1、第十章 思考题 1、 所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热表面得管子。设一双侧强化管用内径为 di、外径为 d0 的光管加工而成，试给出其总传热系数的表达式，并说明管内、外表面传热系数的计算面积。 01100001101111000010111112)/ln (1112)/ln (1odddhddddhkdhdddht算面积为管外表面传热系数得计算面积为管内表面传热系数得计传热系数：得以管内表面为基准得答：由传热量公式：2、 在圆管外敷设保温层与在圆管外侧设置肋片从热阻分析的角度有什么异同？在什么情况下加保温层反而会强化其传热而肋片反而会削弱其传热？ 答：在圆管外敷设保温层和设置肋片都
2、使表面换热热阻降低而导热热阻增加，而一般情况下保温使导热热阻增加较多，使换热热阻降低较少，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；设置肋片使导热热阻增 加较少，而换热热阻降低较多，使总热阻下降，起到强化传热的作用。但当外径小于临界直径时，增加保温层厚度反而会强化传热。理论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于 1 时，肋化才会削弱传热。 3、 重新讨论传热壁面为平壁时第二题中提出的问题。 答：传热壁面为平壁时，保温总是起削弱传热的作用，加肋是否起强化传热的作用还是取决于肋化系数与肋面总效率的乘积是否人于 1。 4、推导顺流或逆流换热器的对数平均温差计算式时做了一些什么假设，这些假设在推导的哪些环节中
3、加以应用？讨论对大多数间壁式换热器这些假设的适用情形。 5、对于 22112211221m1 qcq cqcqcqccq mmmmm 及、三种 情形，画出顺流与逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线，注意曲线的凹向与 cqm 相对大小的关系。 6、进行传热器设计时所以据的基本方程是哪些？有人认为传热单元数法不需要用到传热方程式，你同意吗？ 答：换热器设计所依据的基本方程有： mmm tKAttcqttcq )()( 22221111 传热单元法将传热方程隐含在传热单元和效能之中。 7、在传热单元数法中有否用到推导对数平均温差时所做的基本假设，试以顺流换热器效能的计算式推导过程为例予以说明。
4、答：传热单元数法中也用到了推导平均温差时的基本假设，说明略 o 8、什么叫换热器的设计计算，什么叫校核计算？ 答：已知流体及换热参数，设计一个新的换热器的过程叫做设计计算，对已有的换热器，根据流体参数计算其换热量和流体出口参数的过程叫做校核计算。 9、在进行换热器的校核计算时，无论采用平均温差法还是采用传热单元数法都需要假设一种介质的出口温度，为什么此时使用传热单元数法较为方便？ 答：用传热单元数法计算过程中，出口温度对传热系数的影响是通过定性温度来体现的，远没有对平均温差的影响大，所以该法用于校核计算时容易得到收敛的计算结果。 10、试用简明语言说明强化单相强制对流换热、核态沸腾及膜状凝结的
5、基本思想。 答：无相 变强制对流换热的强化思路是努力减薄边界层强化流体的扰动与混合；核态沸腾换热的强化关键在于增加汽化核心数；膜状凝结换热强化措施是使液膜减薄和顺利排出凝结液。 11、在推导换热器效能的计算公式时在哪些环节引入了推导对数平均温差时提出的四个假设？ 习题 10-1、在一气气套管式换热器中，中心圆管的内外表面都设置了肋片，试用下表所列符号导出管内流体与环形夹层中流体之间总传热系数的表达式。基管的导热系数为 。 000000100000000000000000000011ln2121)2()()1(1ln2111ln211hrrAAhAkttkAkAAAAAAAhrrAhttAhAh
6、rrAhAhtitooitiitoffitffrtifitiitiitiiffifriifiitii）两式得：）（由（，则有：热系数对外侧总面积而言的传外侧肋面总效率：式中，内侧肋面总效率管长传热量：解：由热量公式，单位10-2、已知：一有环肋的肋片管、水蒸气再管内凝结，表面传热系数为 12200W/( *K)空气横向掠过管外，按总外表面面积计算的表面传热系数为 72.3 W/( *K)。肋片管基管外径为25.4mm,壁厚 2mm，肋高 15.8mm，肋厚 0.318mm，肋片中心线间距为 2.5mm。基管与肋片均用铝做成， =169W/（ m*K）。 求：当表面洁净无垢时该肋片管的总传热系数
7、。 )*/(2.507 8 9.0,78.015226.2/5 3 6.0)()(1.1 6 85.24.211 4 1 6.36.4 3 2 75.4 1 5 81.1 6 97.12)2/3 8 1.08.157.12(1 4 1 6.32)3 8 1.05.2(4.251 4 1 6.3)(2)(11120210215.05.121122222210002100kmWkAAArrAhhmmldAmmrrsdAhAAAAhkffmn故得：查得：由图参数：解：10-3、一卧式冷凝器采用外径为 25mm，壁厚 1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外冷凝侧的平均传热系数 )/(7005 20
8、KmWh ，管内水侧平均的表面传热系数)/(3004 2 KmWhi 。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数 （ 1） 管子内外表面均是洁净的 （ 2） 管内 为海水，流速大于 1m/s，结水垢，平均温度小于 500C，蒸汽侧有油。 WKmRWKmRWKmddhWKmhfofiii/0 0 0 2.0/0 0 0 1.0191/106 4 3.220254 3 0 011/107 5 4 3.15 7 0 0/1/122240240蒸汽含油污垢系数海水污垢系数查得：，表由参考文献解：KmWddRRkkKmWddhdddhkKmWififwiii2000024400000/
9、1.1 3 0 220250 0 0 1.00 0 0 2.09.2 2 0 01111)2(/9.2 2 0 01063.22025ln1 0 920 2 5.0107 4 5 3.111ln211)1(/1 0 9传热系数管子内外表面结垢后的时的导热系数管子内外表面均是洁净黄铜的导热系数10-4、已知：一套管式换热器长 2m，外壳内径为 6cm,内管外直径为 4m，厚 3mm。内管中流过冷却水，平均温度为 40，流量为 0.0016 /s。 14 号润滑油以平均温度 70流过环行空间，流量为 0.005 /s。冷却水系统处理的冷却塔水，管壁材料为黄铜。 求：内外壁面均洁净及长时间运行结垢后
10、的总传热系数值。 解：水侧 h1 的计算 40时， 31.4,/106 5 9.0),*/(6 3 5.0 26 prsmvkmW 流动截面积9 0 9 6 7Re/7 6 3.1,100 7 5.90 3 4.07 8 5.0411242211 vudsmumdA 采用式（ 5-54）， )*/(7 1 4 4PrRe0 2 3.0 24.08.0 kmwdh 油侧 0h 的计算 流动的截面积： 2321222 1057.1)(4 mddA 14.03/1012226222)()Pr( R e86.1,1857Re444Pr,/103.34),*/(1439.0,/185.3wfuulddh
11、vdusmvkmwsmAvu wl 近似的取为 40，则： )*/(8.2 2 4)2.1 2 47.8 8 0 2.8 6 33.34()202.04 4 41 8 5 7()02.0 1 4 3 9.0(86.1)*/(102.8 6 33.34),*/(104.1 2 47.8 8 0214.03/266kmwhsmkgusmkgu fw 于是 利用此值重新确定管壁温度，略去壁面热阻不计，则内侧热阻在总热阻中的比值为： )/(2 1 8)/(6.2 2 511.8 8 043.1 1 9,1.410 3 5 6.0)4070(0 3 5 6.0202101kmwkkmwhuttRRRwl
12、w因而内外壁都干净时，重新计算得：油，水侧均结垢时，取 0 0 0 2.0,0 0 0 2.0 10 则 )./(1 7 3/)/1(/1 1 2211100 kmwddhhk 10-5、已知：一种用于制冷剂凝结换热的双侧强化管用直径为 19、 16.4mm 的胚管加工而成，长 1.0m。在一次试验中测得冷却水进出口温度分别为 24.6及 29.2，平均水速为 0.91m/s,按胚管尺寸计算的管内平均表面传热系数为 1.82 104W/(m2*K),管外凝结换热表面传热系数为 1.25 104 W/(m2*K),管材为铜。 求：按胚管外表面计算的总传 热系数值。并分析管内水侧采用强化表面后的强
13、化效果。 解： 100101ln211dddddhk，取 =400W/(m*k),则有： ).*/(1.6 7 9 4108104 9 5.3103 6 9.6 1 2563 kmwk 若管内不强化，则按 D-B 公式计算时： 2.27ft ， ,/108 6 1 3.0 26 smv 1 7 3 2 7Re,87.5),*/(6 1 3.0 prkmw 7.4 2 9 2,8.1 1 487.51 7 3 2 70 2 3.0 14.08.0 hNu 内侧热阻变为 wkm /*10699.24.16197.4292 1 24 可见如不强化内侧热阻要加大 5 倍左右。 平均温压计算 10-6、
14、已知：順流与逆流布置。 求：分别按 qm1 c1qm2 c2 及 qm1 c1qm2 c2 或 qm1 c1qm2 c2， 都只有如下一种 图形，只是冷、热流体的曲线斜率不同。 10-7、已知：逆流式套管换热器， qm1 c1 qm2 c2，满足推导对数平均温差条件的前提。 求：沿换热表面的局部热流密度的变化规律。 解：此时不同的截面上冷热流的总温差保持为常数，由于传热系数 K 也为常数，因而该换热面已进入均匀热流密度的状态。 10-8、已知：一加热器中用过热水蒸气来加热给水（电厂中把送到锅炉中去的水称为给水）。过热蒸汽在加热器中先被冷却到饱和温度，再凝结成水 （虽然温度不变，但是有相变热 ）
15、，最后被冷却成过冷水，冷热流体的总 流向为 逆流 ，热流体单相介质部分的 qm1 c1qm2 c2. 求：画出冷、热流体的温度变化曲线。 解： 10-9、已知 CtCtCtCt 200100210300 2211 ， ，试计算下列流动布置时换热器的对数平均温差： （ 1） 逆流布置； （ 2） 一次交叉，两种流体均不混合； （ 3） 1 2 型壳管式，热流体在壳侧； （ 4） 2 4 型壳管式，热流体在壳侧； （ 5） 顺流布置。 CtCtttttRttttPCtttttttttttmmrrmr2.8985.09.10485.01591)3(5.9692.09.10492.017919.010
16、02002103005.0100300100200)2(9.104)100/110l n (100110)/l n (1002003001101002101221121221121211查得，图由参考文献查得，图由参考文献）解：（ CtttttttttttCtrrmrm4.63)10/200l n (10200)/l n (10200210200100300)5(8.10197.09.10497.01691)4(1121211查得，图由参考文献 10-10、已知：一定的布置方式及冷、热流体一定的进出口温度。 求： 热流体在管内侧及在壳侧的两种安排对数平均温差值有无差别？以上题中（ 3）（ 4）
17、中情形为例， 设热流体在管侧，重新计算其对数平均温差。从这一计算中例可得出怎样的推断。 解：（ 1） 1-2 型 1 1 1.13 0 02 1 0 2 0 01 0 0,45.03 0 01 0 0 3 0 02 1 0 Rp 查图 9-15， 2.8985.09.1 0 4,85.0 mt （ 2） 2-4 型， ,11.1,45.0 Rp 由图 9-16， 8.10197.09.104,97.0 mt 10-11、已知：初始温度为 t1 的流体流入壁温为 t0常数的平行板通道，通道长为 l 流体质量为 qm,比热容为 cp,流体与平板间对流换热的表面传热系数 h 为常数。 求证：流经该通
18、道后流体与平板间的换热量为 =qmcp(t0-t1)(1-e-2h/(q) 证明：如图示，对长为 dx 的微元段，可以列出以下热平衡式： ,)(2)( 000 ttdxtthttdcq pm 令 则有pmpm cqhxliicqhxpmettxCecq hdxd 202 ,0,2 得时由此得 流体经过长为 L 的一段通道后的总换热量等于 出口截面上的焓减进口处的焓，故有： 11 210211 pmpm cq hlpmcq hlpmpmpml ecqttecqcqcq 。 在本题中主流方向的坐标与一维非稳态导热总参数分析中的时间坐标相类似。 10-12、已知：在已順流式换热器中传热系数 k=a+
19、b t 其中 a、 b 为常数， t 为任一截面上的周期误差。 求证；该换热器的总传热量为，其中 k、 k,分别为入口段与出口段的传热系数。 证明：由 , , tbaktbak ，联立解得 , tt tktka ， 将 .,3 2 5 xudAtba tdPtd Auktdtbak 得：见教材代人 将此式从 A=0 到 xA 做积分，得： tttba ta ,ln1 即 xuAtbat tbata , /ln1将此式应用于换热器流体出口处，即 xA =A 处并将 a 的表达式代入，得： uAtk tktktk tt , , , ln， 另一方面按 u 的定义有： ,2,1,2,1,2,2,1,
20、12211)()(11 ttttttttttcqcqumm 将此式代入上式，整理之，即得： )/(ln ,tktk tktkA 。 换热器设计 计算 10-13、一台 1 2 型壳管式换热用来冷却 11 号润滑油。冷却水在管内流动，CtCt 5020 22 ， ，流量为 3kg/s；热油入口温度为 600C， )/(350 2 KmWk 。试计算： （ 1） 油的流量； （ 2） 所传騠递热量； （ 3） 所需的传热面积。 232211212211212112221122212162.2632.403 5 01066.3 7 532.409.08.449.0159175.03 3 3.1/1/
21、15.03 7 5.03 3 3.13 3 3.12050601 0 03 7 5.0201 0 020508.44)50/40l n (5040)/l n (50501 0 0402060)3(66.3 7 5)2050(4 1 7 43)2(/37.4)601 0 0(2 1 4 8)2050(4 1 7 43/4 1 7 4,/2 1 4 8)1(mtkACtRPRttttRttttPCtttttCtttCtttKWtcqskgtctcqqCkgJcCkgJcmmrrmrmmm查得，图由参考文献则分别为查得润滑油及水的比热解：10-14、一个壳侧为一程的壳管式换热器用来冷凝 7 355P
22、a 的饱和水蒸气，要求每小时内冷凝 18kg 蒸汽。进入换热器的冷却水的温度为 250C，离开时为 350C。设传热系数为)/(84 2 KmWk ，问所需的传热面积是多少？ 87.142587.395.1 2 0 3 63 6 0 0/103.2 4 0 718/3.2 4 0 787.39213tttWrqkgKJrCtsms ，查得：解：由水的饱和压力表211274.096.818005.1203696.8)87.4/87.14ln (87.487.14)/ln (87.43587.39mtKAttttttttmrrmsr10-15、已知：在一台 1-2 型管壳式换热器中，管内冷却水从
23、16升高到 35， 管外空气从119下降到 45，空气流量为 19.6kg/min，换热器的总传热系数 K=84 )*/( 2 kmw 求：所需的传热面积式多少。 解：逆流温度差为 72.5129/84ln 2984 afmt ， 184.016119 1635 p ， 89.31635 45119 R 故查图 9-15 ， 92.0 ， 故 对 数 平 均 温 差58.4792.072.51 mt 空气平均温差为 822 45119 ， kkgJc p */1009 空气的换热量 W2 4 3 9 11 0 0 9451 1 960 6.19 ， 故需传热面积 20 1.68458.47 2
24、 4 3 9 1 mA 。 10-16、已知：某工厂为了利用废气来加热生活用水，自制了一台简易的壳管换热器，烟气内径为 30mm 的钢管内流动，流速为 30m/s，入口温度为 200，出口温度取为100。冷水在管束与外壳之间的空间内与烟气逆向的流动，要求把它从入口处的 20加热到 50 .烟气 物可按附录中标准烟气的物性值查取。水侧的表面传热系数远大于与烟气侧的表面传热系数，烟气的辐射换热可略而不及。 求：估算所需的直管长度。 解：因为水侧换热系数远大于烟气侧之值，因而管壁的平均温度可取为水的平均温度， 即 3525020 对于烟气： 1502 200100 ft ， kmwsmv */0 3
25、 5 7.0,/1017.27 26 3 3 1 2 51017.27 3003.0Re,68.0Pr 6 vud， 采用式（ 5-54）来估算，则 65.84PrRe0 2 3.0 3.08.0 Nu kmwh */7.10003.0 0357.065.84 ， Wtud 1 9 4 74 2 由对流换热公式： 351 5 07.1 0 0 dLtAh 所以 mL 7 8 4.1351 5 07.1 0 01 4 1 6.3 1 9 4 7 。 10-17、已知：在一逆流式水 -水换热器中，管内为热水，进口温度 100, t 出口温度为 80,t ，管外流过冷水，进口温度 20,2 t ，出
26、口温度 70,2 t ，总换热量KW350 ，共有 53 根内径为 16mm 、壁厚为 1mm 的管子。管壁导热系数 kmw */40 ，管外流体的表面传热系数 kmwh */15000 ，管内流体为一个流程。管子内、外表面都是洁净的。 求：所需的管子长度。 解：计算管内平均换热系数。 908010021 ft 95.1Pr,*/68.0,*/109.3 1 4 6 kmwsmKgu sKgtcqc pmp /4159,4208 1 9 8 3 0109.3 1 40 1 6.01 4 1 6.3 53/1 5 9.444Re 6 duq m kmwdh */3 2 7 3PrRe0 2 3.
27、0 3.08.0 kmwddhhk a */96511 11210 28.4330/60ln 701 0 02080 mt ， ,38.8,2 dLnAmA .80.2 mdnAL 本题中冷热流体总温差为 43.3，管外冷流体侧占 68，管内侧约占 32，故不必考虑温差的修正。 10-18、压力为 1.5 105Pa 的无油饱和水蒸气在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的循环水在外径为 20mm、壁厚为 1mm 的黄铜管内流过，流速为 1.4m/s，其温度由进口处的560C 升高到出口的 940C。黄铜管成叉排布置， 在每一竖直排上平均布置 9 根。冷却水在管内的流动为两个流程，管内已积水垢。试确定所需的管长、管子数及冷却水量。传热量W7102.1 。
