05传热过程基础精品文档11

1、第五章传热过程基础1 .用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度， 若所测固体的表面 积为0.02 m2，厚度为0.02 m，实验测得电流表读数为 0.5 A，伏特表读数 为100 V，两侧表面温度分别为 200 C和50 C，试求该材料的导热系数。解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热(导热)速率相等，即式中 Q IV 0.5 100W 50W将上述数据代入，可得2 .某平壁燃烧炉由一层 400 mm厚的耐火砖和一层 200 mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500 C,外表面温度为100 C，试求

2、导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为! 0.8 0.0006t，绝缘砖的导热系数为2 0.3 0.0003t， W/(m C)。两式中的t可分别取为各层材料的平均温度。解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即Q Q2 Q(5-32)或Q2b1b2(5-32a)式中1500 t10.8 0.0006t0.8 0.00061.25 0.0003t2代入入1、入2得解之得则Q S i -t- 1.543 150977 W m2 2017W m23 .外径为159 mm的钢管，其外依次包扎 A B两层保温材料，A层保温 材料的厚度为

3、50 mm导热系数为0.1 W /(mC) , B层保温材料的厚度为 100 mm导热系数为1.0 W /(m C )，设A的内层温度和B的外层温度分 别为170 C和40 C,试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温 度不变，每米管长的热损失又为多少？解：A B两层互换位置后，热损失为4 .直径为57mm 3.5 mm的钢管用40 mm厚的软木包扎，其外又包扎 100mn厚的保温灰作为绝热层。 现测得钢管外壁面温度为120C，绝热层外表面温度为10 C。软木和保温灰的导热系数分别为0.043 W/(m C)和0.07 W/(m C )，试求每米管长的冷损失量。解：此为两层圆筒壁的热传导

4、问题，则5.在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为25 mm< 2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m-C)。冷却水在管程流动，其对流传热系数 为2 600 W/(m2 C)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/而C )。试求基于管外表面积的总传热系数K，以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。解：由K 10 丄b dodo0dmidi查得钢的导热系数45W. m2 Cb2.5mmdo25 mmd2522.5 mm 20mm壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管壁热阻占总热阻的百分数为6 在一传热面积为40 m2的平板式换

5、热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30 OOOkg/h，其温度由22 C升高到36 C。溶液温度由115 C降至55 C。若换热器清洗后，在冷、热流体流 量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40 C,试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：(1)两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为 4.174 kJ/(kgC) ；( 2)两种情况下，i、 o分别相同；(3)忽略壁面热阻和热损失。解：求清洗前总传热系数K求清洗后传热系数K由热量衡算清洗前两侧的总传热热阻7 在一传热面积为25 m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶 液。冷却水的

6、流量为28 OOOkg/h，其温度由25 C升至38 C，平均比热容为 4.17 kJ/(kg C)。有机溶液的温度由11O C降至65 C，平均比热容为1.72 kJ/(kg C)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。解：Cp,c 4.17 kJ/(kg C)求tm有机物11O T 65水38 J 25t 72 4O8.在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。冷却水的流量为1O OOO kg/h，其初始温度为3O C，平均比热容为 4.174 kJ/ (kgC)。 有机溶剂的流量为14 OOO kg/h ，温度由18O

7、 C降至12O C，平均比热容为 1.72 kJ/ (kg C)。设换热器的总传热系数为5OO W/(m2 C)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以 忽略。解:Q WCphT2 14OOO 1.72 18O 12O kJ h 1.4448 1O6 kJ h 4O1.3kW冷却水的出口温度为逆流时并流时9 .在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和 液体。已知苯蒸汽的体积流量为1 600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1 C，气化热为394 kJ/kg。冷却水的入口温度为20 C，流量为 35 000 kg/h，水 的平均比热容为4.1

8、7 kJ/(kgC)。总传热系数为 450 W/(m2 C)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。解：苯蒸气的密度为解出 t231.6 C求tm苯 80.1 f 80.1水 31.6- 20 t 48.560.110. 在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30 C,出口温度为65 C。油在管程流动，进口温度为120 C。出口温度为75 C,试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油 120 f 75水 65 30t5545-计算P及 R查图5-11 ( a)得11. 某生产过程中需用冷却水将油从 105 C冷却至70 C。已知油的流 量为6 000 k

9、g/h，水的初温为22 C,流量为2 000 kg/h。现有一传热面积 为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：(1) 两流体呈逆流流动；(2) 两流体呈并流流动。设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为 300 W/(m2C);油的平 均比热容为1.9 kJ/(kg C)，水的平均比热容为 4.17 kJ/(kg C)。热损 失可忽略。解：本题采用NTU法计算(1) 逆流时查图得 0.6225T2 T,105 1.196 10 C 67.2 C 70 C能满足要求Whcph3166.7(2) 并流时查图得 0.5265T2 105 1.011 10 C 73.

10、1 C 70 C不能满足要求3166.712. 在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5 m，总传热系数为1 400 W/(m2 C)；热水的初温为100 C， 流量为5 000 kg/h ;冷水的初温为20 C，流量为10 000 kg/h。试计算热水 和冷水的出口温度及传热量。设水的平均比热容为 4.18 kJ/(kg C)，热损 失可忽略不计。解：Whcph 5000 4.18 103 W C 5806W C p 3600查图得 0.575传热量Q Cmin(T tj解出T2 54 C解出t2 43 C13 .水以1.5 m/s 的流速在长为 3 m、直

11、径为 25mm 2.5mm的管内由20 C加热至40 C,试求水与管壁之间的对流传热系数。解：水的定性温度为由附录六查得30 °C时水的物性为3 5p= 995.7 kg/m , 口 =80.07 X 10 Pa - s,入=0.6176 W/(m C),Pr=5.42则Re°.°2 1.5 9957 3.73 104 (湍流)80.07 105Re Pr及丄值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式 5-76a近似计算。di水被加热，取n=0.4，于是得14 .温度为90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流过直径为57mm 3.5 mm弯曲半径为0.6 m的蛇

12、管换热器而被冷却至30 C,试求甲苯对蛇管的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为 由附录查得60 C时甲苯的物性为3一 3P= 830 kg/m ,1840 J/(kg C) , 口 =0.4 X 10一 Pa - s,入=0.1205 W/(m C) , Pr c1840 0.4 100.12056.11Ub1500n23600 8300.05240.256 m sRediUb0.05 0.256 8300.4 1026539 (湍流)流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度, 使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数，即式中一弯管中的对流传热系数，W (m

13、2 C)；直管中的对流传热系数，W (m2 C);di管内径，mR管子的弯曲半径，m15 .压力为101.3 kPa，温度为20 C的空气以60 m3/h的流量流过直 径为57mm 3.5mm，长度为3 m的套管换热器管内而被加热至 80 °C,试求管 壁对空气的对流传热系数。解：空气的定性温度为由附录五杳得50C时空气的物性为3 5p= 1.093 kg/m ，1005 J/(kg C)， 口=1.96 x 10 Pa - s，入=0.0283 W/(m C)，Pr=0.698则UbWndi2460m s 8.50 m s3.142 f36000.0524Re叭0.05 8.5 1

14、.093523679.5 (湍流)1.96 10 516 .常压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过。已知管子尺寸为38mm 3 mm正方形排列，中心距为 51 mm,挡板距离为1.45 m，换 热器外壳内径为2.8 m，空气流量为4 104m3/h，平均温度为140 C，试求空 气的对流传热系数。解：由附录五查得140 C时空气的物性为p= 0.854 kg/m 3，1013 J/(kg -C)， 口=2.37 x 10 5 Pa - s， 入=0.0349 W/(m C)，Pr=0.694米用凯恩(Kern )法，即Nu 0.36Re0.55 Pr13 w(5-63)deU 0 55

15、130 14或0.36(二)Pr (一)dew(5-63 a)传热当量直径de可根据管子排列情况进行计算。管子为正方形排列，则式中 t 相邻两管的中心距，m;D。一管外径，m代入t 和 do得式5-63及式5-63a中的流速u可根据流体流过管间最大截面积A计算，即式中 z两挡板间的距离，mD换热器的外壳内径，m代入z、D t和do得上述式中的w对气体可取为1.0。17 .将长和宽均为0.4 m的垂直平板置于常压的饱和水蒸气中，板面温度为98 C,试计算平板与蒸汽之间的传热速率及蒸汽冷凝速率。解：水的定性温度为由附录六查得99 C时水的物性为3 5P = 958.5 kg/m ，4220 J/(

16、kg C)， 口 =28.41 x 10 Pa - s，入=0.683 W/(m °C)，Pr=1.762由附录八查得100C时饱和蒸气的物性为r 2258kJ/kg， v 0.597 kg/m对于此类问题，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜为层流, 由式5-135得核算冷凝液流型，由对流传热速率方程计算传热速率，即冷凝液的质量流率为单位长度润湿周边上的凝液质量流率为2则Ref 4 5.2 10693.3 18000.3 10 3故假定冷凝液膜为层流是正确的。18.常压水蒸气在一25mm 2.5mm长为3 m,水平放置的钢管外冷凝。钢管外壁的温度为96 C，试计算水蒸气冷凝

17、时的对流传热系数。若此钢管 改为垂直放置，其对流传热系数又为多少？由此说明工业上的冷凝器应如何 放置？解：由附录查得，常压水蒸气的温度为100 °C。定性温度 tf tW Is 100 96 C 98 C2 2由附录查得在98 C下，水的物性为：960.78kg. m3;0.6822W m2 C ; r 2261.08kJ kg; 29.03 10 5Pa s水平放置垂直放置通过上述计算可知，工业上的冷凝器应水平放置。19 .两平行的大平板，在空气中相距10 mm 一平板的黑度为 0.1，温度为400 K ;另一平板的黑度为0.05，温度为300 K。若将第一板加涂层， 使其黑度为0

18、.025，试计算由此引起的传热通量改变的百分数。假设两板间对流传热可以忽略。解：第一板加涂层前因是两平行的大平板，则CCoC1 2丄丄11 25.67102。O.WFK4 ；于是第一板加涂层后第 11 页空气导热的热通量tmg妇27 127 c 77 c，查得77 c时，空气的导2 2热系数 0.03W m加涂层前后传热通量减少的百分率为20. 用压力为300 kPa （绝对压力）的饱和水蒸气将 20 C的水预热至80 C, 水在25mm 2.5 mn水平放置的钢管内以0.6 m/s的速度流过。设水蒸气冷凝 的对流传热系数为5 000 W/（m2C），水侧的污垢热阻为 6X 10-4 mC/W, 蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求（1）换热器的总传热系数；（2）设操作半年