新版化工原理习题答案(05)第五章 传热过程基础

第五章 传热过程基础 1用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02 m2，厚度为0.02 m，实验测得电流表读数为0.5 A，伏特表读数为100 V，两侧表面温度分别为200 和50 ，试求该材料的导热系数。 解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即 式中 将上述数据代入，可得 2某平壁燃烧炉由一层400 mm厚的耐火砖和一层200 mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 ，外表面温度为100 ，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为，绝缘砖的导热系数为，。两式中的t可分别取为各层材料的平均温度。 解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即 （5-32）或 （5-32a）式中 代入1、2得 解之得 则 3外径为159 mm的钢管，其外依次包扎A、B两层保温材料，A层保温材料的厚度为50 mm，导热系数为0.1 W /(m)，B层保温材料的厚度为100 mm，导热系数为1.0 W /(m)，设A的内层温度和B的外层温度分别为170 和40 ，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？ 解： A、B两层互换位置后，热损失为 4直径为mm的钢管用40 mm厚的软木包扎，其外又包扎100 mm厚的保温灰作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为，绝热层外表面温度为10 。软木和保温灰的导热系数分别为)和)，试求每米管长的冷损失量。 解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则 5在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为25 mm2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2 600 W/(m2)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2)。试求基于管外表面积的总传热系数，以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。 解：由查得钢的导热系数 mm mm 壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管壁热阻占总热阻的百分数为 6在一传热面积为40 m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30 000kg/h，其温度由22 升高到36 。溶液温度由115 降至55 。若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40 ，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg)；（2）两种情况下，分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。 解：求清洗前总传热系数K 求清洗后传热系数由热量衡算 清洗前两侧的总传热热阻 7在一传热面积为25 m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28 000kg/h，其温度由25 升至38 ，平均比热容为4.17 kJ/(kg)。有机溶液的温度由110 降至65 ，平均比热容为1.72 kJ/(kg)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。 解： kJ/(kg) 求 有机物 110 65 水 38 25 72 40 8在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。冷却水的流量为10 000 kg/h，其初始温度为30 ，平均比热容为4.174 kJ/（kg）。有机溶剂的流量为14 000 kg/h，温度由180 降至120 ，平均比热容为1.72 kJ/（kg）。设换热器的总传热系数为500 W/(m2)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。解： 冷却水的出口温度为逆流时并流时 9在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1 600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1 ，气化热为394 kJ/kg。冷却水的入口温度为20 ，流量为35 000 kg/h，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg)。总传热系数为450 W/(m2)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。 解：苯蒸气的密度为 解出 求 苯 80.1 80.1 水 31.6 20 48.5 60.110在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30 ，出口温度为65 。油在管程流动，进口温度为120 。出口温度为75 ，试求其传热平均温度差。 解：先求逆流时平均温度差 油 120 75 水 65 30 55 45 计算P及R 查图5-11（a）得 11某生产过程中需用冷却水将油从105 冷却至70 。已知油的流量为6 000 kg/h，水的初温为22 ，流量为2 000 kg/h。现有一传热面积为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求： （1） 两流体呈逆流流动； （2） 两流体呈并流流动。 设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300 W/(m2)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kg)，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg)。热损失可忽略。 解：本题采用法计算 （1）逆流时 查图得 能满足要求 （2）并流时 查图得 不能满足要求12在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5 m2，总传热系数为1 400 W/(m2)；热水的初温为100 ，流量为5 000 kg/h；冷水的初温为20 ，流量为10 000 kg/h。试计算热水和冷水的出口温度及传热量。设水的平均比热容为4.18 kJ/(kg)，热损失可忽略不计。 解： 查图得 传热量 解出 解出 13水以1.5 m/s的流速在长为3 m、直径为的管内由20 加热至40 ，试求水与管壁之间的对流传热系数。 解：水的定性温度为 由附录六查得30时水的物性为 995.7 kg/m3，=80.07105 Pas，=0.6176，Pr=5.42则 （湍流） Re、Pr及值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算。 水被加热，取n=0.4，于是得 14温度为90 的甲苯以1500 kg/h的流量流过直径为mm，弯曲半径为0.6 m的蛇管换热器而被冷却至30 ，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 解：甲苯的定性温度为 由附录查得60时甲苯的物性为 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg)，=0.4103 Pas，=0.1205，则 （湍流） 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数，即 式中 弯管中的对流传热系数，； 直管中的对流传热系数，； di管内径，m； R管子的弯曲半径，m。 15压力为101.3 kPa，温度为20 的空气以60 m3/h的流量流过直径为，长度为3 m的套管换热器管内而被加热至80 ，试求管壁对空气的对流传热系数。 解：空气的定性温度为 由附录五查得50 C时空气的物性为 1.093 kg/m3，Cp1005 J/(kg)，=1.96105 Pas，=0.0283，Pr=0.698则 （湍流） 16常压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过。已知管子尺寸为mm，正方形排列，中心距为51 mm，挡板距离为1.45 m，换热器外壳内径为 m，空气流量为，平均温度为140 ，试求空气的对流传热系数。 解：由附录五查得C时空气的物性为 0.854 kg/m3，Cp1013 J/(kg)，=2.37105 Pas，=0.0349，Pr=0.694 采用凯恩（Kern）法，即 （5-63）或 （5-63a）传热当量直径可根据管子排列情况进行计算。管子为正方形排列，则 式中 t相邻两管的中心距，m； Do管外径，m。代入和do得 式5-63及式5-63a中的流速u可根据流体流过管间最大截面积A计算，即 式中 z两挡板间的距离，m； D换热器的外壳内径，m。代入z、D、t和do得 上述式中的对气体可取为1.0。 17将长和宽均为0.4 m的垂直平板置于常压的饱和水蒸气中，板面温度为98 ，试计算平板与蒸汽之间的传热速率及蒸汽冷凝速率。 解：水的定性温度为 由附录六查得99 C时水的物性为 958.5 kg/m3，Cp4220 J/(kg)，=28.41105 Pas，=0.683oC)，Pr=1.762由附录八查得100 C时饱和蒸气的物性为 kJ/kg，kg/m对于此类问题，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜为层流，由式5-135得 核算冷凝液流型，由对流传热速率方程计算传热速率，即 冷凝液的质量流率为 单位长度润湿周边上的凝液质量流率为 则 故假定冷凝液膜为层流是正确的。18常压水蒸气在一mm，长为3 m，水平放置的钢管外冷凝。钢管外壁的温度为96 ，试计算水蒸气冷凝时的对流传热系数。若此钢管改为垂直放置，其对流传热系数又为多少？由此说明工业上的冷凝器应如何放置？ 解：由附录查得，常压水蒸气的温度为100 。 定性温度由附录查得在98 下，水的物性为： 水平放置垂直放置 通过上述计算可知，工业上的冷凝器应水平放置。 19两平行的大平板，在空气中相距10 mm，一平板的黑度为0.1，温度为400 K；另一平板的黑度为0.05，温度为300 K。若将第一板加涂层，使其黑度为0.025，试计算由此引起的传热通量改变的百分数。假设两板间对流传热可以忽略。 解：第一板加涂层前因是两平行的大平板，则； ；于是 第一板加涂层后 空气导热的热通量，查得时，空气的导热系数加涂层前后传热通量减少的百分率为 20用压力为300 kPa（绝对压力）的饱和水蒸气将20 的水预热至80 ，水在mm水平放置的钢管内以0.6 m/s的速度流过。设水蒸气冷凝的对流传热系数为5 000 W/(m2)，水侧的污垢热阻为610-4 m2/W，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求（1）换热器的总传热系数；（2）设操作半年后，由于水垢积累，换热能力下降，出口水温只能升至70 ，试求此时的总传热系数及水侧的污垢热阻。解：查附录得，300 kPa的饱和水蒸气温度为133.3 水的定性温度为（1）在50 下，水的物理性质如下： 应用公式5-58a进行计算（2） （a） （b）（b）式（a）式，得21在一套管换热器中，用冷却水将4 500 kg/h的苯由80 冷却至35 ，；冷却水在mm的内管中流动，其进、出