傳熱過程基礎(chǔ)Word版

1、第五章 傳熱過程基礎(chǔ) 1用平板法測定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時在板兩側(cè)用熱電偶測量其表面溫度，若所測固體的表面積為0.02 m2，厚度為0.02 m，實驗測得電流表讀數(shù)為0.5 A，伏特表讀數(shù)為100 V，兩側(cè)表面溫度分別為200 和50 ，試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 解：傳熱達穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱（導(dǎo)熱）速率相等，即 式中 將上述數(shù)據(jù)代入，可得 2某平壁燃燒爐由一層400 mm厚的耐火磚和一層200 mm厚的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測得爐的內(nèi)表面溫度為1500 ，外表面溫度為100 ，試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，已知耐

2、火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為，。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。 解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即 （5-32）或 （5-32a）式中 代入1、2得 解之得 則 3外徑為159 mm的鋼管，其外依次包扎A、B兩層保溫材料，A層保溫材料的厚度為2 / 1550 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(m·)，B層保溫材料的厚度為100 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W /(m·)，設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170 和40 ，試求每米管長的熱損失；若將兩層材料互換并假設(shè)溫度不變，每米管長的熱損失又為多少？ 解： A、B兩層互

3、換位置后，熱損失為 4直徑為mm的鋼管用40 mm厚的軟木包扎，其外又包扎100 mm厚的保溫灰作為絕熱層?，F(xiàn)測得鋼管外壁面溫度為，絕熱層外表面溫度為10 。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為)和)，試求每米管長的冷損失量。 解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，則 5在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為25 mm×2.5 mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·)。冷卻水在管程流動，其對流傳熱系數(shù)為2 600 W/(m2·)，熱空氣在殼程流動，其對流傳熱系數(shù)為52 W/(m2·)。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)，以及各分熱阻占總熱阻的百分數(shù)。設(shè)污垢熱阻可忽

4、略。 解：由查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù) mm mm 殼程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數(shù)為 管程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分數(shù)為 管壁熱阻占總熱阻的百分數(shù)為 6在一傳熱面積為40 m2的平板式換熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動。冷卻水的流量為30 000kg/h，其溫度由22 升高到36 。溶液溫度由115 降至55 。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至40 ，試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：（1）兩種情況下，冷、熱流體的物性可視為不變，水的平均比熱容為4.174 kJ/(kg·)；（2）兩種情況下，分別相同；（3）忽略壁面熱阻和熱

5、損失。 解：求清洗前總傳熱系數(shù)K 求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算 清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻 7在一傳熱面積為25 m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機溶液。冷卻水的流量為28 000kg/h，其溫度由25 升至38 ，平均比熱容為4.17 kJ/(kg·)。有機溶液的溫度由110 降至65 ，平均比熱容為1.72 kJ/(kg·)。兩流體在換熱器中呈逆流流動。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計算該有機溶液的處理量。 解： kJ/(kg·) 求 有機物 110 65 水 38 25 72 40 8在一單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機溶劑。冷卻

6、水的流量為10 000 kg/h，其初始溫度為30 ，平均比熱容為4.174 kJ/（kg·）。有機溶劑的流量為14 000 kg/h，溫度由180 降至120 ，平均比熱容為1.72 kJ/（kg·）。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為500 W/(m2·)，試分別計算逆流和并流時換熱器所需的傳熱面積，設(shè)換熱器的熱損失和污垢熱阻可以忽略。解： 冷卻水的出口溫度為逆流時并流時 9在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知苯蒸汽的體積流量為1 600 m3/h，常壓下苯的沸點為80.1 ，氣化熱為394 kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20 ，流量為35

7、 000 kg/h，水的平均比熱容為4.17 kJ/(kg·)?？倐鳠嵯禂?shù)為450 W/(m2·)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計算所需的傳熱面積。 解：苯蒸氣的密度為 解出 求 苯 80.1 80.1 水 31.6 20 48.5 60.110在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程內(nèi)流動，進口溫度為30 ，出口溫度為65 。油在管程流動，進口溫度為120 。出口溫度為75 ，試求其傳熱平均溫度差。 解：先求逆流時平均溫度差 油 120 75 水 65 30 55 45 計算P及R 查圖5-11（a）得 11某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從105 冷卻至70 。已知油的流量

8、為6 000 kg/h，水的初溫為22 ，流量為2 000 kg/h。現(xiàn)有一傳熱面積為10 m2的套管式換熱器，問在下列兩種流動型式下，換熱器能否滿足要求： （1） 兩流體呈逆流流動； （2） 兩流體呈并流流動。 設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為300 W/(m2·)；油的平均比熱容為1.9 kJ/(kg·)，水的平均比熱容為4.17 kJ/(kg·)。熱損失可忽略。 解：本題采用法計算 （1）逆流時 查圖得 能滿足要求 （2）并流時 查圖得 不能滿足要求12在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻。已知換熱器的傳熱面積為5 m2，總傳熱系數(shù)為1

9、400 W/(m2·)；熱水的初溫為100 ，流量為5 000 kg/h；冷水的初溫為20 ，流量為10 000 kg/h。試計算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為4.18 kJ/(kg·)，熱損失可忽略不計。 解： 查圖得 傳熱量 解出 解出 13水以1.5 m/s的流速在長為3 m、直徑為的管內(nèi)由20 加熱至40 ，試求水與管壁之間的對流傳熱系數(shù)。 解：水的定性溫度為 由附錄六查得30時水的物性為 995.7 kg/m3，=80.07×105 Pa·s，=0.6176，Pr=5.42則 （湍流） Re、Pr及值均在式5-59a的應(yīng)用范圍

10、內(nèi)，故可采用式5-76a近似計算。 水被加熱，取n=0.4，于是得 14溫度為90 的甲苯以1500 kg/h的流量流過直徑為mm，彎曲半徑為0.6 m的蛇管換熱器而被冷卻至30 ，試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數(shù)。 解：甲苯的定性溫度為 由附錄查得60時甲苯的物性為 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg·)，=0.4×103 Pa·s，=0.1205，則 （湍流） 流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時可用下式計算對流傳熱系數(shù)，即 式中 彎管中的對流傳熱系數(shù)，； 直管中的對流傳熱系數(shù)，； di管內(nèi)徑，m

11、； R管子的彎曲半徑，m。 15壓力為101.3 kPa，溫度為20 的空氣以60 m3/h的流量流過直徑為，長度為3 m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至80 ，試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。 解：空氣的定性溫度為 由附錄五查得50 °C時空氣的物性為 1.093 kg/m3，Cp1005 J/(kg·)，=1.96×105 Pa·s，=0.0283，Pr=0.698則 （湍流） 16常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過。已知管子尺寸為mm，正方形排列，中心距為51 mm，擋板距離為1.45 m，換熱器外殼內(nèi)徑為 m，空氣流量為，平均溫度為140 ，試

12、求空氣的對流傳熱系數(shù)。 解：由附錄五查得°C時空氣的物性為 0.854 kg/m3，Cp1013 J/(kg·)，=2.37×105 Pa·s，=0.0349，Pr=0.694 采用凱恩（Kern）法，即 （5-63）或 （5-63a）傳熱當量直徑可根據(jù)管子排列情況進行計算。管子為正方形排列，則 式中 t相鄰兩管的中心距，m； Do管外徑，m。代入和do得 式5-63及式5-63a中的流速u可根據(jù)流體流過管間最大截面積A計算，即 式中 z兩擋板間的距離，m； D換熱器的外殼內(nèi)徑，m。代入z、D、t和do得 上述式中的對氣體可取為1.0。 17將長和寬均為

13、0.4 m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為98 ，試計算平板與蒸汽之間的傳熱速率及蒸汽冷凝速率。 解：水的定性溫度為 由附錄六查得99 °C時水的物性為 958.5 kg/m3，Cp4220 J/(kg·)，=28.41×105 Pa·s，=0.683oC)，Pr=1.762由附錄八查得100 °C時飽和蒸氣的物性為 kJ/kg，kg/m對于此類問題，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜為層流，由式5-135得 核算冷凝液流型，由對流傳熱速率方程計算傳熱速率，即 冷凝液的質(zhì)量流率為 單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為 則 故

14、假定冷凝液膜為層流是正確的。18常壓水蒸氣在一mm，長為3 m，水平放置的鋼管外冷凝。鋼管外壁的溫度為96 ，試計算水蒸氣冷凝時的對流傳熱系數(shù)。若此鋼管改為垂直放置，其對流傳熱系數(shù)又為多少？由此說明工業(yè)上的冷凝器應(yīng)如何放置？ 解：由附錄查得，常壓水蒸氣的溫度為100 。 定性溫度由附錄查得在98 下，水的物性為： 水平放置垂直放置 通過上述計算可知，工業(yè)上的冷凝器應(yīng)水平放置。 19兩平行的大平板，在空氣中相距10 mm，一平板的黑度為0.1，溫度為400 K；另一平板的黑度為0.05，溫度為300 K。若將第一板加涂層，使其黑度為0.025，試計算由此引起的傳熱通量改變的百分數(shù)。假設(shè)兩板間對流

15、傳熱可以忽略。 解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板，則； ；于是 第一板加涂層后 空氣導(dǎo)熱的熱通量，查得時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)加涂層前后傳熱通量減少的百分率為 20用壓力為300 kPa（絕對壓力）的飽和水蒸氣將20 的水預(yù)熱至80 ，水在mm水平放置的鋼管內(nèi)以0.6 m/s的速度流過。設(shè)水蒸氣冷凝的對流傳熱系數(shù)為5 000 W/(m2·)，水側(cè)的污垢熱阻為6×10-4 m2·/W，蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計，試求（1）換熱器的總傳熱系數(shù)；（2）設(shè)操作半年后，由于水垢積累，換熱能力下降，出口水溫只能升至70 ，試求此時的總傳熱系數(shù)及水側(cè)的污垢熱阻。解：查附錄得，300 kPa的飽和水蒸氣溫度為133.3 水的定性溫度為（1）在50 下，水的物理性質(zhì)如下： 應(yīng)用公式5-58a進行計算（2） （a） （b）（b）式÷（a）式，得21在一套管換熱器中，用冷卻水將4 500 kg/h的苯由80 冷卻至35 ，；冷卻水在mm的內(nèi)管中流動，其進、出口溫度分別為17 和47 。已知水和苯的對流傳熱系數(shù)分別為850 W/(m2·)和1 700 W/(m2