柴诚敬化工原理课后答案第五章 传热过程基础

1、第五章传热过程基础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 C和50 C，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 Q = IV = 0.5 X100W = 50WS = 0.02m2，t = 200C，t = 50C，L = 0.02m将上述数据代入，可得50 x 0.02 1 12 J 0.02 x(200 50OC)= 0.333

2、W. (m-C)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 C，外表面温度为100 C，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七=0.8 + 0.00061，绝缘砖的导热系数为 人2 = 0.3 + 0.0003t，W/(m-C)。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Q = Q2 = Q(5-32)或 Q = X S L史=X S 虹(5-32a)1 b 2 b式中 X = 0.8 + 0.0006t =

3、0.8 + 0.0006 x 1500 + = 1.25 + 0.0003t12X2 = 0.3 + 0.0003t = 0.3 + 0.0003 x 10(+1 = 0.315 + 0.000151代入、危得(1.25 + 0.0003t)1500 T = (0.315 + 0.00015t) 1000.40.2解之得t = 12 = 977C人广 1.25 + 0.0003T =(1.25 + 0.0003x 977)W(m C)= 1.543 W (m - C)贝9QS =人= 1.543 x 1500) 977 Wm2 = 2017 Wm21外径为159 mm的钢管，其外依次包扎A、B

4、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.C), B层保温材料的厚度为100 mm,导热系数为1.0 W /(m、C), 设A的内层温度和B的外层温度分别为170 C和40 C,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：Q：L = f1 , r 1 、 r ln * H ln 2兀入 r 2兀入 r11222x34x。70-4。) 可 m = 150W m1 i 159 + 2 x 501 | 159 + 2 x G。+100)In1In0.11591.0159 +100A、B两层互换位置后，热损失为QL = 1t

5、t 12 1 r ,11 rln +In f159 +1002兀入 r 2兀入 r解：由K =o11 bd d +o +o- a 冗 d a dm i i查得钢的导热系数 人=45W.； (n2 .C)b = 2.5 mmd = 25 mmd. =(25 - 2 x 2.5)mm =20mmd = M0 mm = 22.5mm m 2Ko 10.0025 x 0.0250.025+ 5245 x 0.02252600 x 0.02wk .C)= 50.6 W (n2 .C)壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为1-T X100% = K x100% = 506 x100% = 97.3%1Kao5

6、2o管程对流传热热阻占总热阻的百分数为da.di x100% = Kodo x 100% = 50.6 x 0.025 x 100% = 2.4%1Kad2600 x 0.02o管壁热阻占总热阻的百分数为bddm x100% = bdK x100% = .0025 x .025 x 50.6 x 100% = 0.3% 1XdKmo6.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。45 x 0.0225冷却水的流量为30 000kg/h，其温度由22 C升高到36 C。溶液温度由115 C降至55 C。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

7、水的出口温度升至40 C,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.C)； (2)两种情况下，a、ao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tm =C15 - 36)-(55 - 22)C = 52.7Clni!655 - 22K =。= 30000 x 4.174 x 103 &-22)、会.C)= 231w .C) Skt3600 x 40 x 52.7求清洗后传热系数K由热量衡算WC (T T ) = WC (t -1)h p,h 12c p,c 21WC (T T，)

8、= WC (t，-1)c p,c, WC ,T = T c_p (t t)21 WC 21115 - 115 - 55(40 - 22)36 - 22=T d (t，1)=1 t t 21(115 40)(37.9 22)C = 38.1 CC = 37.9Ci 115 - 40In37.9 - 223600 x 40 x 38.1K = 3000 x 4.174 x 103 x(40 - 22)* .2 .C)= 410.8W J .C)清洗前两侧的总传热热阻1231 410.8 )m2 - C W = 1.9 x 10-3 m2 C/W7.在一传热面积为25 m2的单程管壳式换热器中，用水

9、冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28 000kg/h，其温度由25 C升至38 C，平均比热容为4.17 kJ/(kgC)。有机溶液的温度由110 C降至65 C,平均比热容为1.72 kJ/(kg.C)。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：C = 4.17 kJ/(kg. C)Q = WC (t -1)c p,c 2128000 x 4.17 x 103 x(38 - 25)W = 4.22 x 105 W3600求t m有机物 110 一 6538 25tt724072 - 40 C = 54.4Cm 72ln 402

10、5 x 54.4K =勺22 x 105 W. (n2 C)= 310.3W (n2 - C)K =422 x；5 kg s = 5.452 kg s = 1.963 x 104 kg h c T T )1.72 x 103 x(110 65)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 C,平均比热容为4.174 kJ/ (kg- C)。有机溶剂的流量为14000 kg/h，温度由 180 C降至120 C,平均比热容为1.72 kJ/ (kg. C)。设换热器的总传热系数为500 W/(m2.C), 试分别计算逆流和并流时换热器所

11、需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。解： Q = Wc G -T )= 14000 x1.72x(180 -120)kJ/h = 1.4448 x 106 kJh = 401.3kW冷却水的出口温度为(1.4448 x 10610000 x 4.174+ 30 C = 6461Cln180 - 64-61120 - 30逆流时(180 - 64.61)-(120 - 30)25.39C - 115.39 C = 102-2 CIn并流时At m401.3 x 103m2 KAt500 x 102.2=7.854m2(120 - 64.61)-(180 - 30)i 120 - 6

12、4.61In 180 - 30一 94.61 一 一C = %C = 94.97Cln.150Q 401.3 x 103S = =m2逆 KAt500 x 94.97=8.452m29.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 600m3/h,常压下苯的沸点为80.1 C,气化热为394 kJ/kg。冷却水的入口温度 为20 C,流量为35 000 kg/h,水的平均比热容为4.17 kJ/(kgC)。总传热系数为450 W/(m2.C)。 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PMP =RT1 x 78 /kg m3

13、= 2.692 kg m3 0.08206 x(273 + 80.1)Wh = 1600 x 2.692 kg, h = 4307.2 kg. hQ = Why = 4307.2 x 394kJ h = 1.697 x 106 kJ. h = 4.71 x 105 WQ = WC (t -1)c p,c 21=35000 x4.17x103(t -20) = 4.71 x 10536002解出 匕=31.6 C求Atm苯 80.1 一 80.131.6 6 2090t48.560.1t =些泮 oc = 54.1C m 60.1In48.5勺 Q4.71 x 105S =m2 = 19.3m2

14、KZ450 x 54.110.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 C，出口温度为65 C。油在管程流动，进口温度为 120 C。出口温度为75 C,试求其传热平均温度差。 解：先求逆流时平均温度差油 120 一 75水 65 30t5545ZL ln2 t12 *1 = 55 - 45 OC = 49.8CIn5545=.65-30 = 0.389T -1120 - 30120 7565 30=1.28611T - T R = 12t t查图5-11 (a)得中=0.875t =p、 = 0.875 x 49.8C = 43.6C11.某生产过程中需用冷却水将油

15、从105 C冷却至70 C。已知油的流量为6 000 kg/h，水 的初温为22 C，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：两流体呈逆流流动；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- C)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kgC)，水的平均比热容为4.17 kJ/(kgC)。热损失可忽略。解：本题采用 NTU法计算(1)逆流时W。= 6000 x 2.9 x 103 W oc = 3166.7 W. C h ph 36002000minC2316/7 0.7323166.7max

16、(NTU)minKS 300 x10 1.295 2316.7min查图得 0.622Q = C(T -1)min 11=0.622 x 2316.7 x (105 - 22)W = 1.196 x 105WT = T -1Wh c h105 - 1-196 x 1053166.7C = 67.2C 70C能满足要求x 4.17 x 103 W C = 2316.7 W.Cpc3600(2)并流时C 0.732(NTU) .=1.295查图得e = 0.526Q 0.526 x 2316.7 x (105 22M =1.011 x 105W1.011x105105 -3166.7C = 73.

17、1C 60d. 0.02Re、Pr及L值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算或。 di水被加热，取n=0.4，于是得a = 0.023也Re0.8Pr0.4 = 0.023x 0,6176 x(3.73x 104).8 x5.420.4 W (n2 C)= 6345W (n2 C) d0.0214.温度为90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流过直径为457mmx3.5 mm，弯曲半径为0.6 m的蛇管换热器而被冷却至30 C，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为t b1 +1 b2 = 90 + 30 C = 60C22由附录查得60 C时甲苯的物性为p

18、 = 830 kg/m3，Cp=1840 J/(kgC)，=0.4x10-3Pas，久=0.1205W/(mC)， or_ c 四 1840 x0.4x10-30.1205P r = = 6.111500m. s = 0.256 m sp - d23600 x 830 x - x 0.0524 i4Re = diUbP = .05 X .256 X 830 = 26539P0.4 x 10-3(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,da = a (1+1.77-i)R式中a，弯管中的对流传热系数，W，(

19、m2-oC)；a 一直管中的对流传热系数，W (m2-oC)；d.管内径，m；R一管子的弯曲半径，m。入a = 0.023 Re0.8 Pr0.46.110.4 W2 .oc)= 395.5W2 -oc)d.=0.023x 0.1205 x 26539.30.8 x 0.05d、 a = a 1 +1.77 r=395.5 x 1 +1.77 x 0050.6 )W (n2 - oc)= 35.6W. (n2 -oc)15.压力为101.3 kPa，温度为20 C的空气以60 m3/h的流量流过直径为7mmx3.5mm，长度为3 m的套管换热器管内而被加热至80 C，试求管壁对空气的对流传热系

20、数。解：空气的定性温度为b = 土兰 oc = 50c22由附录五查得50 oc时空气的物性为wu =b np d 24 .p = 1.093 kg/m3，=1005 J/(kgC)m=1.96x10rPas=0.0283W/(m-c)，Pr=0.698m/s = 8.50ms3600 x x 0.05240.05x 8.5x 1.093”山、云、=23679.5 (湍流)1.96 x 10-5入a = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4W. (n2 -oc)= 35.6W. (n2 -c)d.=0.023 x 0,0283 x(23679.3)0.8 x 0.6980.40.0516 .

21、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m,空气流量为4x104m3/h，平均温度为140 C，试求空气的对流传热系数。解：由附录五查得140 C时空气的物性为p=0.854 kg/m3，G=1013 J/(kgC)m=2.37x10rPas=0.0349W/(mC)，Pr=0.694采用凯恩(Kern )法，即Nu = 0.36R e0.55 P r“ 中(5-63)w或a= 0.36 (e )0.55 P n 3 (-)0.14(5-63q)d 日曰传热当量直径d可根据管子排列情况进行计算。e管子为正方形排列，则兀 4( 2d 2)d =endo式中相邻两管的中心距，m

22、；Do管外径，m。代入t和do得4,12 - -d2 4f0.0512 - - x 0.0382d = - = 4 m = 0.049mendn x 0.038o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dA = zD (1-) t式中z一两挡板间的距离，m；D一换热器的外壳内径，m。代入z、D、t和do得A = zd1 -=1.45 x 2.8 x(1 -0.0380.051m2 = 1.03m2u = V = 4 X104 m.s = 10.74 m. s A 3600 x 1.03上述式中的甲w对气体可取为1.0。以=0.36 ()0.55Pri3(史)0.

23、14d 日 F=0.36 X 00349 xf 0.049 x10.。4 x0.854 0.55 X 0.68413 W2 代)=50州妃 W) 0.049 2.37 x 10-5J17.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 C，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t =+1 = 98 +100 OC = 99C f 22TOT由附录六查得99 C时水的物性为p=958.5 kg/m3, =4220 J/(kgC)，=28.41x10rPas，4=0.683W/(mC)，Pr=1.762由附录八查得100 C时饱和蒸气的物性为r =

24、 2258kJ/kg， P = 0.597 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得以=1.13P. - P)gr4RL(tsat -1w ) J958.5 x(958.5 0.597 )x 9.81 x 2258 x 103 x 0.683328.41 x 10-5 x 0.4 x(100 - 98) =1.468 x 104 W .2 - C)=1.13核算冷凝液流型，由对流传热速率方程计算传热速率，即14 W. (m - C)Q =aS(t -1 )= 1.468 x 104 x 0.4x 0.4x 2 x(100 - 98)W = 93

25、952W冷凝液的质量流率为Q 93952w = 一 =kg. s = 4.16 x 10-2 kg. sr2258 x 103单位长度润湿周边上的凝液质量流率为r = - = 4.16 x10-2 kg. s = 5.2 x 10-2 kg Cm - s)P 2 x 0.44r4 x 5.2 x 10 -2Re =一 = 693.3 104旦54.94 x 10-5二3.5464.78 x10-2c 旦 4.174 x1000 x 54.94 x 10-5 Pr = X应用公式5-58a进行计算X a = 0.023 Re0.8 Pr0.4 d i=0.023 x 0.6478 x 21582

26、0.8 x 3.530.4 0.02K = -17上 + + R d ad a.W. (m C)= 3627W： (m - C)1+Si d 5000 20 x 3627+ 6 x 104 x 癸20W Cn2 -C)= 772.4W.： Cn2 - C)(a)(b)(2) Q = KSAt = WC (t t)Q = KS At = WC (tf-1)pc(b)式：(a)式，得mKAtmt tK =t t Att -1At 1m K = 1， t2t -t21-I T -1 ln1T -1In rt T t=596.2 W(n2 - C)t -121I T -1 ln1T -t2K =；i

27、T t In1T t血133.3 - 20133,3-70 x 772.4W.，2 - C)i 133.3 20In 133.3 80K =上 + 土 + R，do 二 + 25 + R x 类 a d a si d 5000 20 x 3627 si 20=596.2 W (m2 - C)si21.=1.2 x 10-3 m2 -C W在一套管换热器中，用冷却水将4 500 kg/h的苯由80 C冷却至35 C，；冷却水在4 25mmx 2.5 mm的内管中流动，其进、出口温度分别为17 C和47 C。已知水和苯的对流传热系数分别为850 W/(m2.C)和1 700 W/(m2.C),试求

28、所需的管长和冷却水的消耗量。解：苯的定性温度tm1t +180 + 352C = 57.5C 257.5C时苯的定压热容为1.824 kJ/ (kg-C) 水的定性温度t =工=177 C = 27C m2 2227C时水的定压热容为4.176 kJ/ (kg- C) 冷却水的消耗量Q = WC (T - T ) = WC (t -1) h ph 12 c pc 21W = WhT。)c c k -t.)4500 x 1.824 x(80 -35)4.176 x(47 -17)kg.h = 2948 kg; h管长Q = KSAt = W c T - T )hph12K = 1 d 1 1oH a d a 1700 20 x 850 W (n2 .C)= 485.7 W.(n2 - C)oAt mo i i(80 - 47)-(35 -17 ) C = 24.75C80 - 47ln35 -17S = Wh Cph_12T - T ) 4500 x 1.824 x 103 x(80 - 35)m2 = 8.535m2KAtm3600 x 485.7 x 24.7522.某炼油厂拟采用管壳式换热器将柴油从176C冷却至65Co