化工原理习题第二部分热量传递答案修改

1、化工原理习题第二部分热量传递一、填空题：1. 1140w (注:大型容器可视为平壁)2. q= a A, w/m2K 。3.27.9K4. 热传导 、 热对流 、热辐射 5. Nu = al /人,对流传热过程 几何尺寸对a的影响6.传热系统中各点的温度仅随位置变不随时间而改变。7.工一侧的换热壁面面积8. A泛指传热面，与K相对应 9.50 oC,47.2 oC1。250240 oC 11. 127X 4 - X 0.038=602.6m127X4/X 0.032=5121m 12.213. 空气 饱和水蒸汽 14.傅立叶定律 大 大15.小,小 16.滞离层内(或热边界层内),提高流体湍动

2、程度17.膨胀节、采用浮头式或 U管式结构：增加面积,增强流体的湍动程度以提高传热系数18. R1 R2 R3, Q1 = Q2 =Q319.传导 、对流 和 辐射 dQ= - ds 20. 1.743.48 倍cn(设条件改变后仍在湍流范围)21. W/ (mC), W/ (m2 oC), W/(m2 oC) 22.折流挡板 ，多管程， 壳程 23.三角形、正方形、菱形24.辐射25.壳体、管束26.设法增大皿27.温度修正系数 28.管内; 管间(壳程)29.滞流层 、增大流速二、选择题：15.ABCBA 610.DCBBC 1115. CDDBC 1620. AABC BA 21.BB

3、AABB 26. AADAA 3135 A A AAB 3640 CBADC 4144. A ABD 三、判断题： 110.WWX1122. xxx xx x x V四、简答题：1 .答：传热一般有两方面的要求：(1)、尽量使传热情况良好，即要求高的传热效率，以减少设备尺寸； (2)、尽量避免传热，即保温或保冷。2 .答：传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。对流传热则是 流体质点发生相对位移来传递热量，辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间 发射能量来传递热量。3 .答：热流体流过管道时, 在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡, 使质点强烈混合而交换热量，温度较均匀，几乎不存在温

4、度梯度；但在紧靠管壁，有一层很薄的作层流流动的流体层(层流底层) ，在这层薄层内，热量传递以导热方式进行，从微观上言，是靠分子传递。由于流体的导热系数很小，故热阻丝要集中层流底层内。对管内层流流动，热量传递也是主要靠导热。但由于温度存在(轴向的，径向的) ，有密度差，会引起质点的对流，比较复杂。4 .答：根据q=K.A.Z方程，指任一个K、A、&都能提高强化传热(1) 增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；(2)增大传热温差t 可采用逆流操作,因为当 T1， T2， t1， t2 四个温度一定时，逆流传热温差t 最大；(3)提高传热系数K 由K=1/ (1/极 +

5、1/ 以+ 2 ( 6/)入提高 小 或降低6都能强化传热，要提高a由单层改为多层，或在壳程中增设档板，对于蛇管中 ,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物(强化圈)在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。5 .答：传导、对流、辐射导热分子原位振动，电子定向流动。对流流体质点流动与混合。锅炉壁为导热，外壁对烟气为对流，火焰和炉墙的热辐射。6 .答：操作可以获得较大的平均传热温度差，从传递相同热负荷言，须较小的传热面积，节省设备费用。此外，逆流热流体出口温度T 可接近冷流流体进口温度 t ，对相同热负荷言，需加热剂少；同样，就冷流体而言，逆流体出口温度t可接近热流体进口温度T ，对相同热

6、负荷言，需要冷却剂少，故对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑，逆流操作费小。7 .答：在传热过程中，传热面上各点的温度不随时间变化，称为稳定传热。稳定传热时，传热速率为定值。反之，若传热面上各的温度随时间而变，则为不稳定传热。不稳定传热时，传热速率也随时间而变。8 .答：组成：纯物质的导热系数好;结构：结构致紧、密度大的材料导热系数大;温度：一般温度升高，非金属固体导热系数增大。煤灰砖的保温性能好。9 . 答： 流体为层流时，传热是以导热方式进行的。则此时给热系数较小。当为湍流时，传热是以对流方式进行的，此时给热系数增大。所以流体的传热，多在湍流情况下进行。10 .答：流动类型：湍流时的给热系数大。

7、流体的物性：粘度 密度P、比热Cp,导热系数人均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置：管子的排列、 折流都是为了提高给热系数。 流体的对流情况， 强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有相变 a大。11 .答：由壳体、管束、管板、封头等组成。12 .答：由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度，外壁面不断通过对流和辐射传将热量传给换热器周围的空气而散失， 即产生散热损失。 为了减少散热损失， 一般在换热器外壁面上包上一层 （或两层） 导热系数较小的绝热材料（或不同的两种导热系数较小的绝热材料） ， 使传热热阻增大， 外壁面温度降低，从而减小了散热损失。13 .答：

8、主要由壳体、管束、管板和顶盖（又称封头）等基部分组成。壳体和管束作为冷热两流体的流动空间， 通过管壁进行换热。 管束安装在管板上， 通过管板使管束与壳体连成一体。 顶盖 （封头） 上有管程流体进出口， 且有分程、 密封，封头可拆卸，便于管子清洗等作用。14 .答：因为逆流操作有较高的经济效益。主要原因可由以下两方面分析：（1）当 T1、 T2、 t1、 t2 四个温度一定时，逆流操作的t 比其它流向大。根据：Q=KAAt，当K、A 一定时，At M QT,对现有的换热器来说，可提高生产能力。当Q、K 一定时，N M AJ,对生产能力要求一定时，新设计制造换热器由于A较小，设备尺寸可减小，节省投

9、资费。（ 2）一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。逆流操作时，载热体用量比其它流向的要小，降低能耗，提高了经济效益。15 .答：物体各部分之间不发生相对位移。16 .答：对流仅发生在流体中，流体各部分之间发生相对位移。17 .答：应选择逆流换热，因为此时的对数平均温差较大，可以节省换热面积。18 .答：走管内，因为管内清洗比较方便。19 .答：走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。20 .答：走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。21 .答：走管间，便于及时排出冷凝液。22 .答：走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。23 .答：走管间，因流体在有折

10、流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re 100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。24 .答：由于对流传热的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层流底层的厚度，可以提高传热效果。25 .答：可以提高壳程流体的湍动程度，增强传热效果。26 .答： 间壁式换热器是由固体壁面将冷、 热两种流体分开， 通过固体壁面传热， 而混合式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。27 .答：1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压

11、强就可以控制加热温度， 使用方便， 而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。3） 烟道气： 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低） ，化学性质稳定。28 .答：（ 1）定常态换热，两种流体的热容流率不变， （ 2）逆流换热，（ 3）无热损失。29 .答：流动类型，湍流时的给热系数大。流体的物性.粘度卬密度仍比热Cp, 导热系数 人均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置.管子的排列、折流都是为了提高给热系数。 流体的对流情况， 强制对流比自然对流的

12、给热系数大， 流体在传热过程有无相变，有相变时a大。五、计算题：1. 解： 设耐火砖厚度b1, 绝热砖厚度b2 跨过耐火砖的热通量为 :q=(ti-t2)/(bi/ 1)bi=制ti-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m跨过三层砖的热通量为 :q=(ti-t4)/(bi/ 为+(b2/ 2)+(b3/ 3)b2=(ti-t4)/q-bi/ 1rb3/ 3 2二(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582 0.233 =0.14m,跨过普通砖的热通量：=t3-t4/b3/入3,t3=q.b3/ 3+t4=9300.1/0.582+83=243C2

13、 .解：冷却水用量：WhCp,h (T1-T2) =WcCp,c (t1-t2)3500 2.38 X(10060) =WcX4.174 乂(50 40) .Wc = 7982kg.h-1Am,逆=(50 20) /I n ( 50/20) =32.75Am,= (6010) /I n ( 60/10) =27.9Q = KAA tmQ = 333200kJ.h-1A 逆=1.41m23.14 0.18 M =1.411 =2.5 mA 并=1.66 m23.14 0.18 X = 1.66. I = 2.93m3 .解： Q/L=2 兀(120115)/1/ 入(ln(75/55)=4545

14、(1/ 人)ln(75/55)=2 X 3.-4(524545=0.00691入=44.9w/m.K设外加石棉层厚度为6则:Q/L)/75=2 M.14(120-10)/(1/44.9)ln(75/55)+(1/0.15)ln(75+2=45450.0387=175.9w.m690.8=175.90.00691+(1/0.15)ln(75+2 6 )/75解得：6 =30mm(石棉层厚度) 设钢管和石棉层接触面间的温度为 t2贝亚 2 3.14(120-t2)/(1/44.9)ln(75/55)=175.9解得：t2=119.8C4 .解：溶液放热Q=WhCphAT=1.4 2X03X(150

15、-100)=1.4 104w1/K=di/( ido)+1/ o=0.025/(1160 0.02)+1/930K=464w/m2.K冷却水用量Wc=Q/C pc(t2-t1)=1.4 104/4180(60-25)=0.957kg.s-1 =3445kg.h-1m=(150-60)-(100-25)/ln(150-60)/(100-25)=82.3 CA=3.67m2L=A/(兀 2)=3.67/(兀 X 0.025)=46.7m5 .解： A = 2.5m2 , Cpc= 2kJ/kg.KAtm = (180-80)-(70-30) / 1 n (100/40)= 65.5CQ= 200

16、22. X80-30) = 20000kJ/hQ= KAA tmK = 20000/(65.5 25)= 122.2kJ/m.K.h=34w/m2.K6 .解：(1) Q1=1200 2x(200-100)=240000kJ.hQ2=Q1,t2=t1+Q1/(m p 2 - Cp2)=10+240000/(10008) =67.4 Cm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110 C1/K1=1/ a 1+d1/( a 2 - d2)=1/250+25/(2000 X 20)K1=2 16.2w/m2.KA1=Q1/(K Atm) =240000 t0/(216.2 3600M10

17、)=2.8 m23m2不适用。7 . 解： 由 Q=K.A tm 式 求 K其中：Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/3600 1 .X88M0 (80-50)=56400wAm= ( A1- A2) / I n ( A1/ =(8030) ( 50 20) / 1 n (80-30)/(50-20)= 39.2C 56400=KX4.48 居9.2解得 K=321 w/m.C8 .解：(1)初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(4520)= K A Atm 一年后 m1 CP1(110-T2 尸 m2 CP2(3820)= K A Atm (110-T2 )/(110-4

18、0) =(38-20)/(45-20)解出 T2 =59.6(2) Atm = (110-45)-(40-20) /ln(65/20)= 38.2 CAtm = (110-38)-(59.6-20) /ln(72/39.6)=54.2 C(38-20)/(45-20)=(K /K) (54.2/38.2)解出 K/K =0.5079.解：(1) 蒸汽用量Q放=W. r =2205W kJ.hQ吸=W CP(t 出t 入)= 650022 X(80 30) = 7.15 10kJ.hQ放=Q吸w = 7.15 X 10/2205 弋 324kg.h(2)传热系数的计算 由Q=KAA tmAtm

19、= (120-30)-(120-80) /1 n ( (120-30)/(1 20-80)= 50/1 n ( 90/40) =61.66CKi = Q/Ai A tm= 7.15 X 10/60 X 兀 X (50/1000) X 61.66弋 1231 kJ.h.rriC= 342 (w /m2K)10 .解：q=CpW(t1-t2)=117.5 KJ/SW=117.5/4.187 (47-25)=1.276 kg.S-1A m=(77-47)-(27-25)/ln(30/2)=10.34 C1/K=1/ o+1/ ic+6 /入K=550.7 w/m0.4) (45 20)K 38.2.

20、K-1A=q/K. Am=20.635 m2L=A/ 兀 dm=292.1 m11 .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：Wh1rh 1.25 315 394kwWcCpc(t2t1)Cpc 4.18kJ/kgQc pc(t2tT)394 4.7134.18 (3717 )kg / s单管内水的流量为:Wc1 d2u4一一 20.785 0.0210.71000 0.2423kg/s每程所需管子数为:W里曳19.5Wc1

21、0.2423取每程管子数为20则每程所能提供的传热外表面积为:S1do ln10.025 20 34.71m2Q0.70.7K 0 so tm由题给数据,(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。10.4)0tmtiInt2t2(72 17) (72 37)72 17.In 72 37则任务所需的传热外表面积为:SoQKo tm3940.4762 44.2518.7m2Sodo ln换热管总根数为：n其 一79.4dol0.025 3取n 80换热器的管程数。由题意管程数为：Nt - 4ni12 .解：(1)空气出口温度T2题意可得：使用初期QWcCpc(t2t1)WhCp

22、h(T1 T2) KS tm(D使用一年后 Q2WcCpc(t2 t1) WhCph(T1T2) KS tm(2)两式相比(2) / (1),得(110 T2)(38 20)(110 40)(45 20)贝U: T2 =59.6 C(2)总传热系数K /Ktm(T1t2) (T2L)lnT上T2 t165 20 65ln2034.2 Ctm(110 38) (59.2 20),110 38ln59.6 2072 39.654.2 C39.6方程(2)式/(1)式，得:(38 20)K 54.2故 K K 0.50%(3)冷热流体的出口温度t2及T2QWcCpc(t23)WhCQT2)K S t

23、m(3)Q2WcCpc(t2匕)WhC ph (T1T2)K S tm(4)方程(4)式/ (3),得:110 T22(t220) K 1(110 t2) (T2 20)110 59.63820 K54.21ngT2 20整理前半式的方程t239.60.179T2(5)又因 水空气，KKK1由等比定理(110T2)。220)110 59.6 9154.2(110t2)(T2 20)1ngT2 20 110 t241.4lnT2 2054.2整理得,t2 153 T2(6)联立(5)和(6),可得:t229.4 C ,T2 57.5 C(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?tm(110 29.4)