化工基礎習題解答《傳熱過程及換熱器》(張近主編)

1、傳熱過程及換熱器1.燃燒爐的平壁是一層耐火磚和一層普通磚砌成，內層耐火磚厚度為230mm，外層普通磚厚度為240mm，當達到定態(tài)傳熱時，測得爐內壁溫度是700，外表面溫度是100，為了減少熱量損失，在普通磚外面加砌一層厚度為40mm的保溫材料，當定態(tài)后測得內壁面溫度為720，保溫材料外表面溫度為70。求加保溫材料前后每平方壁面熱損失是多少？耐0.5815W·m-1·-1，0.07W·m-1·-1。 火磚、普通磚、保溫材料的熱導率分別為1.163W·m-1·-1，解：根據多層平壁熱傳導公式：Qti =Aii加保溫材料前：ti=t1-tn

2、+1=700-100=600i0.230.24=+=0.6105 i1.1630.5815Q600=982.8W/m2 A0.6105加保溫材料后：ti=t1-tn+1=720-70=650i0.230.240.04=+=1.182 i1.1630.58150.007Q650=545W/m2 A1.1822.如習題1加保溫材料后測得內壁面溫度為720，保溫材料外表面溫度為70。計算耐火磚與普通磚、普通磚與保溫材料間的交界面溫度。 解：加保溫材料后，傳熱速率為：Q650=545W/m2 A1.182根據平壁熱傳導公式：Qt1t2=545 1A1t1=720；1=1.163W·m-1&#

3、183;-1，1=0.24m代入上式解得：t2=t1Q10.23=720545×=611.2 A11.163Q30.04=70+545×=381.4 A30.07同理得 t3=t4+3.平壁爐的爐壁內層為120mm厚的耐火材料和外壁厚度為230mm建筑材料砌成，兩種材料的導熱系數為未知，測得爐內壁面溫度為800，外側壁面溫度113，后來在普通建筑材料外面又包一層厚度為50mm的石棉以減少熱損失，包扎后測得爐內壁面溫度為800，耐火材料與建筑材料交界面溫度為686，建筑材料與石棉交界面溫度為405，石棉外側溫度為77，問包扎石棉后熱損失比原來減少的百分數？解：包石棉材料前得傳

4、熱速率Q1=t=800113 +12包石棉材料后得傳熱速率Q2=t=800405 +12包扎石棉后熱損失比原來減少的百分數=1Q2800405=1=0.425=42.45% 800113Q14.50mm×5mm的不銹鋼管(1=16 W·m-1·K-1)外包扎厚度為30mm的石棉(2=0.22 W·m-1·K-1),若管內壁溫度為600，石棉外壁面溫度100，求每米管線的熱損失。若要使溫差保持不變，欲使熱損失減少60%，在石棉層外再包一層保溫材料(3=0.07 W·m-1·K-1)，求該保溫材料的厚度為多少？解：(1)、Q2(

5、t1tn+1)2(600100)=872.52W/m =n=1ri+1Lln+lnln15400.2250ri1i5.用48 mm×3mm的鋼管(=45 W·m-1·K-1)輸送0.304MPa的飽和水蒸汽，外界空氣為20，求不保溫與包上30mm厚的石棉時每米管長的熱損失速率(空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂悼扇椋羝麄鳠岬臒嶙韬雎?。解：查?.304MPa的飽和水蒸汽的溫度為133.74 143.744Q2(t1tn+1)2(133.7420)=194W/m =n=1ri+1Lln+lnln45420.2248ri1i6. 50 mm×3mm的鋼管(=45 W&

6、#183;m-1·K-1)外包扎二層絕熱材料，內、外層厚度分別為25mm和40mm，熱導率分別為0.08 W·m-1·K-1及0.04 W·m-1·K-1。若管內壁面溫度為277，絕熱材料外表面溫度為57，求每米管長的熱損失速率。 解：Q2(t1tn+1)2(27757)=59.14W/m =n=1ri+1Lln+lnln+ln45440.08500.04100ri1i7.某蒸汽管外徑為100mm，外面包有兩層絕熱材料，內層為50mm厚的絕熱材料A(=0.06 W·m-1·K-1)，外層為25mm絕熱材料B(=0.075 W

7、·m-1·K-1)，若A層內表面溫度為175，B外表面溫度為38，計算每米管長的熱損失及A，B交界面的溫度。 解：Q2(t1tn+1)2(17538)=59.22W/m =n=1ri+1Llnln+ln0.061000.075200ri1iQ2(t1t2)2(175x)=n=59.22W/m 1ri+1Llnln0.06100ri1i1200lnx=17559.22×=66.06 28.煉油廠在一列管換熱器中用熱油加熱冷油。管子規(guī)格為=38×3mm，管程冷油的流速為1.1m·s-1從25加熱到125，在定性溫度下冷油的物性參數為，密度850kg

8、·m-3，比熱2.5kJ·kg-1·K-1，粘度2×10-3Pa·s，熱導率0.12 W·m-1·K-1。求冷油的表面?zhèn)鳠嵯禂怠?du0.8Cp0.40.120.032×1.1×8500.82500×2×1030.4解：=0.023()(=0.023××)× 3d0.0322×100.12= 838.7 W·m-2·K-19.在一列管換熱器中，用水蒸氣加熱原油。管子規(guī)格=25×2.5mm，管程原油的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?0

9、00 W·m-2·K-1，管內污垢層的熱阻系數Rh,1=1.5×10-3m2·K·W-1；管外水蒸氣加熱原油，管外污垢熱阻及管壁的熱阻忽略不計，求傳管外水蒸氣的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?0000 W·m-2·K-1，熱系數及各部分熱阻占總熱阻的百分數。解：以內表面為計算基礎K=11+Rh,1+1oido=1+1.5×103+100010000×25=388Wm2K1總熱阻R=0.00258內表面熱阻R1=0.001占總熱阻的百分數38.88%外表面熱阻Ro=0.00008占總熱阻的百分數3.10%污垢層的熱阻系數R

10、h,1=1.5×10-3占總熱阻的百分數58.2%以外表面為計算基礎K=1d0d+Rh,1i1+1id1doo=1+1.5×103×+1000×202010000=310Wm2K1總熱阻R=0.00323內表面熱阻R1=0.00125占總熱阻的百分數38.70%外表面熱阻Ro=0.0001占總熱阻的百分數3.10%污垢層的熱阻系數Rh,1=1.875×10-3占總熱阻的百分數58.04%10.兩湍流流動的流體在套管換熱器中換熱，第一流體對管壁的表面?zhèn)鳠嵯禂?=233 W·m-2·K-1，管壁對第二流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?=407

11、 W·m-2·K-1。若忽略管壁和垢層的熱阻，求下列情況傳熱系數各增加多少？(1).假定第一流體流速增加一倍，其余不變。(2).假定第二流體流速增加一倍，其余不變。解：u0.8第一流體流速增加一倍，其余不變。1=233 W·m-2·K-1，則1=20.81=406 W·m-2·K-1第二流體流速增加一倍，其余不變。2=407 W·m-2·K-12=20.82=709 W·m-2·K-1K=112'1+=i1233×407=12=148Wm2K1 212+1233+4071i21

12、'i2406×407(1)、K=203Wm2K1 '2+1406+407K'203=1.37 K148'1i2233×709(2)、K='=175Wm2K1 2+1233+709'1K'175=1.18 K14811.在管長為1m的單程套管換熱器中，用水冷卻熱油，兩種流體并流換熱，油的初溫為150，終溫為100；水的初溫為15，終溫為40。欲用加長換熱器管子的辦法，使油的出口溫度降至80，求此時的管長。假設在兩種情況下，油和水的質量流量、進口溫度、物性參數和傳熱系數均不變化，熱損失可忽略；換熱器除管長外，其余尺寸也不變

13、化。 解：油放熱Q放=(ms·Cp)油·(T1-T2)水吸熱Q吸=(ms·Cp)水·(t2-t1)熱損失不計則Q放=Q吸，得：(msCp)油(msCp)水=t2t1； T1T2根據傳熱方程Q=KAtm；K=Q Atm未加長管子時(msCp)油(msCp)水=4015t2t1=0.5 T1T2150100tm1=t1t2(15015)(10040)=92.5 t1lnln10040t2加長管子后油和水的質量流量、進口溫度、物性參數和傳熱系數均不變化。 則有(t2t1ttQQ1=(212；()1=()2 AtmAtmT1T2T1T2(msCp(T1T2)mC

14、p(T1T2)1=(s2 dLtmdLtm得：(t2)2=(t2t1)1(T1T2)2(4015)×(15080)+t1=+15=50 (T1T2)1150100tm2=t1t2(15015)(8050)=69.8 1lnln8050t2L2=tm1L1(T1T2)292.5×(15080)=1.86m tm2(T1T2)169.8×(150100)12.列管換熱器的管束由若干根長3m，規(guī)格為=25×2.5mm的鋼管組成，要求將質量流量為1.25kg/s-1的苯由80冷卻到30，20的水在管內與苯逆流流動。已知水側和苯側的表面?zhèn)鳠嵯禂捣謩e為850 W&#

15、183;m-2·K-1和1700 W·m-2·K-1。污垢熱阻可忽略，若維持水的出口溫度不超過50，求所需列管數，苯的比熱1900J·kg-1·K-1，密度880kg·m-3，管壁導熱系數=45 W·m-1·K-1。解：根據傳熱計算方程Q=KAtm傳熱速率Q，按苯的熱負荷計算Q=m·Cp·=1.25×1.9×50 =118.75kW傳熱系數K以水側為計算基準K=11=592.9Wm2K1 1+1+×+4522.51700×251dmoido850傳熱系數K

16、以苯側為計算基準K=11=474.3Wm2K1 0+×+i+04522.5850×200dm1id11700傳熱溫差tm逆流傳熱t(yī)m=T1T2(8050)(3020)=18.2K T1lnln3020T2水側傳熱面積A1Q118.75×103n=46.7根=48根 Kiidilit592.9×3.14×0.02×3×18.2苯側傳熱面積A0A=n··d0·lQ118.75×103n=58.4根=59根 Kiidilit474.3×3.14×0.025×3&

17、#215;18.213.在列管換熱器中用蒸氣加熱溶液，列管為25mm×1.5mm的鋼管。水蒸氣冷凝的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?5000 W·m-2·K-1，溶液的表面?zhèn)鳠嵯禂等?000 W·m-2·K-1，管壁的導熱率=50W·m-1·K-1。若，使用一段時間后，管內壁沉積1mm的垢層，垢層的導熱率=1 W·m-1·K-1，求此時傳熱量為原來的分率。解：根據傳熱計算方程Q=KAtm以管內壁為計算基準面則：K=11=1724.1Wm2K1 dd1+i+1+×+5022.515000×251dmoi

18、do200011 =680.7Wm2K1+×+×+20004022.5122.515000×25使用一段時間后 K'=+11+(垢+1dmdmoido=1因為水蒸氣的冷凝溫度和溶液加熱溫度都不變化則Atm=AtmQ=KAtm=1704.5AtmQ=KAtm=677.7 AtmQ680.7=0.395=39.5% Q1724.114.在列管換熱器中，用原油與熱重油換熱，原油初始溫度為20，質量流量為10000kg·h-1，比定壓熱容2.2kJ·kg-1K-1。重油從180 冷卻到120，質量流量為14000 kg·h-1比定壓熱

19、容1.9kJ·kg-1K-1，設在逆流和并流操作時的傳熱系數K均為200 W·m-2·K-1，求并流與逆流的傳熱面積比。解：假設傳熱過程熱損失不計則有Q熱=Q冷Q熱=(m·Cp)熱·(T1-T2)=14000×1.9×(180-120)= 1596000 kJ·h-1Q冷=(m·Cp)冷·(t2-t1)=10000×2.2×(t2-20)=22000t2-440000得：t2=92.5t逆流=(T1t2)(T2t1)(18092.5)(12020)=93.6K 12lnln1

20、2020(T2t1)(T1t2)(T2t1)(18020)(12092.5)=75.2K T1t2lnln12092.5(T2t1)t并流=根據傳熱計算方程Q=KAtmA=Q ；Q熱=Q冷；逆流和并流操作時的傳熱系數K均為200 W·m-2·K-1 KtmA逆流A并流=t逆流t并流=93.6=1.244 75.214.要求每小時冷凝500kg乙醇蒸氣，并將凝結液冷卻至30，乙醇的凝結溫度為78.5，凝結熱為880kJ·kg-1，液體乙醇的平均比定壓熱容為2.8 kJ·kg-1K-1。乙醇蒸氣在該條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?500 W·m-2·K-1，乙醇液體的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?00 W·m-2·K-1。冷卻水（逆流）的初始溫度為15，排出溫度為35，水的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?000 W&