项目三 课题一 传热基础知识-章节过关卷-《化工单元操作》（化工版第三版）（原卷版+解析版）

《化工单元操作》（化工版第三版） 项目三 传热 课题一 传热基础知识 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（共10小题，每小题3分，共30分） 1.三种传热基本方式是 、 、 。 【答案】热传导；热对流；热辐射 【解析】三种传热基本方式是热传导；热对流；热辐射。 2.传热在化工生产过程中主要有以下四个方面： 、 、 、 。 【答案】创造并维持化学反应需要的温度条件化；创造并维持单元操作过程需要的温度条件；热能的合理利用和余热的回收；隔热与节能 【解析】传热在化工生产过程中主要有以下四个方面：创造并维持化学反应需要的温度条件化、创造并维持单元操作过程需要的温度条件、热能的合理利用和余热的回收、隔热与节能。 3.工业上的换热方法有3种，分别是 、 、 。 【答案】间壁式换热；混合式换热；蓄热式换热 【解析】工业上的三种换热方法分别是间壁式换热、混合式换热和蓄热式换热。 4. 是物质的一种物理性质，反映物质导热能力的大小。物理意义表明：物质的热导率越大，相同条件下，传导的热量就越多、其导热能力也越强。 【答案】热导率 【解析】考察的是热导率的概念 5.换热器的强化传热技术包括 、 、 。 【答案】扩展传热面积；增强流体的扰动；采用高效的传热元件 【解析】换热器强化传热技术主要包括以下三个方面：扩展传热面积、增强流体的扰动、采用高效的传热元件。 6. 将金属、非金属、液体、气体四种物质的热导率由大到小进行排序 。 【答案】金属＞液体＞非金属＞气体 【解析】一般情况下，金属的热导率最大。其次是液体。气体的热导率最小。所以，一般的排序为金属＞液体＞非金属＞气体。 7. 普通砖平壁厚度为0.500m，一侧为300℃，另一侧温度为30℃，已知平壁的平均热导率为0.9W/(m·℃)。则通过平壁的热通量为 。 【答案】486W/m2 【解析】考察的是传热的计算。 8. 影响对流传热系数的因素有 、 、 、 、 。 【答案】流体的种类和相态；流体的流速；流体的物理性质；传热壁面的形状；尺寸和粗糙度；流体的温度和压力 【解析】影响对流传热系数的因素有：流体的种类和相态，流体的流速，流体的物理性质（密度、比热容、导热系数等），传热壁面的形状、尺寸和粗糙度，流体的温度和压力 9. 影响辐射传热系数的因素有 、 、 、 。 【答案】物体的温度；物体的黑度；物体的几何形状和相对位置；周围环境的反射率和吸收率 【解析】影响辐射传热系数的因素有物体的温度、物体的黑度、物体的几何形状和相对位置、周围环境的反射率和吸收率。 10. 黑体的辐射能力与绝对温度的 次方成正比。 【答案】四 【解析】黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。 二、选择题（共10小题，每小题3分，共30分） 1.（ ）不是传热的基本方式。 A.热传导 B.对流传热 C.辐射传热 D.间壁传热 【答案】D 【解析】三种传热基本方式是热传导；热对流；热辐射。 2.间壁式换热器中，当两侧流体的对流传热系数都比较大时，传热速率受（ ）控制。 A.管壁热阻 B.污垢热阻 C.管内对流传热热阻 D.管外对流传热热阻 【答案】B 【解析】在这种情况下，污垢热阻可能会在总热阻中占主导地位。因为随着换热器的使用，管壁两侧会逐渐积累污垢，污垢层的导热系数通常很小，即使污垢层很薄，也可能产生较大的热阻，从而对传热速率产生显著的影响。例如，在化工生产中的换热器，经过一段时间的运行，污垢的积累会使传热效率明显下降，此时需要对换热器进行清洗来降低污垢热阻，恢复换热器的性能。 3.在列管式换热器中，用水蒸气加热盐溶液，盐溶液走管程。则下列强化传热途径中（ ）最为有效。 A.减少热壁面厚度 B.在壳程设置折流挡板 C.改单程管为双程管 D.增大换热器尺寸以增大传热面积 【答案】C 【解析】在列管式换热器中，用水蒸气加热盐溶液，盐溶液走管程，则改单程管为双程管最为有效。 4.换热器的总传热系数与（ ）无关。 A.传热间壁的厚度 B.流体流动状态 C.污垢热阻 D.传热面积 【答案】D 【解析】换热器的总传热系数与传热面积无关 5.在套管冷凝器中用空气(走内管)冷凝管间的饱和水蒸气，若保持蒸汽压力和空气进温度不变，增加空气流量，则空气出口温度（ ）。 A.增大 B.减小 C.基本不变 D.无法判断 【答案】B 【解析】在套管冷凝器中用空气(走内管)冷凝管间的饱和水蒸气，若保持蒸汽压力和空气进温度不变，增加空气流量，则空气出口温度减小。 6.以下关于设备管路保温说法不正确的是（ ）。 A.在设备管路外包一层或多层保温材料 B.保温材料的导热系数较小 C.保温就是维持管道设备内的高温 D.保温是减少能量损失的重要方法 【答案】C 【解析】保温不仅仅是维持管道设备内的高温。对于热的管道设备，保温是为了减少热量向外界散失，从而提高能源利用效率、防止烫伤等。而对于冷的管道设备，如制冷系统中的管道，保温是为了防止外界热量传入管道，避免管道内的低温介质温度升高，从而保证系统的正常运行。所以保温是一个双向的概念，既可以用于保温也可以用于保冷。 7.在稳定变温传热中，当两流体的流向采用（ ）时，传热的推动力最大。 A.并流 B.逆流 C.错流 D.折流 【答案】B 【解析】并流：热流体和冷流体在换热器中沿着相同的方向流动。在并流情况下，两流体在换热器进口处温度差较大，但随着流体的流动，温度差逐渐减小。其对数平均温差相对较小。例如，热流体进口温度为，出口温度为；冷流体进口温度为，出口温度为，且，，并流时的计算方式使得其值小于逆流情况。 逆流：热流体和冷流体在换热器中沿着相反的方向流动。在逆流情况下，两流体在换热器的一端温度差较小，但在另一端温度差较大，整体的对数平均温差较大。例如，同样的热流体进口温度和出口温度，冷流体进口温度和出口温度，逆流时的对数平均温差计算结果比并流时大，这意味着逆流时的传热推动力更大。 错流和折流：错流是指两流体的流向互相垂直，折流是指流体在换热器中既有并流又有逆流的复杂流动情况。它们的对数平均温差介于并流和逆流之间，传热推动力不如逆流大。例如，在折流换热器中，由于流体流动方向的改变，使得温度差的分布较为复杂，虽然能够增加流体的湍流程度，但对数平均温差通常小于逆流的情况。 8.在单程列管换热器中，用100℃的热水加热一种易生垢且超过80℃时易分解的有机液体，则有机液体应该走（ ），两流体应该（ ）换热。 A.走管程，并流 B.走壳程，并流 C.走管程，逆流 D.走壳程，逆流 【答案】A 【解析】确定有机液体的流径：对于易生垢的有机液体，走管程更合适。因为管程容易进行清洗，当有机液体在管内流动时，如果产生污垢，可以通过机械清洗或者化学清洗等方式较为方便地对管内进行清理。而壳程清洗相对困难。确定两流体的换热方式由于有机液体超过 80℃时易分解，采用并流换热更合适。假设采用逆流换热，热水进口温度为 100℃，如果有机液体走管程，当热水出口温度较低时，有机液体出口温度可能会超过 80℃，导致有机液体分解。而采用并流换热时，热水和有机液体在换热器中同向流动，热水进口温度为 100℃，在并流过程中，有机液体的温度始终低于热水的温度，并且可以通过控制热水和有机液体的流量等参数，使得有机液体出口温度不超过 80℃，从而避免有机液体分解。 9.在蒸汽冷凝的换热中，应该及时排出冷凝液和不凝性气体，原因是（ ）。 A.有效换热面积及传热系数均增大 B.有效换热面积及传热系数均减小 C.有效换热面积增大，传热系数减小 D.有效换热面积减小，传热系数增大 【答案】B 【解析】分析有效换热面积的变化当蒸汽冷凝时，如果冷凝液不能及时排出，会在换热表面形成液膜。这层液膜会覆盖部分换热表面，使得蒸汽与换热壁面之间的有效换热面积减小。因为只有未被液膜覆盖的部分才能有效地进行蒸汽与壁面之间的热交换。对于不凝性气体，当它们在换热表面附近聚集时，也会占据一定的空间，减少蒸汽与壁面接触的机会，从而导致有效换热面积减小。分析传热系数的变化液膜的存在不仅减小了有效换热面积，还增加了热阻。根据对流传热的原理，传热系数与热阻成反比。液膜的导热系数通常比蒸汽小很多，所以液膜的存在会使热阻增大，传热系数减小。不凝性气体同样会增加热阻。不凝性气体在换热表面附近形成气层，由于气体的导热系数远低于蒸汽，热量通过这层气层时受到的阻力很大，使得传热系数显著减小。例如，在蒸汽冷凝器中，如果有较多的不凝性空气存在，会使传热系数下降很多，严重影响冷凝效果。 10.当壳体和管束之间温度差大于50℃时，应进行热补偿。以下属于列管式换热器补偿方法的是（ ）。 A.浮头法 B.加装支路法 C.安装疏水阀法 D.折流挡板法 【答案】A 【解析】浮头法 浮头式换热器是列管式换热器的一种补偿方式。在浮头式换热器中，管束一端的管板固定，另一端的管板（浮头）可以在壳体内自由移动。当壳体和管束之间因温度变化产生热膨胀差时，浮头可以自由伸缩，从而有效地补偿了热膨胀差，避免了因热应力过大而损坏换热器。例如，在炼油厂的热交换过程中，当原油和加热介质之间温差较大时，使用浮头式换热器可以很好地适应温度变化，保证换热器的正常运行。 加装支路法 加装支路主要是用于调节流体流量和温度，而不是用于热膨胀补偿。例如，当需要调节换热器中流体的温度或者流量时，可以通过加装支路来实现部分流体的旁通，但这并不能解决壳体和管束之间的热膨胀差异问题。 安装疏水阀法 疏水阀主要用于蒸汽系统中，它的作用是自动排出蒸汽系统中的冷凝水，防止水击和保证蒸汽的质量。在换热器中，安装疏水阀是为了有效地利用蒸汽热量，去除冷凝水，但和热膨胀补偿没有直接关系。例如，在蒸汽加热的换热器中，疏水阀安装在蒸汽冷凝侧，确保冷凝水及时排出，而不涉及壳体和管束的热膨胀补偿 折流挡板法 折流挡板主要是用于改变流体在壳程的流动方向和流速，从而提高壳程流体的对流传热系数。它不能解决壳体和管束之间因温度差引起的热膨胀问题。例如，在壳程安装折流挡板可以使流体呈折线流动，增强流体的湍流程度，但对于热膨胀补偿没有作用。 三、简答题（本大题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为7、13、10、10分，共计40分） 1.（本小题7分）简述间壁式换热器的工作原理。 【答案】间壁式换热器是一种常见的热交换设备，其工作原理是利用间壁（固体壁面）将热流体和冷流体隔开，使两种流体在不直接接触的情况下，通过间壁进行热量传递。具体过程如下： 热传递过程 热流体向间壁传热：热流体在间壁一侧流动，其温度高于间壁温度，通过对流和热传导的方式将热量传递给间壁。 间壁内部传热：间壁本身具有一定的导热性能，热量在间壁内部从热侧传递到冷侧。 间壁向冷流体传热：冷流体在间壁另一侧流动，间壁温度高于冷流体温度，间壁通过对流和热传导的方式将热量传递给冷流体。 温度变化 在热量传递过程中，热流体温度逐渐降低，冷流体温度逐渐升高，从而实现了热量从热流体向冷流体的传递。通过这种方式，间壁式换热器能够有效地实现两种流体之间的热量交换，以满足各种工业生产和生活中的加热、冷却、冷凝等需求。 2.（本小题13分）说明影响对流传热系数的主要因素。 【答案】对流传热系数受多种因素影响，主要包括以下方面： （1）流体的物性 比热容：比热容大的流体，单位质量温度变化吸收或放出的热量多，对流传热系数较大。 导热系数：导热系数高的流体，热量传递快，对流传热系数大。 粘度：粘度大的流体，流动阻力大，边界层增厚，不利于热量传递，对流传热系数小。 密度：密度大的流体，单位体积质量大，携带热量多，对流传热系数较大。 （2）流体的流动状态 层流：流体分层流动，层与层间无宏观混合，热量传递主要靠导热，对流传热系数较小。 湍流：流体质点强烈混合，边界层薄，热量传递快，对流传热系数大。 （3）流体的流动起因 自然对流：因流体内部温度差引起密度差而产生流动，对流传热系数相对较小。 强制对流：流体在外部动力作用下流动，流速大，对流传热系数大。 （4） 传热面的形状、尺寸和布置 形状：不同形状的传热面，如管、板、翅片等，对流体流动和传热影响不同。 尺寸：传热面尺寸大，流体流动路程长，对流传热系数可能变化。 布置：传热面的排列方式，如顺排、叉排等，影响流体流动和传热。 3.（本小题10分）如何提高换热器的传热效率? 【答案】换热器是一种在不同温度的两种或多种流体间实现热量传递的设备。提高其传热效率，可从以下几个方面着手： （1） 增大传热面积 采用翅片管：在普通换热管的基础上，增加翅片结构，可有效增加管子外表面的传热面积。常用于空调、制冷设备及工业余热回收装置中。螺旋板式换热器：由两张平行的金属板卷制而成，形成两个相互隔开的螺旋形通道，使冷热流体在螺旋通道内逆流流动进行热交换，单位体积的传热面积比管壳式换热器大。适用于化工、石油、制药等行业。 （2） 提高传热系数 增强流体扰动：在换热器内设置扰流元件，如在管壳式换热器的壳程设置折流板，迫使流体不改变流动方向，增加流体的湍流程度，从而提高传热系数。防止结垢：及时清除换热器表面的污垢，可采用化学清洗、物理清洗等方法。在循环冷却水系统中，添加适量的缓蚀阻垢剂，可有效抑制水垢的生成。此外，还需对流体进行预处理，如过滤、除砂等，以减少污垢的来源。选择高导热系数的材料：不同的材料具有不同的导热性能，在换热器的设计和制造中，应优先选用导热系数高的材料。在管壳式换热器中，换热管可选用铜、铝等导热性能良好的金属材料。 （3） 加大平均温差 调整冷热流体的流量：通过改变冷热流体的流量比例，可调整它们在换热器内的温度变化，从而加大平均温差。在一些工业生产过程中，根据实际需要适当增加热流体的流量，可使热流体在换热器内的温度降减小，同时冷流体的温度升增大，进而加大了平均温差，提高了传热效率。采用逆流换热方式：在换热器中，冷热流体的流动方向对平均温差有显著影响。逆流换热时，冷热流体的温度差在整个换热面上分布较为均匀，能够获得较大的平均温差。而并流换热时，冷热流体的温度差沿换热面逐渐减小，平均温差相对较小。因此，在换热器的设计和运行中，应尽量采用逆流换热方式。 4.（本小题10分） 解释为什么在蒸汽冷凝时，要及时排走不凝性气体？ 【答案】 （1） 影响传热系数形成气膜热阻： 不凝性气体（如空气）的导热系数远低于蒸汽。当蒸汽冷凝时，不凝性气体无法在该条件下液化，会在传热表面逐渐积累，形成一层气膜。热量必须先通过这层气膜传递，才能到达冷凝表面，由于气膜的导热性能差，导致热阻大幅增加，从而显著降低了传热系数。 （2） 降低蒸汽对流传热： 不凝性气体的存在还会干扰蒸汽的对流传热过程。蒸汽在冷凝时，原本依靠其自身的流动将热量传递到冷凝表面。然而，不凝性气体的混入使得蒸汽的流动变得紊乱，部分蒸汽的流动方向被改变，无法有效地与冷凝表面接触进行热交换。这就导致蒸汽对流传热的效率降低，进一步影响了整体的传热效果。 （3） 减少有效传热面积占据冷凝空间： 不凝性气体在蒸汽冷凝设备内会占据一定的空间。随着不凝性气体的不断积累，它们逐渐排挤蒸汽，使得蒸汽能够进行冷凝的有效空间减小。这就相当于减少了实际参与传热的蒸汽与冷凝表面的接触面积，从而降低了传热效率。 （4） 阻碍冷凝液流动： 不凝性气体的存在还可能对冷凝液的流动产生阻碍。在正常情况下，冷凝液会在重力作用下沿着冷凝表面顺畅地流动，从而不断更新冷凝表面，保证良好的传热效果。然而，当不凝性气体存在时，它们可能会在冷凝表面附近形成局部的压力变化，干扰冷凝液的正常流动。部分冷凝液可能会因为受到不凝性气体的阻碍而滞留在冷凝表面，无法及时被排出。这不仅会进一步减小有效传热面积，还可能导致冷凝表面的温度分布不均匀，从而影响整个传热过程的稳定性和效率。 （5） 影响系统压力和温度改变系统压力： 不凝性气体的积累会使蒸汽冷凝系统内的压力升高。这是因为不凝性气体无法通过正常的冷凝过程从系统中排出，它们在系统内不断积聚，占据了一定的空间，导致系统内的气体总体积增加。根据理想气体状态方程（其中为压力，为体积，为物质的量，为气体常数，为温度），在温度和物质的量相对稳定的情况下，体积的增加会导致压力升高。系统压力的改变会对蒸汽的冷凝过程产生负面影响。一方面，较高的系统压力会使蒸汽的饱和温度升高。这意味着在相同的冷却条件下，蒸汽需要释放更多的热量才能达到冷凝温度，从而增加了冷凝的难度。另一方面，系统压力的升高会改变蒸汽与不凝性气体之间的相对平衡关系。不凝性气体在较高压力下会更加难以从蒸汽中分离出来，进一步加剧了不凝性气体对冷凝过程的干扰。 （6） 干扰温度控制： 不凝性气体的存在会干扰蒸汽冷凝系统内的温度分布和控制。由于不凝性气体的导热性能差，它们在系统内的积聚使得热量传递变得不均匀。在靠近不凝性气体积聚区域的地方，热量传递受到阻碍，温度会相对较高；而在远离该区域的地方，热量传递相对顺畅，温度会相对较低。这种温度分布的不均匀性会给系统的温度控制带来困难。在一些对温度控制要求较高的蒸汽冷凝应用中，如化工生产中的精馏过程、制药行业中的药品浓缩过程等，温度的微小波动都可能对产品质量产生严重影响。由于不凝性气体导致的温度分布不均匀，使得传统的温度控制策略难以准确地维持系统内的温度在设定值附近。这可能需要操作人员频繁地调整冷却介质的流量、温度等参数，以试图补偿由于不凝性气体引起的温度变化。然而，这种手动调整往往具有一定的滞后性，无法及时有效地应对系统内温度的快速波动。长期来看，不凝性气体对温度控制的干扰不仅会增加操作人员的工作强度和难度，还可能导致产品质量不稳定、生产效率降低等问题，给企业带来较大的经济损失。 综上所述，在蒸汽冷凝时及时排走不凝性气体，对于提高传热效率、保证系统稳定运行以及确保产品质量等方面都具有至关重要的意义。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 《化工单元操作》（化工版第三版） 项目三 传热 课题一 传热基础知识 时间：60分钟 总分：100分 班级 姓名 学号 成绩 一、填空题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1.三种传热基本方式是 、 、 。 2.传热在化工生产过程中主要有以下四个面： 、 、 、 。 3.工业上的换热方法有3种，分别是 、 、 。 4. 是物质的一种物理性质，反映物质导热能力的大小。物理意义表明：物质的热导率越大，相同条件下，传导的热量就越多、其导热能力也越强。 5.换热器的强化传热技术包括 、 、 。 6. 将金属、非金属、液体、气体四种物质的热导率由大到小进行排序 。 7. 普通砖平壁厚度为0.500m，一侧为300℃，另一侧温度为30℃，已知平壁的平均热导率为0.9W/(m·℃)。则通过平壁的热通量为 。 8. 影响对流传热系数的因素有 、 、 、 、 。 9. 影响辐射传热系数的因素有 、 、 、 。 10. 黑体的辐射能力与绝对温度的 次方成正比。 二、选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1.（ ）不是传热的基本方式。 A.热传导 B.对流传热 C.辐射传热 D.间壁传热 2.间壁式换热器中，当两侧流体的对流传热系数都比较大时，传热速率受（ ）控制。 A.管壁热阻 B.污垢热阻 C.管内对流传热热阻 D.管外对流传热热阻 3.在列管式换热器中，用水蒸气加热盐溶液，盐溶液走管程。则下列强化传热途径中（ ）最为有效。 A.减少热壁面厚度 B.在壳程设置折流挡板 C.改单程管为双程管 D.增大换热器尺寸以增大传热面积 4.换热器的总传热系数与（ ）无关。 A.传热间壁的厚度 B.流体流动状态 C.污垢热阻 D.传热面积 5.在套管冷凝器中用空气(走内管)冷凝管间的饱和水蒸气，若保持蒸汽压力和空气进温度不变，增加空气流量，则空气出口温度（ ）。 A.增大 B.减小 C.基本不变 D.无法判断 6.以下关于设备管路保温说法不正确的是（ ）。 A.在设备管路外包一层或多层保温材料 B.保温材料的导热系数较小 C.保温就是维持管道设备内的高温 D.保温是减少能量损失的重要方法 7.在稳定变温传热中，当两流体的流向采用（ ）时，传热的推动力最大。 A.并流 B.逆流 C.错流 D.折流 8.在单程列管换热器中，用100℃的热水加热一种易生垢且超过80℃时易分解的有机液体，则有机液体应该走（ ），两流体应该（ ）换热。 A.走管程，并流 B.走壳程，并流 C.走管程，逆流 D.走壳程，逆流 9.在蒸汽冷凝的换热中，应该及时排出冷凝液和不凝性气体，原因是（ ）。 A.有效换热面积及传热系数均增大 B.有效换热面积及传热系数均减小 C.有效换热面积增大，传热系数减小 D.有效换热面积减小，传热系数增大 10.当壳体和管束之间温度差大于50℃时，应进行热补偿。以下属于列管式换热器补偿方法的是（ ）。 A.浮头法 B.加装支路法 C.安装疏水阀法 D.折流挡板法 三、简答题（本答题共4小题，第1、2、3、4小题分值分别为7、13、10、10分，共计40分） 1.（本小题7分）简述间壁式换热器的工作原理。 2.（本小题13分）说明影响对流传热系数的主要因素。 3.（本小题10分）如何提高换热器的传热效率? 4.（本小题10分） 解释为什么在蒸汽冷凝时，要及时排走不凝性气体？ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$