传热习题.pdf

32 13 15 分 题号 4232 第 4 章 知识点 100 难度 较难 已知一外径为 75mm 内径为 55mm 的金属管 输送某一热的物流 此时金属管内表面温度为 120 外表面温 度为 115 每米管长的散热速率为 4545 w m 求该管材的导热系数为减少该管的热损失 外加一层石 棉层导热系数为 0 15w m K此时石棉层外表面温度为 10 而每米管长的散热速率减少为原来的 3 87 求石棉层厚度及钢管和石棉层接触面处的温度 答案 Q L 2 120 115 1 ln 75 55 4545 1 ln 75 55 23 14 125 115 4545 0 00691 44 9w m K 设外加石棉层厚度为 则 Q L 23 14 120 10 1 44 9 ln 75 55 1 0 15 ln 75 2 75 45450 0387 175 9w m 690 8 175 9 0 00691 1 0 15 ln 75 2 75 解得 30mm 石棉层厚度 设钢管和石棉层接触面间的温度为 t2 则 23 14 120 t2 1 44 9 ln 75 55 175 9 解得 t2 119 8 14 15 分 题号 4233 第 4 章 知识点 300 难度 中 在内管为18910mm 的套管换热器中 将流量为 3500kg h的某液态烃从 100冷却到 60 其平均比 热为 2 38kJ kg K 环隙走冷却水 其进出口温度分别为 40和 50 平均比热为 4 17kJ kg K 基 于传热外面积的总传热系数 K 2000w m K 设其值恒定 忽略热损失试求 1 冷却水用量 2 分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长 答案 冷却水用量 Wh Cp h T1 T2 Wc Cp c t2 t1 35002 38 100 60 Wc 4 17 50 40 Wc 7990kg h t 逆 50 20 50 20 32 75 t 并 60 10 60 10 27 9 QKAtm Q79904 17 50 40 3 33210kJ h A 逆3 33210 2000 1000 32 753600 1 41 m 0 1 41 3 140 181 41 逆2 5 m A 并3 33210 2000 1000 27 933600 1 66 m 3 140 18并1 66 并2 93 m 18 15 分 题号 4237 第 4 章 知识点 300 难度 较难 高温气体在废热锅炉中383mm 的钢质列管内流过 进口温度 580 出口温度 470 管外沸腾水温为 225已知气体一侧的对流传热系数为 300w m K 水侧的对流传热系数为 10000 w m K不 计污垢热阻 试求总温度差跨过各个膜层的温度差以及内外壁面的平均温度各为多少 钢的45w m K 答案 基于外传热面积的总传热系数为 Ko 1 1 o b do dm do di i 1 1 10000 0 00338 35 45 38 32 300 242w m K 总温度差 tm 580 225 470 225 ln 580 225 470 225 296 6 跨过管外膜层的温度差 tm0 t ts t 225 跨过管内膜层的温度差 tmi T1 T T2 T ln T1 T T2 T 580 470 ln 580 T 470 T 因是稳定传热 故跨过各层的传热速率相等 即 Ko do L tm o do L tmo i di L tmi 33 将已知值代入前两项 即 242296 6 10000 t 225 解得管外壁温度 t 232 2 将已知值 代入首未项 即 24238296 6 30032 580 470 ln 580 T 470 T ln 580 T 470 T 0 387 580 T 470 T e 1 473 解得管内壁温度 T 237 4 19 20 分 题号 4238 第 4 章 知识点 300 难度 较难 某列管换热器 用 100水蒸汽将物料由 20加热至 80 传热系数 K100w m K经半年运转后 由于污垢的影响 在相同操作条件下物料出口温度仅为 70 现欲使物料出口温度仍维持 80 问加热蒸汽温 度应取何值 答案 原W8020KAt 1 t8020 80 2043 28 半年后W7020KAt 2 t8030 80 3050 98 2 1得 7020 8020Kt Kt K 100 50 98 43 28 K70 75 w m K 保持原生产能力 即 KAtKAt tKt K10043 28 70 7561 17 tT20 T80 T 20 T 8061 17 60 61 17T20 T80 T115 8 20 16 分 题号 4239 第 4 章 知识点 100 难度 较难 某平壁炉炉壁由耐火砖保温砖和建筑砖三种材料组成 相邻材料之间接触密切 各层材料的厚度和 导热系数依次为 b 250mm 1 4w m Kb 130mm 0 15w m K b 200mm 0 8w m K已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度 t 820 保温砖与建筑砖接触面上的温度 t 260 试求 1 各种材料层的单位面积计的热阻 2 通过炉壁的热量通量 3 炉壁导热总温差及其在各材料层的分配 答案 1 耐火砖以单位面积计的热阻为 R1 b1 1 0 25 1 4 0 17 9m K w 保温砖以单位面积计的热阻为 R2 b2 2 0 13 0 15 0 8 67m K w 建筑砖以单位面积计的热阻为 R3 b3 3 0 2 0 8 0 25mK w 2 在定态条件下通过各材料的热通量相等 故炉壁的热通量为 q t t R2 820 260 0 867 645 9w m 3 炉壁导热总温差为 t qR 645 9 0 179 0 867 0 25 837 1 t1 qR1 645 90 179 115 6 t2 qR2 645 90 867 560 t3 qR3 645 90 25 161 5 t1 t2 t3 R1 R2 R3 0 179 0 867 0 25 1 4 8 1 4 24 15 分 题号 4243 第 4 章 知识点 300 难度 较难 在传热面积为 20m的某换热器中 用温度为 20 流量为 13200kg h 的冷却水 冷却进口温度为 110 的醋酸 两流体逆流动换热器刚投入使用时 冷却水出口温度为 45 醋酸出口温度为 40 运转一段 时间后 冷热流体流量不变 进口温度不变 而冷却水的出口温度降至 38 试求传热系数下降的百分率水的 比热 Cp 4 2kJ kg K 热损失可忽略 答案 Q WCp t2 t1 132004 2 45 20 3600 385kw tm 65 20 ln 65 20 38 2 K Q Atm 385 38 220 0 5039kw m K 过一段时间之后 Q 132004 218 3600 277 2kw 34 W1Cp1 385 70 5 5 T2 110 277 2 5 5 59 6 tm 110 38 59 6 20 ln 110 38 59 6 20 54 2 K Q Atm 277 2 2054 2 0 2557kw m K K K K100 0 5039 0 2557 0 5039100 49 3 27 16 分 题号 4246 第 4 章 知识点 300 难度 较难 流量为 2000kg h的某气体在列管式换热器的管程通过 温度由 150降至 80壳程冷却用软水 进 口温度为 15 出口温度为 65 与气体作逆流流动两者均处于湍流已知气体侧的对流传热系数远小于 冷却水侧的对流传热系数试求 1冷却水用量 2如进口水温上升为 20 仍用原设备要达到相同的气体冷却程度 此时出口水温将为多少度 冷却水用 量为多少 管壁热阻污垢热阻和热损失均可忽略不计 气体的平均比热为 1 02kJ kg k水的比热为 4 17 kJ kg k 不计温度变化对比热的影响 答案 1冷却水用量 Q20001 0215080 Wo4 176515 14 310kJ h Wo14 310 4 176515685kg h 2由题知 i o 原情况 Q Ki Ai tm i Ai tm 1 新情况 Q Ki Ai tm i Ai tm 2 因气体的冷却任务没有变化 Q Q 气体的流量及管子尺寸没有变化 i i 两种情况都用同 一设备 Ai Ai 比较式 1 及式 2 得 tm tm 原情况 1 150 65 85 2 80 15 65 1 2 85 65 1 3 2 tm 85 65 2 75 新情况 1 150 t2 2 80 20 60 tm 15 0 t2 60 2 75 解得 t2 60 1 150 60 90 1 2 90 60 1 5 故tm 用算术平均值计算是可以的 新情况的热衡算 W 4 17 60 20 20001 02 150 80 W 856kg h 即将水量调至 856kg h 水的出口 t2 既符合热衡算关系也符合传热速率关系 28 16 分 题号 4247 第 4 章 知识点 300 难度 难 在并流换热器中 用水冷却油换热管长 1 5m水的进出口温度为 15和 40油的进出口温度为 120 和 90如油和水的流量及进口温度不变 需要将油的出口温度降至 70 则换热器的换热管应增长为多少 米才可达到要求 不计热损失及温度变化对物性的影响 答案 由热量衡算 GCTTGCtt 按题意在两种情况下 G C T和 G C t不变 故得 GC GC tt TTt t TT 4015 12090t 15 12070 t 56 7 由 QKAt 现 K 不变 而 t120 15 90 40 120 15 9040 74 1 t 12015 7056 7 12015 7056 744 4 故 Q QGCTT GCTT t t 即12090 120701 574 1 444 得 4 17m 29 16 分 题号 4248 第 4 章 知识点 300 难度 难 某套管换热器内管为303mm 铜管 外管为483 钢管 长 2m 管间通 110饱和水蒸汽加热管内空气 使空气温度由 20加热至 80 已知空气流量为 50kg h 周围环境温度为 20 试求 1空气侧对流传热系数2套管裸露时的蒸汽用量kg h 35 空气比热可取为 1 005kJ kg k 换热器外侧壳壁对周围空气的对流传热系数 9 4 0 052 t t w m K 式中 t 换热器外壳温 t 周围空 气的温度 饱和蒸汽汽化热可取2232 4kJ kg 答案 1 KQ At Qmtt501 0058020 3015kJ h837 5 A0 02520 157m t8020 90 3054 6 837 5 0 15754 697 7 mK 2tT110 9 40 052tt 9 40 0521102014 1w mK 热损失 QAtt 14 10 048211 020383 w 蒸汽放热 QQQ383837 5122 0 5 蒸汽用量 WQ 1220 53600 2 232 4 1 968kg2kg h 31 16 分 题号 4250 第 4 章 知识点 300 难度 较难 用一传热面积为 3m由252 5mm 的管子组成的单程列管式换热器 用初温为 10的水将机油由 200 冷却至 100 水走管内 油走管间已知水和机油的质量流量分别为 1000kg h和 1200kg h 其比热 分别为 4 18kJ kg K和 2 0kJ kg K 水侧和油侧的对流传热系数分别为 2000w m K和 250w m K 两流体呈逆流流动 忽略管壁和污垢热阻 1 计算说明该换热器是否合用 2 夏天当水的初温达到 30 而油的流量及冷却程度不变时 该换热器是否合用 假设传热系数不变 答案 1 Q1 12002 200 100 240000kJ h Q2 Q1 t2 t1 Q1 m2Cp2 10 240000 10004 18 67 4 tm 132 6 90 ln 132 6 90 110 1 K1 1 1 d1 2d2 1 250 25 200020 K1 2 16 2 m K A1 Q1 Ktm 24000010 216 23600110 2 8 m3m 不适用 32 16 分 题号 4251 第 4 章 知识点 300 难度 难 有一列管换热器 由252 5mm 长为 2m 的 26 根钢管组成用 120饱和水蒸汽加热某冷液体 该液体走 管内 进口温度为 25 比热为 1 76kJ kg K 流量为 18600kg h 管外蒸汽的冷凝传热系数为 1 110 w m k 管内对流传热热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的 6 倍求冷液体的出口温度设换热器的热损 失管壁及两侧污垢热阻均可略去不计 答案 据题意 Rs i Rs o 0 b 0 do i di 6 o Ko 1 1 o o i i 1 1 o 6 o 1 110 71571 43w m K Ao o 263 140 02524 082 m T1 120T2 120T1 T2 T t1 25 t2 Qc CP Ct2 t1 Ko AoT t1 T t 2 T t1 T t2 18600 36001760 t2 t1 1571 434 082 t2 t1 T t1 T t2 T t1 T t2 1571 434 0823600 18 6001760 0 7054 T t1 T t2 2 025 120 252 025 120 t2 t2 120 95 2 02573 08 33 18 分 题号 4252 第 4 章 知识点 300 难度 难 36 有一换热器由252mm 钢管组成 管外为常压下的苯饱和蒸汽冷凝 苯的沸点为 80 管内走冷却水 温 度由 10升高到 30已知 苯的冷凝传热系数为 600w m K 水的对流传热系数为 400w m K 钢的 导热系数为 50w m K 忽略垢层的热阻求 1 热流体一侧的平均壁温 2 冷流体一侧的平均壁 温 答案 1 热流体一侧平均壁温 T M 热流体为苯饱和蒸汽冷凝 T1 T2 T 沸80 可认为热流体一侧 T 1 T 2 T M tm 1 TT M 根据 Q1 A1 tm 1 2 A2 tm 2K A1 tm 1 K1 1 1 1 2 1 2 1 m 1 600 1 400 0 025 0 021 0 002 50 0 025 0 023 0 0047 K1213 4w m K t1 801070 t2 803050 tm t1 t2 t1 t2 70 50 70 5059 44 TW TK tm 80 213 4 60059 4458 9 2 钢的导热系数比较大 认为冷流体一侧 t 1 t 2 t M 根据 QKA1 tm 1 Am TW TW 设管壁两侧壁温恒定 故 tM T Mt M 代入上式 有 t M TN MKtm A1 Am tN M58 9 213 459 44 0 002 50 0 025 0 023 58 35 35 16 分 题号 4254 第 4 章 知识点 300 难度 难 有一504 5mm 的钢管 管内通 125饱和水蒸汽 为了减少热损失 管外包一层厚度为 50mm 导热系数为 0 1w m K的石棉泥 置于温度为 25的环境中 已知管内蒸汽冷凝对流传热系数为 10w m K 保 温层外壁对周围空气对流传热系数为 10w m K 钢管导热系数为 40w m K 225饱和水蒸汽的汽化 热为 2193 3 kJ kg 试求 1估计钢管壁温 计算保温层外壁温度 2计算每米管长每小时蒸汽冷凝量 kg m h 答案 1 1 A0 0001 A A0 00011 A 1 A0 1 A 由以上热阻分析可知 管内对流及钢管壁导热热阻相对于管外 对流热阻而言均可忽略因此钢管壁温 t125 又因为是稳定导热 各层传热速率相等 故 2 Ts ta 1 ln r3 r2 1 r3 2 t ta 1 T r3 125 25 1 0 1 ln 75 50 1 100 075 t 25 1 1 00 075 解得 t 49 8 2Q l 2 Ts ta 1 1 ln r3 r2 1 r3 2 125 25 1 0 1 ln 7 5 25 1 100 075 116 w m wQ 1163600 21931000 0 190 kg m h 36 14 分 题号 4255 第 4 章 知识点 100 难度 较难 某蒸汽管外包有两层厚度相等的绝热材料 已知第二层的平均直径相当于第一层的平均直径的两倍 而 第二层的导热系数为第一层的二分之一如将两层材料的位置调换 则每米管长的热损失将如何变化 答案 由多层圆筒导热关系 不计钢管热阻 并设两层材料对换位置 后 外侧壁温相同 均为 t3 tt 2 2 tt 2 37 2 按题意2和 1 2 故由 2 2 而 故 2 由代入下式 2 2 2 24 5 即对换后热损失减少 20 37 18 分 题号 4257 第 4 章 知识点 300 难度 难 某厂用一套管热交换器 每小时冷凝 2000kg 甲苯蒸汽 冷凝温度为 110 甲苯的汽化潜热为 363kJ kg 其冷凝传热系数为 14000w m K冷却水于 16及 5000kg h的流量进入套管内管 内径为 50mm 作湍 流流动其对流传热系数为 1740w m K水的比热可取为 4 19kJ kg K 1 试计算冷却水的出口温度及套管管长 2 由于气候变热 冷却水进口温度升为 25 试计算在水流量不改变的情况下 该冷凝器的生产能力的变 化率 答案 1由热量衡算得 GW Cpt 出16 t 出G W Cp16 2000 360036310 5000 36004 1910 16 50 65 取 K1 1 1740 1 14000 1548w m K G2000 3600363102 0210w t1 1101694 t2 11050 6559 35 tm t1 t2 29459 35 276 8 又KAtm Ktm 管长 Ktm 2 0210 15483 140 0576 810 82m 2水温升高 忽略物性变化 传热面积 A3 140 0510 81 7m q KAtm 其中 q 5000 36004 1910 t 25 tm 110 25 110 t 2 97 5 0 5t 5000 36004 1910 t 25 15481 7 97 5 0 5t 解得 t 56 4 q 5000 36004 1910 56 4 25 1 8310w q q q100 9 4 39 18 分 题号 4259 第 4 章 知识点 100 难度 较难 在573mm 的蒸汽管 管材的45w m K 外壁包了一层 25mm 厚 导热系数0 2w m K 的石棉层蒸汽管的内壁温度为 175 石棉层外表面温度为 50 试求每米蒸汽管单位时间所损失的热 量 现欲在石棉层外再加一层导热系数为 0 07w m K的氧化镁保温材料 使热损失为原来的一半 设总 温度差保持不变 试问此保温材料应多厚 答案 热损失的计算 t1 175 t3 50 Q t1 t3 2 1 1 2 1 1 2 3 2 170 50 23 14L 1 45 57 2 57 6 2 1 0 2 57 50 2 57 2 239 1L w 温度差不变 设厚度为 x Q Q 2 Q t 2L 1 1 2 1 1 2 3 2 1 3 3 x 3 Q 2 1 2 t2L 1 1 2 1 1 2 3 2 1 1 2 1 1 2 3 2 1 3 3 x 3 21 1 2 1 1 2 3 2 1 3 3 x 3 1 1 2 1 1 23 2 1 0 07 107 2 x 107 2 38 1 45 57 2 57 6 2 1 0 2 57 50 2 57 2 x 13 2 mm 41 14 分 题号 4261 第 4 章 知识点 300 难度 难 某厂在由 177 根252mm 长 3m 的钢管构成的单壳程单管程列管换热器内 用 132 9的饱和水蒸汽在 管间冷凝 将管内作湍流流动的常压乙烯气体加热已知乙烯气体流量为 0 6kg s进口温度为 20 在操 作条件下的密度为 1kg m比热为 1 84 kJ kg K 对流传热系数为 53w m K 饱和水蒸汽冷凝传 热膜系数为 8000w m K 可忽略管壁及垢层热阻 1 确定乙烯气体出换热器时的温度 2 若乙烯气体通过换热器的压降要求不超过 0 01 kgf cm 通过换热器的总长度包括局部阻力当量长度为 5 5m 摩擦系数0 04 试确定该换热器最多能允许通 过多少 kg s的乙烯气体 答案 1 QCP t2 t1 0 6CP t2 20 QKAtm Ai i 1770 0213 35 014 m i T 370K t 285K t 310K q W Cp 420 370 WcCpc 310 285 1 q KAt K d 4 t K d 370 q Kd 370 WCp 420 370 2 管子加长后 T 420K T 350K t 285K t q WCp 420 350 WcCpc t 285 3 q KAt Kdl 420 285 350 t 41 ln 135 350 t 4 1 3 得 420 370 420 350 310 285 t 285 t 320 K t 69 8 由 3 4 得 WCp 420 3