化工原理第三版传热习题.doc

传热一、填空(1) 在传热实验中用饱与水蒸汽加热空气,总传热系数K接近于 侧得对流传热系数,而壁温接近于 侧流体得温度值。(2) 热传导得基本定律就是 。间壁换热器中总传热系数K得数值接近于热阻 (大、小)一侧得a值。间壁换热器管壁温度tW接近于a值 (大、小)一侧得流体温度。由多层等厚平壁构成得导热壁面中,所用材料得导热系数愈小,则该壁面得热阻愈 (大、小),其两侧得温差愈 (大、小)。(3)由多层等厚平壁构成得导热壁面中,所用材料得导热系数愈大,则该壁面得热阻愈 ,其两侧得温差愈 。(4)在无相变得对流传热过程中,热阻主要集中在 ,减少热阻得最有效措施就是 。(5) 消除列管式换热器温差应力常用得方法有三种,即在壳体上加 膨胀节 、 采用浮头式 或 U管式结构 ;翅片管换热器安装翅片得目得就是 增加面积,增强流体得湍动程度以提高传热系数 。(6) 厚度不同得三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知b1b2b3,导热系数l1l2a空气)(4)冷却水流量加大后,换热器得传热速率有何变化？变为多少？解: 使用初期 使用一年后 110 40 110 45 20 38 20(1)空气出口温度题意可得:使用初期 (1) 使用一年后 (2)两式相比(2)/(1),得 则:=59、6(2)总传热系数 方程(2)式/(1)式,得: 故 (3)冷热流体得出口温度一年后 (3) (4)方程(4)式/(3),得: 整理前半式得方程 (5)又因 , 故 由等比定理 则 整理得, (6)联立(5)与(6),可得: , (4)冷却水流量加大后,换热器得传热速率有何变化？变为多少？ 则 3 有一蒸汽加热器,热方:为饱与蒸汽冷凝,T=100;冷方:为生垢液体升温,。(1) 在测试中,维持以上温度条件不变,发现蒸汽凝液流量,在清洗前后之比为1:2。 问:a 那些就是控制热阻？管程宜走那一方流体？简述理由;b 清洗前,污垢热阻约为该时总热阻得多少分数？(2) 在操作中,若要求改为维持该加热器得热负荷不变。 问:随着污垢得增加,调节饱与蒸汽得温度与生垢液体得流量,就是否都能达到要求？简述理由(定性分析)。注:冷方流型为湍流、面积基准与物性变化可不考虑以及清洗后得垢阻为零。解:(1) a 垢层就是主要控制热阻,其次就是垢层对液体得给热过程,因传热过程得传热量取决于热阻大得一方。管程宜走生垢液体,便于清洗,便于增大流速,可能减少垢层沉积在管子表面上,饱与蒸汽宜在管间(壳程)走,因流速对饱与蒸汽冷凝给热系数几乎无影响,而饱与蒸汽冷凝得表面又不要求清洗,且在壳程流动易于及时排除冷凝水与不凝性气体。b 维持不变时: 清洗前传热量 (1) 清洗后传热量 (2)(1)式与(2)式比较得: 清洗前后总热阻得差值就是污垢热阻 所以 %(2) 在操作中,调节生垢液体流量,企图减少垢层厚度来增加换热量,就是不能满足得,因为生垢液体以为湍流,再增加流量时,所增加得换热量决不能与所需要得热量相当,这时会使出口温度下降。只有调节饱与蒸汽得温度来增加,使其满足热负荷得要求。假设垢层热阻得增加,使其换热量减少一半,(换热量再减少即不能操作),这时蒸汽得温度提高到160即可满足要求。假设垢层得生成,其传热面积得变化忽略不计,而传热系数下降一半,则推动力 增加一倍,这样即可满足其换热器得热负荷不变。4、有一换热器,管内通90得热流体,膜系数为1100,管外有某种液体沸腾,沸点为50,膜系数为5800。试求以下两种情况下得壁温:(1)管壁清洁无垢 ;(2)外侧有污垢产生,污垢热阻为0、005解:忽略管壁热阻,并假设壁温为（1） 当壁很薄时,根据壁两侧得对流传热方程式可得: 则 （2） 同理 则 由此可知,壁温总就是比较接近热阻小得那一侧流体得温度。5、 流量为2000kg/h得某气体在列管式换热器得管程流过,温度由150降至80;壳程冷却用水,进口温度为15,出口温度为65,与气体作逆流流动,两者均处于湍流。已知气体侧得对流传热膜系数远小于冷却水侧得对流传热膜系数,管壁热阻、污垢热阻与热损失均可忽略不计,气体平均比热为1、02kJ/kg,水得比热为4、17kJ/kg,不计温度变化对比热得影响,试求:(1)冷却水用量;(2)如冷却水进口温度上升为20,仍用原设备达到相同得气体冷却程度,此时对数平均温差为多少？(3)此时得出口水温将为多少？(4)此时得冷却水用量为多少？解:(1)冷却水用量; (2)如冷却水进口温度上升为20,仍用原设备达到相同得气体冷却程度,此时对数平均温差为多少？ 原情况 (1) 新情况 (2)因 , , 换热器与气体得情况未变, 则 , 故 则 , (2, 则用算术平均值合适)对新情况下得热量进行衡算,故 6、在套管换热器中用120得饱与蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流得苯。苯得流量为4000kg/h,比热容为1、9kJ/(kg),温度从30升至60。蒸汽冷凝传热系数为1104W/(m2),换热管内侧污垢热阻为4104m2/W,忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为f542mm得钢管,有效长度为12m。试求:(1)饱与蒸汽流量(其冷凝潜热为2204kJ/kg);(2)管内苯得对流传热系数ai;(3)当苯得流量增加50%、但其她条件维持不变时,苯得出口温度为若干？(4)若想维持苯得出口温度仍为60应采取哪些措施？作出定量计算。解:(1)饱与蒸汽流量; (2)管内苯得对流传热系数ai; 整理得 (1) (2) (3)苯得流量增加50%,苯得出口温度为若干 将其代入(2)式得 代入(1)式得 解得 (4)若想维持苯得出口温度仍为60应采取哪些措施？作出定量计算。（a） 将管子加长, 由(1)式得 （b） 提高加热蒸气压强(温度) 解得 7、 一废热锅炉,由f252锅炉钢管组成,管外为水沸腾,温度为227,管内走合成转化气,温度由575下降到472。已知转化气一侧ai=300W/m2K,水侧ao=10000W/m2K,钢得导热系数为45W/mK,若忽略污垢热阻,试求:(1)以内壁面为基准得总传热系数Ki;(2)单位面积上得热负荷q(W/m2);(3)管内壁温度TW及管外壁温度Ti;(4)试以计算结果说明为什么废热锅炉中转化气温度高达500左右仍可使用钢管做换热管。解:(1)Ki 所以 (2)q (3)管内壁温度TW 及 管外壁温度Ti 因为 由上述方程可解出 , (4)由计算结果可知,钢管得内外壁温度接近水侧沸腾得温度,即接近于热阻小得一侧流体得温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500左右,而钢管得温度小于238,故仍可在此高温下使用钢管做换热管。8 水以一定流速在直管中作湍流流动,若管壁温度不变为350K,水得进出口温度分别为290K及295K,若水得流速增加一倍,则水得出口温度变为多大？解:求 =2, =？ 以知 , , , 水湍流流动,需对水侧作热量恒算可求。一般情况,水得进出口温差小于10,那么温度对物性参数影响较小,因此可以认为水得物性参数保持不变。由题意知,流速改变前: (1) 流速改变后: (2) 流速改变前 流速改变后 350K 350K 350K 350K 290K 295K 290K 则 又 (3)因物性参数不变,则: (4)(1)/(2),并将各参数带入,可得: 9 现有一逆流冷却器,用冷水冷却油,使油温从420K降到370K,水进口温度为285K,出口温度为310K。设油与水得流率、进口温度保持不变,将冷却器长度增加一倍(其它尺寸不变),求油及水得出口温度。解: 420K 370K 310K 285K对体系进行热量恒算, 所以, (1) (2)冷却器长度增加一倍后, 420K T2 t2 285K假设: 则 所以, (3) (4)(1)=(3) 1、95= (5)(2)=(4) 3、9= (6)解(5)与(6)方程,得: T2 =341、74K t2 =324、13K 2, 则用算术平均值合适。10 、某工厂有一台列管式换热器,每小时将一定量得气体从80冷到60,冷却水温度由20升到30,气体在管内流过,冷却水在管外与气体成逆流。经核算,该换热器得传热系数,现生产需要气体出口温度更低,有人提出将一结构及大小与已用一台完全一样得换热器并联使用,气体量与原一台时相同,只就是分成相等得两股送入,冷却水进出每个换热器得温度仍与原来得一样。试计算:(1)此时气体得出口温度为多少？(2)两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低得温度？设:气体处理量与冷却水进出口温度都不变,忽略管壁与冷却水热阻,气体温度改变引起得物性改变也忽略不计。解:一台换热器情况: 所以 又因 气体放出得热量与冷却水得到得热量相等,所以: 即 (1)（1） 两台相同换热器并联使用 由于管间为水,管内为气体, 故有 气膜控制又 所以 故 (2)联立(1)式与(2)式解得: （2） 两台相同换热器串联使用时 (3)联立(1)式与(3)式解得: 因此两台串联使用可使气体出口温度降低到更低。11 某车间需要安装一台换热器,将流量为30m3/h、浓度为10%得NaOH水溶液由20预热到60。加热剂为127得饱与蒸汽。该车间现库存一台两管程列管式换热器,其规格为252mm;长度为3m;总管数72根。试问库存得换热器能否满足传热任务？ 操作条件下,NaOH溶液得物性参数为钢得导热系数污垢热阻总与 解:对库存换热器进行传热能力核算 其中 蒸汽冷凝宜走壳程,NaOH水溶液走管程。求管内NaOH水溶液一侧得 换热器得传热速率 该换热器得热负荷 因为 所以库存得换热器能够完成传热任务。另一种解法:由传热方程式求得完成传热任务所需要得传热面积为: 同上,换热器得热负荷 ,故 该库存换热器所提供得传热面积得传热面积为: 因为 所以 库存得换热器能够完成传热任务。12热气体在套管换热器中用冷水冷却,内管为钢管,导热系数。冷水在管内湍流流动,给热系数,热气在环隙中湍流流动,给热系数。不计垢层热阻,试求:（1） 管壁热阻占总热阻得百分数;（2） 内管中冷水流速提高一倍,总传热系数有何变化？（3） 内隙中热气体流速提高一倍,总传热系数有何变化？解: (1) =总热阻 W管壁热阻 =管壁热阻分率为(2)增加(3) 增加 由上可知,管壁热阻往往占分率很小,可忽略;提高K值,强化传热,应在小处着手。