傳熱練習題2-化工原理

-PAGE1.z.傳熱一、填空1、蒸汽冷凝放熱時，要經(jīng)常注意排放（），這是因為（）。2、*物體（可近似為灰體），在20℃時，其黒度為ε（），其吸收率為（）。3、管內(nèi)對流傳熱，流體內(nèi)溫度梯度最大是在（），原因是（）。4、膜系數(shù)α越（），液體核狀沸騰時，△t越大，α越（）。5、在一列管換熱器中用殼程的飽和蒸汽加熱管程的液體（無相變），若飽和蒸汽側(cè)的飽和蒸汽壓力增大，而液體的流量和進口溫度不變，則液體出口溫度（），蒸汽側(cè)的對流傳熱系數(shù)（）。6、*換熱器中用飽和水蒸汽加熱有機溶液，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)溶液的出口溫度比原來低，檢查溶液的初溫和流量均無變化，請列舉二個可以導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因：①（）②（）7、常見的列管換熱器折流板型式有（），（）。在列管式換熱器的殼程中設(shè)置折流板的優(yōu)點是（），缺點是（）。8、隨著溫度的增加，空氣的黏度（），空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（）。9、*一段流體流過一段直管后，在流入同一內(nèi)徑的彎管段，則彎管段的傳熱系數(shù)比直管段傳熱系數(shù)（），因為（）。10、角系數(shù)取決于換熱物體的（），（）和（），而與（）和（）無關(guān)。11、基爾霍夫定律的表達式為（），該定律的前提假設(shè)條件是（）。12、在空氣—水換熱的換熱器中，為強化傳熱可能采取的措施有哪些（），傳熱壁面的溫度接近于（）的溫度。13、列管換熱器中，若冷熱兩種流體的溫度差相差較大，則換熱器在結(jié)構(gòu)上常采用（）辦法，常用的結(jié)構(gòu)形式有（）。14、化工生產(chǎn)中常以水蒸汽作為一種加熱介質(zhì)，其優(yōu)點是（）。水蒸汽冷凝時應(yīng)及時排除不凝性氣體，其原因是（）。15、大容積中的飽和沸騰傳熱可分為（），（）和（），而在工業(yè)生產(chǎn)中常在（）階段操作。16、一回收煙道氣熱量的廢熱鍋爐，在流程安排上，煙道氣（入口溫度為60℃）應(yīng)走（），水（入口溫度為9017、三層圓筒壁熱傳導(dǎo)過程，最外層的導(dǎo)熱系數(shù)小于第二層的導(dǎo)熱系數(shù)，兩層厚度相同，在其它條件不變時，若將第二層和第三層的材質(zhì)互換，則導(dǎo)熱量變（），第二層與第三層的界面溫度變（）。18、在垂直冷凝器中，蒸汽在管內(nèi)冷凝，若降低冷卻水的溫度，冷卻水的流量不變，則冷凝傳熱系數(shù)（），冷凝傳熱量（）。19、在管殼式換熱器中熱流體與冷流體進行換熱，若將殼程由單程改為雙程，則傳熱溫度差（）。20、在高溫爐外設(shè)置隔熱擋板，擋板材料黑度愈低，熱損失愈（）。21、寫出兩種帶有熱補償?shù)牧泄軗Q熱器名稱①（），②（）。22、斯蒂芬—波爾茨曼定律的數(shù)學(xué)表達式為（），它表示（）。23、327℃的黑體輻射能力為2724、若換熱器中流體溫度變化較大，總傳熱系數(shù)隨溫度變化大時，傳熱面積可采用（）求之。25、沸騰傳熱設(shè)備壁面越粗糙，氣化核心越（），沸騰傳熱系數(shù)越（）。26、黑體的表面溫度提高一倍，則黑體的輻射能力提高（）倍。27、在列管換熱器中使用飽和水蒸汽加熱冷空氣時，管壁的溫度接近（）側(cè)溫度。二、選擇題1、管壁熱阻和污垢熱阻可忽略，當傳熱面兩側(cè)的對流傳熱膜系數(shù)相差較大時，總傳熱系數(shù)總是接近于（）。熱阻大的那側(cè)的傳熱膜系數(shù)B熱阻小的那側(cè)的傳熱膜系數(shù)C上述兩者的平均值D不一定2、在兩灰體進行輻射傳熱，兩灰體的溫度相差50℃?，F(xiàn)因*種原因，兩者的溫度差升高到100增大B變小C不變D不確定3、為減少室外設(shè)備的熱損失，擬在保溫層外包一層金屬皮，則選擇金屬皮時應(yīng)優(yōu)先考慮的因素是選用的材料（）。顏色較深B表面粗糟C顏色較淺D表面光滑4、推導(dǎo)過濾方程式的一個最基本的依據(jù)是（）。濾液通過濾餅時呈湍流流動假定濾餅大小均一濾液通過濾餅時呈層流流動假定過濾介質(zhì)的阻力可忽略不計。5、*一套管換熱器，由管間的飽和蒸汽加熱管內(nèi)空氣，設(shè)飽和蒸汽的溫度為100℃，空氣進口溫度為20℃，出口溫度為接近空氣溫度接近飽和蒸汽和空氣的平均溫度接近飽和蒸汽溫度三、計算題：1、*一逆流操作套管換熱器，冷卻水進口溫度t1=30℃，出口溫度t2=84℃；熱流體進口溫度T1=180℃,出口溫度T2=口溫度分別為多少"（設(shè)平均溫度差可用算術(shù)平均值）。2、一套管換熱器用133℃的飽和水蒸汽將管內(nèi)的氯苯從33℃加熱至73℃，氯苯流量為5500kg/h（設(shè)在兩工況下蒸汽冷凝熱阻、管壁熱阻、垢層熱阻及熱損失均可忽略，且氯苯在管內(nèi)作湍流流動，忽略兩工況下飽和蒸汽汽化潛熱的變化）。3、在套管換熱器中，冷流體以500kg/h流過φ23×2mm的管內(nèi)，冷流體的比熱為1kJ/kg℃，進出口溫度為20℃和80℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45w/m℃，加熱介質(zhì)走管外，溫度由150℃降為90℃,已知管內(nèi)傳熱膜系數(shù)為α1=700w/m管外對流傳熱膜系數(shù)α0；逆流傳熱所需管長；如果加熱介質(zhì)換為140℃α0=8000w/m2℃D、換熱器使用一年后，發(fā)現(xiàn)冷流體的出口溫度達不到80℃4、在一單程的列管換熱器中，殼程通入100℃的飽和水蒸汽，將管內(nèi)湍流的空氣從10℃加熱至A、空氣的出口溫度t2B、空氣冷凝量有何變化"（忽略管壁熱阻及換熱器的熱損失）例4-1*平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度t1為1650℃，外表面溫度t2為300℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)（式中t的單位為℃，λ的單位為W/(m·℃)）。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）和變量計算時，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。解：（1）導(dǎo)熱系數(shù)按常量計算平壁的平均溫度為：平壁材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)為：由式可求得導(dǎo)熱熱通量為：設(shè)壁厚*處的溫度為t，則由式可得：故上式即為平壁的溫度分布關(guān)系式，表示平壁距離*和等溫表面的溫度呈直線關(guān)系。（2）導(dǎo)熱系數(shù)按變量計算由式得：或積分得（a）當時，，代入式a，可得：整理上式得：解得：上式即為當λ隨t呈線性變化時單層平壁的溫度分布關(guān)系式，此時溫度分布為曲線。計算結(jié)果表明，將導(dǎo)熱系數(shù)按常量或變量計算時，所得的導(dǎo)熱通量是相同的；而溫度分布則不同，前者為直線，后者為曲線。例4-2燃燒爐的平壁由三種材料構(gòu)成。最內(nèi)層為耐火磚，厚度為150mm，中間層為絕熱轉(zhuǎn)，厚度為290mm，最外層為普通磚，厚度為228mm。已知爐內(nèi)、外壁表面分別為1016℃和34℃，試求耐火磚和絕熱磚間以及絕熱磚和普通磚間界面的溫度。假設(shè)各層接觸良好。解：在求解本題時，需知道各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ，但λ值與各層的平均溫度有關(guān)，即又需知道各層間的界面溫度，而界面溫度正是題目所待求的。此時需采用試算法，先假設(shè)各層平均溫度（或界面溫度），由手冊或附錄查得該溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)（若知道材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式，則可由該式計算得到λ值），再利用導(dǎo)熱速率方程式計算各層間接觸界面的溫度。若計算結(jié)果與所設(shè)的溫度不符，則要重新試算。一般經(jīng)5幾次試算后，可得合理的估算值。下面列出經(jīng)幾次試算后的結(jié)果。耐火磚絕熱磚普通磚設(shè)t2耐火磚和絕熱磚間界面溫度，t3絕熱磚和普通磚間界面溫度。，由式可知：再由式得：所以所以各層的溫度差和熱阻的數(shù)值如本列附表所示。由表可見，各層的熱阻愈大，溫度差也愈大。導(dǎo)熱中溫度差和熱阻是成正比的。例4-2附表材料溫度差熱阻

耐火磚59.50.1429絕熱轉(zhuǎn)805.11.933普通磚117.40.2815例4-3在外徑為140mm的蒸氣管道外包扎保溫材料，一減少熱損失。蒸氣管外壁溫度為390℃，保溫層外表溫度不大于40℃。保溫材料的(t的單位為℃。λ的單位為W/（m·℃）)。若要求每米管長的熱損失Q/L不大于450W/m，試求保溫層的厚度以及保溫層中溫度分布。解：此題為圓筒壁熱傳導(dǎo)問題，已知：，，先求保溫層在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，即：（1）保溫層厚度將式改寫為：得r3=0.141m故保溫層厚度為：（2）保溫層中溫度的分布設(shè)保溫層半徑r處，溫度為t，代入式可得：解上式并整理得：計算結(jié)果表明，即使導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，圓筒壁內(nèi)的溫度分布也不是直線而是曲線。例4-4*列管換熱器由φ25×2。5mm的鋼管組成。熱空氣流經(jīng)管程，冷卻水在管間與空氣呈逆氣流流動。已知管內(nèi)側(cè)空氣的αi為50W/（m2·℃）,管外水側(cè)的α0為1000W/（m2·℃），鋼的λ為45W/（m2·℃）。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K。及按平壁計的總傳熱系數(shù)。解：參考附錄二十二。取空氣側(cè)的污垢熱阻，水側(cè)的污垢熱阻。由式知：所以若按平壁計算，由式知：由以上計算結(jié)果表明，在該題條件下，由于管徑較小，若按平壁計算K，誤差稍大，即為：例4-5在上例中，若管壁熱阻和污垢熱阻可忽略，為了提高總傳熱系數(shù)，在其他條件不變的情況下，分別提高不同流體的對流傳熱系數(shù)，即：（1）將αi提高一倍；（2）將α0提高一倍。試分別計算K0值。解：（1）將αi提高一倍所以（2）將αo提高一倍所以計算結(jié)果表明，K值總是接近熱阻大的流體側(cè)的α值，因此欲提高K值，必須對影響K值的各項進行分析，如在本題條件下，應(yīng)提高空氣側(cè)的α，才有效果。例4-6在一單殼程、四管程換熱器中，用水冷卻熱油。用冷水管內(nèi)流動，進口溫度為15℃，出口溫度為32℃。熱油在殼方流動，進口溫度為120℃，出口溫度為40℃。熱油的流量為１.25kg/s,平均比熱為1.9kJ/（kg.℃）。若換熱器的總傳熱系數(shù)為470W/（m2·℃），試求換熱器的傳熱面積。解：換熱器傳熱面積可根據(jù)總傳熱速率方程求得，即：換熱器的傳熱量為：1-4型列管換熱器的對數(shù)平均溫度差，先按逆流計算，即：溫度差校正系數(shù)為：由圖查得：所以故例4-7在傳熱外表面積S0為300m2的單程列管換熱器中，300℃的*種氣體流過殼方并被加熱到430℃。另一種560℃的氣體作為加熱介質(zhì)，兩氣體逆流流動，流量均為1×104kg/h,平均比熱均為1.05kJ/(kg.℃)。試求總傳熱系數(shù)。假設(shè)換熱器的熱損失為殼方氣體傳熱量的10%。解：對給定的換熱器，其總傳熱系數(shù)可由總傳熱速率求得，即：換熱器的傳熱量為：熱氣體的出口溫度由熱量衡算求得，即：或解得流體的對數(shù)平均溫度差為：因所以故由本例計算結(jié)果可以看出，兩氣體間傳熱的總傳熱系數(shù)是很低的。例4-8在一傳熱面積為15.8的m2的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s、進口溫度為110℃；水的流量為0.667kg/s、進口溫度為35℃。油和水的平均比熱分別為1.9及4.18kJ/(kg.℃)。換熱器的ZO總傳熱系數(shù)為320W/（m2·℃）。試求水的出口溫度及傳熱量。解：本題用ε-NTU法計算故水（冷流體）為最小值流體。查圖得ε=0.73因冷流體為最小值流體，故由傳熱效率定義式得：解得水的出口溫度為：換熱器的傳熱量為：例4-9在逆流操作的列管換熱器中，熱氣體將2.5kg/s的水從35℃加熱到85℃。熱氣體的溫度由200℃降到93℃。水在管內(nèi)流動。已知總傳熱系數(shù)為180W/(m2·℃)，水和氣體的比熱分別為4.18和1.09kJ/(kg·℃)。若將水的流量減少一半，氣體流量和兩流體的進口溫度不變，試求因水流量減少一半而使傳熱量減少的百分數(shù)。假設(shè)流體的物性不變，熱損失可忽略不計。解：此題用ε-NTU法計算。（1）由原水流量求換熱器的傳熱面積其中所以（2）水流量減小后傳熱量的變化故熱氣體為最小值流體。因水的對流傳熱系數(shù)較氣體的為大，故水流量減小后對總傳熱系數(shù)的影響不大，兩種情況下K視為相同。查圖可得：因熱流體為最小值流體，由熱效率定義式知：此時傳熱量為：則因水流量減少一半而使傳熱量減少百分數(shù)為：例4-10在200kPa、20℃下，流量為60m3/h的空氣進入套管換熱器的內(nèi)管，并被加熱到80℃，內(nèi)管的直徑為Ф57×3.5mm,長度為3m。試求管壁對空氣的對流傳熱系數(shù)。解：于附錄查得50℃下空氣的物理性質(zhì)如下：，，空氣在進口處的速度為：空氣在進口處的密度為：空氣的質(zhì)量流速為：所以（湍流）又因故Re和Pr值均在式的應(yīng)用范圍內(nèi)，可用該式求算αo且氣體被加熱，取n=0.4，則：計算結(jié)果表明，一般氣體的對流傳熱系數(shù)都比較低。例4-11

-5℃的冷凍鹽水（25%CaCl2溶液）以0.3m/s的流速流經(jīng)一套管換熱器的內(nèi)管，已知內(nèi)管的內(nèi)徑為21mm、長度為3.0m。假設(shè)管壁平均溫度為65℃，試求鹽水的出口溫度。解：假設(shè)鹽水的平均溫度為5℃，從附錄查得25%CaCl2溶液在5℃下物性如下：，，判別流型，即：（滯流）而在本題的條件下，管徑較小，流體的粘度較大，自然對流影響可忽略，故α可用下式進行計算，即：鹽水的出口溫度由下式求得：即解得原假設(shè)的鹽水平均溫度與計算結(jié)果比較接近，不再重復(fù)試算。例4-12在預(yù)熱器內(nèi)將壓強為101.3kPa的空氣從10℃加熱到50℃。預(yù)熱器由一束長為1.5m、直徑為φ89×1.5mm的錯列直立鋼管組成?？諝庠诠芡獯怪绷鬟^，沿流動方向共有15排，每排管子數(shù)目相同?？諝馔ㄟ^管間最狹處的流速為8m/s。試求管壁對空氣的平均對流傳熱系數(shù)。解：于附錄查得空氣在30℃時的物性如下：，，所以空氣流過10排錯列管束的平均對流傳熱系數(shù)可由下式求得：空氣流過15排管束時，由表查得系數(shù)為1.02，則：表式的修正系數(shù)排數(shù)12345678910121518253575錯列0.480.750.830.890.920.950.970.980.991.01.011.021.031.041.051.06直列0.640.800.830.900.920.940.960.980.991.0

例4-13在一室溫為20℃的大房間中，安有直徑為0.1m、水平部分長度為10m、垂直部分高度為1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均溫度為120℃，試求該管道因自然對流的散熱量。解：大空間自然對流的α可由式計算，即：，該溫度下空氣的有關(guān)物性由附錄查得：，，（1）水平管道的散熱量Q1其中所以由表查得：，所以表式中的c和n值加熱表面形狀特征尺寸（GrPr）范圍cn水平圓管外徑do104～1090.531/4109～10120.131/3垂直管或板高度L104～1090.591/4109～10120.101/3（2）垂直管道的散熱量由表查得：，所以蒸汽管道總散熱量為：例4-14飽和溫度為100℃的水蒸氣，在外徑為0.04m、長度為2m的單根直立圓管外表面上冷凝。管外壁溫度為9℃。試求每小時的蒸氣冷凝量。又若管子水平放置，蒸氣冷凝量為多少？解：由附錄查得在100℃下飽和水蒸氣的冷凝潛熱約為2258kJ/kg。由附錄查得在97℃下水的物性為：，，（1）單根圓管垂直放置時先假定冷凝液膜呈滯流，由式知：由對流傳熱速率方程計算傳熱速率，即：故蒸氣冷凝量為：核算流型：（滯流）（2）管子水平放置時若管子水平放置時，由式知：故所以核算流型：（滯流）例4-15甲苯在臥式再沸器的管間沸騰。再沸器規(guī)格：傳熱面積So為50.7m2；管束內(nèi)徑為0.35m，由直徑為φ19×2mm、長為5m的管子所組成。操作條件為：再沸器的傳熱速率為9.20×105W；壓強為200kPa（絕壓）。已知操作壓強下甲苯沸點為135℃、氣化潛熱為347kJ/kg。甲苯的臨界壓強為4218.3kPa。試求甲苯的沸騰傳熱系數(shù)。解：甲苯沸騰傳熱系數(shù)可由下式計算，即：其中又所以校核臨界熱負荷qc：即且（在0.01～0.9范圍內(nèi)）例4-16在列管換熱器中，兩流體進行換熱。若已知管內(nèi)、外流體的平均溫度分別為170℃和135℃；管內(nèi)、外流體的對流傳熱系數(shù)分別為12000W/(m2·℃)及1100W/(m2·℃)，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別為0.0002及0.0005m2·℃/W。試估算管壁平均溫度。假設(shè)管壁熱傳導(dǎo)熱阻可忽略。解：管壁的平均溫度可由下式計算，即：或解得：計算結(jié)果表明，管壁溫度接近于熱阻小的那一側(cè)流體的流體溫度。例4-17車間內(nèi)有一高和寬各為3m的鑄鐵爐門，其溫度為227℃，室內(nèi)溫度為27℃。為減少熱損失，在爐門前50mm處放置一塊尺寸和爐門相同的而黑度為0.11的鋁板，試求放置鋁板前、后因輻射而損失的熱量。解：（1）放置鋁板前因輻射損失的熱量由下式知：取鑄鐵的黑度本題屬于很大物體2包住物體1的情況，故所以（2）放置鋁板后因輻射損失的熱量以下標1、/