第10章传热过程分析与换热器的热计算（复习题解答） 【复习题10-1】所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热表面的管 子。设一双侧强化管用内径为d,、外径为d,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。 答：由传热公式 = 1 lnd。/d 1 h,ral,IB.n. 2π1 hr,IB.n. 以光管内表面为基准的传热系数 1 K=- 1 +1a+ d. hBn 2 .dnf.n。 管内表面传热系数的计算面积为d,lg, 管外表面传热系数的计算面积为πd,B。 【复习题10-2】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，而加肋片反而会削弱其 传热？ 答：在圆管外敷设保温层与设置肋片，都使表面对流换热的热阻降低，而导热热 阻增加。一般情况下，保温层使导热热阻增加较多，而表面对流换热热阻降低较 少，这样总热阻增加，起到削弱传热的作用。设置肋片使导热热阻增加较少，而 表面对流换热热阻降低较多，其总热阻下降，起到强化传热的作用。特殊地，当 圆管外径小于其临界直径时，增加保温层厚度反而会强化传热，而对于肋片，理 论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于1时，肋片才会削弱传热。 【复习题10-3】重新讨论传热壁面为平壁时第2题中提出的问题。 答：传热壁面为平壁时，保温层总是起到削弱传热的作用。加肋片是否起强化传 热的作用，还要取决于肋化系数与肋面总效率的乘积是否大于1。 【复习题10-4】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加以应用？讨论对大多数间壁式换热器这些
第 10 章 传热过程分析与换热器的热计算（复习题解答） 【复习题 10-1】 所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热表面的管 子。设一双侧强化管用内径为 i d 、外径为 o d 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。 答：由传热公式 ( ) o o o o o i i i i i l h d l d d h d l t 1 2 1 ln Δ + + = 以光管内表面为基准的传热系数 ( ) o o o o i o i i i i i h d d d d d h k + + = 2 1 ln 1 管内表面传热系数的计算面积为 i i d l 管外表面传热系数的计算面积为 o o d l 【复习题 10-2】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，而加肋片反而会削弱其 传热？ 答：在圆管外敷设保温层与设置肋片，都使表面对流换热的热阻降低，而导热热 阻增加。一般情况下，保温层使导热热阻增加较多，而表面对流换热热阻降低较 少，这样总热阻增加，起到削弱传热的作用。设置肋片使导热热阻增加较少，而 表面对流换热热阻降低较多，其总热阻下降，起到强化传热的作用。特殊地，当 圆管外径小于其临界直径时，增加保温层厚度反而会强化传热，而对于肋片，理 论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于 1 时，肋片才会削弱传热。 【复习题 10-3】 重新讨论传热壁面为平壁时第 2 题中提出的问题。 答：传热壁面为平壁时，保温层总是起到削弱传热的作用。加肋片是否起强化传 热的作用，还要取决于肋化系数与肋面总效率的乘积是否大于 1。 【复习题 10-4】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。 答：假设(1)：冷、热流体的质量流量9m2、9m,及比热容c2、C,在整个换热面 上都是常数。该假设在推导中可将上述四个量组合成一个常量“，从而简化积分 计算。对大多数间壁式换热器常常工作于稳定工况，质量流量不变。如果换热器 计算中用定性温度确定比热容的取值，比热容就可看成常数。 假设(2)：传热系数在整个换热面上不变。该假设将传热系数当做常量处理， 不受温度和传热面积的影响，可简化变量的分离及积分计算。传热系数全面、整 体评价换热器的性能，本身就是一个平均结果，可看成是常数 假设(3)：换热器无散热损失。该假设使得冷、热流体的传热量相等，也等 于换热器的换热量。对大多数换热器，散热损失比起换热量可以忽略不计。 假设(4)：换热面中沿管子轴向的导热量可以忽略不计。该假设使传热量计 算都与对流传热有关，而与导热无关，从而简化计算过程。实际的间壁式换热器 都是用来在不同流体之间进行换热的，对流换热是主要传热方式，沿管子轴向的 导热量很小，可忽略」 【复习题10-5】对于qm1C,>qm2C2、qm1C,0 子，吹>0，即热流体温度变化击线为凹形甜线 d't kAr' -兴<，即时流林起度室心光酸（红因。 d42 所示) (2)逆流换热时，4= 1
假设的适用情形。 答：假设（1）：冷、热流体的质量流量 m2 q 、 m1 q 及比热容 2 c 、 1 c 在整个换热面 上都是常数。该假设在推导中可将上述四个量组合成一个常量 ，从而简化积分 计算。对大多数间壁式换热器常常工作于稳定工况，质量流量不变。如果换热器 计算中用定性温度确定比热容的取值，比热容就可看成常数。 假设（2）：传热系数在整个换热面上不变。该假设将传热系数当做常量处理， 不受温度和传热面积的影响，可简化变量的分离及积分计算。传热系数全面、整 体评价换热器的性能，本身就是一个平均结果，可看成是常数。 假设（3）：换热器无散热损失。该假设使得冷、热流体的传热量相等，也等 于换热器的换热量。对大多数换热器，散热损失比起换热量可以忽略不计。 假设（4）：换热面中沿管子轴向的导热量可以忽略不计。该假设使传热量计 算都与对流传热有关，而与导热无关，从而简化计算过程。实际的间壁式换热器 都是用来在不同流体之间进行换热的，对流换热是主要传热方式，沿管子轴向的 导热量很小，可忽略。 【复习题 10-5】 对于 1 1 2 2 q c q c m m 、 1 1 2 2 q c q c m m 及 1 1 2 2 q c q c m = m 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 q c m 相对大小的关系。 答：定性绘制流体温度变化曲线方法：不管是热流体还是冷流体，也不管是顺流 还是逆流，传热温差大的一端曲线曲线斜率大。这是因为传热系数为常数，相同 面积下，温差大，传热量就大，温度变化也大。 流体进出口温差与热容成反比：即热容较大的流体温度变化率相对较小。 （1）顺流换热时， 0 1 1 1 1 2 2 = + q c q c m m 0 Δ d d 1 1 2 1 2 = − kAx x m ke q c k t A t ，即热流体温度变化曲线为凹形曲线 0 Δ d d 2 2 2 2 2 = − − kAx x m ke q c k t A t ，即冷流体温度变化曲线为凸形曲线（如图 a 所示） （2）逆流换热时， 1 1 2 2 1 1 q c q c m m = −
当q1C1>qm2C,时，40，冷、热流体都为凹形曲线（如图c所示） 当qm1S1=qm2C,时，4=0，冷、热流体都为平行直线（如图d所示） 【复习题10-6】进行换热器热设计时所依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：换热器热设计时所依据的基本方程有传热方程和热平衡方程： Φ=kAM Φ=qm1C(G-t）=gm2c,(g-5） 传热单元数将传热方程式隐含在传热单元数和效能中。 【复习题10-7】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。 答：传热单元数法中也用到了推导平均温差时的基本假设，因为推导中引用了推 导对数平均温差的结果。 【复习题10-8】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，以确定换热器所需的面积，这 类计算称为设计计算。对已有的或选定了换热面积的换热器，根据流体进口参数 计算其流体出口参数和换热量，这样的计算过程称为校核计算
kAx x m ke q c k t A t − = 1 1 2 1 2 Δ d d ， kAx x m ke q c k t A t − = − 2 2 2 2 2 Δ d d 当 1 1 2 2 q c q c m m 时， 0 ，冷、热流体都为凸形曲线（如图 b 所示） 当 1 1 2 2 q c q c m m 时， 0 ，冷、热流体都为凹形曲线（如图 c 所示） 当 1 1 2 2 q c q c m = m 时， = 0 ，冷、热流体都为平行直线（如图 d 所示） 【复习题 10-6】进行换热器热设计时所依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：换热器热设计时所依据的基本方程有传热方程和热平衡方程： = kAΔt ( ) ( ) 1 1 1 1 2 2 2 2 q c t t q c t t m m = − = − 传热单元数将传热方程式隐含在传热单元数和效能中。 【复习题 10-7】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。 答：传热单元数法中也用到了推导平均温差时的基本假设，因为推导中引用了推 导对数平均温差的结果。 【复习题 10-8】 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，以确定换热器所需的面积，这 类计算称为设计计算。对已有的或选定了换热面积的换热器，根据流体进口参数 计算其流体出口参数和换热量，这样的计算过程称为校核计算
【复习题10-9】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：传热单元数法的计算过程中，出口温度对传热系数的影响是通过定性温度来 体现的，远不如对热平衡热量或平均温差影响那么大，所以用该方法进行校核计 算时容易得到收敛的结果。 【复习题10-10】试用简明的语言说明强化单相强制对流传热、核态沸腾及膜 状凝结的基本思想。 答：单相强制对流传热强化的基本思想是尽量减薄边界层。核态沸腾强化的基本 思想是尽量增加汽化核心的数量，膜状凝结强化的基本思想是尽量减薄凝结液膜 层的厚度。 【复习题10-11】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定？ 答：推导换热器效能的计算公式中，建立热平衡方程，没有考虑换热器的撒热损 失和沿换热器壁面的导热热量推导中还引入了常数“的定义及推导对数平均温 差的结果，将质量流量、比热容、传热系数当做常量处理
【复习题 10-9】 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：传热单元数法的计算过程中，出口温度对传热系数的影响是通过定性温度来 体现的，远不如对热平衡热量或平均温差影响那么大，所以用该方法进行校核计 算时容易得到收敛的结果。 【复习题 10-10】 试用简明的语言说明强化单相强制对流传热、核态沸腾及膜 状凝结的基本思想。 答：单相强制对流传热强化的基本思想是尽量减薄边界层。核态沸腾强化的基本 思想是尽量增加汽化核心的数量。膜状凝结强化的基本思想是尽量减薄凝结液膜 层的厚度。 【复习题 10-11】 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定？ 答：推导换热器效能的计算公式中，建立热平衡方程，没有考虑换热器的散热损 失和沿换热器壁面的导热热量；推导中还引入了常数 的定义及推导对数平均温 差的结果，将质量流量、比热容、传热系数当做常量处理