新版化工原理习题答案(05)第五章传热过程基础

1、第五章传热过程根底0.02m2,厚度为0.02m,实验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外表温度,假设所测固体的外表积为测得电流表读数为0.5A,伏特表读数为100V,两侧外表温度分别为200C和50C,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Qt1t2SL式中QIV0.5100W50W20.02m；t1200C,t250C,L0.02m将上述数据代入,可得QLSt1t2500.02WmC0.333WmC0.02200502.某平壁燃烧炉由一层400mm厚的耐火砖和一层后,测得炉

2、的内外表温度为1500C,外外表温度为100200mm厚的绝缘砖砌成,操作稳定C,试求导热的热通量及两砖间的界面温度.设两科接触良好,耐火科的导热系数为0.80.0006t,绝缘科的导热系数为20.30.0003t,W/(mC).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Q2Q(5-32)式中代入尬得1St0.80.3(1.251t2bi2s0t3b2(5-32a)0.0006t0.0003t0.80.31500t0.0003t)-0.40.00060.00031500t2100t21.250.315(0.3150.00

3、015t)t0.0003t0.00015t1000.2解之得tt2977C11.250.0003t1.250.0003977W.mC1.543WmCt1tb11.543Wm20.42021W.m23.外径为159mm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50mm,导热系数为W/(mC),B层保温材料的厚度为100mm,导热系数为W/(mC),设A的内层温度和B的外层温度分别为170C和40C,试求每米管长的热损失；假设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：Q.Ltlt22iri3In3223.141704011592501159250100InIn0.

4、11591.0159100150WmA、B两层互换位置后,热损失为Q.Lt1t21121r3In-In2111221223.1417040.W,m131.5W,;m11592501159250100In1.0159In0.11591004.直径为温灰作为绝热层.57mm3.5mm的钢管用40mm厚的软木包扎,其外又包扎100mm厚的保现测得钢管外壁面温度为120C,绝热层外外表温度为10o软木和保温灰的导热系数分别为0.043W/(mC)和0.07W/(mC),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,那么QL27ttit21,121,13InIn111224.53Wm23.14

5、12010W/m1,0.02850.041,0.02850.040.1InIn0.0430.02850.070.02850.045.在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气.换热管为25mmx2.5mnt勺钢管,其导热系数为45W/(m-)o冷却水在管程流动,其对流传热系数为2600W/(m2C),热空气在壳程流动,其对流传热系数为52W/(m2.C)o试求基于管外外表积的总传热系数阻的百分数.设污垢热阻可忽略.K,以及各分热阻占总热解：由Ko71bdododmidi查得钢的导热系数dm2.5mm252045W,m2Cdo25mmdi2522.5mm20mmKomm222.5mm10.00250.0

6、250.02552450.022526000.02m2C50.6W壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为1-100%区100%506100%97.3%52管程对流传热热阻占总热阻的百分数为dodii100%1KoKdo-100%idi50.60.025°,八,100%2.4%26000.02管壁热阻占总热阻的百分数为bdodm100%bd100%1dKJmo0.00250.02550.6°,八,100%0.3%450.0225冷却水的出口温度升1)两种情况下,冷、热流体的物性可视为不变,水的平均比热容为略壁面热阻和热损失.解：求清洗前总传热系数K115365522kJ/(kgC

7、)；(2)两种情况下,i.分别相同；(3)忽tm,11536In5522300004.17410C52.7CStm求清洗后传热系数K由热量衡算WhCp,h(1T2)WhCp,h(TT2)360040WcCp,c(tWcCp,c(t'2'2Tig,cWChT1T2(t2t1)t2t1tmt231154037.93一3622Wm2C231W52.7t)t)115黑噌4022C37.9C11540In37.9223300004.174104038.1C36004038.1清洗前两侧的总传热热阻111222W.mC410.8WRsKK2311410.8m2CW1.9103m26 .在一

8、传热面积为40m2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30000kg/h,其温度由22C升高到36C.溶液温度由115C降至55C.假设换热器清洗后,在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下,试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻.假设：(用水冷却某种有机溶液.冷却水的流量7 .在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中,为28000kg/h,其温度由25C升至38C,平均比热容为kJ/(kgG).有机溶液的温度由110C降至65C,平均比热容为kJ/(kgG).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

9、量.解：Cp,cQ4.17kJ/(kgC)WG,c(t2tj28000354.171033825W4.22105W3600求tm有机物110一65水38-25t7240724054.4KWh54.22102554.4310.3Wm2CQCphT1T24.22105,3kgs1.72103110655.452kgs1.963104kgh8 .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10000kg/h,其初始温度为30C,平均比热容为kJ/(kgC)o有机溶剂的流量为14000kg/h,温度由180C降至120C,平均比热容为kJ/(kgC).设换热器的总传热系数为500W/(

10、m2C),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：QWcphT1T2140001.72180120kJh1.4448106kJh401.3kW61.444810100004.17430C64.61C冷却水的出口温度为Qt2灯WcCpc逆流时tm18064.6112030120303401.31025.39C102.2C,115.39In90Ktmm500102.227.854m并流时tm12064.611803012064.61In一180303401.310394.61-cccC94.97C55.39In150mKtm50094.978.452m2

11、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.苯蒸汽的体积流量为1600m3/h,常压下苯的沸点为80.1C,气化热为394kJ/kg.冷却水的入口温度为20C,流量为35000kg/h,水的平均比热容为kJ/(kgG).总传热系数为450W/(m2C).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2.692kgm3PM1783kg/mRT0.0820627380.1Wh16002.692kg.h4307.2kghQWh4307.2394kJh1.697106kJh4.71105WQWG,c(t2tj解出t2求tm35000360031.6C4.17

12、103(t220)4.71105<20tmt60.148.5,C54.1C,60.1In48.55Q4.7110522m19.3mKtm45054.110.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30C,出口温度为65Co油在管程流动,进口温度为120C.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tm油Xtt21207565,30Int1t2tT5555455FIn一4545C49.8C计算P及Rt2tTt1TT265300.389t2匕查图5-11(a)得Attm0.875120301207565301.286Attm0.87549.8C43.

13、6C11.某生产过程中需用冷却水将油从105C冷却至70C.油的流量为6000kg/h,水的初温为22C,流量为2000kg/h.现有一传热面积为10m2的套管式换热器,问在以下两种流动型式下,换热器能否满足要求：(1)两流体呈逆流流动；300W/(m2C)；油的平均比热容为(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,为热损失可忽略.kJ/(kg.),水的平均比热容为kJ/(kg.).解：此题采用NTU法计算(1)逆流时WhCphWcCpc60003600200036002.94.17103W103W3166.7W.C2316.7W.CCCminRCmax2316.73166

14、.70.732(NTU濡KSCmin300102316.71.295查图得0.622Q5n(1t)510522W1.19610W0.6222316.7QT2T1105WhCph(2)并流时Cr0.732(NTUL1.2955C67.2C70C能满足要求3166.7查图得QT20.5260.5262316.710551.01110105522W1.01110WC73.1C70C不能满足要求3166.712.在一单程管壳式换热器中,管外热水被管内冷水所冷却.换热器的传热面积为5m2,总传热系数为1400W/(m2：C)；热水的初温为100C,流量为5000kg/h;冷水的初温为20C,流量为100

15、00kg/h0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kJ/(kgC),热损失可忽略不计.解:WhCphWcCpc50004.183600100004.18103W.C5806WC查图得传热量解出解出CminCrF"mmax(NTU濡T2CRt213.水以36005805.6八0.511611KACmin0.575Cmindtj0.5755805.6T1T2Tt54ct23T1T243C103W.C11611WC140051.215805.6100100100X2020W2.67105W0.575t220100540.51.5m/s的流速在长为3m、直径为25mm2.5

16、mm的管内由20C加热至40C,试求水与管壁之间的对流传热系数.解：水的定性温度为+tb1tb22040tfC22由附录六查得30°C时水的物性为30Cp=995.7kg/m3,m=x105Pas,X=W/(mC),Pr=Rediub0.021.5995.7_一580.07103.73104(湍流)di150600.02故可采用式5-76a近似计算RePr及上值均在式5-59a的应用范围内,di水被加热,取n=,于是得3.731040.85.4204Wm2C6345Wm2C08040.61760.023RePr0.023-di0.0214.温度为90c的甲苯以1500kg/h的流量流

17、过直径为57mm3.5mm,弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30C,试求甲苯对蛇管的对流传热系数.解：甲苯的定性温度为tf由附录查得tb1tb29030八八“C60C2260C时甲苯的物性为p=830kg/m3,Cp=1840J/(kgC),=x103Pas,狂W/(mC),Pr3Cp18400.4106.110.1205Ub1500Re24didiUb36000.052830-0.0524ms0.256ms0.2568300.410326539(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(11.77

18、%R式中弯管中的对流传热系数,W/(m2C);一直管中的对流传热系数,di管内径,m;W/(m2C);R管子的弯曲半径,m.0.023Re0.8Pr0.4di0.12050.023-0.0511.77R26539.30.86.1104W.m2C395.5W.m2C395.50.051.77W0.6m2C35.6W.m2C15.压力为kPa,温度为20c的空气以60m3/h的流量流过直径为57mm3.5mm,长度为3m的套管换热器管内而被加热至80C,试求管壁对空气的对流传热系数.解：空气的定性温度为tf由附录五查得tb1tb22080八八bC50C2250?C时空气的物性为p=1.093kg/

19、m3,Cp=1005J/(kgC),巧x105Pas,狂W/(mC),Pr=60Ubms8.50ms3.14236000.0524Re3°.5&5I.9323679.5(湍流)1.961050.023Re08Pr0.4di0.0283080420.02323679.3.0.698Wm2C0.0535.6Wm2C16.常压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过.管子尺寸为38mm3mm,正方形排列,中央距为51mm,挡板距离为1.45m,换热器外壳内径为2.8m,空气流量为4104m3/h,平均温度为140C,试求空气的对流传热系数.解：由附录五查得140C时空气的物性为p=

20、0.854kg/m3,Cp=1013J/(kgC),巧x1C5Pas,狂W/(mC),Pr=采用凯恩(Kern)法,即0.5513Nu0.36RePrw(5-63)deU0.55130.14或0.36()Pr(一)(5-63a)dew传热当量直径de可根据管子排列情况进行计算.管子为正方形排列,那么de224(t2do2)4式中t相邻两管的中央距,m;Do管外径,代入t和do得/,271,24t-do4de起.式5-63及式5-63a中的流速40.0512-0.03824m0.049m兀0.038u可根据流体流过管间最大截面积A计算,即AzD(1式中z一两挡板间的距离,D一换热器的外壳内径,m

21、.代入z、D、t和do得zDm21.03m2do11.45tco.0.0382.810.051410ms10.74ms36001.03上述式中的w对气体可取为.deu0.36(de)°.55Pr13()0.14w0.36还0.0490.550.04910.740.85452.37100.68413Wm2C50.8Wm2C98C,试计17.将长和宽均为0.4m的垂直平板置于常压的饱和水蒸气中,板面温度为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tftwtsat98100c22Pr=由附录八查得100?C时饱和蒸气的物性为由附录六查得99?C时水的物性为p=958.5k

22、g/m3,Cp=4220J/(kgC),后x105Pas,狂W/(m,2258kJ/kg,v0.597kg/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314m1.13Ltsattw33958.5958.50.597v9.8122581030.68331.13V28.411050.4100981.468104W.m2C14W.核算冷凝液流型,由对流传热速率方程计算传热速率,即QStsattw1.4681040.40.4210098W93952W冷凝液的质量流率为Q93952.2w-3kg.s4.1610kgsr2258103单位长度润湿周边上的凝液质量流

23、率为4.16100.42-kg.s5.2102kg.msRef245.2102693.318000.3103故假定冷凝液膜为层流是正确的.18.常压水蒸气在一25mm2,5mm,长为3m,水平放置的钢管外冷凝.钢管外壁的温度为96C,试计算水蒸气冷凝时的对流传热系数.假设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100C.定性温度tf乜上10096C98C22由附录查得在98c下,水的物性为：960.78kg/m3;0.6822W/m2C；r2261.08kJ/kg;29.03105Pas水平放置0.7253232261.081

24、0960.789.810.682229,03105"""0.0254Wm217530Wm2C垂直放置1.131.133232261.08103960.7829.810.68223529,0310534Wm27427Wm2C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10mm,一平板的黑度为,温度为400K;另一平板的黑度为,温度为300Ko假设将第一板加涂层,使其黑度为,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,那么1;C12C0115.67Q12,S10201m2K4

25、0.196WC111004T210040.19614001003001004W.m234.22W.m2第一板加涂层后Qi2SC01C12空气导热的热通量40工W2014T10.0961001000.096Wm4.4001100tmt1-2t22777C,查得K4430022Wm216.82Wm210077C时,空气的导热系数0.03WmQ12.S匕t2b0.03砺400300W.m2300W.m2加涂层前后传热通量减少的百分率为Q12SQ12SQ12SQ12S34.2216.82100%5.2%34.2230020C的水预热至80C,水在20.用压力为300kPa绝对压力的饱和水蒸气将25mm2.5mm水平放置的钢管内以0.6m/s的速度流过.设水蒸气冷凝的对流传热系数为5000W/m2C,水侧的污垢热阻为6X10m2-C/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,换热水平下降,出口水温只能升至70C,试求此时的总传热系数及水侧的污垢热阻.解：查附录得,300kPa的饱和水蒸气温度为133.3C水的定性温度为(Dtm28L2050c在50C下,水的物理性质如下:64.78102W/'mC；988.1kg/m3；=54.9410-5Pas;Cp4.174kJkgRediU0.020.69