化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)

传热过程及换热器传热过程及换热器 1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为 230mm，外层普通砖 厚度为 240mm，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是 700，外表面温度是 100，为了 减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为 40mm 的保温材料，当定态后测得内壁面温 度为 720， 保温材料外表面温度为 70。 求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐 火砖、 普通砖、 保温材料的热导率分别为 1.163Wm-1-1， 0.5815Wm-1-1， 0.07Wm-1-1。 解：根据多层平壁热传导公式： i i i tQ A = 加保温材料前：ti=t1-tn+1=700-100=600 0.230.24 1.1630.5815 0.6105 i i =+= 2 600 0.6105 982.8W/m Q A = 加保温材料后：ti=t1-tn+1=720-70=650 0.230.240.04 1.1630. 1.18 5815007 2 0. i i =+= 2 545W/m 1.18 6 2 50Q A = 2.如习题 1 加保温材料后测得内壁面温度为 720，保温材料外表面温度为 70。计算耐火 砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。 解：加保温材料后，传热速率为： 2 545W/m 1.18 6 2 50Q A = 根据平壁热传导公式： 12 1 1 545 ttQ A = t1=720；1=1.163Wm-1-1，1=0.24m 代入上式解得： t2= 1 1 1 0.23 720545 1. 1 63 62 1 1 . Q t A = 同理得 t3= 3 4 3 0.04 70545 0 3 1. 7 4 .0 8 Q t A +=+= 3.平壁炉的炉壁内层为 120mm 厚的耐火材料和外壁厚度为 230mm 建筑材料砌成， 两种材料 的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为 800，外侧壁面温度 113，后来在普通建筑材 料外面又包一层厚度为 50mm 的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为 800，耐 火材料与建筑材料交界面温度为 686，建筑材料与石棉交界面温度为 405，石棉外侧温 度为 77，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？ 解：包石棉材料前得传热速率 1 12 800 113 0.120.23 t Q = + 包石棉材料后得传热速率 2 12 800405 0.120.23 t Q = + 包扎石棉后热损失比原来减少的百分数= 2 1 800405 110.425=42.45% 800 113 Q Q = = 4.50mm5mm 的不锈钢管(1=16 Wm-1K-1)外包扎厚度为 30mm 的石棉(2=0.22 Wm-1K-1), 若管内壁温度为 600，石棉外壁面温度 100，求每米管线的热损失。若要使温差保持不 变，欲使热损失减少 60%，在石棉层外再包一层保温材料(3=0.07 Wm-1K-1)，求该保温材 料的厚度为多少？ 解：(1)、 11 1 1 2 ()2 (600 100) = 15011101 lnlnln 15400.22 872.5 5 2W/m 0 n n i ii ttQ rL r + + = + 5.用 48 mm3mm 的钢管(=45 Wm-1K-1)输送 0.304MPa 的饱和水蒸汽，外界空气为 20， 求不保温与包上 30mm 厚的石棉时每米管长的热损失速率(空气的表面传热系数可取为，水 蒸汽传热的热阻忽略。 解：查得 0.304MPa 的饱和水蒸汽的温度为 133.74 143.744 11 1 1 133.2 ()2 (20) = 14811081 lnlnln 45 74 1 420.2248 94W/m n n i ii ttQ rL r + + = + 6. 50 mm3mm 的钢管(=45 Wm-1K-1)外包扎二层绝热材料，内、外层厚度分别为 25mm 和 40mm，热导率分别为 0.08 Wm-1K-1及 0.04 Wm-1K-1。若管内壁面温度为 277，绝热 材料外表面温度为 57，求每米管长的热损失速率。 解： 11 1 1 2 ()2 (57) = 150110011801 lnlnlnln 45440.0 27 8500.04100 7 59.14W/m n n i ii ttQ rL r + + = + 7.某蒸汽管外径为 100mm，外面包有两层绝热材料，内层为 50mm 厚的绝热材料 A(=0.06 Wm-1K-1)，外层为 25mm 绝热材料 B(=0.075 Wm-1K-1)，若 A 层内表面温度为 175，B 外表面温度为 38，计算每米管长的热损失及 A，B 交界面的温度。 解： 11 1 1 2 ()2 (138) = 120012501 lnlnln 0.061000.075 75 5 200 9.22W/m n n i ii ttQ rL r + + = + 12 1 1 2 ()2 ( 75 59.22W 1) = 12001 lnln 0.06 / 0 m 10 n i ii ttQx rL r + = 1200 ln 0.06100 17559.2266.06 2 x = 8.炼油厂在一列管换热器中用热油加热冷油。管子规格为 =383mm，管程冷油的流速为 1.1ms-1从 25加热到 125，在定性温度下冷油的物性参数为，密度 850kgm-3，比热 2.5kJkg-1K-1，粘度 210-3Pas，热导率 0.12 Wm-1K-1。求冷油的表面传热系数。 解： 3 0.80.40.80.4 3 0.120.032 1.1 8502500 2 10 0.023() ()0.023()() 0.0322 100.12 p C du d = = 838.7 Wm-2K-1 9.在一列管换热器中，用水蒸气加热原油。管子规格 =252.5mm，管程原油的表面传热系 数为 1000 Wm-2K-1，管内污垢层的热阻系数 Rh,1=1.510-3m2KW-1；管外水蒸气加热原油， 管外水蒸气的表面传热系数为 10000 Wm-2K-1， 管外污垢热阻及管壁的热阻忽略不计， 求传 热系数及各部分热阻占总热阻的百分数。 解：以内表面为计算基础 21 3 1 ,1 1 11 388W m 1201 1.5 10 100010000 25 h oo KK d R d = + i 总热阻 R=0.00258 内表面热阻 R1=0.001 占总热阻的百分数 38.88% 外表面热阻 Ro=0.00008 占总热阻的百分数 3.10% 污垢层的热阻系数 Rh,1=1.510-3占总热阻的百分数 58.2% 以外表面为计算基础 21 3 01 ,1 11 11 310W m 252511 1.5 10 1000 202010000 h oo KK dd R dd = + i i 总热阻 R=0.00323 内表面热阻 R1=0.00125 占总热阻的百分数 38.70% 外表面热阻 Ro=0.0001 占总热阻的百分数 3.10% 污垢层的热阻系数 Rh,1=1.87510-3占总热阻的百分数 58.04% 10.两湍流流动的流体在套管换热器中换热，第一流体对管壁的表面传热系数 1=233 Wm-2K-1，管壁对第二流体的表面传热系数 2=407 Wm-2K-1。若忽略管壁和垢层的 热阻，求下列情况传热系数各增加多少？ (1).假定第一流体流速增加一倍，其余不变。 (2).假定第二流体流速增加一倍，其余不变。 解：u 0.8 第一流体流速增加一倍，其余不变。1=233 Wm-2K-1， 则 1=20.81=406 Wm-2K-1 第二流体流速增加一倍，其余不变。2=407 Wm-2K-1 2=20.82=709 Wm-2K-1 21 12 21 21 1212 11233 407 148W m 11 233407 = + + + i i KK (1)、 2 12 1 21 406 407 203W m 406407 1 = + i KK 203 1.37 148 K K = (2)、 2 12 1 21 233 709 175W m 233709 1 = + i KK 175 1.18 148 K K = 11.在管长为1m的单程套管换热器中， 用水冷却热油， 两种流体并流换热， 油的初温为150， 终温为 100；水的初温为 15，终温为 40。欲用加长换热器管子的办法，使油的出口 温度降至 80，求此时的管长。假设在两种情况下，油和水的质量流量、进口温度、物性 参数和传热系数均不变化，热损失可忽略；换热器除管长外，其余尺寸也不变化。 解：油放热 Q放=(msCp)油(T1-T2) 水吸热 Q吸=(msCp)水(t2-t1) 热损失不计则 Q放=Q吸，得： 21 12 () () s s mCp tt mCpTT = 油 水 ； 根据传热方程 Q=KAtm； m Q K A t = 未加长管子时 21 12 () 40 15 0.5 ()150 100 s s mCp tt mCpTT = 油 水 12 1 1 2 (150 15)(10040) 92.5 150 15 lnln 10040 m tt t t t = 加长管子后油和水的质量流量、进口温度、物性参数和传热系数均不变化。 则有 2121 12 1212 ()() tttt TTTT = ； 12 ()() mm QQ A tA t = 1212 12 ()() ()() ss mm m Cp TTm Cp TT dL tdL t = 得： 21 1122 221 12 1 () ()(40 15) (15080) ( )1550 ()150 100 ttTT tt TT =+= += 12 2 1 2 (150 15)(8050) 69.8 150 15 lnln 8050 m tt t t t = 11122 2 212 1 ()92.5 (15080) 1.86 ()69.8 (150 100) m m tL TT Lm tTT = 12.列管换热器的管束由若干根长 3m，规格为 =252.5mm 的钢管组成，要求将质量流量为 1.25kg/s-1的苯由 80冷却到 30，20的水在管内与苯逆流流动。已知水侧和苯侧的表面 传热系数分别为 850 Wm-2K-1和 1700 Wm-2K-1。污垢热阻可忽略，若维持水的出口温度不 超过 50，求所需列管数，苯的比热 1900Jkg-1K-1，密度 880kgm-3，管壁导热系数 =45 Wm-1K-1。 解：根据传热计算方程 Q=KAtm 传热速率 Q，按苯的热负荷计算 Q=mCp=1.251.950 =118.75kW 传热系数 K 以水侧为计算基准 21 11 1 11 592.9W m 10.00220201 8504522.51700 25 moo KK dd dd = + i i 传热系数 K 以苯侧为计算基准 21 00 011 11 474.3W m 10.00225251 17004522.5850 20 m KK dd dd = + i i 传热温差tm 逆流传热 12 1 2 (8050)(3020) 18.2 8050 lnln 3020 m TT tK T T = 水侧传热面积 A1 3 118.75 10 46.7=48 592.9 3.14 0.02 3 18.2 Q n Kd lt = i i i i 根根 苯侧传热面积 A0 A=nd0l 3 118.75 10 58.4=59 474.3 3.14 0.025 3 18.2 Q n Kd lt = i i i i 根根 13.在列管换热器中用蒸气加热溶液，列管为 25mm1.5mm 的钢管。水蒸气冷凝的表面传 热系数为 15000 Wm-2K-1，溶液的表面传热系数取 2000 Wm-2K-1，管壁的导热率 =50 Wm-1K-1。若，使用一段时间后，管内壁沉积 1mm 的垢层，垢层的导热率 =1 Wm-1K-1， 求此时传热量为原来的分率。 解：根据传热计算方程 Q=KAtm 以管内壁为计算基准面则： 21 11 1 11 1724.1W m 10.001520201 20005022.515000 25 = + i i moo KK dd dd 使用一段时间后 21 111 1 11 680.7W m 10.0015200.00120201 () 20004022.5122.5 15000 25 = + ii i mmoo KK ddd ddd 垢 因为水蒸气的冷凝温度和溶液加热温度都不变化则 Atm=Atm Q=KAtm=1704.5Atm Q=KAtm=677.7 Atm 680.7 0.39539.5% 1724.1 Q Q = 14.在列管换热器中，用原油与热重油换热，原油初始温度为 20，质量流量为 10000kgh-1， 比定压热容 2.2kJkg-1K-1。重油从 180 冷却到 120，质量流量为 14000 kgh-1比定压热容 1.9kJkg-1K-1，设在逆流和并流操作时的传热系数 K 均为 200 Wm-2K-1，求并流与逆流的传 热面积比。 解：假设传热过程热损失不计则有 Q热=Q冷 Q热=(mCp)热(T1-T2)=140001.9(180-120)= 1596000 kJh-1 Q冷=(mCp)冷(t2-t1)=100002.2(t2-20)=22000t2-440000 得：t2=92.5 1221 12 21 ()()(18092.5)(12020) 93.6 ()18092.5 lnln 12020() = TtTt tK Tt Tt 逆流 1221 12 21 ()()(18020)(12092.5) 75.2 ()18020 lnln 12092.5() = TtTt tK Tt Tt 并流 根据传热计算方程 Q=KAtm m Q A K t = ；Q热=Q冷；逆流和并流操作时的传热系数 K 均为 200 Wm-2K-1 93.6 1.244 75.2 At At = 逆流逆流 并流并流 14.要求每小时冷凝 500kg 乙醇蒸气，并将凝结液冷却至 30，乙醇的凝结温度为 78.5， 凝结热为 880kJkg-1，液体乙醇的平均比定压热容为 2.8 kJkg-1K-1。乙醇蒸气在该条件下的 表面传热系数为 3500 Wm-2K-1，乙醇液体的表面传热系数为 700 Wm-2K-1。冷却水（逆流） 的初始温度为 15，排出温度为 35，水