化工原理课后思考题参考答案

第四章 传热

4-1 根据传热机理的不同,有哪三种基本传热方式?他们的传热机理有何不同?

答:根据传热机理的不同,热的传递有三种基本方式:热传导、对流传热和辐射传热。

热传导(简称导热):热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程。在固体、液体和气体中都可以发生。

对流传热:由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程,只能发生在有流体流动的场合。

热辐射:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。 4-2 傅立叶定律Q???Adt中的负号表示什么意思? d?答:热量传递的方向沿着温度梯度下降的方向。

4-3 固体、液体、气体三者的热导率比较,哪个大,哪个小? 答:一般固体>液体>气体

4-4 纯金属与其合计比较,热导率哪个大? 答:纯金属大于合金

4-5 非金属的保温材料的热导率为什么与密度有关?

答:密度小,则所含的空气越多,气体的导热系数低于固体。

4-6 在厚度相同的两层平壁中的热传导,有一层的温度差较大,另一层较小。哪一层热阻大。 答:温差大的热阻大,热导率低。

4-7 在平壁热传导中,可以计算平壁总面积A的导热速率Q,也可以计算单位面积的导热速率(即热流密度q?Q)。而圆筒壁热传导中,可以计算圆筒壁内、外平均面积的导热速率Q,也可以计算单位圆周长A度的壁面导热速率ql,为什么不能计算热流密度?

答:圆筒壁的传热面积和热流密度不再是常量,但传热速率在稳态时是常量

4-8 输送水蒸气的圆管外包覆两层厚度相同、热导率不同的保温材料。若改变两层保温材料的先后次序,

2?l?t1?t4?其保温效果是否改变?若被保温的不是圆管而是平壁,保温材料的先后顺序对保温效果是否有影响?

Q?答:圆筒壁: 1 r2 1 r 1 r 有影响

ln?ln3?ln4 ?1r1?2r2?3r3平壁Q??t?t1?t?t?2?3?3 没有影响 b1b2b3Ri?1A?2A?3A?i?1?4-9 对流传热速率方程 Q ? A ? t 中的对流传热系数α与哪些因素有关 答:流动状态(气、液、蒸汽)、流体的性质(热导率、热容、粘度、密度)、壁面形状等

[流体有无相变化、流体流动的原因、流动状态、流动物性和壁面情况(换热器结构)等都影响对流传热系数。]

4-10 流体在圆管内强制对流时对流换热系数α的计算式中,Pr的指数n由什么决定?流体在管内的流速及管径对α的影响有多大?管长、弯管的曲率对管内对流传热有何影响?

答:被加热n=0.4;被冷却n=0.3 ??d?1.8

在传热管的长度小于进口段以前,管子愈短,则边界层愈薄,?就愈大。曲率越大,?就愈大。 4-11 水的对流传热系数一般比空气大,为什么? 答:按照强制对流公式???0.6~0.7??0.4~?0.5

4-12 为什么滴状冷凝的对流传热系数比膜状冷凝的大?由于壁面不容易形成滴状冷凝,蒸汽冷凝多为膜状冷凝。影响膜状冷凝的因素有哪些?

答:在滴状冷凝过程中,壁面的大部分面积直接暴露在蒸汽中,在这些部位没有液膜阻碍着热流,故滴状冷凝的传热系数可比膜状冷凝高十倍左右。

影响膜状冷凝的因素有:

(1)冷凝液膜两侧的温度差当液膜呈滞流流动时,若温度差加大,则蒸汽冷凝速率增加,因而液膜层厚度增加,使冷凝传热系数降低。

(2)流体物性由膜状冷凝传热系数计算式可知,液膜的密度、粘度及导热系数,蒸汽的冷凝潜热,都影响冷凝传热系数。

(3)蒸汽的流速和流向蒸汽以一定的速度运动时,和液膜间产生一定的摩擦力,若蒸汽和液膜同向流动,则摩擦力将是液膜加速,厚度减薄,使传热系数增大;若逆向流动,则相反。但这种力若超过液膜重力,液膜会被蒸汽吹离壁面,此时随蒸汽流速的增加,对流传热系数急剧增大。

(4)蒸汽中不凝气体含量的影响若蒸汽中含有空气或其它不凝性气体,则壁面可能为气体(导热系数很小)层所遮盖,增加了一层附加热阻,使对流传热系数急剧下降。因此在冷凝器的设计和操作中,都必须考虑排除不凝气。含有大量不凝气的蒸汽冷凝设备称为冷却冷凝器,其计算方法需参考有关资料。

(5)冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多,则液膜增厚,使传热系数下降,故在设计和安装冷凝器时,应正确安放冷凝壁面。例如,对于管束,冷凝液面从上面各排流到下面各排,使液膜逐渐增厚,因此下面管子的传热系数比上排的要低。为了减薄下面管排上液膜的厚度,一般需减少垂直列上的管子数目,或把管子的排列旋转一定的角度,使冷凝液沿下一根管子的切向流过, 4-13 液体沸腾的两个基本条件是什么?

答:一是液体的温度要达到沸点,二是需要从外部吸热。

4-14 为什么核状沸腾的对流传热系数比膜状沸腾的传热系数大?影响核状沸腾的因素主要有哪些? 答:核状沸腾,气泡的生成速度、成长速度以及浮升速度都加快。气泡的剧烈运动使液体受到剧烈的搅拌作用,?增大。膜状沸腾传热需要通过气膜,所以其?值比核状沸腾小。

影响核状沸腾的因素主要有:液体物性;温度差;操作压力;加热面状况;设备结构、加热面形状和材料性质以及液体深度等。

4-15 同一液体,为什么沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热系数大?

答:因为相变热比液体的热容大很多,所以沸腾时的对流传热系数比无相变化时的对流传热系数大。 4-16 换热器中冷热流体在变温条件下操作时,为什么多采用逆流操作?在什么情况下可以采用并流操作?

答:逆流时的平均温度差最大,并流时的平均温度差最小,其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间,因此就传热推动力而言,逆流优于并流和其它流动型式。当换热器的传热量Q 即总传热系数K一定时,采用逆流操作,所需的换热器传热面积较小。

在某些生产工艺要求下,若对流体的温度有所限制,如冷流体被加热时不得超过某一温度,或热流体被冷却时不得低于某一温度,则宜采用并流操作。

4-17 换热器在折流或错流操作时的平均温差如何计算?

答: ①根据冷、热流体的进、出口温度,算出纯逆流条件下的对数平均温度差

②按下式计算因数 R 和 P:

③根据R 和P 的值,从算图中查出温度差校正系数

④将纯逆流条件下的对数平均温度差乘以温度差校正系数 ,即得所求的 。

4-18 换热器的总传热系数的大小,受哪些因素影响?怎样才能有效地提高总传热系数? 答:取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等;

K值总是接近于α小的流体的对流传热系数值,关键在于提高α小一侧的对流传热系数;减慢污垢形成速率或及时清除污垢。

4-19 在换热器中,用饱和蒸汽在换热管外冷凝发热,加热管内流动的空气。总传热系数接近哪种流体的对流传热系数?壁温接近哪种流体的温度?忽略污垢和管壁热阻。要想增大总传热系数,应增大哪个流体的对流传热系数?

答:总传热系数接近空气一侧的对流传热系数;壁温接近饱和蒸汽的温度;要想增大总传热系数,应增大空气的对流传热系数。

4-20 何谓透热体、白体、黑体、灰体?

答:能透过全部辐射能的物体,称为透热体;能全部反射辐射能的物体,称为白体;能全部吸收辐射能的物体,称为黑体或绝对黑体;能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,称为灰体。 4-21 何谓黑度?影响固体表面黑度的主要因素有哪些?

答:在同一温度下,实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比,定义为灰体的黑度。

影响固体表面黑度的主要因素有:物体的性质、温度及表面情况(如表面粗糙度及氧化程度)。 4-22 黑度大的灰体对投射来的热辐射能的反射率是大还是小?他的辐射能力是大还是小? 答:小;大

4-23 保温瓶的夹层玻璃表面为什么镀一层反射率很高的材料?夹层抽真空的目的是什么? 答:减少热辐射;降低热传导;

4-24 两个灰体表面间的辐射传热速率与哪些因素有关?

答:它们的吸收率和反射率,形状和大小以及相互间的位置和距离等因素。 4-25 常用的强化或削弱物体之间辐射传热的辐射有哪两种? 答:改变物体表面的黑度;采用遮热板。

4-26 两物体的温度分别是200℃及100℃,若将温度各提高300℃,维持其温差不变,其辐射传热的热流量是否变化? 答:增大

4-27 有的列管式换热器为什么做成多管程的? 答:可以增大管程流速,提高对流换热系数。

4-28 下列流体在列管换热器中宜走管程还是壳程? 答:(1)腐蚀性流体宜走管程,避免同时腐蚀管程和壳程 (2)高压流体宜走管程,避免制造较厚的壳体

(3)饱和水蒸气冷凝放热宜走壳程,以利于排出冷凝液 (4) 温度不太高,需要冷却的流体宜走壳程,有利于散热 (5)需要提高流速的无相变流体宜走管程

4-29 换热器的强化传热中,最有效的途径是增大总传热系数K,如何增大K值? 答:根据公式

bd111可以采取如下措施: ??Rd1?11?Rd2?K?1?1dm?2(1) 提过对流换热系数,尤其是提高较小一层的对流换热系数

(2) 降低污垢热阻,及时清洗换热器,

(3) 降低热传导热阻,选择导热率大的材料,降低换热壁的厚度。

第五章 吸收

5-1 选择吸收剂时,应从哪几个方面考虑?

答:(1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越大,则传质推动力越大,吸收速率越快,且吸收剂的耗用量越少。

(2) 选择性 吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度,而对混合气体中的其它组分溶解度甚微,否则不能实现有效的分离。

(3) 挥发度 在吸收过程中,吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度下,吸收剂的蒸汽压要低,即挥发度要小,以减少吸收剂的损失量。

(4) 粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低,其在塔内的流动阻力越小,扩散系数越大,这有助于传质速率的提高。

(5) 其它 所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得,且化学性质稳定。

5-2 对于物理吸附,在一定温度下,如何判断气体在水中的溶解的难与易? 答:溶液浓度相同时,难溶气体在溶液上方的平衡分压大。 5-3 亨利定律中的E、H、m三者与温度、压力有什么关系?

*答:由p*A?Ex;y?mx; pA??ScA 可得E?mp? HHMS5-4 气液相平衡关系中,(1)若温度升高,亨利常数将如何变化?(2)在一定温度下,气相总压升高,

相平衡常数m如何变化?若气相组成y为一定值,总压升高,液相x将如何变化? 答:(1)温度升高,亨利常数增加 (2)总压增加,m减小;x增加

5-5 若溶质分压为p的气体混合物与溶质浓度为c的溶液接触,如何判断溶质是从气相向液向传递还是从液向向气相传递? 答:根据公式pA与

*cAc*的关系来判断,如果pA>A,从气相向液相传递 HH5-6 气体分子扩散系数与温度、压力有何关系?液体分子扩散系数与温度、粘度有何关系?

答:气体分子扩散系数与温度的1.5次方成正比,总压力成反比;液体的扩散系数与温度成正比,与粘度成反比。

5-7 何谓对流传质的有效膜理论?如何根据有效膜理论写出传质速率方程式?

答:单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内,膜层内的传质形式仅为分子扩散。有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E,则厚度zG为E到相界面的垂直距离。 5-8 何谓两相间传质的双膜理论?其基本论点是什么? 答:(1)气液两相存在一个稳定的相界面,界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流,A以分子扩散方式通过气膜和液膜。(2)相界面处两相达平衡,无扩散阻力。(3)有效膜以外主体中,充分湍动,溶质主要以涡流扩散的形式传质。 5-9 在稳态传质过程中,若气液相平衡关系符合亨利定律,如何应用双膜理论推导出总传质速率方程式?气相总传质系数KY(或液相总传质系数KX)与气膜传质系数ky及液膜传质系数kx有何关系?

*答:气相传质速率方程NA?KY(Y?Y),Y?mX?b

*

5-10在气液两相传质过程,什么情况下属于气膜阻力控制,什么情况下属于液膜阻力控制?

1m1? ? KYkXkY答:当kX??kY时属于气膜阻力控制;当kX??kY时属于液膜阻力控制

5-11 在逆流操作的吸收塔中,当进塔气体组成Y1及进塔液体组成X2已定,最小液气比?吸收率?有何关系? 答:由??L??与溶质的?G?minY1?Y2?L??L???m?可知,??与吸收率?成正比。 ??G?minY1/m?G?min5-12 传质单元数与传质推动力有何关系?传质单元高度与传质阻力有何关系?

答:传质推动力越小,则意味着过程的难度越大,此时所需的传质单元数也就越大。

传质阻力越大,填料层有效比表面越小,则每个传质单元所相当的填料层高度就越大。 5-13 气相传质单元高度与气相总压力p有何关系?液相传质单元高度与液相总浓度c有何关系? 答:

5-14 吸收因数?L/mG?的大小对气相总传质单元数NOG有何影响?如何说明其原因? 5-15 吸收率?对NOG有何影响?

5-16 在NOG一定的条件下,若L、G、温度t、总压p、吸收剂进口组成X1等改变,对混合气的出口组成Y2有何影响? 答:

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