“化工原理”第5章《傳熱》復(fù)習(xí)題

1、“化工原理”第五章傳熱復(fù)習(xí)題化環(huán)系0703、0704班；2009-09-01）、填空題（2分）某大型化工容器的外層包上隔熱層，以減少熱損失，若容器外表溫度為500C,而環(huán)境溫度為20C,采用某隔熱材料，其厚度為240mm入=0.57W/（m.K），此時單位面積的熱損失為。（注:大型容器可視為平壁）*十*答案*1140W（2分）某間壁換熱器中,流體被加熱時，圓形直管內(nèi)湍流的傳熱系數(shù)表達(dá)式為.當(dāng)管內(nèi)水的流速為0.5m/s時，計算得到管壁對水的傳熱系數(shù)a=2.61（kW/（m2.K）.若水的其它物性不變，僅改變水在管內(nèi)的流速，當(dāng)流速為08m/s時，此時傳熱系數(shù)a=.*答案*a=0.023（入/d）0

2、Pr0.4；a=3.81（kW/（m2.K）（2分）牛頓冷卻定律的表達(dá)式為，給熱系數(shù)（或?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)）a的單位是2。*答案*q=aAAt；W/（m.K）4某并流操作的間壁式換熱器中，熱流體的進(jìn)出口溫度為90C和50C,冷流體的進(jìn)出口溫度為30C和40C，此時傳熱平均溫度差tm=.*答案*27.9K（2分）在列管式換熱器中，用飽和蒸氣加熱空氣，此時傳熱管的壁溫接近流體的溫度，總傳熱系數(shù)K接近流體的對流給熱系數(shù)*答案*蒸氣；空氣（2分）實現(xiàn)傳熱過程的設(shè)備主要有如下三種類型、.*答案*間壁式；蓄熱式；直接混合式。（2分）熱量傳遞的方式主要有三種：_、.*答案*熱傳導(dǎo)；熱對流；熱輻射。&（2分）強(qiáng)化傳

3、熱的方法之一是提高K值而要提高K值，則應(yīng)提高對流傳熱系數(shù).*答案*提高給熱系數(shù)較小一側(cè)的給熱系數(shù)。（2分）平壁總傳熱系數(shù)K與間壁兩側(cè)對流傳熱系數(shù)ai5a以及間壁導(dǎo)熱系數(shù)入的關(guān)系為.當(dāng)平壁厚4mm,導(dǎo)熱系數(shù)為45（W/（m.K）時,兩側(cè)給熱系數(shù)分別為8000（W/（m2.K）和600（W/（m2.K）時，總傳熱系數(shù)K=.2*答案*（1/K）=（1/i+處/入+1）；a532（W/（m.K）（2分）間壁傳熱的總傳熱速率方程為某換熱過程中，要求q=30kW,K=555（W/22（m.K）t=25K,則傳熱面積為.*答案*q=KXAXAtm；2.16m（2分）化工生產(chǎn)中常用三種換熱方法，其特征是。*答

4、案*冷熱兩種流體直接混合、冷熱兩種流體不允許直接接觸而是通過間壁換熱和流體通過爐內(nèi)吸走熱量。*答案*dQ/d廠一入Adt/d3Qq/dt表示單位時間傳遞的熱量，一表示溫度向降低方向傳遞,A表示傳熱面積，？表示導(dǎo)然系數(shù)和dt/d3表示溫度梯度。影響傳導(dǎo)傳熱系數(shù)的TOC o 1-5 h z因素有。*答案*物質(zhì)種類和組成，物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)、溫度、濕度、壓強(qiáng)等。（2分）對流傳熱牛頓冷卻定律為,其各項表示為、禾廿。*答案*Q=aA（Ttw）,Q表示傳熱速度、a表示傳熱系數(shù)、A表示對流傳熱面積、T表示熱流體主體平均溫度和tw表示為低溫流體壁面溫度。（2分）影響給熱系數(shù)a的因素有。（2分）傳導(dǎo)傳熱的

5、傅立葉定律為其各項表示為,和*答案*流體種類、流體性質(zhì)、流體流動狀態(tài)和傳熱壁面的幾何尺寸（2分）對流傳熱中的努塞特準(zhǔn)數(shù)式是，它反映了*答案*Nu=al/耐流傳熱過程幾何尺寸對a的影響。（2分）對流體傳熱中普蘭德準(zhǔn)數(shù)式為，它反映了一。*答案*Pr=ACp/硫體的物理性質(zhì)對a的影響。（2分）厚度不同的三種材料構(gòu)成三層平壁，各層接觸良好，已知bjb2b3；導(dǎo)熱系數(shù)乃R2R3；Q=Q2=Q3（2分）一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效果應(yīng),主要原因是。*答案*降低；因水的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)增大,保溫效果降低。（2分）用冷卻水將一定量的熱流體由

6、100C冷卻到40C，冷卻水初溫為15C，在設(shè)計列管式換熱器時，采用兩種方案比較，方案I是令冷卻水終溫為30C，方案n是令冷卻水終溫為35C,*八答*則用水量W1W2,所需傳熱面積A1_大于；小于21.(2分)*八答*擋板的形狀有器的殼程內(nèi)設(shè)置折流擋板的作用在于，折流,等。提高殼程流體的流速，使殼程對流傳熱系數(shù)提高，園缺形（弓形），園盤和環(huán)形（5分）在確定列管換熱器冷熱流體的流徑時，一般來說，蒸汽走管;易結(jié)垢的流體走管;高壓流體走管;有腐蝕性流體走管;粘度大或流量小的流體走管。*答案*夕卜；內(nèi)；內(nèi)；內(nèi)；外。;在殼程設(shè)置折（2分）列管換熱器的管程設(shè)計成多程是為了流擋板是為了*答案*提高管程a值；

7、提高殼程a值。24.85.（2分）題號4088第4章知識點100難度容易有兩種不同的固體材料，它們的導(dǎo)熱系數(shù)第一種為料，應(yīng)選用八答*種；當(dāng)作為保溫材料時，應(yīng)選用AVeAVe-j第.一.j第-二一入第二種為若作為換熱器材種。熱系數(shù)可變?yōu)樵魉偬岣摺?倍答則其對流傳25.當(dāng)水在圓形直管內(nèi)作無相變強(qiáng)制湍流對流傳熱時,0.826.（2分）沸騰傳熱中，保持沸騰是比較理想的。*答案*泡核（2分）進(jìn)行換熱的兩流體，若aa時，要提高K值，應(yīng)設(shè)法提高.當(dāng)a廣a時，要提高K值，應(yīng)使。*答案*a；a1與a同時提高。（2分）水垢的熱阻較大的原理，主要是。*答案*垢層的導(dǎo)熱系數(shù)很小。二、選擇題1.（2）穿過三層平壁的穩(wěn)

8、定導(dǎo)熱過程，如圖所示，試比較第一層的熱阻R1與第二、三層熱阻A.C.*八答R(R?+R3)R=(R?+R3)B.D.R2、R3的大?。≧a2,貝Vai+aKa即K接近a小的數(shù)值。8（5分）列管換熱器由哪幾個基本部分組成？各起什么作用？*答案*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空間，通過管壁進(jìn)行換熱。管束安裝在管板上，通過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。（8分）簡要指出換熱器強(qiáng)化有那些途徑？*答案*根據(jù)傳熱方程：Q=KAtm可知強(qiáng)化換熱器途徑有：（1）增大傳熱平均溫度差tm

9、,tm的提高，應(yīng)在工藝條件允許的范圍內(nèi)，盡可能增大，所以受到一定的限制。（2）增大單位體積的傳熱面積A，增大A，往往會使投資費(fèi)用增大，設(shè)備尺寸增大，占地面積增大，所以要從換熱器結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，使換熱器的單位體積的傳熱面積增大。（3）增大摶熱系數(shù)K，增大K值是強(qiáng)化傳熱的主要途徑。主要設(shè)法提高對流傳熱系數(shù)小的值，其措施是增大該側(cè)流體流動的湍動程度。根據(jù)換熱器工作的實際情況，可采取不同的措施，以提高K值。（5分）有一高溫爐，爐內(nèi)溫度高達(dá)1000C以上，爐內(nèi)有燃燒氣體和被加熱物體，試定性分析從爐內(nèi)向外界大氣傳熱的傳熱過程。爐內(nèi)以對流和輻射并聯(lián)聯(lián)合傳熱，將熱量傳給爐的內(nèi)壁面。在爐壁內(nèi)通過傳導(dǎo)傳熱，將熱量以爐

10、的內(nèi)壁面?zhèn)鞯綘t的外壁面，它與爐內(nèi)對流與輻射傳熱相串聯(lián)。爐外通過對流與輻射并聯(lián)聯(lián)合傳熱，將熱量從爐的外壁面?zhèn)鞯酱髿庵?，它與爐壁內(nèi)的傳導(dǎo)傳熱相串聯(lián)，所以該傳熱過程的特點是：（1）傳導(dǎo)、對流、輻射三種傳熱方式同時存在；（2）并聯(lián)、串聯(lián)的聯(lián)合傳熱同時存在。五、計算題1.（12分）有一壁厚為10mm的鋼制平壁容器，內(nèi)盛80C的恒溫?zé)崴?。水對?nèi)壁面的對流傳熱系數(shù)為0.16W/240W/(m2.K)。(m.K),現(xiàn)在容器外表面厚度為復(fù)蓋一層導(dǎo)熱系數(shù)為的保溫材料。保溫層為10C的空氣所包圍，外壁對空氣的聯(lián)合傳熱系數(shù)為(1)每小時從每45W/(m.K)*八答*tm=80-10=70C2q=Ktmab,l+b2/

11、2.)=1心/10+1/240+0.01/45+0.05/0.16)=2.399W/(m.K)2K=1/(1/o+1/q=2.39970=167.9W/m2每小時散熱量qh=3600168/1000=604.4kJ/(m.h)q=X80-Tw)80-Tw=167.9/240=0.7;/Tw=79.3C(10分)100C的水蒸汽在管殼式換熱器的管外冷凝，冷凝潛熱為2258.4kJ/kg，總傳熱系數(shù)2039W/(m45.K)，傳熱面積為12.75m2,15C的冷卻水以2.25106kg/h的流量在管內(nèi)流過，設(shè)總傳熱溫差可以用算術(shù)平均值計算，求水蒸汽冷凝量kg/h?*八答*Q=GcCpc(t2-b)

12、=KAtm,tm=(100-15)+(100-t2)/2=(185-t2)/2Q=2.25X105X4.I8103*t2-15)/3600=203912八5(185-t2)/2t2=23.1C；Q=2039X12.75(185-23)/2=2105kwD-21O5x36OO/2258,4-3355k0(15分)在內(nèi)管為$180 x10m的套管換熱器中，將流量為3500kg/h的某液態(tài)烴從100C冷卻到60C，其平均比熱為2.38kJ/(kg.K),環(huán)隙走冷卻水，其進(jìn)出口溫度分別為40C和50C,平均比熱為4.174kJ/(kg.K),基于傳熱外面積的總傳熱系數(shù)K=2000W/(m2K)，且保持

13、不變設(shè)熱損失可以忽略。試求：(1)冷卻水用量；(2)計算兩流體為逆流和并流情況下的平均溫差及管長。*八答*(1)冷卻水用量：Wc1(T1丁2)=W2c2(t2);3500X2.38X(10060)=W24.174(5040)W2=4,、2XI0/(200027.93600)l=1.66m3.143.18&1.66I=2.93m(15分)在管長為1m的冷卻器中，用水冷卻油。已知兩流體作并流流動，油由420K冷卻到370K,冷卻水由285K加熱到310K。欲用加長冷卻管子的辦法，使油出口溫度降至350K。若在兩種情況下油、水的流量，物性常數(shù),進(jìn)口溫度均不變，冷卻器除管長外，其他尺寸也均不變。試求管

14、長。*八答*W1CP1(420-370)=W2CP2(310285)W1CP1(420350)=W2CP2(t2285)Q=KAAtmAm逆=(5020)/ln(50/20)=32.75Am并=(6010)/ln(60/10)=27.9A逆=333200逆ndl=1.41Q=333200kJ/hX103/(200032.753600)=1.41m2I=2.5lmA=3332003.140.1861.41兩式相比得t2=320Kt=(420-285)-(370-310)/In(420-285)/(370-310)=75/0.81=92.5KAm2=(420-285)-(350-320)/In(4

15、20-285)/(350-320)=105/1.5=69.8KQi=W1cp1(420370)=KondIAm1Q2=W1cp1(420350)=KonilAt油、水的流量，物性常數(shù)及管徑均不變，故Ko=Ko兩式相比得(420-370)/(420-350)=(I/I)X(A亦Am2)I=70/50X2.5/69.81=1.855m5.(16分)流量為2000kg/h的某氣體在列管式換熱器的管程通過，溫度由150C降至80C;殼程冷卻用軟水，進(jìn)口溫度為15C，出口溫度為65C，與氣體作逆流流動。兩者均處于湍流。已知氣體側(cè)的對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于冷卻水側(cè)的對流傳熱系數(shù)。試求：冷卻水用量；如進(jìn)口水溫上升

16、為20C，仍用原設(shè)備要達(dá)到相同的氣體冷卻程度，此時出口水溫將為多少度？冷卻水用量為多少？管壁熱阻、污垢熱阻和熱損失均可忽略不計。氣體的平均比熱為不計溫度變化對比熱的影響。1.02kJ/(kg.K),水的比熱為4.17kJ/(kg.K)，八答*冷卻水用量5Q=2000X.02(15080)=W24.17(6515)=14.3X0kJ/h/原情況Qa=Ki.Aia.Aotm=ai.Ai.Atm(1)新情況Qa=iKi.Aaio.Atm=a.Ai.Atm(2)因氣體的冷卻任務(wù)沒有變化Q=Q氣體的流量及管子尺寸沒有變化a=a兩種情況都用同一設(shè)備Ai=Ai比較式1及式2得：tm=Atm原情況A仁1506

17、5=85CA2=8015=65C/2=85/65=1.32Am=(85+65)/2=75C新情況A仁15012A2=80-20=60Ctm=(150-t2)+60/2=75C解得t2=60C1=150-60=90CW2=14.3X05/(4.17X(6515)=68弘址1由題知*/2=90/60=1.5，故厶tm用算術(shù)平均值計算是可以的新情況的熱衡算：WX17(60-20)=20001X2總150-和)W肪&曹h即將水量調(diào)至水的出口t2既符合熱衡算關(guān)系也符合傳熱速率關(guān)系6.(16分)用一傳熱面積為3m2由025X2.5mm的管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10C的水將機(jī)油由200C冷卻至1

18、00C，水走管內(nèi)，油走管間。已知水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別為1000kg/h和1200kg/h，其比熱分別為4.18kJ/(kg.K)和2.0kJ/(kg.K);水側(cè)和油側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為2000W/(m2.K)和250W/(m2.K)，兩流體呈逆流流動，忽略管壁和污垢熱阻。(1)計算說明該換熱器是否合用？(2)夏天當(dāng)水的初溫達(dá)到30C，而油的流量及冷卻程度不變時，該換熱器是否合用？(假設(shè)傳熱系數(shù)不變)八答*(1)Q1=1200X(200-100)=240000kJ/h;Q2=Q1,t2=t1+Q1/(mpCp2)=10+240000/(10004.X8)=67.4Ctm=(132.6-90)

19、/In(132.6/90)=110C21/K1=1/a+d1/(ad2)=1/250+25/(200020(;K1=216.2W/(m.K)1322Ai=Q/(Ktm)=240000X/(216.23X00X10)=2.8m3m不適用(18分)某廠用一套管熱交換器，每小時冷凝2000kg甲苯蒸汽，冷凝溫度為110C,甲苯的汽化潛熱為363kJ/kg，其冷凝傳熱系數(shù)為14000W/(m2.K).冷卻水于16C及5000kg/h的流量進(jìn)入套管內(nèi)管(內(nèi)徑為50mm)作湍流流動，其對流傳熱系數(shù)為1740W/(m2K)。水的比熱可取為4.19kJ/(kg.K):(1)試計算冷卻水的出口溫度及套管管長。(

20、2)由于氣候變熱，冷卻水進(jìn)口溫度升為25C,試計算在水流量不改變的情況下，該冷凝器的生產(chǎn)能力的變化率。*八答*(1)由熱量衡算得：Q=Gr=W.Cp(t出一16)t出=6(WCp)+16)=2000/3600X363X103/5000/36004沁910+16=50.65C2取K=1/(1/1740)+(1/14000)=1548W/(m.K)Q=Gr=2000/3600363X10=32.0210W5An=110-16=94C,A2=110-50.65=59.35Ctm=(At+At)/2=(94+59.35)/2=76.8C又Q=KAAtm=KndolAtm管長I=Q/(KnhAtm)=2

21、.02X0/5(1548X.14X.0576.8)=10.82m(2)水溫升高(忽略物性變化)傳熱面積A=nd0l=3.140.0510.8=1.7m2Q=KAtm其中Q=5000/36004.1910化3-25)tm=(110-25)+(110-t2)/2=97.5-0.5t235000/36004.19X10(t2-25)=1548X1.7(97.5-0.5t2),解得t2=56.4CQ=5000/36004.1910(56.4-25)=1.83105W(Q-Q)/q100%=9.4%(20分)現(xiàn)要將某液體從140C冷卻至40C，液體處理量為7000kg/h(比熱為2.3kJ/(kg.K)

22、用河水作冷卻劑，河水進(jìn)口溫度為20C，出口溫度30C，采用逆流操作。若傳熱系數(shù)23表示(水的比熱為K=700W/(m.K)，忽略熱損失，試求：(1)冷卻水的耗用量，以m/h門“弘屮“3019x2m的鋼管34.18kJ/(kg.K)，密度1000kg/m)(2)現(xiàn)倉庫有一臺單程列管式換熱器，內(nèi)有60根，管長3m,試核算該換熱器可否滿足上述工藝要求？*八答*Q=ms1Cp1(-T2)=70002.3(140-40)=1.6110AkJ/h10蝕/hQ=ms2Cp2(t2-t1);ms2=Q/Cp2(t2-t1)=1.61106/4.18(30-20)=3.852Vs=3.852104/103=38

23、.52m3/h;Ao=ndn=nX19支A60=10.74m2如t2)/ln(/t2)=(110-20)/In(110/20)=52.7C632A=Q/(Ktm)=1.6110八0/(3600700X52.7)=8.73m/AA;此換熱器可滿足上述工藝要求(18分)某換熱器由若干根長為3m,直徑為025x2.5mn的鋼管組成。要求將流量為1.25kg/s的某液體從77C冷卻到20C，用17C的水在管內(nèi)與某液體逆流流動。已知水側(cè)和管外側(cè)的對流傳熱系數(shù)a和a分別為0.85和1.70kW/(m2.K)，污垢熱阻可忽略，若維持冷水的出口溫度不超過47C(某液體的Cp為1.9kJ/(kg.K)，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)入=45W/(m.K)試求：(1)傳熱外表面積Ao(2)所需的管子數(shù)n*答案*t1=77-47=30C;t2=20-17=3Ctm=(t2)/ln(切=(30-3)/ln(30/3)=11.72CKo=i/d八ai)+(sm)/(入)d(i/a2=1/(1/1700+0.002525/45送2.5+25/85020)=471.6W/(mK)Q=msipi(Ti-T2)=1.251910077-20)=1.35410WA=(1.354105)/(471.61072)=24.5m2n=24.