化工原理習(xí)題第二部分熱量傳遞答案修改

1、化工原理習(xí)題第二部分熱量傳遞一、填空題：1. 1140w (注:大型容器可視為平壁)2. q= a A, w/m2K 。3.27.9K4. 熱傳導(dǎo) 、 熱對(duì)流 、熱輻射 5. Nu = al /人,對(duì)流傳熱過(guò)程 幾何尺寸對(duì)a的影響6.傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變不隨時(shí)間而改變。7.工一側(cè)的換熱壁面面積8. A泛指?jìng)鳠崦?，與K相對(duì)應(yīng) 9.50 oC,47.2 oC1。250240 oC 11. 127X 4 - X 0.038=602.6m127X4/X 0.032=5121m 12.213. 空氣 飽和水蒸汽 14.傅立葉定律 大 大15.小,小 16.滯離層內(nèi)(或熱邊界層內(nèi)),提高流體湍動(dòng)

2、程度17.膨脹節(jié)、采用浮頭式或 U管式結(jié)構(gòu)：增加面積,增強(qiáng)流體的湍動(dòng)程度以提高傳熱系數(shù)18. R1 R2 R3, Q1 = Q2 =Q319.傳導(dǎo) 、對(duì)流 和 輻射 dQ= - ds 20. 1.743.48 倍cn(設(shè)條件改變后仍在湍流范圍)21. W/ (mC), W/ (m2 oC), W/(m2 oC) 22.折流擋板 ，多管程， 殼程 23.三角形、正方形、菱形24.輻射25.殼體、管束26.設(shè)法增大皿27.溫度修正系數(shù) 28.管內(nèi); 管間(殼程)29.滯流層 、增大流速二、選擇題：15.ABCBA 610.DCBBC 1115. CDDBC 1620. AABC BA 21.BB

3、AABB 26. AADAA 3135 A A AAB 3640 CBADC 4144. A ABD 三、判斷題： 110.WWX1122. xxx xx x x V四、簡(jiǎn)答題：1 .答：傳熱一般有兩方面的要求：(1)、盡量使傳熱情況良好，即要求高的傳熱效率，以減少設(shè)備尺寸； (2)、盡量避免傳熱，即保溫或保冷。2 .答：傳導(dǎo)熱是固體或靜止流體的分子運(yùn)動(dòng)或分子振動(dòng)傳遞熱量。對(duì)流傳熱則是 流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移來(lái)傳遞熱量，輻射傳熱是高溫物體以電磁波形式向空間 發(fā)射能量來(lái)傳遞熱量。3 .答：熱流體流過(guò)管道時(shí), 在湍流主體中,流體劇烈攏動(dòng),形成漩渦, 使質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈混合而交換熱量，溫度較均勻，幾乎不存在溫

4、度梯度；但在緊靠管壁，有一層很薄的作層流流動(dòng)的流體層(層流底層) ，在這層薄層內(nèi)，熱量傳遞以導(dǎo)熱方式進(jìn)行，從微觀上言，是靠分子傳遞。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，故熱阻絲要集中層流底層內(nèi)。對(duì)管內(nèi)層流流動(dòng)，熱量傳遞也是主要靠導(dǎo)熱。但由于溫度存在(軸向的，徑向的) ，有密度差，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)的對(duì)流，比較復(fù)雜。4 .答：根據(jù)q=K.A.Z方程，指任一個(gè)K、A、&都能提高強(qiáng)化傳熱(1) 增加傳熱面積,如在管內(nèi)外壁裝上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；(2)增大傳熱溫差t 可采用逆流操作,因?yàn)楫?dāng) T1， T2， t1， t2 四個(gè)溫度一定時(shí)，逆流傳熱溫差t 最大；(3)提高傳熱系數(shù)K 由K=1/ (1/極 +

5、1/ 以+ 2 ( 6/)入提高 小 或降低6都能強(qiáng)化傳熱，要提高a由單層改為多層，或在殼程中增設(shè)檔板，對(duì)于蛇管中 ,加入攪拌裝置或在蛇管圈中增設(shè)杯狀物(強(qiáng)化圈)在列管換熱器中可,還可采用導(dǎo)熱系數(shù)大的流體作載熱體。5 .答：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射導(dǎo)熱分子原位振動(dòng)，電子定向流動(dòng)。對(duì)流流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)與混合。鍋爐壁為導(dǎo)熱，外壁對(duì)煙氣為對(duì)流，火焰和爐墻的熱輻射。6 .答：操作可以獲得較大的平均傳熱溫度差，從傳遞相同熱負(fù)荷言，須較小的傳熱面積，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。此外，逆流熱流體出口溫度T 可接近冷流流體進(jìn)口溫度 t ，對(duì)相同熱負(fù)荷言，需加熱劑少；同樣，就冷流體而言，逆流體出口溫度t可接近熱流體進(jìn)口溫度T ，對(duì)相同熱

6、負(fù)荷言，需要冷卻劑少，故對(duì)逆流就加熱劑或冷卻劑用量考慮，逆流操作費(fèi)小。7 .答：在傳熱過(guò)程中，傳熱面上各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)定傳熱。穩(wěn)定傳熱時(shí)，傳熱速率為定值。反之，若傳熱面上各的溫度隨時(shí)間而變，則為不穩(wěn)定傳熱。不穩(wěn)定傳熱時(shí)，傳熱速率也隨時(shí)間而變。8 .答：組成：純物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)好;結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)致緊、密度大的材料導(dǎo)熱系數(shù)大;溫度：一般溫度升高，非金屬固體導(dǎo)熱系數(shù)增大。煤灰磚的保溫性能好。9 . 答： 流體為層流時(shí)，傳熱是以導(dǎo)熱方式進(jìn)行的。則此時(shí)給熱系數(shù)較小。當(dāng)為湍流時(shí)，傳熱是以對(duì)流方式進(jìn)行的，此時(shí)給熱系數(shù)增大。所以流體的傳熱，多在湍流情況下進(jìn)行。10 .答：流動(dòng)類型：湍流時(shí)的給熱系數(shù)大。

7、流體的物性：粘度 密度P、比熱Cp,導(dǎo)熱系數(shù)人均對(duì)給熱系數(shù)有影響。傳熱面的形狀、大小和位置：管子的排列、 折流都是為了提高給熱系數(shù)。 流體的對(duì)流情況， 強(qiáng)制對(duì)流比自然對(duì)流的給熱系數(shù)大，流體在傳熱過(guò)程有無(wú)相變，有相變 a大。11 .答：由殼體、管束、管板、封頭等組成。12 .答：由于換熱器外壁面溫度往往高于周圍外界空氣的溫度，外壁面不斷通過(guò)對(duì)流和輻射傳將熱量傳給換熱器周圍的空氣而散失， 即產(chǎn)生散熱損失。 為了減少散熱損失， 一般在換熱器外壁面上包上一層 （或兩層） 導(dǎo)熱系數(shù)較小的絕熱材料（或不同的兩種導(dǎo)熱系數(shù)較小的絕熱材料） ， 使傳熱熱阻增大， 外壁面溫度降低，從而減小了散熱損失。13 .答：

8、主要由殼體、管束、管板和頂蓋（又稱封頭）等基部分組成。殼體和管束作為冷熱兩流體的流動(dòng)空間， 通過(guò)管壁進(jìn)行換熱。 管束安裝在管板上， 通過(guò)管板使管束與殼體連成一體。 頂蓋 （封頭） 上有管程流體進(jìn)出口， 且有分程、 密封，封頭可拆卸，便于管子清洗等作用。14 .答：因?yàn)槟媪鞑僮饔休^高的經(jīng)濟(jì)效益。主要原因可由以下兩方面分析：（1）當(dāng) T1、 T2、 t1、 t2 四個(gè)溫度一定時(shí)，逆流操作的t 比其它流向大。根據(jù)：Q=KAAt，當(dāng)K、A 一定時(shí)，At M QT,對(duì)現(xiàn)有的換熱器來(lái)說(shuō)，可提高生產(chǎn)能力。當(dāng)Q、K 一定時(shí)，N M AJ,對(duì)生產(chǎn)能力要求一定時(shí)，新設(shè)計(jì)制造換熱器由于A較小，設(shè)備尺寸可減小，節(jié)省投

9、資費(fèi)。（ 2）一般逆流操作的正常操作費(fèi)比其它流向要少。逆流操作時(shí)，載熱體用量比其它流向的要小，降低能耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。15 .答：物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移。16 .答：對(duì)流僅發(fā)生在流體中，流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移。17 .答：應(yīng)選擇逆流換熱，因?yàn)榇藭r(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差較大，可以節(jié)省換熱面積。18 .答：走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便。19 .答：走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。20 .答：走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量。21 .答：走管間，便于及時(shí)排出冷凝液。22 .答：走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。23 .答：走管間，因流體在有折

10、流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re值（Re 100）下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。24 .答：由于對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在層流底層內(nèi)，提高流體的湍動(dòng)程度能減薄層流底層的厚度，可以提高傳熱效果。25 .答：可以提高殼程流體的湍動(dòng)程度，增強(qiáng)傳熱效果。26 .答： 間壁式換熱器是由固體壁面將冷、 熱兩種流體分開(kāi)， 通過(guò)固體壁面?zhèn)鳠幔?而混合式換熱器中則是將冷、熱兩種流體直接接觸、混合換熱。27 .答：1）電熱：特點(diǎn)是加熱能達(dá)到的溫度范圍廣，而且便于控制，使用方便，比較清潔。但費(fèi)用比較高 。2）飽和水蒸氣： 優(yōu)點(diǎn)：飽和水蒸氣的冷凝溫度和壓強(qiáng)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，調(diào)節(jié)飽和水蒸汽的壓

11、強(qiáng)就可以控制加熱溫度， 使用方便， 而且飽和蒸汽冷凝過(guò)程的傳熱速率快。 缺點(diǎn)：飽和水蒸氣冷凝傳熱能達(dá)到的溫度受壓強(qiáng)的限制。3） 煙道氣： 煙道氣的溫度可達(dá)700以上，可以將物料加熱到比較高的溫度。缺點(diǎn)：傳熱速度慢，溫度不易控制。4）高溫載熱體： 優(yōu)點(diǎn)：沸點(diǎn)高（飽和蒸汽壓低） ，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。28 .答：（ 1）定常態(tài)換熱，兩種流體的熱容流率不變， （ 2）逆流換熱，（ 3）無(wú)熱損失。29 .答：流動(dòng)類型，湍流時(shí)的給熱系數(shù)大。流體的物性.粘度卬密度仍比熱Cp, 導(dǎo)熱系數(shù) 人均對(duì)給熱系數(shù)有影響。傳熱面的形狀、大小和位置.管子的排列、折流都是為了提高給熱系數(shù)。 流體的對(duì)流情況， 強(qiáng)制對(duì)流比自然對(duì)流的

12、給熱系數(shù)大， 流體在傳熱過(guò)程有無(wú)相變，有相變時(shí)a大。五、計(jì)算題：1. 解： 設(shè)耐火磚厚度b1, 絕熱磚厚度b2 跨過(guò)耐火磚的熱通量為 :q=(ti-t2)/(bi/ 1)bi=制ti-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m跨過(guò)三層磚的熱通量為 :q=(ti-t4)/(bi/ 為+(b2/ 2)+(b3/ 3)b2=(ti-t4)/q-bi/ 1rb3/ 3 2二(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582 0.233 =0.14m,跨過(guò)普通磚的熱通量：=t3-t4/b3/入3,t3=q.b3/ 3+t4=9300.1/0.582+83=243C2

13、 .解：冷卻水用量：WhCp,h (T1-T2) =WcCp,c (t1-t2)3500 2.38 X(10060) =WcX4.174 乂(50 40) .Wc = 7982kg.h-1Am,逆=(50 20) /I n ( 50/20) =32.75Am,= (6010) /I n ( 60/10) =27.9Q = KAA tmQ = 333200kJ.h-1A 逆=1.41m23.14 0.18 M =1.411 =2.5 mA 并=1.66 m23.14 0.18 X = 1.66. I = 2.93m3 .解： Q/L=2 兀(120115)/1/ 入(ln(75/55)=4545

14、(1/ 人)ln(75/55)=2 X 3.-4(524545=0.00691入=44.9w/m.K設(shè)外加石棉層厚度為6則:Q/L)/75=2 M.14(120-10)/(1/44.9)ln(75/55)+(1/0.15)ln(75+2=45450.0387=175.9w.m690.8=175.90.00691+(1/0.15)ln(75+2 6 )/75解得：6 =30mm(石棉層厚度) 設(shè)鋼管和石棉層接觸面間的溫度為 t2貝亞 2 3.14(120-t2)/(1/44.9)ln(75/55)=175.9解得：t2=119.8C4 .解：溶液放熱Q=WhCphAT=1.4 2X03X(150

15、-100)=1.4 104w1/K=di/( ido)+1/ o=0.025/(1160 0.02)+1/930K=464w/m2.K冷卻水用量Wc=Q/C pc(t2-t1)=1.4 104/4180(60-25)=0.957kg.s-1 =3445kg.h-1m=(150-60)-(100-25)/ln(150-60)/(100-25)=82.3 CA=3.67m2L=A/(兀 2)=3.67/(兀 X 0.025)=46.7m5 .解： A = 2.5m2 , Cpc= 2kJ/kg.KAtm = (180-80)-(70-30) / 1 n (100/40)= 65.5CQ= 200

16、22. X80-30) = 20000kJ/hQ= KAA tmK = 20000/(65.5 25)= 122.2kJ/m.K.h=34w/m2.K6 .解：(1) Q1=1200 2x(200-100)=240000kJ.hQ2=Q1,t2=t1+Q1/(m p 2 - Cp2)=10+240000/(10008) =67.4 Cm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110 C1/K1=1/ a 1+d1/( a 2 - d2)=1/250+25/(2000 X 20)K1=2 16.2w/m2.KA1=Q1/(K Atm) =240000 t0/(216.2 3600M10

17、)=2.8 m23m2不適用。7 . 解： 由 Q=K.A tm 式 求 K其中：Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/3600 1 .X88M0 (80-50)=56400wAm= ( A1- A2) / I n ( A1/ =(8030) ( 50 20) / 1 n (80-30)/(50-20)= 39.2C 56400=KX4.48 居9.2解得 K=321 w/m.C8 .解：(1)初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(4520)= K A Atm 一年后 m1 CP1(110-T2 尸 m2 CP2(3820)= K A Atm (110-T2 )/(110-4

18、0) =(38-20)/(45-20)解出 T2 =59.6(2) Atm = (110-45)-(40-20) /ln(65/20)= 38.2 CAtm = (110-38)-(59.6-20) /ln(72/39.6)=54.2 C(38-20)/(45-20)=(K /K) (54.2/38.2)解出 K/K =0.5079.解：(1) 蒸汽用量Q放=W. r =2205W kJ.hQ吸=W CP(t 出t 入)= 650022 X(80 30) = 7.15 10kJ.hQ放=Q吸w = 7.15 X 10/2205 弋 324kg.h(2)傳熱系數(shù)的計(jì)算 由Q=KAA tmAtm

19、= (120-30)-(120-80) /1 n ( (120-30)/(1 20-80)= 50/1 n ( 90/40) =61.66CKi = Q/Ai A tm= 7.15 X 10/60 X 兀 X (50/1000) X 61.66弋 1231 kJ.h.rriC= 342 (w /m2K)10 .解：q=CpW(t1-t2)=117.5 KJ/SW=117.5/4.187 (47-25)=1.276 kg.S-1A m=(77-47)-(27-25)/ln(30/2)=10.34 C1/K=1/ o+1/ ic+6 /入K=550.7 w/m0.4) (45 20)K 38.2.

20、K-1A=q/K. Am=20.635 m2L=A/ 兀 dm=292.1 m11 .解：(1)換熱器每程提供的傳熱面積(外表面為基準(zhǔn)),S1；由題意知，水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過(guò)，欲求S1,需先知道每程的管子數(shù), 每程的管子數(shù)等于所需冷卻水的總流量與單管內(nèi)水的流量之比。兩流體交換的熱量為：Wh1rh 1.25 315 394kwWcCpc(t2t1)Cpc 4.18kJ/kgQc pc(t2tT)394 4.7134.18 (3717 )kg / s單管內(nèi)水的流量為:Wc1 d2u4一一 20.785 0.0210.71000 0.2423kg/s每程所需管子數(shù)為:W里曳19.5Wc1

21、0.2423取每程管子數(shù)為20則每程所能提供的傳熱外表面積為:S1do ln10.025 20 34.71m2Q0.70.7K 0 so tm由題給數(shù)據(jù),(2)換熱管的總根數(shù);由所需的總傳熱面積可求取換熱管的總根數(shù)。10.4)0tmtiInt2t2(72 17) (72 37)72 17.In 72 37則任務(wù)所需的傳熱外表面積為:SoQKo tm3940.4762 44.2518.7m2Sodo ln換熱管總根數(shù)為：n其 一79.4dol0.025 3取n 80換熱器的管程數(shù)。由題意管程數(shù)為：Nt - 4ni12 .解：(1)空氣出口溫度T2題意可得：使用初期QWcCpc(t2t1)WhCp

22、h(T1 T2) KS tm(D使用一年后 Q2WcCpc(t2 t1) WhCph(T1T2) KS tm(2)兩式相比(2) / (1),得(110 T2)(38 20)(110 40)(45 20)貝U: T2 =59.6 C(2)總傳熱系數(shù)K /Ktm(T1t2) (T2L)lnT上T2 t165 20 65ln2034.2 Ctm(110 38) (59.2 20),110 38ln59.6 2072 39.654.2 C39.6方程(2)式/(1)式，得:(38 20)K 54.2故 K K 0.50%(3)冷熱流體的出口溫度t2及T2QWcCpc(t23)WhCQT2)K S t

23、m(3)Q2WcCpc(t2匕)WhC ph (T1T2)K S tm(4)方程(4)式/ (3),得:110 T22(t220) K 1(110 t2) (T2 20)110 59.63820 K54.21ngT2 20整理前半式的方程t239.60.179T2(5)又因 水空氣，KKK1由等比定理(110T2)。220)110 59.6 9154.2(110t2)(T2 20)1ngT2 20 110 t241.4lnT2 2054.2整理得,t2 153 T2(6)聯(lián)立(5)和(6),可得:t229.4 C ,T2 57.5 C(4)冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌?tm(110 29.4)