新版化工原理習(xí)題答案第五章傳熱過程基礎(chǔ)

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2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 m,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 c和50 C,試求 該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)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Q t1 t2S式中LIV 0.5 100W 50W2S 0.02m； t1200 C, t2 50 C, L 0.02m將上述數(shù)據(jù)代入，可得QLStl t250 0.020.02 200 50W. m0.333W m C

2、2 0.3解:式中代入Q1Q2Q1S0.80.3(1.25(5-32 )t1t2b12S0t3 b2(5-32 a)0.0006t0.0003t0.80.31500 t0.0003t)-0.40.00060.00031500 t2100 t21.250.315(0.315 0.00015t)t0.0003t0.00015t1000.22 .某平壁燃燒爐由一層 400 mmS的耐火磚和一層 200 mm的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后, 測得爐的內(nèi)表面溫度為1500 C,外表面溫度為 100 C,試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩科接觸良好，已知耐火科的導(dǎo)熱系數(shù)為1 0.8 0.0006t ,絕緣

3、科的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.0003t , W/（m C）。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。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，即解之得t t2977 C11.250.0003t 1.250.0003 977 W. mC 1.543W m CQ. S 1t1tJ1.543b1儂*Wm20.42017W. m23 .外徑為159 mmW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 50 mm 導(dǎo)熱系數(shù)為 W /（mC）, B層保溫材料的厚度為 100 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為 W /（mC）,設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170 c和40 C,試求每

4、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：Q. Ltl t2,2ln 123ln 322 3.14 170 4011592501159250100In In0.11591.0159100150W mA、B兩層互換位置后，熱損失為Q. Lt1 t21213In - In 2112222 3.14 170 401159 2 501159 2 50 100InIn 一1.01590.1159 100131.5W m4 .直徑為 57mm 3.5mm勺鋼管用40 mnB的軟木包扎，其外又包扎100 mnB的保溫灰作為絕熱層?，F(xiàn)測得鋼管外壁面溫度為120 C,絕熱層

5、外表面溫度為10 Co軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043 W/(m C)和0.07W/(m C),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Q.L2 3.142 7tti t224.53W m，In。0285。040.0430.0285120 101 , 0.0285 0.04 0.1In0.070.0285 0.045.在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為25 mmx2.5 mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m C )。冷卻水在管程流動，其對流傳熱系數(shù)為2 600 W/(m 2 C ),熱空氣在殼程流動，其對流傳熱系數(shù)為 52 W/(m2- C)o試求基于管外表

6、面積的總傳熱系數(shù)K ,以及各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由Ko11 b dodoo dmidi查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45W, m2 Cb2.5mmdo 25 mm di25 20”mm 22.5mm2110.0025 0.0250.02525 2 2.5 mm 20mmdmKoW m2 C 50.6W： m2 C5245 0.02252600 0.02殼程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為1-100% 區(qū) 100% 506 100% 97.3%52管程對流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為dodi i 100%1KoK d o o 100% idi50.6 0.025°, 八,100

7、% 2.4%2600 0.02管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為bdodm 100% bdK 100%1dK1mo0.0025 0.025 50.6°, 八,100% 0.3%45 0.02256 .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 C升高到36 C。溶液溫度由115 C降至55 C。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升1)兩種情況下，冷、熱40 C,試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：(kJ/(kg C); ( 2)兩種情況下，i、。分別相流

8、體的物性可視為不變，水的平均比熱容為 同；(3)忽略壁面熱阻和熱損失。解：求清洗前總傳熱系數(shù) Ktm115 3655 22 八-C,115 36ln 55 22330000 4.174 1052.736S tm求清洗后傳熱系數(shù)K 由熱量衡算川£/1T2)川£/1T2)3600 40WJ,c(tWJ,c(t'2'2tm52.7t)t)TiTig,c WChT1T2(t2 t1)t2 t1t23115 4037.9115115 40 ln37.9 22330000 4.174 10403600 40 38.1清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻111Rs K K 23122.

9、2W m C 231W136545 40 22 C 37.9C38.1 C22 W, m2 C 410.8W1410.8m2 C W 1.9 10 3 m27 .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(jī)溶液。冷卻水的流量為28 000kg/h，其溫度由25 C升至38 C ,平均比熱容為 kJ/(kg C)。有機(jī)溶液白溫度由110 C 降至65 C,平均比熱容為 kJ/(kg - C)o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(jī)溶液的處理量。解：Cp,cQ4.17 kJ/(kg C )WcCp,c(t2 t1)280003

10、54.17 10338 25 W 4.22 105W3600求tmtmWh有機(jī)物 水110 6538t72 4072 ln 4054.22 1025 54.4 Q724054.4C 310.3W m2 CCph T1T2422 1054kg s 5.452 kg s 1.963 10 4 kg h 1.72 103110 6510 000 kg/h ,其解：Q Wcph TiT214000 1.72180 120 kJ h 1.4448 106 kJ h 401.3kW8 .在一單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶劑。冷卻水的流量為 初始溫度為30 C,平均比熱容為kJ/ (kg C)。有機(jī)

11、溶劑的流量為14 000 kg/h，溫度由180 C 降至120 C,平均比熱容為 kJ/ (kg C)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為 500 W/(m2-C),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。冷卻水的出口溫度為t2WcCpct161.4448 1030 C 64.61 C10000 4.174逆流時tm18064.61120 30ln-且回120 303401.3 1025.39 C 102.2 C ,115.39 ln 90K tmm 500 102.2 27.854 m并流時tm120 64.61180 30120 64.61ln 一180 3

12、03401.3 10394.61- c c cC 94.97 C55.39ln150mK tm 500 94.978.452m29 .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 C,氣化熱為 394 kJ/kg 。冷卻水的入口溫 度為20 C,流量為 35 000 kg/h ,水的平均比熱容為kJ/(kg C )?？倐鳠嵯禂?shù)為450W/(m2 - C ) o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PMRT1 780.08206 273 80.1kg. m3 2.692kg m3W

13、h 1600 2.692kg. h 4307.2kg hQ Wh4307.2 394kJ h 1.697 1 06 kJ h 4.71 105WQ WG,c(t2 t1)解出 t2求tm35000360031.6 C4.17 103(t220)4.71 10520£tmt60.1 48.5 , C 54.1 C,60.1 ln48.55Q 4.71 10522m 19.3mK tm 450 54.110.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(jìn)口溫度為30 C,出口溫度為65 C。油在管程流動，進(jìn)口溫度為 120 C。出口溫度為75 C,試求其傳熱平均溫度差。 解：先求

14、逆流時平均溫度差tm油 水 ""tt2120 756530，ln553t2tT4555 45 C 49.8 C55ln 一45計算P及R查圖 5-11 (a)Attmt2 t1Ti t1 T T2 t2 t1 得 0.8756530120 30120 7565 30At tm 0.8750.3891.28649.8 C 43.6 C11.某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從 105 C冷卻至70 C。已知油的流量為 6 000 kg/h 水的初溫為22 C,流量為2 000 kg/h ?，F(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

15、流體呈逆流流動；300 W/(m 2 C )；油的平均比熱容為(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 C )。熱損失可忽略。kJ/(kg C),水的平均比熱容為kJ/(kg解：本題采用NTU法計算(1)逆流時WhCphWcCpc60003600200036002.94.17103 W103 W3166.7W. C2316.7W. CCCminRCmax2316.73166.70.732(NTU 濡KSCmin300 102316.71.2955105 22 W 1.196 10 W查圖得 0.622Q 入(T1 t )0.622 2316.7QT2 T1 105WhC

16、ph(2)并流時Cr 0.732(NTU)min 1.29551.196 10 C 67.2 C 70 C能滿足要求3166.7查圖得QT20.5260.526 2316.7 10551.011 10105 522 W 1.011 10 WC 73.1 C 70 C不能滿足要求3166.712.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品，總傳熱系數(shù)為1 400 W/(m 2 - C )；熱水的初溫為100 C,流量為 5 000 kg/h ；冷水的初溫 為20 C,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 kJ/(k

17、g C),熱損失可忽略不計。解:5000 VhCph3600.100004.18 103W C 5806W CWcCpc4.18 103 W. C 11611W C查圖得傳熱量解出解出13CminCRc-J max(NTU 濡CRt2.水以36005805.6 八0.511611KAC min0.575Cmin(T t1)0.575 5805.6Ti t54 Ct2 3Ti T243 C1400 51.215805.6100100100X2020 W 2.670.575t220100 540.51.5 m/s的流速在長為3 m直徑為105W25mm 2.5mm的管內(nèi)由20 c加熱至40 C,試

18、求水與管壁之間的對流傳熱系數(shù)。解：水的定性溫度為+ tb1 tb2 2040t fC22由附錄六查得30 °C時水的物性為30 Cp = 995.7 kg/m 3, w=X10 5Pa- s,X=W/(m C) , Pr=Rediub0.02 1.5 995.7_ _ _一 580.07 103.73 104 (湍流)di150 60 0.02故可采用式5-76a近似計算3.73 104 0.8 5.420.4 W m2 C 6345W m2 CRs Pr及L值均在式5-59a的應(yīng)用范圍內(nèi), di水被加熱，取n=,于是得08040.61760.023Re Pr0.023di0.021

19、4.溫度為90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流過直徑為 57mm 3.5 mm彎曲半徑為0.6 m的蛇管換熱器而被冷卻至 30 C,試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為tf60 C由附錄查得60 C時甲苯的物性為P = 830 kg/m 3, G = 1840 J/(kg C),w=x10 3Pa- s, X=W/(m C),Q 1840 0.4 10Pr6.110.1205w1500Ub m s 0.256 m s2_2di23600 830 0.05244Re dJ 0.05 0.256 3 830 26539 (湍流) 0.4 10 3流體在彎管內(nèi)流動時，由于受離心力

20、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(1 1.77%R式中一彎管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2 C);一直管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2 C)；di管內(nèi)徑，m；R管子的彎曲半徑，0.023 Re0.8 Pr0.4di0.023 0.120526539.30.86.110.4Wm2 C395.5W m2 C0.05di0.05221 1.77395.5 11.77 W mC 35.6Wm CR0.615 .壓力為kPa,溫度為20 C的空氣以60 m3/h的流量流過直徑為57mm 3.5mm,長度為3 m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至80 C,試

21、求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為tftb1 tb220 80 八C50 C由附錄五查得50C時空氣的物性為p= 1.093 kg/m3, G= 1005 J/(kg C),=X10 5 Psi - s, X = W /(m C) , Pr=16Ubw-d：460° LCms 8.50 m s3.1423600 0.0524Re 3 0.05 &5 1；°93 23679.5 (湍流)1.96 10 50.023 Re°.8 Pr0.4di0.0283080420.02323679.3 .0.6980 W m2 C0.0535.6W m2 C

22、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38mm 3mm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 2.8 m,空氣流量為4 104m3/h,平均溫度為140 C,試求空氣的對流傳熱系數(shù)。解：由附錄五查得140 C時空氣的物性為p= 0.854 kg/m 3, CP= 1013 J/（kg C）, =X10 5 Pai - s, X = W/（m C） , Pr=采用凱恩（Kern）法，即Nu0.551 30.36Re Pr w(5-63 )(5-63 a)deU 、0.55 13,、0.14或0.36（二一）Pr （一）dew傳熱當(dāng)量直徑de可

23、根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計算。管子為正方形排列，則4(t do)de卜Td o式中 t 相鄰兩管的中心距，m;D。一管外徑，m=代入t和do得4 t2 - d24 0.0512 - 0.038244de m 0.049mTido兀 0.038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zD(1式中z一兩擋板間的距離，m;D一換熱器的外殼內(nèi)徑，m= 代入z、H t和do得2.80.051d0A zD 1 1.45tu V 4 104 ms 10.74m sA 3600 1.03、0.55 13,、0.14)Pr ()w上述式中的w對氣體可取為。deu0.36(dec “

24、0.03490.360.0490.550.04910.740.8541322-5-0.68413 Wm2C 50.8W m2C2.37 1017 .將長和寬均為 0.4m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為98 C,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,twtsattf98 100 C 99 C22由附錄六查得99 C時水的物性為p = 958.5 kg/m 3, G=4220 J/(kg C),=X10 5 Psj - s, X = W/(m , Pr=由附錄八查得100C時飽和蒸氣的物性為r 2258kJ/kg , v 0.597 kg/m對于此類問題

25、，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3 14v grm 1.13 L tsat tw一c 958.5 958.5 0.5979.81 2258 103 0.68331.13 E28.41 10 5 0.4 100 981 4W m2 C1.468 104 W. m2 C核算冷凝液流型，由對流傳熱速率方程計算傳熱速率，即QStsat tw 1.468 104 0.4 0.4 2 100 98 W93952W冷凝液的質(zhì)量流率為Q 939522w - kg s 4.16 10 kg sr 2258 103單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為2w 4.16 10 ,k

26、g s 5.2 10P 2 0.42 kg ms244 5.2 10Ref3 693.30.3 10 31800故假定冷凝液膜為層流是正確的。18.常壓水蒸氣在25mm 2.5 mm長為3 m,水平放置的鋼管外冷凝。鋼管外壁的溫度為96 C,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 Co定性溫度 tf tW_tS 1°°_96 C 98 C 22由附錄查得在98 c下，水的物性為：960.78kg/m3;0.6822W/m2 C；r 2261.08kJ/kg;2

27、9.03 10 5Pa s水平放置 231 4r g0.725 g L t2261.08 103 960.782 9.81 0.68223. 20.725 5 W m229.03 10 5 0.025 417530W m2 C垂直放置23r g1.13 gL t3231.13W. m22261.08 103 960.782 9.81 0.6822329.03 10 5 3 47427W. m2 C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，溫度為 400 K;另一平板的黑度為，溫度為 300 Ko若將第一板加涂層，使其黑度為，試

28、計算由此引起的傳熱通量改變的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)兩板間對流傳熱可以忽略。 解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板，則1 ;一Co5.6724 一 24Ci 2w/m K0.196W/ m K ；11d 10 20 1 1 12于是Q1 2,SC144T1T2-0.196 110010044001004300100W. m234.22W. m2第一板加涂層后C12 -C 567W. m2 K40.096W, m2 K411 d40 20 1 IQi 2 ,SCi 2100衛(wèi)1000.096 1400100300100W. m216.82W. m2空氣導(dǎo)熱的熱通量tm0.03W m CQ1 2 S - t1

29、 t2 b27 127_277 C ,查得77 C時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.030.01400300 W m300W m2加涂層前后傳熱通量減少的百分率為Q1 2 SQ1 2 SQ1 2 SQ1 2 S34.22 16.8234.22 300100%5.2%20.用壓力為300 kPa(絕對壓力)的飽和水蒸氣將 20 C的水預(yù)熱至80 C ,水在 25mm 2.5mm 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 C ),水側(cè)的污垢熱阻為 6X10-4n2 C/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 C, 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 C 水的定性溫度為/、t1t2 80 20(D tm - 2 50 C22在50 c下，水的物理性質(zhì)如下：64.78 10 2 W/ m C ；988.1kg/m3;=54.94 10-5Pas；Cp 4.174kJ. kg CRe 晅 OS 0.6 呼21582 104 54.9