传热计算习题附详细答案

1、传热计算题1. 在一内径为 0.25cm 的管轴心位置上，穿一直径为 0.005cm 的细导线 ，用以测定气体的 导热系数。当导线以 0.5A的电流时，产生的电压降为0.12V/cm，测得导线温度为167C,空心管内壁温度为 150C。试求充入管内的气体的导热系数试分析仪器精度以外造成结果误差的客观原因。2. 有两个铜质薄球壳，内球壳外径为0。015m,外球壳内径为0.1m，两球壳间装入一种其导热系数待测的粉粒料。内球用电加热，输入功率为 50w，热量稳定地传向外球，然后散发到周围大气中。两球壁上都装有热电偶，侧得内球壳的平均温度为120 C,外求壳的平均温度为50C，周围大气环境温度为20C

2、 ;设粉粒料与球壁贴合，试求：（1）待测材料的导热系数（2）外球壁对周围大气的传热系数3. 有一面积为 10cm2 带有保护套的热电偶插入一输送空气的长管内, 用来测量空气的温度。已知热电偶的温度读数为300C，输气管的壁温为 200 C,空气对保护套的对流传热系数为60w/m2.k ,该保护套的黑度为 0.8 ,试估算由于辐射造成的气体温度测量误差。并叙述减小-9 2测量误差的途径。已知 Stefan-Bohzman常数（T =5.67 x 10 w/m k 。 4.用两个结构尺寸相 同的列管换热器按并联方式加热某中料液。换热器的管束由32根长3m的25x 3mm的钢管组成。壳程为120 C

3、的饱和蒸汽。料液总流量为20ni/h，按相等流量分配到两个换热器中作湍流流动，由25 C加热到80 C。蒸汽冷凝对流传热系数为8Kw/m. C,管壁及污垢热阻可不记，热损失为零，料液比热为4.1KJ/kg. C,密度为1000kg/m3。试求：（1）管壁对料液的对流传热系数（2）料液总流量不变,将两个换热器串联,料液加热程度有何变化？（3）此时蒸汽用量有无变化？若有变化为原来的多少倍？ （两者情况下蒸汽侧对流传热系数和料液物性不变）25. 某厂现有两台单壳程单管程的列管式空气加热器, 每台传热面积为 A0=20m2 （管外面积）, 均由128根 25 x 2.5mm的钢管组成。壳程为 170

4、C的饱和水蒸汽冷凝（冷凝潜热为 r=2054KJ/kg ）,凝液不过冷。空气走管程，其入口温度11 =30C，流量为4500kg/h 假定空气的物性参数不随温度、压力变化，可视为常数，分别为G=1.005KJ/Kg.K , p=1.06Kg/m3 ,卩=20.1 x 10-3cp ,入=0.029w/m.k。热损失可略，管内湍流时空气的对流给热 系数可用下式计算：Nu=0.02R e0.8 。（1）若两台换热器并联使用,通过两台换热器的空气流量均等,试求空气的出口温度12（ C）及水蒸汽的总冷凝量 m*kg/h）（2）若两台改为串联使用，试求此时空气的出口温度t2（C ）及水蒸汽的总冷凝量m1

5、（kg/h） 。（3） 试比较并联及串联时传热效率的大小,并求两种方式下总传热能力的比值Q 串/ Q 并。6. 现有两台单壳程单管程的传热面积均为20卅的列管式空气加热器，每台加热器均由 64根 57x 3.5mm钢管组成，壳程为170C的饱和水蒸汽，空气入口温度为30C，流量为2.5kg/s ,以湍流方式通过管内。（1 ）若两台换热器并联使用,通过两台换热器的空气流量均等,此时空气的对流传热系数为38w/m2 C，求空气的出口温度 t2（C ）(2)若两台改为串联使用，问此时空气的出口温度t2(C )为多少?(设空气物性不随温度压力而变，Cp=1 KJ/kg C ,热损失为零)7有一套管换热

6、器，并流操作时，冷流体进出口温度分别为25C和70 C,热流体进出口温度分别为150 C和100C,若两中流体流量和进口温度均不变，改为逆流操作，试计算逆流时热流体的出口温度，计算中可视CP和K为常数。&在一套管冷凝器中，用130 C的饱和蒸汽将乙醇水溶液从25 C加热到80 C。换热器内有效传热长度4m，规格25 X 2.5mm,乙醇水溶液在管内湍流流动，水蒸汽在环隙内冷凝 为同温度的饱和水。 已知基于内管外表面的总传热系数为Ko=11OOw/m2K,内管内侧给热系数为1600w/m2K,钢的导热系数为 45W/mK,在操作条件下，垢层热阻及热损失不计。(1 )试求蒸汽冷凝给热系数，

7、并计算内管外壁的平均温度(2)操作中管内乙醇水溶液流量增加20 %，而乙醇水溶液入口温度，蒸汽温度和蒸汽侧冷凝给热系数均不变，试求管内乙醇水溶液的出口温度。(忽略乙醇水溶液物性变化)9 一套管换热器用133 C的饱和水蒸汽将管内的氯苯从33 C加热到73 C,氯苯流量为5500Kg/h。现因某种原因，氯苯流量减少到3300Kg/h，但其进出口温度维持不变，试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求？此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几？(设两种工况下的蒸汽冷凝热阻，管壁热阻，垢层热阻及热损失均可略，且氯苯在管内作湍流流动，忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化)10用一列管式换热器将某一液态物料从13

8、0C冷却到70 C,冷却水走管程，进口温度15C，出口温度75 C,为了利用厂内的循环水，水进口温度变为30 C,物料的流量，进出口温度皆维持不变，问冷却水用量有什么变化？已知换热器壳程中的对流传热系数比管程中 水的对流传热系数小得多，冷热流体为逆流流动。采用循环水后的平均推动力可用算术平均 值计算。11 为回收高温气体 B中的热量，采用如图流程气体B先与循环水传热，使其水温升高，然后再与低温气体 A传热，使气体 A的温度升高。实际操作结果表明：当保持气体A , B的流量及其进口温度不变，而增大循环水量，则循环水的最高温度t w1将下降。试分析其原 因。(提示：综合利用传热单元数法和对数平均推

9、动力法)12. 如图，流量为 0.5Kg/h，温度为20 C的水(C p=4.187KJ/kg C )流过串联的两个列管换 热器，以冷却流量为 0.8Kg/h，温度为120 C的某溶液(Cp=2KJ/kgK)，测得该溶液的出 口温度为65 C,现因故使水温降到 6 C,问：若保持其它进口条件不变，则溶液的出 口温度变为多少？_ lTl-120Ji逆Vji并TAiTBJT212题图13. 有一列管式换热器，壳程通以120 C的饱和蒸汽，可将一定流量的气体从20 C加热到60C。若加热蒸汽的压强及气体的进口温度保持不变，气体的出口温度升至62 C,试求：(1) 此时换热器的热流量有何变化？(以原工

10、况热流量的相对比值表示)设气体在管内 均以达Re>104, Pr>0.7，计算时可忽略垢层热阻，管壁热阻及蒸汽侧的热阻，不考 虑气体物性的变化。(2) 气体通过换热器的压降有什么变化(以原工况压降比值表示)？设摩擦系数入相同，换热器进出口阻力损失不记。14有一管程为单程的列管换热器，由$ 25 X 2.5mm长2.5m的20根钢管组成。用120 C饱和水蒸汽加热某冷流体(冷凝液饱和温度下排出)，该冷液体走管内，进口温度为25C,比热为1.58KJ/kg C,流量为15000kg/h ,管外蒸汽的冷凝传热系数为1.0 X 104w/m2C。管内对流传热的热阻是管外蒸汽冷凝传热热阻的6

11、倍。试求：(1 )基于管外表面积的总传热系数Ke(2)冷流体的出口温度(换热器的热损失，管壁及两侧污垢热阻均可忽略不计)19 解 :设流动为逆流,示意如下=80 C（气态）=80 C（液态）»T2=60C（液态） t2 =28 C（冷水厂 tX =20 C（冷水）(1)冷凝：Q,二1260400 =140kw3600冷却：Q2 工12601.880 -60 =12.6kw3600 一140 +12.6Wc4.56 kg / sCpc (t2 t1 )4.18 "28 20 )实际面积 S=n 二 d°L =19 3.140.0192.5 = 2.83m2Q1 Q2

12、t = t2140亠2820.6 CWCCpc4.56 4.18Q14.560.01723 =199160.7850.017219 0.90310PrCp)/18°.903 =6.230.606K2K2= 0.023'0.8 0.42 -Re Pr=4690w/m Cdi二 * bd° * d°-：0N'dm-：i d i= 1000.5w/m2 C二 894.0w/ m'：t m1t2 tI -t lnT1 - t2-t m2"140012 0.0191945 181746901200.20.019 .1945181746902

13、8一2°.6=55.6 C,80 -20.6ln8028(T2 11 )(1)_(60 -20 )-(80 -20.6)= 49 厂ClnT1 -t40In59.4Q1Q214010001261000= 2.520.29 = 2.81m21000.5 55.6894.049.1需要的面积小于实际面积,正确.(3八 =80 C,Wc =0.7Wc0 8 2:f =0.7 i =0.75 4690.0 =3525.7 w/m C 丄丄旦.丄.2 o.°1919Ki :-0N dm : idi 140045 1817 3525.72K1= 927.5 w/m C新工况下:WcCp

14、C t2 -t1 AK1S ：tm(1)旧工况下:WcCpc t2 -t = K1S . ：tm1(2)鱼:0.7=§0S1 K1 l2 -t1TJ-12T2 t1 S K11-tInInT2 -1?S1 K1 0 7 _ T1 _ t22.83 927.5,80 -20.6 In=0.22.52 1000.5 0.780 -28T2 -t11 -1.22T2 -t2t2 -T2=80 _80 _20 =30.8 c1.22 1.22如二弩鳶=54.4 C,80 - 20In80 -30.8Q =2 =927.5 2.83 54.4 =142.8kwQ _140kw.正确.20. 台

15、新的列管换热器，其列管的规格为$ 25X 2.5mm管长4m,总管数为488根，两管程。用161 C流量为443m3/h的热油将310m3/h的水从82 C提高到90 C,以满足热水用 户的要求。水走管程。已知操作条件下水的物性为：卩F0.3315 X 10-3PaS,p w=968Kg/m , C=4.203KJ/kgK ,入 w=0.678w/mK。热油物性为：p3l ,0=945kg/m , C P0=2.202KJ/kgK, 钢管的导热系数为 入=45w/mK> 试求：(1 )管内传热膜系数(2) 开车时该换热器现场指示水的出口温度为97 C，求该工况下换热器的传热系数及壳程 的

16、传热系数(设物性不变，不计热损失)(3) 如果运行 2年后，换热器内侧污垢热阻增到0.0004m 2K/w，管外污垢热阻增到0.0006m2K/w。若物料流量及入口温度不变，该换热器能否满足生产要求？换热器还有多大 裕度？通过计算说明。(工大98/16)2 2解(1)u=Vs/(0.785d i n/2)=310/(3600 X 0.785 X 0.02 X 488/2) =1.12m/sPr =Cp0.3315 叫 2.050.678968 "2 0汽6.5 IO40.3315 10(2)W hGh(Ti-T 2)=WCGc(t 2-t i)T2=Tl-WG°C(t 2-

17、t 1)/Wh6=161-310 X 4.203 X 968X (97-82)/443 X 2.202 X 945=140.5 C丸 0.80.4-：» = 0.023Re Prdi=0.023 x 0678 x (6.5 "04 f x 2.05°.4 = 7384.0w/m2k 0.02In161 - 97 - 140.5-82 ,16197In140.5-82-61.2 C双管程 P=(97-82)/(161-82)=0.2 , R=(161-140.5)/(97-82)=1.37温度差校正系数可近似取 1 .Q=WC(t 2-t 1)=310 X 968

18、X 4.203 X (97-82)/3600=5255.1kw/m 2kS=nn dL=488X 3.14 X 0.025 X 4=153nnK=Q/(S tm)=5255.1/(153 X 61.2)=0.56 kw/m 2k(3)使用两年后K。：'0dm ：idibd°d°：0 K0 dm :idi12.5 0.0252520.5645 22.57.384 20 _ 1.62_ " 0 _0.62kw/m kKo =1/Rs0bd° do:idi dm1 bd° d0=1/6200.0006心竺2525、 + 0.0004| 45

19、22.57384.0 20202 2= 339.7w/m k = 0.34kw/ m k参考开车时情况，可认为换热器两端温差之比大于1小于2,用算术平均值代替对数平均值温度校正系数仍取1.由热量衡算知T'=Ti-WCPc(t 2-t i)=161-1.37(t2-82)(1)由速率式知：厲t； )+(T2" t,)WcCPc t2 -t,二 K°S22-2代入已知条件化简得：T2=14.5t “186联立(1)(2)得:T 2=147.3 C t2=92C由计算结果看出换热器仍满足生产要求.热流量之比为：Q/Q=(92-82)/(90-82)=1.25说明换热器的换

20、热能力仍有25%勺裕度.非定态传热21. 一油槽装有一吨热的重油， 用冷却水流经装于槽内的盘管式换热器以冷却重油。已知冷却水的流量为2kg/s，水的进口温度维持 20C不变。由于油-水间的传热，2小时内将油从 120C冷却到80 C,已知冷却盘管的传热面积为 2m2。试核算该换热器的传热系数。已知水的比热为4.18KJ/kgK，重油的比热为 3.00KJ/kgK ，槽内温度均匀一致，并可略去热损失。(浙大94/12)解：由热衡算GC hdT 二 WcC pc t - h 1速率式t _ tWcCpc t -t1=KST _t1InT -tKST InT -tKSWc C pc:f二 t =T

21、1 _exp -L2代入1积分得T1 bq WcCpc i.1 exp -L I代入数值得:K =107.8W/m2 C-t1 1 expWc C pc / Iln 二心£T2 -11WhKSWcCpc丿22. 有一带夹套的反应釜，釜内盛有某反应液。反应液的初始温度为20 C。釜内液体由于剧烈地搅拌可认为温度均一。反应液需加热到80 C进行反应。(1) 若夹套内通以120 C的蒸汽加热，已知前 10分钟反应液的温升为 60 C,则反应液由 初始温度加热至反应温度需要多少时间？(2) 若夹套内通以进口温度为120 C的热流体加热，前10分钟反应釜的温升同样为60 C,则反应液由初始温度

22、加热到反应温度需多少时间？(热流体无相变)(华化96/20)解(1)热流体有相变时GCpc dt=K T -t Sd ti口GCpc/2 dtGCpcKS(2)热流体无相变时KSInT - t!T - t2GCpcdt =WhCph T, -T dv1T, Th tWhCpc Ti -T =KSIn .Ti tT tInT -tKSWh CPhT =TexpH+1-exIWCw 丿-KS J T-12WhCph代入(1)得 »GCPC-WhCph 1叭=WhCph 1 exp -KS打WhCphKS23某容器内盛有质量为 G的热流体，比热为Cpi。器内装有蛇管换热器，其传热面积为A , 蛇管内冷却介质比热为 CP2，进口温度为t1，流量为w。试求器内热流体温度从 T1降为 T2所需的时间T 。假设在操作过程中容器内热流体