传热过程基础

第五章传热过程基础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表面温度，若所测固体的表面积为0.02m2，厚度为0.02m，实验测得电流表读数为0.5A，伏特表读数为100V，两侧表面温度分别为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stlt2L式中QIV0.5100W50W2.某平壁燃烧炉由一层后，测得炉的内表面温度为S0.02m2,ti200C,t?50C,L0.02m将上述数据代入，可得QLSt1t2500.02WmC0.333WmC0.0220050400mm厚的耐火砖和一层200mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定1500C,外表面温度为100C,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10.80.0006t，绝缘砖的导热系数为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Q1Q2QSt1t213*Sb1St2t32Sb2(5-32)(5-32a)式中0.80.0006t0.80.00061500t1.250.0003t0.30.0003t0.30.0003100t0.3150.00015t代入(1.250.0003t)1500t0.4100(0.3150.00015t*0.2解之得tt2977C11.250.0003t1.250.0003977WmC1.543WmC一-1.5431500977Wm22017Wm20.4料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少?解：t1Wm0.02850.040.12QL1r21r3InInIn0.070.02850.0421122223.1417040.Wm150Wm11592501159250100InIn0.11591.0159100ht21ia1,r3InIn-21A22D23.1417040A、B两层互换位置后，热损失为W/m131.5W/m1,1592501,159250100InIn1.01590.11591004.直径为温灰作为绝热层。100mm厚的保绝热层外表面温度为10C。软木和保温57mm3.5mm的钢管用40mm厚的软木包扎，其外又包扎现测得钢管外壁面温度为120C,C)，试求每米管长的冷损失量。灰的导热系数分别为0.043W/(mC)和0.07W/(m10.02850.04In0.0430.0285解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则QL2nt1匕1r21r3In-In-1r1-r224.53Wm3.14120105.在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。数为45W/(m-C)。冷却水在管程流动，动，其对流传热系数为52W/(m2C)。总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。1bdo生dmidi45Wm2do25mm解：由Ko-查得钢的导热系数dm2.5mm2520mm22.5mm2换热管为其对流传热系数为试求基于管外表面积的总传热系数25mmX2.5mm的钢管，其导热系2600W/(m2C)，热空气在壳程流K,以及各分热阻占di2522.5mm20mm110.00250.0250.02552450.022526000.02壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为1/-100%皿100%506100%1Koo52管程对流传热热阻占总热阻的百分数为Kom2C50.6Wm2C97.3%1KoKd0-100%idi50.60.02526000.02100%2.4%管壁热阻占总热阻的百分数为100%bdoKodm100%.025.2556100%450.02250.3%6.在一传热面积为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。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，冷却水的出口温度升至40C,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4.174kJ/(kgG)；(2)两种情况下，八0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K115365522C52.7C11536In55223300004.174103622WtmQ_sim求清洗后传热系数K由热量衡算WhCphET2)WhCpET2)T2T1叫WhCT卫-t2t1t2t11154037.9,11540In37.9223300004.1741040360040WcCp,c(t2WcCp.(t2(t2tjtm52.722mC231WmCP,hT211522c36004038.1清洗前两侧的总传热热阻111RSKK23111555362238.1C4022C37.9C2C410.8W1410.8m2CW1.9103m2用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量4.17kJ/(kgG)。有机溶液的温度由110G4.17kJ/(kgG)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25G升至38G,平均比热容为降至65G,平均比热容为1.72kJ/(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量。解：Cp,cQWcCp,c(t2tj2800036004.171033825W4.22105W有机物110t653825tmWht7240C.72In404.22105W2554.4Q72405442310.3WmCKCphT1T24.221051.7210311065kgS5.452kgs1.963104kgh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4.174kJ/(kg-C)。有机溶剂的流量为14000kg/h，温度由180C降至120C,平均比热容为1.72kJ/(kgC)。设换热器的总传热系数为500W/(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：QWcphT,T2140001.72180120kJh1.4448106kJh401.3kW冷却水的出口温度为t2VcCpct11.444891030C64.61C100004.174逆流时tm18064.6112030,18064.61In120303401.31025.39 c115.39 C102.2CIn902mKtm500102.227.854m并流时tm12064.6118030.12064.61In18030401.31039461cC94.97C.55.39In1502mKtm50094.978.452m2解：苯蒸气的密度为PM1/833kgm2.692kgmRT0.0820627380.116002.692kgh4307.2kghWh4307.2394kJh1.697106kJh4.71105WWcCp,tj35000360031.6C178WhQQ4.173510(t220)4.7110解出t2求tm80.131.6tmt48.560.148.5,60.1In48.5Q4.7160.1C54.1C型m219.3m2SKtm45054.110.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65C。油在管程流动，进口温度为120C。出口温度为75C,试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油120水65tt2bt2Int1tmt753055455545C49.8Cln兰45计算P及Rt21TT26530120300.389120756530t21查图5-11(a)得At0.875tmAttm0.8751.28649.8C43.6C11.某生产过程中需用冷却水将油从105C冷却至70C。已知油的流量为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，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：(1)两流体呈逆流流动；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300W/(m2-C);油的平均比热容为1.9kJ/(kgC)，水的平均比热容为4.17kJ/(kgC)。热损失可忽略。解：本题采用NTU法计算(1)逆流时WhCphWcCpc6000360020002.9103W.C3166.7W.C3600CiCminRCmax4.17103WC2316.7W.C2316.73166.70.732300102316.7KSCmin0.622Cmin(T1t1)0.6222316.7(NTU)min查图得QT1WhCph105(2)并流时T21.295522W1.19610W11961051C67.2C70C能满足要求3166.7CR0.732(NTU)min查图得Q,min1.2950.52650.5262316.710522W1.01110W1.01110105C73.1C70C3166.712.在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5m2，总传热系数为1400W/(m2C);热水的初温为100C,流量为5000kg/h;冷水的初温为20C,流量为10000kg/h。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4.18kJ/(kgC)，热损失可忽略不计。50004.183600100004.18解:T2WhCph103WC5806WC310WC11611WCCrCimin5805.60.5Cmax11611(NTU)minKA1400Cmin5805.查图得0.575传热量QCmin(T1tj0.5755805.6100TT2100T2Tt10020解出t254CCrt2Xt220TT210054解出t243C13.水以1.5m/s的流速在长为试求水与管壁之间的对流传热系数。解:水的定性温度为tftb1tb22040C22WcCpc0.5750.530C由附录六查得51.2120W2.67105W30C时水的物性为3600不能满足要求3m、直径为25mm2.5mm的管内由20C加热至40C,p=995.7kg/m3,尸80.07X105Pas,A=0.6176W/(mC),Pr=5.42Redg0.021.5995.73.73忖(湍流)80.071053150600.02LdiRe、Pr及值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算。di水被加热，取n=0.4，于是得14.温度为90C的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为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tftb1tb29030c60C22由附录查得60C时甲苯的物性为p=830kg/m3,Cp=1840J/(kgC),尸0.4相_3Pas,A=0.1205W/(mC),PrC18400.41036110.1205Ub1500m/s0.256ms830n0.05240.256830、26539(湍流)n2-di4diUb36000.050.4103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di(11.77L)RRe式中弯管中的对流传热系数,W(m2C);直管中的对流传热系数,di管内径，m；R管子的弯曲半径，m。W(m2C)；0.023Re0.8Pr0.4di0.12050.023-0.0526539.30.86.110.4Wm2395.5Wm2C11.77虫R15.压力为101.3kPa,0.05.1.77W0.6温度为20C的空气以60m3/h395.5C35.6Wm2C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tb1tb22080_小bLC50C2250C时空气的物性为tf由附录五查得p=1.093kg/m3,Cp=1005J/(kgC),尸1.96材5Pas,)=0.0283W/(mC),Pr=0.698Ub60ms8.50msn,23.142di36000.0544Redu0.058.51.0931.961023679.5(湍流)0.023Re08Pr0.4di0.0230.028323679.380.6984Wm2C35.6Wm2C0.0516.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38mm3mm，正方形排列，中心距为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=0.854kg/m3,Cp=1013J/(kgC),尸2.37材5Pas,)=0.0349W/(mC),Pr=0.694采用凯恩(Kern)法，即Nu0.36Re0.55Pr13(5-63)(5-63a)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，则式中4(t2-do2)dennot相邻两管的中心距，m；Do管外径，m。代入t和do得2n24t-d0de一ndo式5-63及式5-63a中的流速n0.03824m0.049mn0.038u可根据流体流过管间最大截面积A计算，即40.0512式中AzD(1代入z、D、z两挡板间的距离，D换热器的外壳内径,t和do得m。zD1do1.45t0038m21.03m20.051A36001.03ms10.74msdeU0551:30140.36()Pr(一)dew0.36(虬)0.55Pr13()0.14de0.36整0.0490.550.04910.740.85452.37100.68413Wm2C50.8Wm2C98C,试计C)，Pr=1.76217.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tfS空98100C99C22由附录六查得99C时水的物性为p=958.5kg/m3,Cp=4220J/(kgC),尸28.41氷0_5Pas,A=0.683W/(m由附录八查得100C时饱和蒸气的物性为r2258kJ/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314113vgrmLttsatw,一958.5958.50.597v9.8122581030.68331.13厂28.411050.4100981.468104W.m2C14Wm2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|“21w3kgs4.1610kgsr2258103单位长度润湿周边上的凝液质量流率为24.16102,kgs5.210kg.ms0.4些693.318000.3103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。若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tfS、10096C98C22由附录查得在98C下，水的物性为：960.78kgm3；0.6822Wm2C；r2261.08kJkg;29.03105Pas水平放置23rg0.725Lt0.725竺史10396。7829810.68223Wm29.031050.02541.13空08C12C。5.6710202mK40.196W.m2K4；于是4T14T20.1961100100C1244001004卷Wm234.22Wm217530W垂直放置3rg1.13Lt32329.031053410960789810.6822Wm7427Wm2C通过上述计算可知，工业上的冷凝器应水平放置。.两平行的大平板，在空气中相距10mm，一平板的黑度为0.1,温度为400K;另一平板的黑度为0.05，温度为300K。若将第一板加涂层，使其黑度为0.025，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，则1;第一板加涂层后C12c。；Wm2K40.096Wm2K4Q12.SC12T1T24000.0961300F2Wm16.82Wm100100100100空气导热的热通量tmt1t2271277C77C，查得77C时，空气的导热系数220.03W.mCQ12.St1t20.03“c400300Wm2300W.m24444b0.01加涂层前后传热通量减少的百分率为Qi2SQi2SQi2SQi2S34.2216.8234.22300100%5.2%20.用压力为300kPa(绝对压力)的饱和水蒸气将20C的水预热至80C,水在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/(m2-C),水侧的污垢热阻为6X10-4m2-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，换热能力下降，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(1)tmU必050C22在50C下，水的物理性质如下：64.78102WmC；988.1kgm3；=54.9410-5Pas；Cp4.174kJkgCRe也0.020.698&12158210454.9410-5Pr-54.174100054.9410应用公式64.781025-58a进行计算3.540.023汕w(2)Q0.64780.80.023215820.0211dodoRsiodiidi3.530.4Wm2C3627Wm2CKStmWcCpc(t215000125WmC772.4Wm42561020362720tj(a)(b)KStmWcCpc(t2(b)式*(a)式，得Ktmt2t1Ktmt2t1t2t1tmKt2t1tmt2t1iThlnt2t1Tt2t1t2t1Rsi596.2Wm21.2lnLJ1Tt2,Tt1lnTt2,Tt1lnTt2,133.320ln133.370772.4Wm2C,133.320ln133.3801ZZdii103m2CW5000203627Rsi2520596.2Wm2C21在一套管换热器中，用冷却水将25mm2.5mm的内管中流动，其进、传热系数分别为850W/(m2C)和1700W/(m2C)，试求所需的管长和冷却水的消耗量。解：苯的定性温度kg/h4500出口温度分别为的苯由80C冷却至35C,；冷却水在17C和47C。已知水和苯的对流tt1t2tm1c57.5C2257.5C时苯的定压热容为1.824kJ/(kgC)水的定性温度t1t2tm2227C时水的定压热容为4.176kJ/(kgC)冷却水的消耗量QWhCph(TiT2)WcCpc(t2t1)WcCpc12t145008248035kgh2948kgh4.1764717换热器面积KStmWhCphtm1dii80471700208047InWhCphT1T2450085024.75C1.82410380485.7Wm2CKtm3600485.724.75352m3.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0.1W/(mC-),B层保温材料的厚度为100mm，导热系数为1.0W/(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；若将两层材