化工原理第三版传热习题

1、传热一、填空(1) 在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于侧的对流传热系数，而壁温接近于侧流体的温度值。(2) 热传导的基本定律是_。间壁换热器中总传热系数 K的数值接近于热阻 (大、小)一侧的值。间壁换热器管壁温度tw接近于:值_ (大、小)一侧的流体温度。由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈小，则该壁面的 热阻愈(大、小)，其两侧的温差愈大、小)。(3) 由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈，其两侧的温差愈 。(4) 在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在 ，减少热阻的最有效扌昔施是。(5) 消除列管式换热器温差应力常用的

2、方法有三种，即在壳体上加膨胀节、采用浮头式 或U管式结构 ；翅片管换热器安装翅片的目的是 增加面积， 增强流体的湍动程度以提高传热系数 。(6) 厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知 bib2b3，导热系数12 100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。19在设计换热器时，如何安排流量较小的流体的流径（管内或是管间）？简述 理由。走管间， 因流体在有折流挡板的壳程流动时， 由于流速和流向的不断改 变，在低只6值（Re 100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。20在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，传热管的壁温接近哪一种流体的 温度？壁温接近饱和蒸气的温度。21. 在列管换

3、热器中，拟用饱和蒸气加热空气，总传热系数K接近哪一种流体的 对流传热系数？总传热系数K接近空气的对流传热系数。22. 在列管换热器中，拟用饱和蒸气加热空气，如何确定两流体在换热器中的流 径？为什么？空气走管内，饱和蒸气走管间，以便于冷凝液的排放。23. 污油与汽油换热，如何安排两流体的流径 ? 为什么 ?污油走管内，汽油走管间，便于清洗。24. 为什么内部孔隙多的材料保温效果好 ？因为大量的孔隙中包含着导热系数非常小的气体，对导热不利，从而起到了保温的作用。25. 钢板的黑度为0.78,其反射率为多少？反射率为0.22。26. 在强化传热的过程中，为什么要想办法提高流体的湍动程度？由于对流传热

4、的热阻主要集中在层流底层内，提高流体的湍动程度能减薄层 流底层的厚度，可以提高传热效果。27. 在夏季人们为什么爱穿浅色衣服？由于在阳光下浅色的衣服反射率较大， 吸收的热量少，使人们不至于感 觉太热。28. 换热器的壳程为什么要安装挡板？可以提高壳程流体的湍动程度，增强传热效果。29. 虽然大气层包围着地球，但阳光仍能照射到地球表面，因为空气是透热体。 此话对吗？为什么？不对，只有单原子气体和对称双原子气体是透热体，而空气中的二氧化碳和水蒸气都可以部分地吸收太阳发射的辐射能。30. 间壁式换热器与混合式换热器的区别是什么？间壁式换热器是由固体壁面将冷、热两种流体分开，通过固体壁面传热， 而混合

5、式换热器中则是将冷、热两种流体直接接触、混合换热。四、计算1. 一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为 3m直径为*25x 2mm水以0.7m/s的 流速在管内流过，并从17C被加热到37C。流量为1.25kg/s、温度为72 C烃的 饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为 315kJ/kg。已测得： 蒸气冷凝传热系数=800W/（mC ），管内侧热阻为外侧的 40%污垢热阻又为 管内侧热阻的70%试核算：（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准）；（2）换热管的总根数；（3）换热器的管程数。计算时可忽略管壁热阻及热损失， 水的比热为4.18kJ/（kg C）解： （1）换热器每程

6、提供的传热面积（外表面为基准），S;由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求S,需先知道每程的管子数， 每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。两流体交换的热量为:Q 二Whrh =1.25 315 =394kwQ =WcCpc(t2 -tj， Cpc = 4.18kJ/kg C，Wc394C pc 山J) = 4.18 (37 17 ) = 4.713 kg / S单管内水的流量为:Wc -d2 0.785 0.0212 0.7 1000 = 0.2423kg / s每程所需管子数为:Wc4.71319.5Wc10.2423取每程管子数为20，则每程所能提供的传热外表

7、面积为:5#S - ：do ln_j =0.025 20 3 二-4.71m2(2)换热管的总根数；由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。由题给数据,0.4 0.7 0.4丄)Q = K o So =tm：o：oKo0.4 0.7 0.4 丄)800 800= 476.2W/m2 C :t1- ：t2 _(72-17)-(72-37) = 44.25 cIn氏1ln72-37则任务所需的传热外表面积为:3942= 18.7m2#0.4762 44.25So换热管总根数为:So18.7n = dol: 0.025 3=79.4#(2)换热器的管程数#由题意管程数为：Nt二丄=42在一单程逆流列

8、管换热器中用水冷却空气， 两流体的进口温度分别为20 r和 11or。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45r和4or,使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下， 冷却水出口温度降至38 r，试求：(1)空气出口温度为多少？( 2)总传热系数 为原来的多少倍？ ( 3)若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变， 冷热流体的出口温度各为多少？ 传热速率有何变化？变为多少？ 解：使用初期(:水:空气)(4)冷却水流量加大后，换热器的使用一年后110 r40*110203820(1)空气出口温度T2题意可得：使用初Q 二WcCpc(t2 7) =W

9、hCph(T1 -T2)= KS：tm(1)使用一年后Q =2WcCpc(t2 _切=WhCph(T! _T2)= KS：tm(2)两式相比(2) / (1)，得(110一-(38 - 20)10-40厂.(45-20)则：=59.6 r(2)总传热系数K /K(T1 -七2) -仃2 7) _ 65 _ 20 _ 34 2 cC .65 .In -20ln T1 七T2 7(110 -38) -(59.2 -20)72 -39.6ln 113859.6-20= 54.2 C39.6方程式/(1)式，得:(38 - 20)(45 -20)54.238.2=0.50%(3)冷热流体的出口温度t2

10、及 T2一年后Q=WcCpc(t2 7)二WhCph F(3)Q =2WcCpc(t2T) =WhCph(T1 -T2)=K S tm(4)7方程（4）式/ （3）,得:9#110 -T2110-59.62(tJ - 20) K 138-20 _ K 542(110_t2)_亿 _20)I11012InT2 -20#整理前半式的方程t； =39.6 -0.17917（5）由等比定理(110T2) -(t2 -20)1(110-t2) - (T2 -20)110-59.6-9-54.2, 110-t2T2 -20则,110-t241.4InT2 - 2054.2整理得，t2 =153-T2(6)

11、又因故二水：空气, K ：空气,联立（5）和（6）,可得：t； =29.49 ,TT=57.5乜（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？，r _ (110 -29.4) -(57.5 -20)m57.5-2011029.480.6 -37.580.6In37.5= 56.3 C=56.354才 1.043有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，T=100C ；冷方：为生垢液体升温，t20C , t2 =60 C。（1）在测试中，维持以上温度条件不变，发现蒸汽凝液流量，在清洗前后之比为1: 2。问：a那些是控制热阻？管程宜走那一方流体？简述理由；b清洗前，污垢热阻约为该时总热阻

12、的多少分数？（2）在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。问：随着污垢的增加，调节饱和蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？简述理由（定 性分析）。注：冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。解：（1） a 垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程 的传热量取决于热阻大的一方。管程宜走生垢液体，便于清洗，便于增大流速， 可能减少垢层沉积在管子表面上，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和 蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗， 且在壳程 流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。b维持A, Atm不变时:清洗前传热量Q

13、=W. = KA.itm(1)清洗后传热量Q 2Wh二KA tm(2)(1) 式与(2)式比较得：K =2K清洗前后总热阻的差值是污垢热阻 RsRsK K 2K2K所以昱=2K一 =0.5=50%R总1 K(2) 在操作中，调节生垢液体流量，企图减少垢层厚度来增加换热量，是不能满 足的，因为生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所 需要的热量相当，这时会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加厶-，使其满足热负荷的要求。假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，(换热量再减少即不能操作)这时蒸汽的温度提高到160C即可满足要求。假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，而传热

14、系数下降一半，则推动力.-：tm =160 一20 1660 =120增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷2不变。4. 有一换热器，管内通90C的热流体，膜系数为1100w/m2 C，管外有某种 液体沸腾，沸点为50C，膜系数：-2为5800w/m2 C。试求以下两种情况下的 壁温：(1)管壁清洁无垢；(2)外侧有污垢产生，污垢热阻为 0.005 m2 C/w解：忽略管壁热阻，并假设壁温为Tw(1) 当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得:T -TwTw -t90 -TwT1 -1100w 50158001 -:11：2则Tw =56.4 C(2)同理T -Tw _Tw _ t90-Tw

15、Tw - 501 1R01 -1+ 0.005：1：211005800则Tw = 84 C由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度5. 流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由150C降至80C ;壳程冷却用水，进口温度为15C，出口温度为65C，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膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系 数，管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kgC， 水的比热为4.17kJ/kgC,不计温度变化对比热的影响，试求：（1）冷却水用 量；（2）如冷却水进口温度上升为20C，仍用原设备达到相同的气体冷

16、却程度， 此时对数平均温差为多少？ （ 3）此时的出口水温将为多少？ （ 4）此时的冷却水 用量为多少？解：（1）冷却水用量；Q = Cpc & -1） = WhCph （T）- T2） q =WC 4.17(65 -15) = 2000 1.02(150 - 80)W 685kg/h（2）如冷却水进口温度上升为20C，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此 时对数平均温差为多少？（1）新情况原情况Q 二WcCpc(t2 7) =WhCph(T1 -T2)= KS：tmiS：tmQ =WcCpc(t2 -匕)=WhCph(T 订2)= KS：tmiS 心爲水二空气， K-：空气， 换热器与气体的

17、情况未变,Q=Q wSi=S， 故 Atm=Mm.:t(150 -65)(80 -15)=75 J2tm(150 -t2 ) (80 -20)211#t 60 C，C-：tr氏2 2=1 104w/m2 C钢的导热系数，=46.5w/ m C污垢热阻总和R= 0.0003m2 C/w解：对库存换热器进行传热能力核算Q = KoS。心其中So = n二do(L-0.1) =72 3.14 0.025 (3-0.1)=16.4(T -ti) -(T t2)t2 -tiIn 7T -t260 - 20=85.4,127-20 In127-60蒸汽冷凝宜走壳程，NaOH水溶液走管程。求管内NaOH水溶

18、液一侧的 宀23600 0.785 0.02172/2=0.67m/sduPRe 二.21 O67 1100 =10300 1041.5 1033彳7710 侥 10=9.750.583021#143 600.021丸0 80 40.580 80 4-0.023 - (Re) - (Pr) - -0.023(10300) -(9.75)-d0.021= 2560w/m2 C1Ko1100000.0252560 0.0210.002 0.02546.5 0.0230.0003 -11097Ko =1097w/m2 C换热器的传热速率Q= KoSo. tm =1097 16.4 85.4 = 1536kw该换热器的热负荷Ql -WcC(t2 - J ) = 30 1100 3.77 (60 - 20) = 1382 kw3600因为 Q Ql所以库存的换热器能够完成传热任务。另一种解法：由传热方程式求得完成传热任务所需要的传热面积为:So同上，换热器的热负荷 Ql =1382kwKo -1097w/m2 C，:tm =85.4 C 故So 138214.75m21097 咒 85.4该库存换热器所提供的传热面积的传热面积为：So二do(L-0.1) = 72 3.14 0.025 (3-0.1)=16.4因为So So所以