化工原理传热习题解答

习

题λλ50o∵

1

T9001

0.22

q

T

T

T33

T900500.122mq120023

2

W

0.579

0.18m附

附。

123m,2m,1m,2m,121123m,2m,1m,2m,121

q

233

13oL

1r1rln2lnrr12其中

r=30mm，r，r=160mm因此

L

21160

负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。蒸管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍其热系数也为内层两倍假设将二层材料互换位置，假定其它条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？说明在此题情形下，哪一种材料包扎在内层较为适合？解：设外层平均直径为，层均直径为d，那么=且由导热速度方程知

λ=2

b

m

bS

m

bLLm1m1

Lm54两层互换位置后因此

QbLL11m1Qq1.25Qq

Lmb

ppu12m4ppu12m4即

互换位置后，单位管长热损失量增加，说明在此题情形下，导热系数小的材料放在内层较适宜。在为，内径为53mm的内加热苯溶液。苯的质量流速为（2

在定性温度下的物性数据；λ=（m·K（数。

C求苯对管壁的对流传热系已知：L，d，G=172（c=o

加苯物性，W/（求：

解：Re

0.053

1.86

4>10Pr

c

p

1.8

3

0.490.14

6.3

>Ld故可用N=式

>40

0.023

d

Re0.40.023

0.140.053

(1.864)0.80.4

2

o

C在压下用列管换热器将空气由200oC冷至120

气以的量在管外壳体中平行于管制流动。换热器外壳的内径为260mm内径Ø25×管根求空气管壁的对流传热系数。已知To

C气q＝3kg/s走外壳程D=260mmn＝38d＝求：解：空平均温度

t

2001201602查C空：ρ＝m

，＝，Pr＝，＝m·KA

Dd)22mD0.260.025

A0.785(0.26

20.025)

87.1kg

mwpmwppp1mwpmwppp1Re

deG

0.03687.1

1.29

3

>100.023

d

0.0364RePr0.40.023(1.29)0.6820.036

0.4

254油中装有水平蒸汽管以加热罐内重油油的平均温度oC蒸汽管外壁温度toC，管外径为60mm已知在定性温度C下重油的物性数据：ρ=900kg/m

；c=（kg·o

（m·o

C动度ν=2×10

/s；β=3×10C试问蒸汽对重油的热传递速度为多少位为

）已知：水平管加热外部重油，d＝，tC，to，70o，ρ=900kg/m3c=（kg·oW/（m·C-3

；-4/

o

C。求：q=?解：属容积自然对流，

9.81(12020)0.06(2

15.9Pr

c

v

1.889000.174

1.94

4Gr15.91.94

4

3.09

5查教材可得A＝，b(Pr)d

0.54

)

W/m

q

t)20)Wwm

2室水平放置两根表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径的倍小管的GrPr）9位面积的热损失比值为多少？

。试问两管路单位时刻、单解：∵

Gr

3∴

d(Gr1)d2

3

(Gr102

3

9

查表6-5，二者均在区域，，

∵

q

1d

(

10wm10.6410wm10.64∴

qq

d(Gr2[]d(2

121)3

饱温度为100C的蒸气在长、外径为的单根黄铜管表面上冷凝。铜管竖直放置，管外壁的温度维持96C试求每小时冷凝的蒸汽量又假设将管子水平放，冷凝的蒸汽量又为多少？已知：＝100

，＝o，L＝3m，＝求：（））

解：查，水，＝2258kJ/kgt10096tsw982查98o

，水，3μ＝λ＝m·K（1设凝液为层流，那么竖放时

Wm

验

443

计有效7.4230.03qrr3（2水平放，仍设层流

/0.640.03

14

∴

7.42

3

/

2

∵

∴

q

q2.02kg验Re

4q7.51mL

计有效10.在管换热器顶用冷水冷却油。水的直径为Ø19×2mm的管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490W/（m2

oC外油侧对流传热系数为258W/（2

o

C热在利用一段时刻后双均污垢形成污垢热阻为

oC/污热阻为m

o

C/

00Si1212200Si12122W管壁导热系数为W/m

o

C求）基于管外表面积的总传热系数产生污垢后热阻增加的百分数。解）传系数KK

1

S

1bddRdddii

i

11190.00026258153490

208（m

o）（2）产生污垢后热阻增加百分数为0.0001760.0001760.00028

11.热气体套管换热器顶用冷水冷却，内管为钢，热导率为（冷水在管内湍流流动，对流传热系数W/2

·K气环隙中湍流流动α=50W/（2

·K）不计垢层热阻，试求）壁阻占总热阻的百分数）内管中冷水流速提高一倍传热系数有何转变环隙中热气体流速提高一倍传热系数有何转变？已知：内管为Ø25×，＝45W/m·K内水湍流αW/（m·K内气湍流（2

）求）管内阻分率）内管中冷水流速增倍K）管隙中冷水流速增倍Kddd解）K2dd112

0.0251ln450.02

W/总热阻

1K

m2K/W管壁热阻

d0.0252ln2ln6.22d1故管壁热阻分率为

0.021

2222（2∵

∴

0.80.83/2K11

10.0253.48

150

49.0WK增加

49.0K48.3（3

2

20.80.8/m

10.02520000.02

1

82.1W/增加

69.9%K由上可知，管壁热阻往往占分率很小，可忽略；提高K值化传热，应在上手。12.在下类列管式换热器中，某种溶液在管内流动并由C加到o加热介质在壳方流动，其进、出口温度别离为

C和60o

C，求下面各类情形下的平均温度差。（1壳方和管方均为单程的换热器。设两流体呈逆流流动。（2壳方和管方别离为单程和二程的换热器。（3壳方和管方别离为二程和四程的换热器。解）对平均温度差知

ln2

50ln40

44.8o（2）P

2020

1.33查温度差校正系数图，得

，此

0.944.8o

C（3）由、P查二壳程的温度差校正系数图，得

0.98因此

43.9o

03c03c13.在逆流热器中，用初温为20C的水将的体［比热容为（

C度850kg/m3

o冷到o。热器的列管直径为，走管方。水侧和液体侧的对流传热系数别离为（2

oC）和（m

o

C垢热阻可忽略。假设水的出口温度不能高于50oC，试求换热器的传热面积。解：由传热速度方程知0

Q0

m其中

ch

ph

1

21ln1

30ln10

C0

10

1b1ddi

0i

110.00252525170045850因此

0

1W/（20.00212119247218.2

o

C）14.在流热器中，用水冷却油。水的进、出口温度别离为15o和40o，油的进、出口温度别离为o和。现因生产任务要求油的出口温度降至80o

C，设油和水的流量、入口温度及物性均不变，假设原换热器的管长为，试求此换热器的管长增至假设干米才能知足要求。设换热器的热损失可忽略。解：平均温度差为m

13560

o由热量衡算得WcWc

pc

t1T1501002当油的出口温度降至80C时由热量衡算得ch

ph

解得

t=50o

C

hph1c21221hph1c21221tt2m

13530

70C由传热速度方程可别离得原换热器

Wh

ph

K

dL92.5新换热器

Wch

ph

Km因此

L

705070

15.重和油在单程套管换热器中呈并流流动油初温别离为243C和C；终温别离为167C和C。假设维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改成逆，试求现在流体的平均温度差及它们的终温设两种流动情形下流体的物性和总传热系数均不转变，换热器的热损失能够忽略。解：以上标。传热速度和热量衡算式知：Q0

c0hph

1

2c

2

1

两式相除，得TtTt2将和比定律应用于上式，得

（）mm

221

2

2

1而

m

11510

C因此

ln431ln

4721.0931

22io022io0212

2

128

或由式得

t22

（b即

167157t1282t0.382

（c）联立式b和式c得t=o

CT=o

C因此

2ln21

161.3

49.7oC16.在传面积为50m2

的单程列管换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为，温度由oC升38oC。溶的温度由110o降60oC。设换热器清洗后，在两流体的流量和入口温度下，冷水出口温度增到C试估算换热器清洗前传热面双侧的总污垢热阻。假设两种情形下，流体物性可视为不，水的平均比热容可取为kJ/（o可按平壁处置，两种工况下α和α别离相同）略管壁热阻和热损失。解：先求清洗前总传热系数K，由m

1106020

C因此

K

QS

4.187

W/（2

o

C）再求清洗后总传热系数K，热量衡算求溶液出口温度，即WTWph

6020

o

C

i5iiii5iii

11040.620

38.6

CK

330004.187360038.6

W/2

o

C）传热面双侧总污垢热阻别离为110i

S

（）14970i式a减式b得

（b

S

m2

o

C/W17.在单列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度160o

的饱和蒸汽在壳程冷凝（排出时为饱和液体油在管程流动，并oC热到06o列管换热器尺寸为：列管直径为，长为，共有2根管子。假设换热器的传热量1，蒸气冷凝传热系数000W/（m

o

C侧垢热阻可取为

o

C/W管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略，试求管内油侧对流传热系数。又假设油的流速增加一倍在设换热器的总传热系数为原先总传热系数的倍求油的出口温度。假设油的物性不变。解）内侧α：

ln2

160ln160

oCQ1.25KS250.015i1dii00

W/（2o

C）即

1150.00057000i解得

α=360（m

oC）（2）油的出口温度t：

p2160p216022122新条件下的物理量用算得20而

QWcp1450W/（2o

5因此

Q

（）由总传热速度方程得QS295ii

16020ln160

t2

（b）联合式和，ln

toC218.在逆套管换热器中热流进行热互换两流体的进出温度别为o

C、t，o、To

。当冷流体的流量增加一倍时试求两流体的出口温度和传热量的转变情形。假设两种情形下总传热系数可视为相同，换热器热损失可忽略。解：原工况下：由热量衡算得t1

WcW

pc

（）由传热速度方程得cTKS12112ln2T

21Tln2T1

（b）将式代入式，得ln

TKSTW

c

TWtWcTpc2

70

（c）新工况下：ln

12

KSWhcWchc

（d由式c和，得

2

1

W2WWWpc

ln

2.17

122

0.91或130t2

2

（）由热量衡算得t

Wc2Wc

T

1291.09T

（f）联合式e和f得t63.8C，2

T2

C两种情形下传热量之比：Q

1

用NTU-计算如下。原工况下：

t21

200.81WW

pc

70

查图，得NTU=新工况下：ch

ph

2ccpch

0.92

（冷流体仍为最小值流体）

2211m2p2m2211m2p2mpm11p12Wch

ph

查图，得即因此

ttT2011t2063.2C2WT63.2W

C两种计算方式结果相近，误差是由读图引发的法便，宜用于估算，但误差大。19.某凝传热面积为20m2冷凝oC的饱和蒸气入口温度为40o流量㎏，比热容为4000J/㎏冷凝量。

oC热器的传热系数K125W/m

o求蒸气已知A＝20m

o

C＝

C＝/s＝（㎏

C125W/

o

C）求：水蒸汽量q解：查o水汽r＝∵

tqtKA2m2pTmln1T∴

T2T1

cm

0.9174000

0.506∴

t

cmpr

0.0482/s20.有套换热器径为Ø19×3mm长为管隙的油与管内的水的流向反。油的流量为270㎏/，入口温度为C，水的流量为360㎏，入口温度为10oC。假设忽略热损失知管外表面积为基准的传热系数K＝374W/（2

o热容c㎏

o

，试求油和水的出口温度别离为多?已知：内管，，流，q＝270㎏h＝100o=(㎏

oC)q

m2

122p21111wg4441w122p21111wg4441w＝360㎏/，＝C＝（m

oC）求T，解：水的定性温度未知，先取水的比热kgC由热效率公式

1

1(1)R1R

qcm1p1qcm2p2

2701.88360

NTU

KA3.140.019q27036001p1

得∴

Texp12T0.337exp10.33711000.26T100

∵

qmp1

12

2

∴

qcm1qc2

查

t

t214下水的4.188kJ/2p

误不大计算有效。21.用电温度计测量管道中的气体流速。温度计读数为

C，黑度为。气体与热电偶间的对流传热系数为（m

·K壁度为C。试求）体的真实温度）设减少测温误差，应采纳那些方法？已知：热电偶t＝300C，＝230o，

＝60W/（2

·K

＝1500kg/m3求：t＝及减少误差的方法解：与面相较，热电偶面积小故辐射QA

0

/

2对流

Q

t

，且定态时辐射与对流相等

ww44WWW214412100100pww44WWW214412100100p∵

t

Q1745312由计算进程可见，提高，提高t，低可减少误差。22.功为的封锁式电炉，表面积为，表面黑度。电炉置于温度为20内，炉壁与室内空气的自然对流对流传热系数为W/m·K炉壁温度。

C室已知：Q=1kWm，＝＝C，

＝，

＝10W/m

·K）求：T＝解：定时，发散量应等于辐、对流传热之和QA

0

∴

103

0.9

W

整理上式得：5.103T

4

试差得T＝746K＝℃23.盛的水瓶，瓶胆由两层玻璃壁组成，其间抽暇以避免空气对流和传导散热。玻璃壁镀银，黑度。壁面面积为2

，外壁温度

，内壁温度

C。问水温下降

C需多少时刻？已知：G=，

，A＝2t＝20Ct＝99o塞子处热损不计求：水C，？解：

12

拟定态处置辐射热：

Q

AC

0

T5.6742.9310.0212

W查99oC水，c＝×103∵

∴

0.81

1.2s3.3h

12m2prm2212m2prm2224.有单程双管程列管换热器，管外用o和蒸汽加热，常压干空气以的流速在管内流过，管径为Ø38×，总管数为根，已空气入口温度为2oC，求空气出口温度为86o试该热器的管长应为多少（假气体处置量入口温度管长均维持不变，而将管径增大为，总管数减少20，现在的出口温度为多少？(不计出口温度转变对物性的阻碍，忽略热损。已知壳双管程,管饱和蒸o

C内空气＝子＝200，t＝o

，＝o

C求：（）L（）

，管子Ø54×2mm，q不，

t

解：

t26t22查

oC

干空气，＝C，

，

Pa

，

/mK

，（1）

q

2

n2

0.785

1.07kg/Qcm22

21

du1.99

2.13

4

>100.023Red

Pr

0.4

0.033

0.697

0.4

50W/m

由管外蒸汽冷凝»

∴

K

QKAKm

mtmlnT

862612026ln120

59∴

L

6.61.08200m∵不，∴u

K0.8

1.8Tc1.8Tc∵K

A501.21nd33∵

q1

t21TT2

∴

TKA12m∴

m2p2

0.566m2p2

12026即120

t

25.试量列