减少燃烧炉的热损失，在普通砖的外表面增加一层厚度为40 mm, 导热系数为0.06 W/

（ｍ·℃）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740℃, 外表面温度为90℃。设两层材料

的导热系数不变。计算加保温层后炉壁的热损失比原来减少百分之几？ （10分）

解：设单位面积炉壁的热损失为q （S Q q =），加保温层前，是双层平壁的热传导

22211311/22407

.01.09.01.0130700m w b b t t q =+-=+-=λλ （4分） 加保温层后，是三层平壁的热传导 23

32211412/70706.004.07.01.09.01.090740m w b b b t t q =++-=++-=λλλ （4分） 热损失减少的百分数

%4.6822407072240121=-=-q q q （2分） 2、外径为426 mm 的蒸气管道, 其外包扎一层厚度为426 mm 的保温层, 保温材料的导热系数可取为

0.615 W ／(ｍ·℃)。若蒸汽管道的外表面温度为177℃, 保温层的外表面温度为38℃, 求每米管长的热

损失。 （10分）

解：由已知 r 2 = 0.426/2 = 0.213 m ， r 3 = 0.213 + 0.426 = 0.639 m （5分）

每米管长的热损失 m w r r t t L Q /489213.0639.0ln )38177(2ln )(22

332=-=-=πλπλ （5分） 3、在一套管换热器中，用水蒸气加热空气，已知空气侧的对流给热系数为 40W/(m 2?℃),蒸汽冷凝侧

的对流给热系数为5000W ／(m 2?℃)，现欲提高此传热过程的总传热系数,应从何着手解决？试用具体

数据说明理由。（注：管壁热阻及污垢热阻可忽略,空气湍流） （15分）

解： 当忽略管壁及污垢热阻时 40

150********+=+=ααK 39.7=K W/(m 2?℃) (4分)

由于1α>>2α,故应设法增大2α之值

在管程允许的压力降范围内增大空气的流量,设将空气流量提高2.4倍,则

80402.44.20.828.02=?=='αα W/(m 2·

℃) 78.780150001111

1

2

1=+=+='ααK W/(m 2·℃) (5分) 98.17

.397.78=='K K 若将1α增大一倍100001='α W/(m?℃) (3分) 8.39='K W/(m?℃) 98.17

.398.39=='K K (3分) 4、某厂精馏塔顶,采用列管式冷凝器,共有φ25×2.5mm 的管子60根, 管长为2m,蒸汽走管间,冷却水走

管内,水的流速为1m/s 。进、出口温度分别为20℃和60℃,在定性温度下水的物性数据为:ρ=992.2kg/m 3

λ=0.6338W/(m·℃) μ=6.56×10-4Pa.s Pr =4.31

① 求管内水的对流给热系数

② 如使总管数减为50根,水量和水的物性视为不变,此时管内水的对流给热系数又为多大? (15分)

解: 100010025.310

56.62.992102.0Re 44??=???==-μρdu 160Pr 6.0?? 5010002.02?==d L (3分)

∴可采用下式计算对流给热系数 n Nu Pr Re 023.08.0=

流体被加热 n =0.4 ∴5.158=Nu (2分)

50245.15802

.06338.0=?=?=Nu d λ

α W/(m 2·℃) (2分) (2) 当管子根数减少时,流速变大

s m u n n u /2.11)50

60()(=?='=' (4分) 8.0)(u

u '='αα (2分)

?=?='='28.08.0/(58132.15024)(m W u u αα℃） (2分)

5、一套管换热器,由φ48×3mm 和φ25×2.5mm 的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流

给热系数为1α和2α，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。

求将内管改φ32×2.5mm 后,管内对流给热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流) (10分)

解: 原内管外径 25m m 1=d 内径 20m m 22.5-25 2=?=d

新内管外径 32m m 1

='d 内径27m m 22.5-322=?='d 设 改用φ32×2.5钢管后,内管对流给热系数1

α' 8.18.01)4(

d d d μ

V ρα∝∝π (5分) 583.0)2720('8.1==∴αα (5分) 6、一套管换热器用 133℃的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33℃加热到 73℃，氯苯流量为 5500Kg/h 。

现因某种原因，氯苯流量减少到 3300Kg/h ，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为

多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？（设两种工况下的蒸汽冷凝热阻，

管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化） (15分)

解：()())2()1(1212m PC C

m PC C t S K t t C W t KS t t C W '?'=-'?=- (3分) ()()21

21ln ln

33005500:21t T t T t T t T K K ---'-''=得 (5分) 76.12

1=-'-'t T t T (3分) 6.0/='??='m

m h h t K t K W W (4分) 7、重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243℃和128℃；终温分别为

167℃和157℃。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度

差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以

忽略。

解： 以下标“′”表示并流的情况。由传热速率和热量衡算式知：

)()(12210t t C W T T C W t K Q pc c ph h m -=-=?= (3分)

两式相除，得： 1

212212100t t t t T T T T t K t K Q Q m m --'=-'-=?'?=' （a ）

将和比定律应用于下式，得：

1

212122112211221122147)128157()167243()()()()()()()()(t t t t t T t T t t T T t t T T t t T T t t m m ?-?=?-?---=----'-'-=----'-'-=?'?4310

115ln )157167()128243(=---='?m t ℃ (4分) 所以 43147ln

121212=?-?=?-???t t t t t t 093.14347ln 12==??t t 98.2093.11

2==??e t t (3分) 或()222.98128243t T =--+ （b ）

由式a 得： 22243167157128243128

T t --=-- 即： ()220.38243128t T =-+ （c ）

联立式b 和c 解得：

2161.3t =℃ 2155.4T =℃

7.49093.1)1284.155()3.161243(ln 1

212=---=???-?=?t t t t t m ℃ (5分) 8、一套管式换热器管内流体的对流传热系数i α = 20 W/（m 2·℃），管间流体的对流传热系数o α= 350

W/（m 2·℃）。若将管内和管间两种流体的对流传热系数分别提高一倍，总传热系数K 分别相应增加

多少？（管壁热阻及污垢热阻可忽略不计，管壁厚度按薄壁管处理）(10分)

解：原流动情况 m 2·℃/W

K=18.92 W/ m 2·℃ (2分)

（1）管内对流传热系数增加一倍

= 2 = 2×20= 40 W/ m 2·℃ m 2·℃/W K=35.9 W/ m 2·℃

（35.9-18.92）/18.92 = 89.75% (4分)

（2）管外对流传热系数增加一倍 = 2×350 = 700 W/ m 2·℃

m 2·℃/W K = 19.44 W/ m 2·℃

（19.44-18.92）/18.92 = 2.75% (4分)

9、在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数i α为349 W/（m 2·℃），

管外油侧对流传热系数o α为258 W/（m 2·℃）。换热器在使用一段时间后，管壁面两侧均有污垢形成，

水侧的污垢热阻R si 为0.00026 （m 2·℃）/W ，油侧的污垢热阻SO R 为0.000176 （m 2·℃）/W 。若此

换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。(10分)

求：（1）产生污垢后热阻增加的百分数；

（2）总传热系数K 。

解：（1）产生污垢前的热阻

（m 2·℃）/W (4分)

产生污垢后的热阻

（m 2·℃）/W （0.007177-0.00674）/0.00674 = 6.48% (4分)

（2）总传热系数

W/（m 2·℃） (2分)

10、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, 求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽

略。 (15分)

解：原平均温度差 13515-150 1==?t ℃ 60 40-100 2==?t ℃

5.92)60135ln(60135)ln(2

121=-=???-?=?t t t t t m ℃ (3分) 由热量衡算 )()(1221t t C W T T C W Q pc C ph h -=-=

5.0100

150********=--=--=T T t t C W C W pc c ph

h (4分) 当油的温度降至80℃时, 由热量衡算得

或5.080

150152=--'=t C W C W pc c ph

h 解得 502='t ℃ (3分) 新的平均温度差，1

t '?= 150-15 = 135℃, 2t '?= 80-50 = 30℃ 8.6930

135ln 30135=-='?m t ℃

由传热速率方程可分别得

原换热器 5.92)100150(?=?=-=dL Kn t KS C W Q m ph h π

新换热器 8.69)80150(?'='?'=-=L d Kn t S K C W Q m

ph h π ∴ m L 855.118.695.925070=??=

' m L 855.01855.1=-=? (5分) 11、一单程列管式换热器, 由直径为Φ25×2.5 mm 的钢管束组成。苯在换热器的管内流动, 流量为1.25

kg/s ，由80℃冷却到30℃，冷却水在管间和苯呈逆流流动, 进口水温为20℃, 出口不超过50℃。已知

水侧和苯侧的对流传热系数分别为1.70和0.85 kW ／(ｍ2·℃)，污垢热阻和换热器的热损失可忽略，

求换热器的传热面积。苯的平均比热为1.9 kJ/(kg·℃), 管壁材料的导热系数为45 W/(m·℃)。 (10

分)

解：由总传热速率方程式 m O O t S K Q ?=

式中 )(21T T C W Q ph h -== 1.25×1.9×103×（80 - 30）= 118.8 kW (3分)

kW ／(ｍ2·℃)

℃ (5分)

∴ m 2 (2分)

12、在一传热外表面积S 0为300 m 2的单程列管换热器中，300℃的某气体流过壳方被加热到420℃。

另一种560℃的气体作为加热介质。两气体逆流流动，流量均为10000 kg/h ，平均比热为1.05 kJ ／

（kg·℃）。求总传热系数K 0。 (10分)

解：换热器的传热量 )(12t t C W Q pc c -=

=（10000/3600）×1050×（420 - 300）= 3.5×105 W

热气体出口温度 )(21T T C W Q ph h -=

即 3.5×105 =（10000/3600）×1050×（560 – T 2）

解得 2T = 440 ℃ (4分)

流体的平均温度差 ∵

＜2 ∴

℃ (3分) W ／(ｍ2·℃) (3分)

13、某套管换热器内管为φ30×3mm 铜管,外管为φ48×3钢管,长2m,管间通110℃饱和水蒸气加热管内

空气,使空气温度由20℃加热至80℃,已知空气流量为50kg/h,周围环境温度为20℃,试求:

(1)空气侧对流给热系数；[ 101.6W/(m 2·K)]

(2)套管裸露时的蒸汽用量(kg/h)。 空气比热可取p C =1.005kJ/(kg·k)

换热器外侧壳壁对周围空气的对流给热系数: )(052.04.9w o t t -+=α W/(m 2·℃)

式中:w t --换热器外壳温度,℃ t --周围空气的温度,℃

饱和蒸汽汽化热可取r =2232.4kJ/kg (15分)

(1) m

i i i t A Q K ?=≈α 2151.02024.0m L d A i i =??==ππ (3分)

6.54)30

90ln(2080=-=

?m t ℃ )/(6.1016.5401515.8372K m W i ?=?=α (2分) (2) 110=≈T t w ℃

1.14)20110(05

2.04.9)(052.04.9=-?+=-+=w o t t α W/(m 2·K)

蒸汽放热 W Q Q Q 12205.8377.382=+='+=''

蒸汽用量 h kg r Q W /2104.2232360012003

=??=''= (5分) 14、有一单壳程双管程列管换热器，管外用120 0C 饱和蒸汽加热，干空气以12m/s 的流速在管内流动，

管径为φ38×2.5mm ，总管数为200根，已知空气进口温度为26 ℃，要求出口温度为86 ℃，试求：该

换热器的管长应为多少？（不计出口温度变化对物性影响，忽略热损失、污垢热阻及管壁热阻）。

已知定性温度下空气的物性数据为p c =1.005K)kJ/(kg ?,ρ=1.07 kg/m 3,μ = 0.0199 cP, λ=

0.0287W/(m·K)，Pr =0.697。 (15分)

解：因为管外蒸汽冷凝的1α比管内空气的2α大得多，且管壁及污垢热阻可略去，有

1212111-??? ??+=d d K αα≈d d 1

22α (2分) m m m t l d n t l d n d d t KA Q ?=?≈?=2211

22παπα (2分) 则 t d n Q l m

22?=πα (2分) 注意：上式中的n 为列管换热器总管数。。

V s2 = u n d )2/(785.022= 0.785×0.0332×(200/2)×12 = 1.026 m 3/s

注意：求V s2 时必须用每管程的管数，对双管程即n /2，不能用总管数n 。

Q =)(122p 2t t c m s - = )(122p 2s t t c V -ρ = 1.026×1.07×1.005×103×(86-26)= 6.62×104 W

Re = μρ

u d 2 = 10

0199.007.112033.03-??? = 2.13×104＞104 为湍流 (3分) 2α = 0.023d 2

λR e 8.0P r 4.0= 0.023×033.00287.0×(2.13×104)0.8×0.6970.4=50 W/(m 2·k) m t ?=2

s 1s 12ln t T t T t t ---=8612026120ln 2680--- = 59 ℃ (4分) 所以 l = t d n Q m 22?πα = 59

033.014.3200501062.64

????? = m 1.08 (2分) 15、用一套管换热器将2000kg/h 的甲苯饱和蒸气（110o C ）冷凝为饱和液体，甲苯的气化热为363KJ/kg 。

冷却水于16 o C 及5000kg/h 的流量进入套管内管（内径50mm ）作强制湍流流动，其传热膜系数为

1740w/(m 2 K)。水的比热可取为 4.19KJ/(kg o C)，假设甲苯侧热阻和管壁热阻远小于水侧热阻。 （20分）

（1）求冷却水的出口温度及套管管长。

（2）由于气候变化，冷却水的进口温度升高到25 o C ，试计算换热器的热负荷变化（以%表示）。忽

略物性参数的变化。

（3）冷却水温度升高后，有人建议将冷却水流率加倍，问此时的热负荷、冷却水出口温度与末升高

时相比如何，计算出热负荷增加或减少的百分数？

(1) w t t C W r W Q p c h 5121001.2360010003632000)(?=??=

-== 65.50161000

19.450001000363200012=+????=+=t C W r W t p c h o C (2分) 1740=≈i K α ?2/(m w o C)

94161101=-=?t o C

8.762)35.5994(2)(21=+=?+?=?t t t m o C

m i m t dL t KA Q ?=?=πα (3分)

6.98

.7605.017401001.25

=????=??=ππαm i m t d t KA L m (1分) (2) 2

5.1

6.905.014.3m dL A =??==π 1.562

='t (3分)

升温后 852511011

=-='-='?t T t o C 9.531.5611022

=-='-='?t T t o C %9.910

01.21081.11001.255

5=??-?='-Q Q Q (3分) (3) 74.12)(8.08.0=='

=''W W i i αα )25(22-'=''?'=''t WC t A K Q p m (2分) 根据给出数据算得： C t o 8.522=' w t A K Q m 51023.31.715.16.3027?=??=''?'='' (2分) 3.422='t o C 85251101=-=?t o C 7.673.421102=-=?t o C 21t t ??＜2 4.76221=?+?=''?t t t o

C