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文档简介
一填空(1) 在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气,总传热系数K接近于 空气 侧的对流传热系数,而壁温接近于 饱和水蒸汽 侧流体的温度值。(2) 热传导的基本定律是 傅立叶定律 。间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻 大 (大、小)一侧的a值。间壁换热器管壁温度tW接近于a值 大 (大、小)一侧的流体温度。由多层等厚平壁构成的导热壁面中,所用材料的导热系数愈小,则该壁面的热阻愈 大 (大、小),其两侧的温差愈 大 (大、小)。(3)由多层等厚平壁构成的导热壁面中,所用材料的导热系数愈大,则该壁面的热阻愈 小 ,其两侧的温差愈 小 。(4)在无相变的对流传热过程中,热阻主要集中在 滞离层内(或热边界层内) ,减少热阻的最有效措施是 提高流体湍动程度 。(5) 消除列管式换热器温差应力常用的方法有三种,即在壳体上加 膨胀节 、 采用浮头式 或 U管式结构 ;翅片管换热器安装翅片的目的是 增加面积,增强流体的湍动程度以提高传热系数 。(6) 厚度不同的三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知b1b2b3,导热系数l1l2 R2 R3,各层导热速率Q1 = Q2 = Q3。(7) 物体辐射能力的大小与 黑度 成正比,还与 温度的四次方 成正比。(8) 写出三种循环型蒸发器的名称 中央循环管式 、 悬筐式 、 外加热式 。(9) 在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括 自然对流 、 泡核沸腾 和 膜状沸腾 三个阶段。实际操作应控制在 泡核沸腾 。在这一阶段内,传热系数随着温度差的增加而 增加 。(10) 传热的基本方式有 传导 、 对流 和 辐射 三种。热传导的基本定律是_傅立叶定律_其表达式为_dQ= -_。(11) 水在管内作湍流流动,若使流速提高到原来的2倍,则其对流传热系数约为原来的 1.74 倍;管径改为原来的1/2而流量相同,则其对流传热系数约为原来的 3.48 倍。(设条件改变后仍在湍流范围)(12) 导热系数的单位为 W/(m) ,对流传热系数的单位为 W/(m2) ,总传热系数的单位为 W/(m2) 。二、选择1 已知当温度为T时,耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力,则铝的黑度D耐火砖的黑度。A 大于 B 等于 C 不能确定 D 小于2 某一套管换热器,管间用饱和水蒸气加热管内空气(空气在管内作湍流流动),使空气温度由20升至80,现需空气流量增加为原来的2倍,若要保持空气进出口温度不变,则此时的传热温差应为原来的 A 倍。A 1.149 B 1.74 C 2 D 不定3 一定流量的液体在一f252.5mm的直管内作湍流流动,其对流传热系数ai=1000W/m2;如流量与物性都不变,改用一f192mm的直管,则其a将变为 D 。A 1259 B 1496 C 1585 D 16784 对流传热系数关联式中普兰特准数是表示 C 的准数。A 对流传热 B 流动状态 C 物性影响 D 自然对流影响5 在蒸气空气间壁换热过程中,为强化传热,下列方案中的B在工程上可行。A 提高蒸气流速 B 提高空气流速 C 采用过热蒸气以提高蒸气温度 D 在蒸气一侧管壁加装翅片,增加冷凝面积6 在两灰体间进行辐射传热,两灰体的温度差为50,现因某种原因,两者的温度各升高100,则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比,应该B。A 减小 B 增大 C 不变7 在单效蒸发器中,将某水溶液从14%连续浓缩至30%,原料液沸点进料,加热蒸汽的温度为96.2,有效传热温差为11.2,二次蒸气的温度为75.4,则溶液的沸点升高为 D 。A 11.2 B 20.8 C 85 D 9.68 为蒸发某种粘度随浓度和温度变化较大的溶液,应采用B流程。A 并流加料 B 逆流加料 C 平流加料 D 双效三体并流加料三、计算1试推导出表示具有内部热源的实心球体的温度分布公式。已知: 球体半径,m; 球体表面的恒定温度,; 每单位球体体积在单位时间内所产生热量,; 球体材料的导热系数,。解: 球体积 , 球表面积 根据傅立叶热传导公式: 所以 积分上式得: 2 一卧式列管冷凝器,钢质换热管长为3m,直径为f252mm。水以0.7m/s的流速在管内流过,并从17被加热到37。流量为1.25kg/s、温度为72烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。已测得:蒸气冷凝传热系数a0=800W/(m2),管内侧热阻为外侧的40%,污垢热阻又为管内侧热阻的70%,试核算:(1)换热器每程提供的传热面积(外表面为基准);(2)换热管的总根数;(3)换热器的管程数。计算时可忽略管壁热阻及热损失,水的比热为4.18kJ/(kg)解: (1)换热器每程提供的传热面积(外表面为基准),S1;由题意知,水以0.7m/s的流速在管内流过,欲求S1,需先知道每程的管子数,每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。 两流体交换的热量为: 又 , ,则 单管内水的流量为:每程所需管子数为:取每程管子数为20, 则每程所能提供的传热外表面积为: (2) 换热管的总根数;由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。 由题给数据, 则任务所需的传热外表面积为: 换热管总根数为: 取 (2) 换热器的管程数。由题意管程数为: 3 在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气,两流体的进口温度分别为20和110。在换热器使用的初期,冷却水及空气的出口温度分别为45和40,使用一年后,由于污垢热阻的影响,在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下,冷却水出口温度降至38,试求:(1)空气出口温度为多少?(2)总传热系数为原来的多少倍?(3)若使冷却水加大一倍,空气流量及两流体进口温度不变,冷热流体的出口温度各为多少?(a水a空气)(4)冷却水流量加大后,换热器的传热速率有何变化?变为多少?解: 使用初期 使用一年后 110 40 110 45 20 38 20(1)空气出口温度题意可得:使用初期 (1) 使用一年后 (2)两式相比(2)/(1),得 则:=59.6(2)总传热系数 方程(2)式/(1)式,得: 故 (3)冷热流体的出口温度一年后 (3) (4)方程(4)式/(3),得: 整理前半式的方程 (5)又因 , 故 由等比定理 则 整理得, (6)联立(5)和(6),可得: , (4)冷却水流量加大后,换热器的传热速率有何变化?变为多少? 则 4 有一蒸汽加热器,热方:为饱和蒸汽冷凝,T=100;冷方:为生垢液体升温,。(1) 在测试中,维持以上温度条件不变,发现蒸汽凝液流量,在清洗前后之比为1:2。 问:a 那些是控制热阻?管程宜走那一方流体?简述理由;b 清洗前,污垢热阻约为该时总热阻的多少分数?(2) 在操作中,若要求改为维持该加热器的热负荷不变。 问:随着污垢的增加,调节饱和蒸汽的温度和生垢液体的流量,是否都能达到要求?简述理由(定性分析)。注:冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。解:(1) a 垢层是主要控制热阻,其次是垢层对液体的给热过程,因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。管程宜走生垢液体,便于清洗,便于增大流速,可能减少垢层沉积在管子表面上,饱和蒸汽宜在管间(壳程)走,因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响,而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗,且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。b 维持不变时: 清洗前传热量 (1) 清洗后传热量 (2)(1)式与(2)式比较得: 清洗前后总热阻的差值是污垢热阻 所以 %(2) 在操作中,调节生垢液体流量,企图减少垢层厚度来增加换热量,是不能满足的,因为生垢液体以为湍流,再增加流量时,所增加的换热量决不能与所需要的热量相当,这时会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加,使其满足热负荷的要求。假设垢层热阻的增加,使其换热量减少一半,(换热量再减少即不能操作),这时蒸汽的温度提高到160即可满足要求。假设垢层的生成,其传热面积的变化忽略不计,而传热系数下降一半,则推动力 增加一倍,这样即可满足其换热器的热负荷不变。5有一换热器,管内通90的热流体,膜系数为1100,管外有某种液体沸腾,沸点为50,膜系数为5800。试求以下两种情况下的壁温:(1)管壁清洁无垢 ;(2)外侧有污垢产生,污垢热阻为0.005解:忽略管壁热阻,并假设壁温为(1) 当壁很薄时,根据壁两侧的对流传热方程式可得: 则 (2) 同理 则 由此可知,壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。6 流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过,温度由150降至80;壳程冷却用水,进口温度为15,出口温度为65,与气体作逆流流动,两者均处于湍流。已知气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数,管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计,气体平均比热为1.02kJ/kg,水的比热为4.17kJ/kg,不计温度变化对比热的影响,试求:(1)冷却水用量;(2)如冷却水进口温度上升为20,仍用原设备达到相同的气体冷却程度,此时对数平均温差为多少?(3)此时的出口水温将为多少?(4)此时的冷却水用量为多少?解:(1)冷却水用量; (2)如冷却水进口温度上升为20,仍用原设备达到相同的气体冷却程度,此时对数平均温差为多少? 原情况 (1) 新情况 (2)因 , , 换热器与气体的情况未变, 则 , 故 则 , (2, 则用算术平均值合适)对新情况下的热量进行衡算,故 7在套管换热器中用120的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为4000kg/h,比热容为1.9kJ/(kg),温度从30升至60。蒸汽冷凝传热系数为1104W/(m2),换热管内侧污垢热阻为4104m2/W,忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为f542mm的钢管,有效长度为12m。试求:(1)饱和蒸汽流量(其冷凝潜热为2204kJ/kg);(2)管内苯的对流传热系数ai;(3)当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时,苯的出口温度为若干?(4)若想维持苯的出口温度仍为60应采取哪些措施?作出定量计算。解:(1)饱和蒸汽流量; (2)管内苯的对流传热系数ai; 整理得 (1) (2) (3)苯的流量增加50%,苯的出口温度为若干 将其代入(2)式得 代入(1)式得 解得 (4)若想维持苯的出口温度仍为60应采取哪些措施?作出定量计算。(a) 将管子加长, 由(1)式得 (b) 提高加热蒸气压强(温度) 解得 8 一废热锅炉,由f252锅炉钢管组成,管外为水沸腾,温度为227,管内走合成转化气,温度由575下降到472。已知转化气一侧ai=300W/m2K,水侧ao=10000W/m2K,钢的导热系数为45W/mK,若忽略污垢热阻,试求:(1)以内壁面为基准的总传热系数Ki;(2)单位面积上的热负荷q(W/m2);(3)管内壁温度TW及管外壁温度Ti;(4)试以计算结果说明为什么废热锅炉中转化气温度高达500左右仍可使用钢管做换热管。解:(1)Ki 所以 (2)q (3)管内壁温度TW 及 管外壁温度Ti 因为 由上述方程可解出 , (4)由计算结果可知,钢管的内外壁温度接近水侧沸腾的温度,即接近于热阻小的一侧流体的温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500左右,而钢管的温度小于238,故仍可在此高温下使用钢管做换热管。9 水以一定流速在直管中作湍流流动,若管壁温度不变为350K,水的进出口温度分别为290K及295K,若水的流速增加一倍,则水的出口温度变为多大?解:求 =2, =? 以知 , , , 水湍流流动,需对水侧作热量恒算可求。一般情况,水的进出口温差小于10,那么温度对物性参数影响较小,因此可以认为水的物性参数保持不变。由题意知,流速改变前: (1) 流速改变后: (2) 流速改变前 流速改变后 350K 350K 350K 350K 290K 295K 290K 则 又 (3)因物性参数不变,则: (4)(1)/(2),并将各参数带入,可得: 10 现有一逆流冷却器,用冷水冷却油,使油温从420K降到370K,水进口温度为285K,出口温度为310K。设油和水的流率、进口温度保持不变,将冷却器长度增加一倍(其它尺寸不变),求油及水的出口温度。解: 420K 370K 310K 285K对体系进行热量恒算, 所以, (1) (2)冷却器长度增加一倍后, 420K T2 t2 285K假设: 则 所以, (3) (4)(1)=(3) 1.95= (5)(2)=(4) 3.9= (6)解(5)和(6)方程,得: T2 =341.74K t2 =324.13K 2, 则用算术平均值合适。11某工厂有一台列管式换热器,每小时将一定量的气体从80冷到60,冷却水温度由20升到30,气体在管内流过,冷却水在管外与气体成逆流。经核算,该换热器的传热系数,现生产需要气体出口温度更低,有人提出将一结构及大小与已用一台完全一样的换热器并联使用,气体量与原一台时相同,只是分成相等的两股送入,冷却水进出每个换热器的温度仍与原来的一样。试计算:(1)此时气体的出口温度为多少?(2)两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低的温度?设:气体处理量与冷却水进出口温度都不变,忽略管壁与冷却水热阻,气体温度改变引起的物性改变也忽略不计。解:一台换热器情况: 所以 又因 气体放出的热量与冷却水得到的热量相等,所以: 即 (1)(1) 两台相同换热器并联使用 由于管间为水,管内为气体, 故有 气膜控制又 所以 故 (2)联立(1)式和(2)式解得: (2) 两台相同换热器串联使用时 (3)联立(1)式和(3)式解得: 因此两台串联使用可使气体出口温度降低到更低。12 某车间需要安装一台换热器,将流量为30m3/h、浓度为10%的NaOH水溶液由20预热到60。加热剂为127的饱和蒸汽。该车间现库存一台两管程列管式换热器,其规格为252mm;长度为3m;总管数72根。试问库存的换热器能否满足传热任务? 操作条件下,NaOH溶液的物性参数为钢的导热系数污垢热阻总和 解:对库存换热器进行传热能力核算 其中
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