化工原理管?chē)?guó)鋒主編 后習(xí)題答案4 傳熱及換熱器

1、第4章 傳熱及換熱器1）用平板法測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其主要部件為被測(cè)材料構(gòu)成的平板，其一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷水將熱量移走，同時(shí)板的兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其表面溫度。設(shè)平板的導(dǎo)熱面積為0.03m2，厚度為0.01m。測(cè)量數(shù)據(jù)如下：電熱器材料的表面溫度  安培數(shù) A伏特?cái)?shù) V高溫面低溫面2.82.314011530020010050試求：該材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)。如該材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為線性：，則0和a值為多少？ 2）通過(guò)三層平壁熱傳導(dǎo)中，若測(cè)得各面的溫度t1、t2、t3和t4分別為500、400、200和100，試求合平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好。3）某燃燒爐的平壁由耐火磚

2、、絕熱磚和普通磚三種砌成，它們的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2W/(m·)，0.16 W/(m·)和0。92 W/(m·)，耐火磚和絕熱轉(zhuǎn)厚度都是0.5m，普通磚厚度為0.25m。已知爐內(nèi)壁溫為1000，外壁溫度為55，設(shè)各層磚間接觸良好，求每平方米爐壁散熱速率。4）在外徑100mm的蒸汽管道外包絕熱層。絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.08 W/(m·)，已知蒸汽管外壁150，要求絕熱層外壁溫度在50以下，且每米管長(zhǎng)的熱損失不應(yīng)超過(guò)150W/m，試求絕熱層厚度。5）38×2.5mm的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。 50第一層是mm厚的氧化鋅粉，其平均

3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.07 W/(m·)；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m·)。若管內(nèi)壁溫度為180，石棉層外表面溫度為35，試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩保溫層界面處的溫度？解：r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r1d1 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r2d2 = 0.0690.01 = 0.079 ml0 = 45 W/(m·)W/m 即 t2 = 41.8 6）通過(guò)空心球壁導(dǎo)熱的熱流量Q的計(jì)算式為：，其中，A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外表面積，試推導(dǎo)此式。7）有一外

4、徑為150mm的鋼管，為減少熱損失，今在管外包以兩層絕熱層。已知兩種絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)之比1，兩層絕熱層厚度相等皆為30mm。試問(wèn)應(yīng)把哪一種材料包在里層時(shí)，管壁熱損失小。設(shè)兩種情況下兩絕熱層的總溫差不變。8）試用因次分析法推導(dǎo)壁面和流體間強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。已知為下列變量的函數(shù)：。式中、CP、分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)、等壓熱容、密度、粘度，u為流體流速，l為傳熱設(shè)備定型尺寸。9）水流過(guò)60×3.5mm的鋼管，由20被加熱至60。已知，水流速為1.8m/s，試求水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。10）空氣流過(guò)36×2mm的蛇管，流速為15m/s，從120降至20，空氣壓強(qiáng)4

5、5;105Pa（絕壓）。已知蛇管的曲率半徑為400mm，試求空氣對(duì)管壁的給熱系數(shù)?？諝獾拿芏瓤砂蠢硐霘怏w計(jì)算，其余物性可按常壓處理。11）苯流過(guò)一套管換熱器的環(huán)隙，自20升至80，該換熱器的內(nèi)管規(guī)格為19×2.5mm，外管規(guī)格為38×3mm。苯的流量為1800kg/h。試求苯對(duì)內(nèi)管壁的給熱系數(shù)。12）冷凍鹽水（25%的氯化鈣溶液）從25×2.5mm、長(zhǎng)度為3m的管內(nèi)流過(guò)，流速為0.3m/s，溫度自-5升至15。假設(shè)管壁平均溫度為20，試計(jì)算管壁與流體之間的平均對(duì)流給熱系數(shù)。已知定性溫度下冷凍鹽水的物性數(shù)據(jù)如下：密度為1230kg/m3，粘度為4×10-3

6、Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)為0.57 W/(m·)，比熱為2.85kJ/(kg·)。壁溫下的粘度為2.5×10-3Pa·s。解：d = 0.0250.0025×2 = 0.02 m > 50 u = 0.3m/s 2000 層流100= 354.7 W/(m2×)13）室內(nèi)分別水平放置兩根長(zhǎng)度相同，表面溫度相同的蒸汽管，由于自然對(duì)流兩管都向周?chē)⑹崃浚阎」艿?，大管直徑為小管?倍，試求兩管散失熱量的比值為多少？解：小管Gr×Pr = 108 b = 1/3 又因 Grd03，故大管Gr×Pr 108則

7、 14）某烘房用水蒸汽通過(guò)管內(nèi)對(duì)外散熱以烘干濕紗布。已知水蒸汽絕壓為476.24kPa，設(shè)管外壁溫度等于蒸汽溫度現(xiàn)室溫及濕紗布溫度均為20，試作如下計(jì)算：使用一根2m長(zhǎng)、外徑50mm水煤氣管，管子豎直放于水平放置單位時(shí)間散熱量為多少？若管子水平放置，試對(duì)比直徑25mm和50mm水煤氣管的單位時(shí)間單位面積散熱之比。（管外只考慮自然對(duì)流給熱）。15）油罐中裝有水平蒸汽管以加熱管內(nèi)重油，重油溫度為20，蒸汽管外壁溫為120，在定性溫度下重油物性數(shù)據(jù)如下：密度為900kg/m3，比熱1.88×103J/(kg·)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.175W/(m·)，運(yùn)動(dòng)粘度為2×

8、10-6m2/s，體積膨脹系數(shù)為3×10-4 l/，管外徑為68mm，試計(jì)算蒸汽對(duì)重油的傳熱速度W/m2。16）有一雙程列管換熱器，煤油走殼程，其溫度由230降至120，流量為25000kg/h，內(nèi)有25×2.5mm的鋼管70根，每根管長(zhǎng)6m，管中心距為32mm，正方形排列。用圓缺型擋板（切去高度為直徑的25%），試求煤油的給熱系數(shù)。已知定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)為：比熱為2.6×103J/(kg·)，密度為710 kg/m3，粘度為3.2×10-4Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)為0.131 W/(m·)。擋板間距，殼體內(nèi)徑。17）飽和溫

9、度為100的水蒸汽在長(zhǎng)為2.5m，外徑為38mm的豎直圓管外冷凝。管外壁溫度為92。試求每小時(shí)蒸汽冷凝量。又若將管子水平放置每小時(shí)蒸汽冷凝量又為多少。18）由25×2.5mm、225根長(zhǎng)2米的管子按正方形直列組成的換熱器，用1.5×105Pa的飽和蒸汽加熱某液體，換熱器水平放置。管外壁溫度為88，試求蒸汽冷凝量。19）設(shè)有A、B兩平行固體平面，溫度分別為T(mén)A和TB（TA>TB）。為減少輻射散熱，在這兩平面間設(shè)置n片很薄的平行遮熱板，設(shè)A所有平面的表面積相同，黑度相等，平板間距很小，試證明設(shè)置遮熱板后A平面的散熱速率為不裝遮熱板時(shí)的倍。20）用熱電偶測(cè)量管內(nèi)空氣溫度，測(cè)

10、得熱電偶溫度為420，熱電偶黑度為0.6，空氣對(duì)熱電偶的給熱系數(shù)為35 W/(m·)，管內(nèi)壁溫度為300，試求空氣溫度。21）外徑為60mm的管子，其外包有20mm厚的絕熱層，絕熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·)，管外壁溫度為350，外界溫度為15，試計(jì)算絕熱層外壁溫度。若欲使絕熱層外壁溫度再下降5，絕熱層厚度再增加多少。22）設(shè)計(jì)一燃燒爐，擬用三層磚，即耐火磚、絕熱磚和普通磚。耐火磚和普通磚的厚度為0.5m和0.25m。三種磚的系數(shù)分別為1.02 W/(m·)、0.14 W/(m·)和0.92 W/(m·)，已知耐火磚內(nèi)側(cè)為1000，外壁

11、溫度為35。試問(wèn)絕熱磚厚度至少為多少才能保證絕熱磚溫度不超過(guò)940，普通磚不超過(guò)138。23）為保證原油管道的輸送，在管外設(shè)置蒸汽夾。對(duì)一段管路來(lái)說(shuō)，設(shè)原油的給熱系數(shù)為420 W/(m·)，水蒸氣冷凝給熱系數(shù)為104 W/(m·)。管子規(guī)格為35×2mm鋼管。試分別計(jì)算Ki和K0，并計(jì)算各項(xiàng)熱阻占總熱阻的分率。24）某列管換熱器，用飽和水蒸汽加熱某溶液，溶液在管內(nèi)呈湍流。已知蒸汽冷凝給熱系數(shù)為104 W/(m·)，單管程溶液給熱系數(shù)為400W/(m·)，管壁導(dǎo)熱及污垢熱阻忽略不計(jì)，試求傳熱系數(shù)。若把單管程改為雙管程，其它條件不變，此時(shí)總傳熱系數(shù)

12、又為多少？25）一列管換熱器，管子規(guī)格為25×2.5mm，管內(nèi)流體的對(duì)流給熱系數(shù)為100 W/(m·)，管外流體的對(duì)流給熱系數(shù)為2000 W/(m·)，已知兩流體均為湍流流動(dòng)，管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻均為0.0018 m·/W。試求：傳熱系數(shù)K及各部分熱阻的分配；若管內(nèi)流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化？若管外流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化？解：Ri = R0 = 0.00118m2×/W 鋼管l = 45W/(m×) m = 0.01542 1/(W/m2)K0 = 64.84 W/(m2×)熱阻分配：污垢：管外：管內(nèi)：管壁

13、： ， ， = 0.01010 m2/W W/( m2) ， = 0.01521 m2/W W/( m2) 31) 120飽和水蒸汽將空氣從20加熱至80，空氣流量1.20×104kg/h。現(xiàn)有單程列管換熱器，f25×2.5mm鋼管300根，管長(zhǎng)3m，a0 = 104W/(m2)，污垢及管壁熱阻不計(jì)。問(wèn)此換熱器能否滿足要求。解：50空氣，r = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg×)，l = 0.02824W/(m×) m = 1.96×10-5 Pa×s ，Pr = 0.698 m/s10000W/(m2)a0a

14、i Ki = ai = 124.5 W/(m2)Q = WcCpcDt = ×1.005×60 = 201 kJ/sDtm = Q = KiAiDtm 即 201×103 = 124.5Ai×65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = npdiL 即 24.6 = 300p×0.020L L = 1.31 m3 m 滿足要求32）某單殼程單管程列管換熱器，用1.8×105Pa飽和水蒸汽加熱空氣，水蒸汽走殼程，其給熱系數(shù)為105 W/(m·)，空氣走管內(nèi)，進(jìn)口溫度20，要求出口溫度達(dá)110，空氣在管內(nèi)流速為10m/s。管子

15、規(guī)格為25×2.5mm的鋼管，管數(shù)共269根。試求換熱器的管長(zhǎng)。若將該換熱器改為單殼程雙管程，總管數(shù)減至254根。水蒸汽溫度不變，空氣的質(zhì)量流量及進(jìn)口溫度不變，設(shè)各物性數(shù)據(jù)不變，換熱器的管長(zhǎng)亦不變，試求空氣的出口溫度。33）一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進(jìn)口溫度分別為155和20。已知逆流操作時(shí)，柴油出口溫度50，原油出口60，若采用并流操作，兩種油的流量、物性數(shù)據(jù)、初溫和傳熱系數(shù)皆與逆流時(shí)相同，試問(wèn)并流時(shí)柴油可冷卻到多少溫度？34）一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為55和115。并流操作時(shí)，冷、熱流體的出口溫度分別為75和95。試問(wèn)逆流操作時(shí)，冷、熱流體的出口溫

16、度分別為多少？假定流體物性數(shù)據(jù)與傳熱系數(shù)均為常量。35）一列管換熱器，管外用2.0×105Pa的飽和水蒸汽加熱空氣，使空氣溫度從20加熱到80，流量為20000kg/h，現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)變化，如空氣流量增加50%，進(jìn)、出口溫度仍維持不變，問(wèn)在原換熱器中采用什么方法可完成新的生產(chǎn)任務(wù)？36）在一單管程列管式換熱器中，將2000kg/h的空氣從20加熱到80，空氣在鋼質(zhì)列管內(nèi)作湍流流動(dòng)，管外用飽和水蒸汽加熱。列管總數(shù)為200根，長(zhǎng)度為6m，管子規(guī)格為38×3mm。現(xiàn)因生產(chǎn)要求需要設(shè)計(jì)一臺(tái)新?lián)Q熱器，其空氣處理量保持不變，但管數(shù)改為400根，管子規(guī)格改為19×1.5mm，操作

17、條件不變，試求此新?lián)Q熱器的管子長(zhǎng)度為多少米？37）在單程列管換熱器內(nèi)，用120的飽和水蒸汽將列管內(nèi)的水從30加熱到60，水流經(jīng)換熱器允許的壓降為3.5Pa。列管直徑為25×2.5mm，長(zhǎng)為6m，換熱器的熱負(fù)荷為2500kW。試計(jì)算：列管換熱器的列管數(shù)；基于管子外表面積的傳熱系數(shù)K。假設(shè)：列管為光滑管，摩擦系數(shù)可按柏拉修斯方程計(jì)算，。解：(1)45時(shí)水：r = 990kg/m3 ,Cp = 4.174×103 J/(kg)，l = 64.03×10-2W/(m)m = 60.12×10-5Pa×s ，Pr = 3.925 u = 1.00m/s

18、設(shè)管壁及污垢熱阻可略a0ai Ki = ai 對(duì)一根管， = 3.895×104 W又，即 3.895´104 = 5.23´103´p´0.02´6´73.99 = 1.117×103 W/(m2×)(2) 取n為64根。38）有一立式單管程列管換熱器，其規(guī)格如下：管徑25×2.5mm，管長(zhǎng)3m，管數(shù)30根。現(xiàn)用該換熱器冷凝冷卻CS2飽和蒸汽，從飽和溫度46冷卻到10。CS2走管外，其流量為250kg/h，冷凝潛熱為356kJ/kg，液體CS2的比熱為1.05kJ/(kg·)。水走管內(nèi)與CS2呈逆流流動(dòng)，冷卻誰(shuí)進(jìn)出溫度分別為5和30。已知CS2冷凝和冷卻時(shí)傳熱系數(shù)（以外表面積計(jì)）分別為和。問(wèn)此換熱器是否合用？解： kJ/s設(shè)換熱器上部為蒸汽冷凝段,以下標(biāo)“1”表示,下部為冷卻段,以“2”表示則 kJ/s T1=46 kJ/s t2=30 Q1 Q2 T2=10 設(shè)冷水Cp為常量，則上下兩段分界處t3： t3 t1=5 即 t3 = 7.4 于是：m2 m2A = A1A2 = 4.141.37 = 5.51m2(以外表面積計(jì))現(xiàn)有換熱器A= npd0L = 30´p´0.025´3 = 7.