平壁炉的完整版本

第四章传热1.平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度和导热系数列于本题附表中习题1附表序号材料厚度b导热系数mmW/(m·℃)1(内层)耐火砖2001.072绝缘砖1000.143钢645若耐火砖层内表面的温度t1为1150℃，铜板外表面温度归为30℃，又测得通过炉壁的热损失为300W/m2，试计算导热的热通量。若计算结果与实测的热损失不符，试分析原因和计算附加热阻。解：单位长度的热通量：实测结果为300W/m2，说明存在附加热阻：实测结果为300，说明存在附加热阻，可能原因是空穴或层与层之间的表面接触不良等原因。设附加热阻为R.则有2.燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的绝缘砖。若炉的内表面温度t1为1400℃，外表面温度t3为100℃。试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两层砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为，绝缘砖的导热系数为。两式中可分别取为各层材料的平均温度，单位为℃，的单位为W/()。解：设两砖之间的界面温度为由：得：得：3.直径为，钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为-110℃，绝热层外表面温度10℃。已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和1.07W/(m·℃)，解：每半管长的热损失，可由通过两层圆筒壁的传热速率方程求出：负号表示由外界向体系传递的热量。即为冷量损失。4.蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将二层材料互换位置，假定其他条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少?说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为适合?解：设外层的平均直径为内层平均直径为，则，且由导热效率方程知：两层材料位置互换后：所以：即：两层保温材料互换位置后，单位管长的热损失增加。说明在本题情况下，导热系数小的材料放在内层较为合适。5.在外径为140mm的蒸汽管道外包扎一层厚度为50mm的保温层，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为180℃。保温层材料的导热系数与温度的关系为λ=0.1+0.0002t(t的单位为℃，的单位为W/(m·℃))。若要求每米管长热损失造成的蒸汽冷凝量控制在9.86×10-5kg/(m·s)解：由附录查得，180的饱和蒸汽的汽化热单位管长的热损失保温层外侧温度可由下式求得：其中：，由保温层内.外侧平均温度下求得。由于未知，可用试差法求解。由于题给条件说明保温材料的与t呈线性关系，也可用代数法求解：则：，6.在管壳式换热器中用冷水冷却油。水在直径为的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490W/()，管外油侧对流传热系数为258W/()。换热器在使用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.00026，油侧污垢热阻为0.000176。管壁导热系数λ为45W/(m·℃)。试求：解：(1)总传热系数为：(2)产生污垢后热阻增加的百分数为：7.并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15℃和40℃，油的进、出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃，假设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为解：平均温度差为由热量恒算可得：当油的出口温度降到80时，由热量恒算：解得：由传热速率方程分别可得：原换热器：新换热器：8.重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243℃和128℃;终温分别为167℃和157℃。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。解：以上标表示并流的情况。由传热速率方程和热量衡算：两式相除：(1)而所以：解得：即：(2)由(1)式得：(3)由(2)、(3)式得：所以：9．在下列各种管壳式换热器中，某种溶液在管内流动并由20℃加热到50℃。加热介质在壳方流动，其进、出口温度分别为100℃和60℃，试求下面各种情况下的平均温度差。(1)壳方和管方均为单程的换热器。设两流体呈逆流流动。(2)壳方和管方分别为单程和四程的换热器。(3)壳方和管方分别为二程和四程的换热器。解：(1)由对数平均温度差知道：(2)温度差校正系数图得：.(3)由R、P值查流程温差校正系数图得：所以：10.在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg/s的液体(比热容为1.9kJ/(kg·℃)、密度为kg/m3)，由80℃冷却到30℃。换热器的列管直径为，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW/(m2·℃)和1.7OkW/(m2·℃)，污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。解：由传热速率方程。其中：所以：11.在一管壳式换热器中，用冷水将常压下纯苯蒸气冷凝成饱和液体。苯蒸气的体积流量为1650m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，汽化热为394kJ/kg。冷却水的进口温度为20℃，流量为36000kg/h，水的平均比热容为4.18kJ/(kg·℃)。若总传热系数K0为450W/(m2·℃)，试求换热器传热面积S0解：换热器的传热面积其中：冷水出口温度可由热量衡算求得。即：则：12．在一传热面积为50m2的单程管亮式换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h，温度由20℃升至38℃。溶液的温度由110℃降至60℃。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水出口温度增到45℃。试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。假设：(l)两种'情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热容可取为4.17kJ/(kg·℃)；(2)可按平壁处理，两种工况下和分别相同；(3)忽略管壁热阻和热损失。。解：先求清洗前的总传热系数K.所以：再求清洗后总传热系数，由热量衡算求溶液的出口温度.若传热面两侧的总污垢热阻为则有：由此得：13.在一单程管亮式换热器中，用饱和蒸汽加热原料池。温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝(排出时为饱和液体)，原料油在管程流动，并由20℃加热到106℃。管壳式换热器尺寸为：列管直径19mm×2mm、管长4mm，共有25根管子。若换热器的传热量为125kW，蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃)，油侧污垢热阻可取为0.0005/W，管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略，解：(1).管内油侧解得：.(2).油的出口温度新条件下的物理量用“”表示，由热量衡算得：由总传热速率方程得：联立(1)、(2)解得：。14．90℃的正丁醇在逆流换热器中被冷却到50℃。换热器的传热面积为6m2，总传热系数为230W/(m2·℃)。若正丁醇的流量为193Okg/h，冷却介质为18℃的水，试求：(1)冷却水的出口温度;(2)冷却水的消耗量，以m2解：(1).却水的出口温度.由总传热速率方程其中：(2).水消耗量忽略热损失，由换热器的热量衡算.15.在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体的进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃，T1=100℃、T2=70℃。当冷流体的流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同，换热器热损失可忽略。解：原工况下，由热量衡算得：由传热速率方程得：将(1)代入(2)得：新工况下：由(3)、(4)得：由热量衡算：联立(5)、(6)得：两种情况下的传热量之比：本题也可以用法，计算如下：原工况下：查图得：新工况下：，(冷流体仍为最小值流体)。查图得：即：，解得：两种方法计算结果相近，误差是由读图引起的。法简便，宜用于估算，但误差稍大。16．试用量纲分析方法推导壁面和流体间自然对流传热系数a的准数方程式。已知α为下列变量的函数，即解：令：每一变量(组)的量纲用及Q表示，即：因上式中两边量纲相等，则有：以和表示其他度量：所以：或17．在套管换热器中，一定流量的水在内管流动，温度从25℃升高到75℃，并测得内管水侧的对流传热系数为2000W/()。若相同体积流量的油品通过该换热器的内管而被加热，试求此时内管内油侧对流传热系数。假设两种情况下流体呈漏流流动。已知定性温度下流体物性如下： ρ，kg/m3 μ， cp，kJ/(kg·℃)λ，W/()水10000.54×10-34.170.65油品8105.1×10-32.010.15解：两种情况下，均可用下式计算，即：因为，不变。两种情况下，的比值为：由本题可看出流体物性对的影响。18．一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内呈湍流流动。绝压为180kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20%，而空气的进、出口温度不变。试问应采取什么措施才能完成任务。作出定量计算。假设管壁和污垢热阻均可忽略。解：由题义知：设提高流量后的情况用“”表示，则由附录查得时，水蒸气的饱和温度为空气流量增加，若仍在原换热器中进行操作，则必须提高蒸汽温度(压力)才能完成任务.两种情况下，换热器的传热量分别为和.由传热速率方程：原流量时.流量增加后，.则：得：即：解得：.由附录查得，温度为的饱和蒸汽压力为.即：将饱和蒸汽的压力提高到即可完成任务.19.98%的硫酸以0.7m/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61.5℃。换热器的内管直径为解：定性温度下，的物性常数如下：套管环隙的当量直径为：先按湍流计算：20．温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30℃。蛇管的直径为7mm×3.5mm，弯曲半径为0.6m，试求甲苯对蛇管壁的对流传热系数。解：定性温度=下甲苯的物性数据如下：先按直管计算：蛇管对流传热系数为21．常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在管壳式换热器的管间沿轴向流动。离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根19mm×2mm的钢管组成，试求甲烧对管壁的对流传热系数。解：定性温度甲烷物性如下：换热空间的当量直径：22．室内水平放置表面温度相同、长度相等的两根圆管，管内通有饱和水蒸气。两管均被空气的自然对流所冷却，假设两管间无相互影响。已知一管直径为另一管的5倍，且两管的GrPr值在104～106之间，试求两管热损失的比值。解：这是大容器的自然对流问题：设小管直径为。大管直径为。由：即：由：得：即：23．流量为720kg/h的常压饱和水蒸气在直立的管壳式换热器的列管外冷凝。换热器内列管直径为仍25mmx2.5m，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算换热器的管数(设管内侧传热可满足要求)。换热器热损失可忽略。解：由附录查得，常压饱和蒸汽冷凝温度为，汽化热定性温度：先按层流计算，固：即：核算流型：24．验测定管壳式换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作揣流流动，管外为饱和水蒸气冷凝。列管由直径为25mm×2.5m的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数K0为2115W/();若其他条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得K0为2660W/()。试求蒸汽冷凝传热系数。假设污垢热阻可忽略。解：设水的流速为和时和分别用和表示，由总传热系数计算式知：即：又：联立解得：代入式得：所以，汽冷凝传热系数为：25．两平行的大平板放置在空气中，相距为5mm。一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05，温度为300K。若将第一板加涂层，使其黑度变为0.025，试计算由此引起的传热量变化的百分率。假设两极间对流传热可以忽略。解：两板间导热通量为：辐射传热的热通量为：总热通量：当一板黑度变为时，辐射热通量变为所以：总传热量减小：而辐射传热减小量为：26．在管道中心装有热电偶以测量管内空气的温度。由于气体真实温度t1与管壁温度tw不相同，故测温元件与管壁间的辐射传热引起测量误差。试推导出计算测温误差(t1-t1*)的关系式。式中tf为测量值。并说明降低测温误差的方法。假设热电偶的黑度为，空气与热电偶间的对流传热系数为。解：热电偶的绝对温度管壁的绝对温度热电偶和管壁之间的辐射传热为：因为：故，则：热气体和热电偶接点的对流传热为：稳态下，两者热通量相等即：所以：减小误差的办法：(1)：增大，为此应将热电偶置于管路中心，并增大空气流速；(2)：减小辐射传热，应减小热电偶黑度，将管壁保温以提高壁温；(3)：在热电偶处加遮热管。27．在管壳式换热器中，用120℃的饱和蒸汽将存放在常压贮槽中的温度为20℃、比热容为2.09kJ/()、质量为2×104kg的重油进行加热。采用输油能力为6000kg/h的油泵，将油从贮槽送往换热器，经加热后再