4传热(习题及解答2007版).doc

四 传热单 层 平 壁 导 热 4.1 红砖平壁墙，厚度为500 mm，一侧温度为200 ，另一侧温度为30 ，设红砖的平均导热系数可取0.57 W/(m)，试求： （1）单位时间，单位面积导过的热量q为多少W/m2，并换算成工程单位制kCal/ (m2h) 。 （2）距离高温侧350 mm处的温度为多少？ （3）如红砖导热系数与温度关系可表示为：=0.51+510 -4t，则q又为多少？多 层 平 壁 导 热 4.2 某燃烧炉的炉墙由三种砖依次砌成：第一层为耐火砖，厚b1=0.23 m，1=1.05 W/(m)；第二层为绝热砖，2 =0.151 W/(m)；第三层为普通砖，b3 =0.24 m，3 =0 .93 W/(m)。若已知耐火砖内侧温度为1000 ，耐火砖与绝热砖接触处温度为940 ，绝热砖与普通砖接触面温度不得超过138；试求： （1）绝热砖层的厚度； （2）普通砖外侧温度。4.3 平壁炉壁由三种材料组成，其厚度和导热系数如下：序 号材 料厚度b（mm）导热系数（W/m） 1（内层）耐火砖2001.07 2绝热砖1000.14 3钢 板645 若耐火砖层内表面温度t1=1150 ，钢板外表面温度t4 =30 ，试计算导热的热通量。又实测通过炉壁的热损失为300 W/m2 ，如计算值与实测不符，试分析原因并计算附加热阻。多 层 圆 筒 导 热4.4 一外径为100 mm的蒸汽管，外包一层50 mm绝热材料A，A =0.07 W/(m)，其外再包一层25 mm的绝热材料B，B =0.087 W/(m)。设A的内侧温度为170 ，B外侧温度为38 。试求每米管上的热损失及A、B界面的温度。 4.5 603 mm铝合金管（其导热系数可取为45 W/(m)），外包一层厚30 mm石棉，之外再包一层厚30 mm的软木，石棉和软木的导热系数分别为0.16 W/(m)和0.04 W/(m) 。计算下列问题： （1）已知管内壁温度为-110 ，软木外侧温度为10 ，求每米管长损失的冷量。（2）若将两保温材料位置互换，互换后假设石棉外侧温度仍为10 ，则此时每米管长的冷量损失又为多少？由此得出什么结论？4.6 试推导出空心球壁导热方程式，由此计算下列问题：有一钢制球罐，内装液体。球罐内径为2 m，壁厚10 mm，在球罐外表面另有一层厚度为 20 mm的氧化镁保温层（氧化镁的导热系数为0.07 W/(m)）。已知钢罐内壁温度为50 ， 保温层外表面温度为20 ，试求单位时间的热量损失。传热基本方程有关计算4.7 一换热器，在252.5 mm管外用水蒸汽加热管内的原油。已知管外蒸汽冷凝对流传热系数=104W/(m2)，管内原油的对流传热系数i=103W/(m2)，管内污垢热阻Rsi=1.510-3 m2/W，管外污垢热阻及管壁热阻可忽略不计，试求以外表面为基准的总传热系数及各部分热阻占总热阻的百分数。4.8 列管换热器中的列管尺寸为382.5mm，材质为钢管。管外为蒸汽冷凝，o=105W/(m2) ，管内空气被加热，i= 35 W/(m2) 。现采用下述三种方式来提高K值：（1）o 增加一倍；（2）i 增加一倍；（3）钢管换成铜管。试通过计算分析那种方式效果最好？并说明为什么？已知钢、铜的导热系数分别为钢=45 W/(m)，铜=383 W/(m)。4.8 解：以外表面为基准的原K值计算：1/K =1/o+(b/)(do/dm)+(1/i)(do/di)=1/10000+(0.0025/45)(38/35.5)+(1/35)(38/33) = 0.0332 m2/ W K = 30.12 W/(m2)（1）o增加一倍时1/K1=1/(2o)+(b/)(do/dm+(1/i)(do/di)=1/20000+(0.0025/45)(38/35.5)+(1/35)(38/33) = 0.0331 m2/ W K1= 30.21 W/(m2)（2）i增加一倍时1/K2=1/o+(b/)(do/dm+1/(2i)(do/di)=1/10000+(0.0025/45)(38/35.5)+(1/70)(38/33) = 0.0166 m2/ W K2= 60.2 W/(m2)（3）钢管换成铜管 1/K3=1/o+(b/铜)(do/dm)+(1/i)(do/di)=1/10000+(0.0025/383)(38/35.5)+(1/35)(38/33) =0.0331 m2/ W K3=30.2 W/(m2) 从计算看出：要增加K值，必须从减少最大热阻一项入手，即减少管内对流热阻，其它措施收效甚微，所以增加i最有效。4.9 在一列管换热器中，用初温为30 的原油将重油由180 冷却至120 。已知重油和原油的质量流量分别为Wh=104 kg/h，Wc=1.4104 kg/h；比热分别为Cph=2.2 kJ/(kg)，Cpc=1.9 kJ/(kg)。总传热系数K=116 W/(m2)。试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积。 4.10 在传热面积为50 m2的换热器中，用温度为20 ，流量为33000 kg/h的冷却水冷却进口温度为110 的醋酸，水的平均比热为4200 kJ/(kg)，两流体逆流流动。换热器刚投入使用时，冷却水和醋酸的出口温度分别为45 和40 ，运转半年后，冷却水出口温度降至38 ，试求此换热器总的污垢热阻为多少？管壁热阻可忽略不计。4.11 一换热器用于热柴油加热原油，柴油和原油的进口温度分别为243 和128 。已知逆流操作时，柴油出口温度为155 ，原油出口温度为162 ，试求其平均温差。若柴油和原油的进口温度不变，它们的流量和换热器的总传热系数亦与逆流时相同，若采用并流，此时平均温差又为多少？4.11 解：（1）求逆流操作平均温差 tm逆=(t1-t2)/ln(t1/t2)=(243-162)-(155-128)/ln(243-162)/(155-128)=49 （2）求并流操作时平均温差 T1=243 T2=? t1=128 t2=?由热量衡算： WhCph(T1-T2) = KA(T1-T2)+(t2-t1)/ln(T1-t1)/(T2-t2) （1）又： WhCph(T1-T2) = WcCpc(t2-t1) （2）将(t2-t1)从（2）解出代入（1）式，等式两边消去(T1-T2) 得到下式： ln(T1-t1)/(T2-t2)=KA/(WhCph)1+WhCph/(WcCpc) （3）对逆流操作，同理可推得下式： ln(T1-t2)/(T2-t1)=KA/(WhCph)1-WhCph/(WcCpc) （4）（3）/（4）得到： ln(T1-t1)/(T2-t2)/ln(T1-t2)/(T2-t1) = 1+(WhCph)/(WcCpc)/1-(WhCph)/(WcCpc) （5） (WhCph)/(WcCpc)=(t2-t1)/(T1-T2) = (162-128)/(243-155) = 0.386 ln(T1-t2)/(T2-t1)=ln(243-162)/(155-128) = 1.1 代入(5)，得到： T2-t2=9.6 （6）并流工况热衡算： WhCph(T1-T2) = WcCpc(t2-t1)代入数值得到： t2+0.386T2 =221.8 （7）（6）、（7）联立求解得： T2=167， t2=157.4则并流平均温差： tm并=(T1- t1)-(T2-t2)/ln(T1-t1)/(T2-t2)=(243-128)-(167-157.4)/ln(115/9.6)=42.5 4.12 为测定套管式甲苯冷却器的传热系数，测得实验数据如下：传热面积A=2.8 m2，甲苯的流量Wh =2000 kg/h，由80 冷却到40 ，甲苯的平均比热Cph =1.84 kJ/(kg)。 冷却水从20升高到30，两流体呈逆流流动，求所测得的传热系数K为多少？若水的比热 Cpc=4.187 kJ/kg ，问水的流量为多少？4.13 在套管换热器中，用冷水冷凝苯蒸汽，冷水在管内作湍流流动。欲通过实验方法测定苯蒸汽在管外冷凝时的传热系数及水在管内对流传热系数，设苯的冷凝液在蒸汽的饱和温度下排出。试问：（1）需要哪些测定仪器？（2）需要测定哪些数据？（3）写出求得苯、水的步骤，并注明计算式中各符号的意义及单位。注：苯为苯蒸汽冷凝传热膜系数，水为管壁向水的对流传热系数。管内对流传热系数的计算、湍流 4.14 水以1 m/s的流速在长3 m的252.5 mm管内由20 加热至40 ，试求水与管壁之间的对流传热系数。若管内换以流速为10 m/s的空气，其它条件相同，此时对流传热系数又为多少？已知30 下，水的比热4.174 kJ/(kg)，导热系数0.617 W/(m)，黏度80.0710-5 NS/m2，密度995.7 kg/m3；空气的比热1.005 kJ/(kg)，导热系数0.02675 W/(m)，黏度1.8610-5 PaS，密度1.165 kg/m3。4.15 某厂精馏塔顶冷凝器，采用列管式换热器，有252.5mm管子60根，管长2m，塔顶蒸汽走管间，冷凝水走管内，其流速为1.2 m/s，进出口温度分别为20 和60 。已知水的比热4.174 kJ/(kg)，导热系数0.634 W/(m)，黏度0.656 cP，密度992.2 kg/m3。求：（1）管内水的对流传热系数； （2）如总管数改为50根，仍保持换热器的传热面积不变（管长增加），水量及水进口温度不变，此时管内水的对流传热系数又为多少？ 4.16 一套管换热器，由483 mm和252.5 mm的钢管组成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流传热系数为1和2，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。求：将内管改为322.5mm后，管内对流传热系数有何变化？（假设流动状态皆为湍流）强制层流传热系数的计算 4.17 原油在管式炉的对流段896 mm管内以0.5 m/s 的流速被加热，管长为6 m。已知管内壁温度为150，原油的平均温度为40，此时油的密度为850 kg/m3，比热为2 kJ/(kg)，导热系数为0.13 W/(m)，黏度为26 cP，体积膨胀系数为0.013 1/，又原油在150 时的黏度为3 cP。试求原油在管内的对流传热系数为多少?过渡流、套管环隙对流传热系数的计算 4.18 98的硫酸以0.7 m/s的速度在套管换热器的环隙内流动，硫酸的平均温度为70 ，内管外壁的平均温度为60 。换热器内管直径252.5 mm，外管直径为513 mm，试求环隙流体的对流传热系数和热通量。硫酸的比热Cp=1.58 kJ/(kg)，导热系数=0.36 W/(m)，黏度=6.4 cP，运动黏度W=7.6 cP，密度=1836 kg/m3。弯管中对流传热系数的计算 4.19 铜氨溶液在由四根453.5 mm钢管并联而成的蛇管冷却器中由32 冷却至8 ，蛇管的平均曲率半径为0.285 m，已知铜氨溶液的流量为2.7 m3 /h ，黏度为2.210 -3 Pas，密度为1200 kg/m3，其它物性常数可按水的0.9倍来取，试求铜氨溶液的对流传热系数。注：20 ，水的比热Cp=4.183 kJ/(kg)，导热系数=0.5989 W/(m)。套管环隙对流传热系数的计算 4.20 一套管换热器，内管为382.5 mm，外管为573 mm，甲苯在其环隙由72冷却至38，已知甲苯的流量为2730 kg/h，试求甲苯的对流传热系数。已知甲苯的比热Cp=1.84 kJ/(kg)，导热系数=0.128 W/(m)，黏度=0.3810-3 Pas，密度=835 kg/m3。管外对流传热系数计算 4.21 1atm甲烷以10 m/s流速在列管换热器壳程作轴向流动，甲烷由120 冷却到30 。已知该换热器共有252.5 mm 管86根，壳径为400 mm。求甲烷气体的对流传热系数。注：75 甲烷的比热2.43 kJ/(kg)，导热系数0.0399 W/(m)，黏度0.018 cP。4.22 在接触氧化法生产硫酸过程中，用反应后高温的SO3 混合气预热反应前气体，常压SO3混合气在一由383 mm钢管组成、壳程装有圆缺挡板的列管换热器壳程流过。已知管子成三角形排列，中心距为51 mm，挡板间距为1.45 m，换热器壳径D=2800 mm。SO3混合气的流量为4104 m3/h，其平均温度为145 。其物性可近似按同温度下的空气查取，试求混合气对流传热系数（考虑部分流体在挡板与壳体之间短路，取系数为0.8）。注：空气的比热Cp=1.014 kJ/(kg)，导热系数=0.03524 W/(m)，黏度=2.3910-5 NS/m2，密度=0.845 kg/m3。自然对流的计算 4.23 某油厂用海水冷却常压塔引出的柴油馏分，冷却器为1148 mm钢管组成的管， 水平浸没在一很大的海水箱中，海水的物性可近似按同温度下的水查取。海水由箱下部引入，上部溢出，通过时的流速很小，设海水的平均温度为42.5 ，钢管外壁温度为56 ，试求海水的对流传热系数。已知水的比热Cp=4.174 kJ/(kg)，导热系数=0.6463 W/(m)，黏度=0.5565 Ns/m2，密度=988.4 kg/m3，体积膨胀系数=4.4510-4 1/。 传热效率与传热单元数 4.24 在换热器中，用80 的水将某流体由25预热至48，已知水的出口温度为35，试求该换热器的效率。4.25 一传热面积为10 m2的逆流换热器，用流量为0.9 kg/s的油将0.6 kg/s 的水加热， 已知油的比热为2.1 kJ/(kg)，水和油的进口温度分别为35 和175 ，该换热器的传热系数为425 W/(m2)，试求此换热器的效率。又若水量增加20%，传热系数可近似不变，此时水的出口温度为多少？4.26 有一套管换热器，内管为193 mm，管长为2 m，环隙的油与管内的水流向相反，油的流量为270 kg/h，进口温度为100 ，水的流量为360 kg/h，入口温度为10 ，油和水的比热分别为1.88 kJ/(kg) 和4.18 kJ/(kg)，且已知以管外表面积为基准的传热系数K=374 W/(m2)，试求油和水的出口温度为多少？4.27 今有一套管换热器，冷热流体进口温度分别为40 和100 ，已知并流操作时，冷流体出口温度为60 ，热流体出口温度为80 ，试问逆流操作时，冷热流体出口温度为多少？设K为定值。传热综合题 4.28 在一套管换热器中，用水蒸汽加热空气，已知空气侧对流传热系数为40 W/(m2)，蒸汽冷凝侧的对流传热系数为5000 W/(m2)，现欲提高此传热过程的总传热系数，应从何着手解决？试用具体数据说明理由。（注：管壁热阻及污垢热阻可忽略）4.29 接触法硫酸生产中用氧化后的高温SO3混合气预热原料气（SO2及空气混合物）， 已知：列管换热器的传热面积为90m2 ，原料气入口温度t1=300，出口温度t2 =430。SO3混合气入口温度T1 =560 ，两种流体的流量均为10000 kg/h，热损失为原料气所得热量的6%，设两种气体的比热均可取为1.05 kJ/(kg)，且两流体可近似作为逆流处理。求：（1）SO3 混合气的出口温度T2；（2）传热系数K为多少。4.30 某列管换热器，管间通饱和水蒸汽，可将一定流量作湍流流动的空气加热至指定温度，若须进一步提高空气出口温度，拟将加热管管径增加一倍（管长、管数、流态及其它条件均不变），你认为此措施是否可行，并说明理由。4.31 举例说明下列各图的物理意义，并写出tm的数学表达式：题4.31附图4.32 在内管为18910 mm的套管换热器中，将流量为3500 kg/h的某液态烃从100 冷却到60，其平均比热Cp烃=2.38 kJ/(kg)，环隙走冷却水，其进出口温度分别为40和50，平均比热Cp水=4.17 kJ/(kg)，基于传热管外表面积的总传热系数Ko=2000 W/(m2)，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。4.32 解：（1）WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1) 35002.38(100-60)=Wc4.17(50-40) 解得 Wc=7990 kg/h（2）tm逆=(T1-t1)-(T2- t2)/ln(T1-t1)/(T2- t2)= (100-50)-(60-40)/ln(50/20)=32.75 tm并=(T1-t2)-(T2- t1)/ln(T1-t2)/(T2- t1)= (100-40)-(60-50)/ln(60/10)=27.93 Q=KAtm = WhCph(T1-T2)= 35002.38(100-60) =3.332105 kJ/h A逆= Q/ Ktm逆=3.332105/(2000/1000)32.753600=1.41 m2 A逆=doL逆 L逆= A逆/(do)= 1.41/(3.140.189)=2.5 m 同理，A并= Q/ Ktm并=3.332105/(2000/1000)27.933600=1.66 m2 L并= A并/(do)= 1.66/(3.140.189)=2.93 m4.33 某厂一单管程单壳程列管换热器，列管规格为252.5 mm，管长6 m，管数501根，管程走热气体，流量为5000 kg/h，平均比热3.04 kJ/(kg)，进口温度500 ；壳程走冷气体，流量为4000 kg/h，平均比热3.14 kJ/(kg)，进口温度30 。（1）逆流操作时，测得热气体的出口温度为200 ，求总传热系数K为多少W/（m2）；（2）如采用并流操作，热气体的出口温度有无可能降为200 ？为什么？4.34 在一列管换热器内，用110 的饱和水蒸汽加热管内的湍流流动的空气，使其从30 升至45 ，若将空气的流量增加一倍而入口温度不变，试求加热蒸汽量为原用量的倍数。忽略管壁热阻、垢层热阻和热损失，并忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。4.35 用120的饱和水蒸汽将流量为36 m3/h的某稀溶液在双程列管换热器中从80 加热至95 。若每程有直径为252.5 mm的管子30根，且以管外表面积为基准的传热系数K=2800 W/(m2)。蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求：（1）换热器所需的管长；（2）当操作一年后，由于污垢累积，溶液侧的污垢系数为0.00009 m2/W，若维持溶液的原流量及进口温度不变，其出口温度为多少？又若必须保证溶液原出口温度，可以采取什么措施？注：溶液的密度及比热与水近似：=1000 kg/m3 ；Cp=4.2 kJ/(kg)4.36 用一传热面积为3 m2，由252.5 mm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1000 kg/h和1200 kg/h，其比热分别为4.187 kJ/(kg)和2.0 kJ/(kg)；水侧和油侧的对流传热系数分别为2000 W/(m2)和250 W/(m2)，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？如何解决？（假设传热系数不变）4.36 解：（1）Q1= WhCph(T1-T2)=12002.0(200-100)=240000 kJ/h Q2= WcCpc(t2-t1)=Q1 t2=t1+Q1/(WcCpc)=10+240000/(10004.187)=67.3 tm=(t1-t2)/ln(t1/t2)=(200-67.3)-(100-10)/ln(132.7/90)=110 1/K1=1/1+(1/2)(d1/d2)=1/250+(1/2000) (25/20)=0.004625 m2/W K1=216.2 W/(m2) A1=Q1/(Ktm)=240000103/(3600216.2110)=2.8 m23 m2 所以该换热器已不适用。 解决办法：可以调大水量，使t2，从而tm。4.37 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20 加热到80 ，空气在管内呈湍流流动。压强为1.724 kgf/cm2的饱和水蒸汽在管外冷凝。现生产要求空气流量增加20%，而空气进口温度不变，试问采取何种措施才能完成任务？作出定量计算。假设管壁和污垢热阻忽略不计。注：1.724 kgf/cm2压强下的饱和水蒸汽的饱和温度为115 。4.38 某厂用套管换热器每小时冷凝2000 kg的甲苯蒸汽，冷凝温度为110 ，潜热为 360 kJ/kg，甲苯蒸汽冷凝传热系数为10000 W/(m2)。冷却水于15，以4500 kg/h的流量进入573.5 mm的管内作湍流流动，其对流传热系数为1500 W/(m2)。管壁热阻和污垢热阻忽略不计，水的比热为4.18 kJ/(kg)；试求：（1）该换热器传热面积A为多少？（2）若夏天冷却水进口温度升至20 ，操作时将冷却水量加大一倍，原换热器能否完成任务？4.39 一单壳程单管程列管换热器，由多根252.5mm的钢管组成管束，管程走某有机溶液，流速为0.5 m/s，流量为15 T/h，比热为1.76 kJ/(kg)，密度为858 kg/m3，温度由20 加热至50 。壳程为130 的饱和水蒸汽冷凝，管程、壳程的对流传热系数分别为700W/(m2)和10000 W/(m2)，钢导热系数为45 W/(m2)，垢层热阻忽略不计。 求：（1）总传热系数； （2）管子根数和管长； （3）在冷流体温度不变的情况下，若要提高此设备的传热速率，你认为要用什么措施？4.40 有一蒸汽管，尺寸为502.5 mm，外包有两层绝热材料，每一层厚度都是2.5 mm，现有两种保温方法，见图（1）和（2），已知2=51，请定量判断这两种方法中哪一种方法绝热情况较好（蒸汽管本身的热阻可以忽略不计）4.41 在研究污垢对传热的影响时，采用281 mm之铜管，水在管内流动，水蒸汽在管外冷凝，传热系数K在很宽的水的流速范围内，对清洁管和污垢管可用如下方程表示：清洁管：1/K=0.00020+1/(500u0.8) ；污垢管：1/K=0.00070+1/(500u0.8) 式中： K为传热系数，kcal/(m2h)，u为水的流速，m/s；=f(u0.8)为水的对流传热系数，kcal/(m2h)试求污垢热阻和蒸汽冷凝传热系数。已知：铜的导热系数 =330 kcal/(mh)4.42 判断下列说法是否妥当，如不妥，请写出正确说法（1）蒸汽在管外冷凝时，“冷凝负荷越大，冷凝传热系数越高”；（2）用饱和蒸汽加热容器内的液体，使之沸腾时，“饱和蒸汽的压力越高，越有利于强化传热”。4.43某厂加热炉为一内衬耐火砖的钢制圆筒，筒外覆盖一层绝热材料，如图所示。若钢板的允许工作温度不超过450 ，已知外界大气温度：夏季为40 ，冬季为-10 ，大气一侧的对流传热系数外=10 W/(m2k)；炉内为热气体流动，最高温度为600，内侧对流传热系数内=100 W/(m2k)，炉内流道截面直径为1.5 m。（1）炉壁各层布置是否合理？（用数字说明） （2）若要改善钢炉壁的工作条件，从理论上你认为可采取什么措施？（定性说明） 各层材料的厚度与导热系数数据如下：材料导热系数，W/ m2k厚度， m耐火砖1= 0.380.25钢 板2= 450.01绝热材料3=0.100.25 题4.43附图 题 4.45 附图4.44 设有一热物料，其流量为1000 kg/h ，比热Cp1 =2.1 kJ/(kg)，在换热器中与冷流体逆流换热，温度从149 冷却至66 。冷却剂为水，温度为15 ，流量为2000 kg/h，比热Cp2 =4.18 kJ/(kg)，换热器总传热系数K=567 W/(m2)。如今换用10 水作为冷却剂，则料液出口温度为多少？若生产上需维持热流体原出口温度为66 ，而水流量不变，换热器是否满足需要？4.45 由A、B两台换热器组成的换热系统中，冷热流体的流向相反，流量相等，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，T1=150 ，T2=40 、t1=30 、t2=90 。试求温度T、ta、tb的值分别为多少？ 4.46 某套管换热器，内管为192mm，流向安排如图（a）所示。已知Wh=Wc=1000 kg/h，T1=100 ，T2=80 ，t1 =20 ，Cph=2 kJ/(kg)，Cpc=1 kJ/(kg)，管内i =2000 W/ (m2)，环隙o=3000