华东理工大学化工原理考研资料课后习题第06章传热.pdf

第第 六六 章章 习习 题题 热传导热传导 1. 某工业炉的炉壁由耐火砖1 = 1.3W/(mK)、绝热层2 = 0.18W/(mK)及普通砖3 = 0.93W/(mK)三层组成。炉膛 壁内壁温度 1100, 普通砖层厚 12cm, 其外表面温度为 50。通过炉壁的热损失为 1200W/m2, 绝热材料的耐热温度为 900 。求耐火砖层的最小厚度及此时绝热层厚度。 设各层间接触良好, 接触热阻可以忽略。 习题 1 附图 习题 2 附图 2. 为测量炉壁内壁的温度, 在炉外壁及距外壁 1/3 厚度处设置热电偶, 测得 t2=300, t3=50。求内壁温度 t1。设炉壁由 单层均质材料组成。 3. 某火炉通过金属平壁传热使另一侧的液体蒸发, 单位面积的蒸发速率为 0.048kg/(m2 s), 与液体交界的金属壁的温度 为 110。时间久后, 液体一侧的壁面上形成一层 2mm 厚的污垢, 污垢导热系数=0.65W/(mK)。 设垢层与液面交界处的温度仍为 110, 且蒸发速率需维持不变, 求与垢层交界处的金属壁面的温度。 液体的汽化热 =2000kJ/kg。 4. 为减少热损失, 在外径150mm 的饱和蒸汽管道外复盖保温层。已知保温材料的导热系数=0.103+0.000198t(式中 t 为), 蒸汽管外壁温度为 180, 要求保温层外壁温度不超过 50, 每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在 1 10-4kg/(ms)以下, 问保温层厚度应为多少? *5. 用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚、直径 120mm 的圆形平板, 置于冷、热两表面之间。 热侧表面用电热器维持表面温度 t1=200。冷侧表面用水夹套冷却, 使表面温度维持在 t2=80。电加热器的功率为 40.0W。 由于安装不当, 待测材料的两边各有一层 0.1mm 的静止气层气= 0.030W/(mK), 使测得的材料导热系数与真实值 不同。不计热损失, 求测量的相对误差, 即(-)/ 。 习题 5 附图 习题 6 附图 *6. 通过中空球壁导热的热流量 Q 可写成如下的形式 )/( m A t Q = 试证： 21 AAAm= 259 式中 A1、A2分别为球壁的内、外表面积。 *7. 有一蒸汽管外径 25mm, 管外包以两层保温材料, 每层厚均为 25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为2 / 1 =5, 此时的热损失为 Q。 今将内、 外两层材料互换位置, 且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变, 则热损失为 Q。 求 Q/Q, 说明何种材料放在里层为好。 对流给热对流给热 8. 在长为 3m, 内径为 53mm 的管内加热苯溶液。苯的质量流速为 172kg/(sm2)。苯在定性温度下的物性数据如下： =0.49mPas; =0.14W/(mK); Cp=1.8kJ/(kg)。 试求苯对管壁的给热系数。 9. 在常压下用列管换热器将空气由 200冷却至 120, 空气以 3kg/s 的流量在管外壳体中平行于管束流动。 换热器外 壳的内径为 260mm, 内有252.5mm 钢管 38 根。求空气对管壁的给热系数。 10. 油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油, 重油的平均温度 tm=20, 蒸汽管外壁温度 tw=120, 管外径为 60mm。已 知在定性温度 70下重油的物性数据如下： =900kg/m3; Cp=1.88kJ/(kg); =0.174W/(m)。 运动粘度=210-3 m2/s, =310-4 1/。 试问蒸汽对重油的热传递速率 W/m2为多少? 11. 室内水平放置两根表面温度相同的蒸汽管, 由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径 的 10 倍, 小管的(GrPr)=109。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少? 冷凝给热冷凝给热 12. 饱和温度为 100的水蒸气在长 3m、外径为 0.03m 的单根黄铜管表面上冷凝。铜管竖直放置, 管外壁的温度维持 96, 试求每小时冷凝的蒸汽量。 又若将管子水平放, 冷凝的蒸汽量又为多少? 热辐射热辐射 13. 用热电偶温度计测量管道中的气体温度。温度计读数为 300, 黑度为 0.3。气体与热电偶间的给热系数为 60W/(m2K), 管壁温度为 230。求气体的真实温度。 若要减少测温误差, 应采用哪些措施? 14. 功率为 1kW 的封闭式电炉, 表面积为 0.05m2, 表面黑度 0.90。电炉置于温度为 20的室内, 炉壁与室内空气的自 然对流给热系数为 10W/(m2K)。求炉外壁温度。 15. 盛水 2.3kg 的热水瓶, 瓶胆由两层玻璃壁组成, 其间抽空以免空气对流和传导散热。玻璃壁镀银, 黑度 0.02。壁面面 积为 0.12 m2, 外壁温度 20, 内壁温度 99。问水温下降 1需要多少时间? 设瓶塞处的热损失可以忽略。 *16. 两平行平板的温度分别为 t1=400、 t2=150, 黑度分别为1 =0.65, 2=0.90。 今在两板之间插入第 3 块平行平板, 该板厚度极小, 两侧面(A、B 面)温度均一但黑度不同。当 A 面朝板 1, 达到定态后板 3 的平衡温度为 327。 当 B 面朝板 1, 达到定态后板 3 的温度为 277。设各板之间距离很小, 求板 3 的 A、B 两面的黑度A、B各为多少? 习题 16 附图 习题 17 附图 *17. 试证明在定态传热过程中, 两高、低温(TATB)的固体平行平面间装置 n 片很薄的平行遮热板时(如图示), 传热量 减少到原来不安装遮热板时的 1/(n+1)倍。设所有平面的表面积、黑度均相等，平板之间的距离很小。 260 传热过程计算传热过程计算 18. 热气体在套管换热器中用冷水冷却, 内管为252.5mm 钢管, 导热系数为 45W/(mK)。冷水在管内湍流流动, 给 热系数1 =2000W/(m2K)。热气在环隙中湍流流动, 2=50W/(m2K)。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) 环隙中热气体流速提高一倍, 总传热系数有何变化? 19. 684mm 的无缝钢管，内通过 0.2MPa(表)的饱和蒸汽。管外包 30mm 厚的保温层=0.080W/(mK), 该管设置 于温度为 20的大气中, 已知管内壁与蒸汽的给热系数1 =5000W/(m2K), 保温层外表面与大气的给热系数 2=10W/(m 2K)。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。 20. 外径 1.2m 的球形贮罐内放-196的液氮, 罐外覆以=0.02W/(mK)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层 外壁的温度不低于 28 , 以免露水凝结。大气温度为 32, 大气与保温层外壁的给热系数为 12 W/(m2K), 罐内液氮对壁 的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略, 计算绝热材料应有的厚度。 注: 球壁导热公式参见题 6。 21. 用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验, 第一次冷凝器是新的, 第二次冷凝器已使用过一段时期之后。 试验结果如表所示： 试 验 次 数 第 一 次 第二次 流速 m/s 1.0 2.0 1.0 传热系数 K W/(m2) 1200 1860 1100 上表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为282.5mm, 导热系数为 45W/(m2)。水在管内流动是高度湍流, 饱和 蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求： (1) 第一次试验中, 管外给热系数1 , 以及当水速为 2m/s 时管内给热系数2； (2) 试分析在相同的水流速下, 两次实验的传热系数数值不同的原因, 并得出定量计算的结果。 *22. 一内径为 0.34m 的空心球形钢壳容器, 其内壁表面温度为 38, 外壁外面用 100热水加热。钢壳的导热系数为 45W/(m2 ), 热水对外壁的给热系数=500 W/(m2), 试计算钢壳厚度是多少 mm 时传热速率达最大值? 最大传热速率 为多少? 23. 某列管冷凝器内流冷却水, 管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为 20与 30。使用一 段时期后, 在冷却水进口温度与流量相同的条件下, 冷却水出口温度降为 26。求此时的垢层热阻。已知换热器的传热面为 16.5m2, 有机蒸汽的冷凝温度 80, 冷却水流量为 2.5kg/s。 24. 某列管式加热器由多根252.5mm 的钢管所组成, 将苯由 20加热到 55, 苯在管中流动, 其流量为每小时 15 吨, 流速为 0.5m/s。加热剂为 130的饱和水蒸汽, 在管外冷凝。苯的比热 CP=1.76kJ/(kg), 密度为 858kg/m3。已知加热 器的传热系数为 700 W/(m2), 试求此加热器所需管数 n 及单管长度 l。 *25. 某气体混合物(比热及导热系数均未知)以 90kg/h的流量流过套管换热器的内管, 气体的温度由38被加热到138 。内管内径为 53mm, 外管内径为 78mm, 壁厚均为 2.5mm, 管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在 150。已知混合气体粘 度为 0.027mPas, 其普朗特数 Pr=1, 试求套管换热器的管长。 *26. 传热面相等的两台换热器, 用冷水将油从 138冷却至 93, 冷水进入第一换热器的流量为 2.5kg/s, 温度 t1=25, 出口 t2=50。将此股水流中抽出 0.62kg/s 水移作它用, 余下的水进入第二个换热器, 冷水出口 t3=65。设两个换热器的传 热系数均为 450 W/(m2),油的比热 CP=2.1 kJ/(kg)。求两换热器的传热面积, 及油的流量。 习题 26 附图 261 *27. 用一单程列管换热器以冷凝 1.5kg/s 的有机蒸汽, 蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略, 冷凝温度 60, 汽化热为 395kJ/kg。管束有 n 根252.5mm 的钢管组成, 管内通入 t1=25的河水作冷却剂, 不计垢层及管壁热阻, 试计算： (1) 冷却水用量(选择冷水出口温度)； (2) 管数 n 与管长 L(水在管内的流速可取 1m/s 左右)； (3) 若保持上述计算所得的总管数不变, 将上述换热器制成双管程投入使用, 冷却水流量及进口温度仍维持设计值, 求 操作时有机蒸汽的冷凝量。 传热操作型计算传热操作型计算 28. 某冷凝器传热面积为 20m2, 用来冷凝 100的饱和水蒸汽。冷液进口温度为 40, 流量 0.917kg/s, 比热为 4000J/(kg)。换热器的传热系数 K=125W/(m2), 求水蒸汽冷凝量。 29. 有一套管换热器, 内管为193mm, 管长为 2m, 管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为 270kg/h, 进口温 度为 100, 水的流量为 360kg/h, 入口温度为 10。 若忽略热损失, 且知以管外表面积为基准的传热系数 K=374 W/(m2 ), 油的比热 CP=1.88kJ/(kg), 试求油和水的出口温度分别为多少? 30. 某列管换热器用 110饱和蒸汽加热甲苯, 可使甲苯由 30加热至 100。今甲苯流量增加 50%, 试求： (1) 甲苯出口温度； (2) 在不变动设备条件下, 采用何种措施以使甲苯出口温度仍维持 100? 作定量计算。 *31. 某套管换热器有传热面积 0.4m2, 油在内管从 75被冷却至 65。 冷却水在环隙中逆流流动, 从 30加热至 45, 给热系数2 =4000W/(m2)。内管直径25mm, 管壁较薄, 热阻可略去不计。求该换热器能冷却的最大油量。 已知油在平均温度下的物性为=0.56W/(m)；=1.8mPas；Cp=2070J/(kg)。 *32. 今有一套管换热器, 冷、热流体的进口温度分别为 40和 100。已知并流操作时冷流体出口温度为 60, 热流 体为 80。试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数均为定值。 *33. 由 A、B 两台换热器组成的换热系统中, 冷与热流体的流向及流量等均如图所示。 已知：A、B 两台换热器的传热面积, 传热系数均相等。冷流体流量等量分配。且 T1 =150, T2 =40； t1 =30, t2 =90。 试求：温度 T, ta、 tb的值分别为多少? 习题 33 附图 习题 35 附图 非定态传热非定态传热 34. 某带搅拌器的夹套加热釜中盛有G kg的油品, 用120的饱和水蒸汽将油品自25加热到110需要时间为1 , 今 将加热时间延长一倍, 试问最终的油温等于多少? 设传热面积 A 及传热系数 K 均给定且为常数, 釜内油温各处均一。 35. 如图所示的浸沉式蛇管换热器中, 蛇管内流的是水, 用以冷却槽中的液体。已知槽中盛放 6000kg 的某种液体, 其比 热为 4.6kJ/(kgK), 从 100开始冷却。冷却水的最初温度为 20, 用水量为 1500kg/h。换热面积为 6 m2。设传热系数为 230 W/(m2)不变, 且不考虑液体向空气的散热量, 槽内液体温度均一。 试求该液体冷却至 60所需的时间。 262 换热器换热器 36. 今欲于下列各列管换热器中, 将某种溶液从 20加热到 50。加热剂进口温度为 100, 出口温度为 60。试求各 种情况下的平均温差。 (1) 单壳程, 四管程; (2) 双壳程, 四管程。 37. 有一列管换热器, 煤油走壳程。 其温度由 230降至 120, 流量为 28700kg/h。 壳内径为 560mm, 内有252.5mm 的钢管 70 根, 每根长 6m, 管中心距为 32mm, 三角形排列。 用圆缺形挡板(切去高度为直径的 25%), 挡板间距为 300mm。 试 求煤油的给热系数。 已知定性温度下煤油的物性数据如下： Cp=2.60kJ/(kg) =710kg/m3 =0.32mPas =0.13W/(mK) 38. 有一单壳程双管程列管换热器, 管外用 120饱和蒸汽加热, 常压干空气以 12m/s 的流速在管内流过, 管径为38 2.5mm, 总管数为 200 根, 已知空气进口温度为 26, 要求空气出口温度为 86, 试求: (1) 该换热器的管长应为多少? (2) 若气体处理量、进口温度、管长均保持不变, 而将管径增大为542mm, 总管数减少 20%, 此时的出口温度为多 少? (不计出口温度变化对物性影响, 忽略热损失)。 39. 试设计一列管式冷凝器, 用水来冷凝常压下的乙醇蒸汽。乙醇的流量为 3000kg/h, 冷水进口温度为 30, 出口温度 为 40。在常压下乙醇的饱和温度为 78, 汽化潜热为 925kJ/kg。乙醇蒸汽冷凝给热系数估计为 1660 W/(m2)。 设计内容:：(1)