化工原理第三版传热习题.doc

传热一、填空(1) 在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于 侧的对流传热系数，而壁温接近于 侧流体的温度值。(2) 热传导的基本定律是 。间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻 （大、小）一侧的a值。间壁换热器管壁温度tW接近于a值 （大、小）一侧的流体温度。由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈小，则该壁面的热阻愈 （大、小），其两侧的温差愈 （大、小）。(3)由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈 ，其两侧的温差愈 。(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 ，减少热阻的最有效措施是 。(5) 消除列管式换热器温差应力常用的方法有三种，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的目的是 增加面积，增强流体的湍动程度以提高传热系数 。(6) 厚度不同的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，换热器的传热速率有何变化？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）冷热流体的出口温度一年后 （3） （4）方程（4）式/（3），得： 整理前半式的方程 （5）又因 ， 故 由等比定理 则 整理得， （6）联立（5）和（6），可得： ， （4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？ 则 3 有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，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的多少分数？(2) 在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。 问：随着污垢的增加，调节饱和蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？简述理由（定性分析）。注：冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。解：(1) a 垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。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，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗，且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。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： 清洗前后总热阻的差值是污垢热阻 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，是不能满足的，因为生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所需要的热量相当，这时会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加，使其满足热负荷的要求。假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，（换热量再减少即不能操作），这时蒸汽的温度提高到160即可满足要求。假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，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的热负荷不变。4.有一换热器，管内通90的热流体，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的壁温：（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，根据壁两侧的对流传热方程式可得： 则 （2） 同理 则 由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。5. 流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，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。已知气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数，管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kg，水的比热为4.17kJ/kg，不计温度变化对比热的影响，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的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？（3）此时的出口水温将为多少？（4）此时的冷却水用量为多少？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的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？ 原情况 (1) 新情况 (2)因 ， ， 换热器与气体的情况未变， 则 ， 故 则 ， （2， 则用算术平均值合适）对新情况下的热量进行衡算，故 6.在套管换热器中用120的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为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的钢管，有效长度为12m。试求：（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为2204kJ/kg）；（2）管内苯的对流传热系数ai；（3）当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？（4）若想维持苯的出口温度仍为60应采取哪些措施？作出定量计算。解：（1）饱和蒸汽流量； （2）管内苯的对流传热系数ai； 整理得 （1） （2） （3）苯的流量增加50%，苯的出口温度为若干 将其代入（2）式得 代入（1）式得 解得 （4）若想维持苯的出口温度仍为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，钢的导热系数为45W/mK，若忽略污垢热阻，试求：(1)以内壁面为基准的总传热系数Ki;(2)单位面积上的热负荷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，钢管的内外壁温度接近水侧沸腾的温度，即接近于热阻小的一侧流体的温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500左右，而钢管的温度小于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，水的进出口温度分别为290K及295K，若水的流速增加一倍，则水的出口温度变为多大？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，水的进出口温差小于10，那么温度对物性参数影响较小，因此可以认为水的物性参数保持不变。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。设油和水的流率、进口温度保持不变，将冷却器长度增加一倍（其它尺寸不变），求油及水的出口温度。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）和（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，每小时将一定量的气体从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，该换热器的传热系数，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的换热器并联使用，气体量与原一台时相同，只是分成相等的两股送入，冷却水进出每个换热器的温度仍与原来的一样。试计算：（1）此时气体的出口温度为多少？（2）两台换热器应如何安排才能把气体冷却到更低的温度？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，气体温度改变引起的物性改变也忽略不计。解：一台换热器情况： 所以 又因 气体放出的热量与冷却水得到的热量相等，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）式和（2）式解得： （2） 两台相同换热器串联使用时 （3）联立（1）式和（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%的NaOH水溶液由20预热到60。加热剂为127的饱和蒸汽。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。试问库存的换热器能否满足传热任务？ 操作条件下，NaOH溶液的物性参数为钢的导热系数污垢热阻总和 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水溶液一侧的 换热器的传热速率 该换热器的热负荷 因为 所以库存的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的传热面积为： 同上，换热器的热负荷 ，故 该库存换热器所提供的传热面积的传热面积为： 因为 所以 库存的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） 管壁热阻占总热阻的百分数；（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。