化工原理第四章答案.doc

应化0801/0802、化学工程0801/高分子0801 化工原理第四章 传热习题解答 7-7 3/20/2010
第四章 传热习题解答【p286-288】【1.6.7.8.9.10.13.14.18.20.22.24.25】
1．平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度和热导热系数如下：
序号
材料
厚度b，mm
热导热系数λ，
W×m-1×℃-1
1（内层）
耐火砖
200
1.07
2
绝缘砖
100
0.14
3
钢
6
45
若耐火砖内层表面的温度t1为1150℃，钢板外表面温度t2为30℃，又测得通过炉壁的热损失为300W×m-2，试计算热传导的热通量。若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因并计算附加热阻。
解： w/m2
计算比测量大，存在附加热阻（由于层与层之间接触不好有空气），设附加热阻为Ri 则：

Ri=2.83m.k/w
6.在并流的换热器中，用水冷却油。水的进，出口温度分别为15℃和40℃，油的进，出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃，设油和水的流量，进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m，试求将此换热器的管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可以忽略。
解：
在原冷却器中 对油 （1）
对水 （2）
并流时 ℃
℃
℃
=
在新的冷却塔中 对油 （3）
对水 （4）
解上述方程得： =50℃
=
℃
℃
℃
=1.85=1.85m
7. 重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243℃和128℃，终温分别为167℃和157℃。若维持两种油的初温和流量不变，而将两种油改为逆流，试求此时流体的平均温度差和它们的终温，假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，热损失可以忽略不计。
解：并流时 重油 （1）
原油 （2）
℃
逆流时
重油 （3）
原油 （4）
联立方程用试差法求得:
℃ ℃
℃
8.在下列的各种列管换热器中，每小时将29400kg的某种溶液从20℃加热到50℃。溶液在列管内流动。加热介质的进口温度为100℃，出口温度为60℃，试求下面情况下的平均温度差。
(1)壳方和管方流体均为单程的换热器，假设两流体呈逆流流动。
(2)壳方和管方流体分别为单程和四程的换热器。
(3)壳方和管方流体分别为二程和四程的换热器。
解：
(1) kg/h ℃℃
℃℃
℃ ℃
℃ ()
或者 ＝44.8℃
（2）由＝44.8℃
由图4-17【p225-226】
℃
（3）同理由图4-17【p225-226】

9. 在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg×s-1的液体（比定压热容为1.69kJ×kg-1×℃-1，密度为850kg×m-3）由80℃冷却到30℃。换热器的列管直径为Φ25×2.5mm，水走管内。水侧和液体侧的对流表面传热系数分别为0.85和1.70kW×m-2×℃-1，污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。
解：
水的出口温度取50 ℃
℃
Ko=w/m2.k
w2=1.25kg/s =1.69kJ/kg.k
故：A0=m2
10. 在列管式换热器中用冷水冷却油。水在直径为Φ19×2mm 的列管内流动。已知管内水侧对流表面传热系数hi为3490 W×m-2×℃-1,管外油侧的对流表面传热系数ho为258 W×m-2×℃-1.换热器在使用一段时间后，管壁两侧都有污垢形成，水侧污垢热阻Rsi为0.00026 ㎡×℃×W-1,油侧污垢热阻Rso为0.000176㎡×℃×W-1。管壁热传导系数l为45 W×m-1×℃-1.试求：(1)基于管外表面积的总传热系数KO；(2）产生污垢后热阻增加的百分数。
解：(1) 未结垢前 Ko=w/m2.k
结垢后
K1=w/m2.k
（2） =10%
13. 90℃的正丁醇在逆流换热器中被冷却到50℃。换热器的传热面积为6m²，总传热系数为230 W×m-2×℃-1。若正丁醇的流量为1930kg×h-1，冷却介质为18℃的水，试求：
(1)冷却水的出口温度；
(2)冷却水的消耗量，以m³×h-1表示。
解：
(1)
kg/h ℃
由70oC查表得正丁醇的kJ/kg.k
由题可知：K0=230w/m2.k A0=6m2
℃℃
℃℃

´2.8´103´ (90-50)=230´6´
T1=37℃
(2)
=kg/h=2.721m3/h
14. 在逆流换热器中，用冷油冷却热油，油的比定压热容均为1.68kJ×kg-1×℃-1，热油的流量为3000kg×h-1。热油从100℃冷却到25℃，冷油从20℃加热到40℃。已知总传热系数KO随热油的温度T变化如下：
热油温度T，℃
100 80 60 40 30 25
总传热系数K。，W×m-2×℃-1
355 350 340 310 230 160
试求换热器的传热面积。
解： 热油 ℃
由题附表可以得出
Ko=341.3 w/m2.k
℃

A0=m2
18. 一定量的空气在蒸气加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内呈湍流流动。压强为1.8kgf×cm-2的饱和蒸气在管外冷凝。现生产要求空气流量增加20%，而空气的进，出口温度不变，试问应采取何措施才能完成任务。作出定量计算。假设管壁和污垢热阻均可忽略。
解： =50 OC
空气在50 ℃下的物性参数：
kg/m3 kJ/kg.k w/m.k
水蒸气在5Pa的饱和温度℃
当空气流率增加20%设蒸汽温度为 Ts1
（1）

（2）
0.8
℃
（3）
由（1）、（2）和（3）式得：Ts1=118℃
20．温度为90℃的甲苯以1500 kg×h-1的流量通过蛇管而被冷却至30℃。蛇管的直径为Φ57×3.5mm，弯曲半径为0.6m，试求甲苯对蛇管的对流表面传热系数。
解：
℃
在此温度下甲苯的物性参数：
´10-3 Pa.S 1.8 kJ/kg.k w/m.k kg/m3
2.79´104104

直管 hi0.023´´(2.79´104)0.8 ´ =365w/m2.k
蛇管 hi＝hi直管w/m2.k
弯曲半径 管半径
22. 室内水平放置表面温度相同，长度相等的两根圆管，管内通有饱和蒸气。两管均被空气的自然对流所冷却，假设两管间无相互影响。已知一管直径为另一管的5倍，且两管的Gr•Pr在104~109之间，试求两管热损失的比值。
解：此为大容器自然对流问题
小管直径为d　大管为D D=5d 两管长L

==
24. 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸气冷凝。列管由直径为Φ25×2.5mm的钢管组成。当水的速度为1m×s-1时，测得基于管外表面积的总传热系数Ko为2115 W×m-2×℃-1，当其它条件不变，而水的速度变为1.5m×s-1时，测得Ko为2660 W×m-2×℃-1。试求蒸气冷凝的传热系数。污垢热阻可忽略。
解：　忽略管壁及污垢热阻
对水　 h=Cu0.8
Ko=w/m2.k
=w/m2.k
解得: c=3574.5 h0=8122 w/m2.k
25. 两平行的大平板，在空气中相距5mm，一平板的黑度为0.1，温度为350K，另一平板的黑度为0.05，温度为300K。若将第一板加涂层，使其黑度变为0.025，试计算由此引起传热量的改变的百分数。假设两板间的对流传热可忽略。

解：两导热板热通量为： w/m2
辐射传热的热通量为：
=w/m2
总热通量为： w/m2
当一板黑度变为0.025时，辐射热通量变为：
w/m2
w/m2
总传热量减少百分数为：
辐射传热量减少百分数为：´100％＝50.8％
考试题【题型】. 在列管换热器中，用热水加热冷水，热水流量为4.5×103kg×h-1，温度从95℃冷却到55℃，冷水温度从20℃升到50℃，总传热系数为2.8×103 W×m-2×℃-1。试求：①冷水流量；②两种液体作逆流时的平均温度差和所需要的换热面积；③两种流体作并流时的平均温度差和所需要的换热面积；④根据计算结果，对逆流和并流换热作一比较，可得到哪些结论。
解：（1）
w2=6000kg/h
（2） 逆流时 ℃
A=m2
（3） 并流时 ℃
A=m2
（4） 相同的进出口温度，逆流所需传热面积较小，因为逆流时传热推动力较大。
7