新版化工原理習題答案(05)第五章傳熱過程基礎

1、第五章傳熱過程根底0.02m2,厚度為0.02m,實驗1.用平板法測定固體的導熱系數(shù),在平板一側(cè)用電熱器加熱,另一側(cè)用冷卻器冷卻,同時在板兩側(cè)用熱電偶測量其外表溫度,假設所測固體的外表積為測得電流表讀數(shù)為0.5A,伏特表讀數(shù)為100V,兩側(cè)外表溫度分別為200C和50C,試求該材料的導熱系數(shù).解：傳熱達穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應與固體的散熱(導熱)速率相等,即Qt1t2SL式中QIV0.5100W50W20.02m；t1200C,t250C,L0.02m將上述數(shù)據(jù)代入,可得QLSt1t2500.02WmC0.333WmC0.02200502.某平壁燃燒爐由一層400mm厚的耐火磚和一層后,測得爐

2、的內(nèi)外表溫度為1500C,外外表溫度為100200mm厚的絕緣磚砌成,操作穩(wěn)定C,試求導熱的熱通量及兩磚間的界面溫度.設兩科接觸良好,耐火科的導熱系數(shù)為0.80.0006t,絕緣科的導熱系數(shù)為20.30.0003t,W/(mC).兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度.解:此為兩層平壁的熱傳導問題,穩(wěn)態(tài)導熱時,通過各層平壁截面的傳熱速率相等,即Q2Q(5-32)式中代入尬得1St0.80.3(1.251t2bi2s0t3b2(5-32a)0.0006t0.0003t0.80.31500t0.0003t)-0.40.00060.00031500t2100t21.250.315(0.3150.00

3、015t)t0.0003t0.00015t1000.2解之得tt2977C11.250.0003t1.250.0003977W.mC1.543WmCt1tb11.543Wm20.42021W.m23.外徑為159mm的鋼管,其外依次包扎A、B兩層保溫材料,A層保溫材料的厚度為50mm,導熱系數(shù)為W/(mC),B層保溫材料的厚度為100mm,導熱系數(shù)為W/(mC),設A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170C和40C,試求每米管長的熱損失；假設將兩層材料互換并假設溫度不變,每米管長的熱損失又為多少解：Q.Ltlt22iri3In3223.141704011592501159250100InIn0.

4、11591.0159100150WmA、B兩層互換位置后,熱損失為Q.Lt1t21121r3In-In2111221223.1417040.W,m131.5W,;m11592501159250100In1.0159In0.11591004.直徑為溫灰作為絕熱層.57mm3.5mm的鋼管用40mm厚的軟木包扎,其外又包扎100mm厚的保現(xiàn)測得鋼管外壁面溫度為120C,絕熱層外外表溫度為10o軟木和保溫灰的導熱系數(shù)分別為0.043W/(mC)和0.07W/(mC),試求每米管長的冷損失量.解：此為兩層圓筒壁的熱傳導問題,那么QL27ttit21,121,13InIn111224.53Wm23.14

5、12010W/m1,0.02850.041,0.02850.040.1InIn0.0430.02850.070.02850.045.在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣.換熱管為25mmx2.5mnt勺鋼管,其導熱系數(shù)為45W/(m-)o冷卻水在管程流動,其對流傳熱系數(shù)為2600W/(m2C),熱空氣在殼程流動,其對流傳熱系數(shù)為52W/(m2.C)o試求基于管外外表積的總傳熱系數(shù)阻的百分數(shù).設污垢熱阻可忽略.K,以及各分熱阻占總熱解：由Ko71bdododmidi查得鋼的導熱系數(shù)dm2.5mm252045W,m2Cdo25mmdi2522.5mm20mmKomm222.5mm10.00250.0

6、250.02552450.022526000.02m2C50.6W殼程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數(shù)為1-100%區(qū)100%506100%97.3%52管程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數(shù)為dodii100%1KoKdo-100%idi50.60.025°,八,100%2.4%26000.02管壁熱阻占總熱阻的百分數(shù)為bdodm100%bd100%1dKJmo0.00250.02550.6°,八,100%0.3%450.0225冷卻水的出口溫度升1)兩種情況下,冷、熱流體的物性可視為不變,水的平均比熱容為略壁面熱阻和熱損失.解：求清洗前總傳熱系數(shù)K115365522kJ/(kgC

7、)；(2)兩種情況下,i.分別相同；(3)忽tm,11536In5522300004.17410C52.7CStm求清洗后傳熱系數(shù)K由熱量衡算WhCp,h(1T2)WhCp,h(TT2)360040WcCp,c(tWcCp,c(t'2'2Tig,cWChT1T2(t2t1)t2t1tmt231154037.93一3622Wm2C231W52.7t)t)115黑噌4022C37.9C11540In37.9223300004.174104038.1C36004038.1清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻111222W.mC410.8WRsKK2311410.8m2CW1.9103m26 .在一

8、傳熱面積為40m2的平板式換熱器中,用水冷卻某種溶液,兩流體呈逆流流動.冷卻水的流量為30000kg/h,其溫度由22C升高到36C.溶液溫度由115C降至55C.假設換熱器清洗后,在冷、熱流體流量和進口溫度不變的情況下,試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻.假設：(用水冷卻某種有機溶液.冷卻水的流量7 .在一傳熱面積為25m2的單程管殼式換熱器中,為28000kg/h,其溫度由25C升至38C,平均比熱容為kJ/(kgG).有機溶液的溫度由110C降至65C,平均比熱容為kJ/(kgG).兩流體在換熱器中呈逆流流動.設換熱器的熱損失可忽略,試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計算該有機溶液的處理

9、量.解：Cp,cQ4.17kJ/(kgC)WG,c(t2tj28000354.171033825W4.22105W3600求tm有機物110一65水38-25t7240724054.4KWh54.22102554.4310.3Wm2CQCphT1T24.22105,3kgs1.72103110655.452kgs1.963104kgh8 .在一單程管殼式換熱器中,用水冷卻某種有機溶劑.冷卻水的流量為10000kg/h,其初始溫度為30C,平均比熱容為kJ/(kgC)o有機溶劑的流量為14000kg/h,溫度由180C降至120C,平均比熱容為kJ/(kgC).設換熱器的總傳熱系數(shù)為500W/(

10、m2C),試分別計算逆流和并流時換熱器所需的傳熱面積,設換熱器的熱損失和污垢熱阻可以忽略.解：QWcphT1T2140001.72180120kJh1.4448106kJh401.3kW61.444810100004.17430C64.61C冷卻水的出口溫度為Qt2燈WcCpc逆流時tm18064.6112030120303401.31025.39C102.2C,115.39In90Ktmm500102.227.854m并流時tm12064.611803012064.61In一180303401.310394.61-cccC94.97C55.39In150mKtm50094.978.452m2

11、9 .在一單程管殼式換熱器中,用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體.苯蒸汽的體積流量為1600m3/h,常壓下苯的沸點為80.1C,氣化熱為394kJ/kg.冷卻水的入口溫度為20C,流量為35000kg/h,水的平均比熱容為kJ/(kgG).總傳熱系數(shù)為450W/(m2C).設換熱器的熱損失可忽略,試計算所需的傳熱面積.解:苯蒸氣的密度為2.692kgm3PM1783kg/mRT0.0820627380.1Wh16002.692kg.h4307.2kghQWh4307.2394kJh1.697106kJh4.71105WQWG,c(t2tj解出t2求tm35000360031.6C4.17

12、103(t220)4.71105<20tmt60.148.5,C54.1C,60.1In48.55Q4.7110522m19.3mKtm45054.110.在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中,水在殼程內(nèi)流動,進口溫度為30C,出口溫度為65Co油在管程流動,進口溫度為120C.出口溫度為75,試求其傳熱平均溫度差.解：先求逆流時平均溫度差tm油Xtt21207565,30Int1t2tT5555455FIn一4545C49.8C計算P及Rt2tTt1TT265300.389t2匕查圖5-11(a)得Attm0.875120301207565301.286Attm0.87549.8C43.

13、6C11.某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從105C冷卻至70C.油的流量為6000kg/h,水的初溫為22C,流量為2000kg/h.現(xiàn)有一傳熱面積為10m2的套管式換熱器,問在以下兩種流動型式下,換熱器能否滿足要求：(1)兩流體呈逆流流動；300W/(m2C)；油的平均比熱容為(2)兩流體呈并流流動.設換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同,為熱損失可忽略.kJ/(kg.),水的平均比熱容為kJ/(kg.).解：此題采用NTU法計算(1)逆流時WhCphWcCpc60003600200036002.94.17103W103W3166.7W.C2316.7W.CCCminRCmax2316.73166

14、.70.732(NTU濡KSCmin300102316.71.295查圖得0.622Q5n(1t)510522W1.19610W0.6222316.7QT2T1105WhCph(2)并流時Cr0.732(NTUL1.2955C67.2C70C能滿足要求3166.7查圖得QT20.5260.5262316.710551.01110105522W1.01110WC73.1C70C不能滿足要求3166.712.在一單程管殼式換熱器中,管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻.換熱器的傳熱面積為5m2,總傳熱系數(shù)為1400W/(m2：C)；熱水的初溫為100C,流量為5000kg/h;冷水的初溫為20C,流量為100

15、00kg/h0試計算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量.設水的平均比熱容為kJ/(kgC),熱損失可忽略不計.解:WhCphWcCpc50004.183600100004.18103W.C5806WC查圖得傳熱量解出解出CminCrF"mmax(NTU濡T2CRt213.水以36005805.6八0.511611KACmin0.575Cmindtj0.5755805.6T1T2Tt54ct23T1T243C103W.C11611WC140051.215805.6100100100X2020W2.67105W0.575t220100540.51.5m/s的流速在長為3m、直徑為25mm2.5

16、mm的管內(nèi)由20C加熱至40C,試求水與管壁之間的對流傳熱系數(shù).解：水的定性溫度為+tb1tb22040tfC22由附錄六查得30°C時水的物性為30Cp=995.7kg/m3,m=x105Pas,X=W/(mC),Pr=Rediub0.021.5995.7_一580.07103.73104(湍流)di150600.02故可采用式5-76a近似計算RePr及上值均在式5-59a的應用范圍內(nèi),di水被加熱,取n=,于是得3.731040.85.4204Wm2C6345Wm2C08040.61760.023RePr0.023-di0.0214.溫度為90c的甲苯以1500kg/h的流量流

17、過直徑為57mm3.5mm,彎曲半徑為0.6m的蛇管換熱器而被冷卻至30C,試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數(shù).解：甲苯的定性溫度為tf由附錄查得tb1tb29030八八“C60C2260C時甲苯的物性為p=830kg/m3,Cp=1840J/(kgC),=x103Pas,狂W/(mC),Pr3Cp18400.4106.110.1205Ub1500Re24didiUb36000.052830-0.0524ms0.256ms0.2568300.410326539(湍流)流體在彎管內(nèi)流動時,由于受離心力的作用,增大了流體的湍動程度,使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大,此時可用下式計算對流傳熱系數(shù),即(11.77

18、%R式中彎管中的對流傳熱系數(shù),W/(m2C);一直管中的對流傳熱系數(shù),di管內(nèi)徑,m;W/(m2C);R管子的彎曲半徑,m.0.023Re0.8Pr0.4di0.12050.023-0.0511.77R26539.30.86.1104W.m2C395.5W.m2C395.50.051.77W0.6m2C35.6W.m2C15.壓力為kPa,溫度為20c的空氣以60m3/h的流量流過直徑為57mm3.5mm,長度為3m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至80C,試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù).解：空氣的定性溫度為tf由附錄五查得tb1tb22080八八bC50C2250?C時空氣的物性為p=1.093kg/

19、m3,Cp=1005J/(kgC),巧x105Pas,狂W/(mC),Pr=60Ubms8.50ms3.14236000.0524Re3°.5&5I.9323679.5(湍流)1.961050.023Re08Pr0.4di0.0283080420.02323679.3.0.698Wm2C0.0535.6Wm2C16.常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過.管子尺寸為38mm3mm,正方形排列,中央距為51mm,擋板距離為1.45m,換熱器外殼內(nèi)徑為2.8m,空氣流量為4104m3/h,平均溫度為140C,試求空氣的對流傳熱系數(shù).解：由附錄五查得140C時空氣的物性為p=

20、0.854kg/m3,Cp=1013J/(kgC),巧x1C5Pas,狂W/(mC),Pr=采用凱恩(Kern)法,即0.5513Nu0.36RePrw(5-63)deU0.55130.14或0.36()Pr(一)(5-63a)dew傳熱當量直徑de可根據(jù)管子排列情況進行計算.管子為正方形排列,那么de224(t2do2)4式中t相鄰兩管的中央距,m;Do管外徑,代入t和do得/,271,24t-do4de起.式5-63及式5-63a中的流速40.0512-0.03824m0.049m兀0.038u可根據(jù)流體流過管間最大截面積A計算,即AzD(1式中z一兩擋板間的距離,D一換熱器的外殼內(nèi)徑,m

21、.代入z、D、t和do得zDm21.03m2do11.45tco.0.0382.810.051410ms10.74ms36001.03上述式中的w對氣體可取為.deu0.36(de)°.55Pr13()0.14w0.36還0.0490.550.04910.740.85452.37100.68413Wm2C50.8Wm2C98C,試計17.將長和寬均為0.4m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中,板面溫度為算平板與蒸汽之間的傳熱速率及蒸汽冷凝速率.解：水的定性溫度為tftwtsat98100c22Pr=由附錄八查得100?C時飽和蒸氣的物性為由附錄六查得99?C時水的物性為p=958.5k

22、g/m3,Cp=4220J/(kgC),后x105Pas,狂W/(m,2258kJ/kg,v0.597kg/m對于此類問題,由于流型未知,故需迭代求解.首先假定冷凝液膜為層流,由式5-135得314m1.13Ltsattw33958.5958.50.597v9.8122581030.68331.13V28.411050.4100981.468104W.m2C14W.核算冷凝液流型,由對流傳熱速率方程計算傳熱速率,即QStsattw1.4681040.40.4210098W93952W冷凝液的質(zhì)量流率為Q93952.2w-3kg.s4.1610kgsr2258103單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流

23、率為4.16100.42-kg.s5.2102kg.msRef245.2102693.318000.3103故假定冷凝液膜為層流是正確的.18.常壓水蒸氣在一25mm2,5mm,長為3m,水平放置的鋼管外冷凝.鋼管外壁的溫度為96C,試計算水蒸氣冷凝時的對流傳熱系數(shù).假設此鋼管改為垂直放置,其對流傳熱系數(shù)又為多少由此說明工業(yè)上的冷凝器應如何放置解：由附錄查得,常壓水蒸氣的溫度為100C.定性溫度tf乜上10096C98C22由附錄查得在98c下,水的物性為：960.78kg/m3;0.6822W/m2C；r2261.08kJ/kg;29.03105Pas水平放置0.7253232261.081

24、0960.789.810.682229,03105"""0.0254Wm217530Wm2C垂直放置1.131.133232261.08103960.7829.810.68223529,0310534Wm27427Wm2C通過上述計算可知,工業(yè)上的冷凝器應水平放置.19.兩平行的大平板,在空氣中相距10mm,一平板的黑度為,溫度為400K;另一平板的黑度為,溫度為300Ko假設將第一板加涂層,使其黑度為,試計算由此引起的傳熱通量改變的百分數(shù).假設兩板間對流傳熱可以忽略.解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板,那么1;C12C0115.67Q12,S10201m2K4

25、0.196WC111004T210040.19614001003001004W.m234.22W.m2第一板加涂層后Qi2SC01C12空氣導熱的熱通量40工W2014T10.0961001000.096Wm4.4001100tmt1-2t22777C,查得K4430022Wm216.82Wm210077C時,空氣的導熱系數(shù)0.03WmQ12.S匕t2b0.03礪400300W.m2300W.m2加涂層前后傳熱通量減少的百分率為Q12SQ12SQ12SQ12S34.2216.82100%5.2%34.2230020C的水預熱至80C,水在20.用壓力為300kPa絕對壓力的飽和水蒸氣將25mm2.5mm水平放置的鋼管內(nèi)以0.6m/s的速度流過.設水蒸氣冷凝的對流傳熱系數(shù)為5000W/m2C,水側(cè)的污垢熱阻為6X10m2-C/W,蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計,試求1換熱器的總傳熱系數(shù)；2設操作半年后,由于水垢積累,換熱水平下降,出口水溫只能升至70C,試求此時的總傳熱系數(shù)及水側(cè)的污垢熱阻.解：查附錄得,300kPa的飽和水蒸氣溫度為133.3C水的定性溫度為(Dtm28L2050c在50C下,水的物理性質(zhì)如下:64.78102W/'mC；988.1kg/m3；=54.9410-5Pas;Cp4.174kJkgRediU0.020.69