5计算题题目9修订版.docx
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5计算题题目9修订版
层次:
A
[2]j05a10067
如图所示,有一稳定导热的平壁炉墙,墙厚240mm,导热率λ=0.2W/(m·℃),若炉墙外壁温度t3=45℃,为测得炉墙内壁温度t1,在墙深100mm处插入温度计,测得该处温度t2=100℃,试求炉墙内壁温度t1。
[5]j05a10073
100℃的水蒸气在管壳式换热器的管外冷凝,冷凝潜热为2258.4kJ/kg,总传热系数为2039W/(m2·℃),传热面积为12.75m2,15℃的冷却水以2.25×105kg/h的流量流进管内,水的比热为4.187kJ/(kg·oC),求水蒸气冷凝量?
[9]j05a10203
常压下338K之甲醇蒸汽经冷凝器冷凝后,送入冷却器中冷却至300K。
冷凝器与冷却器中所用冷却水的初温都是290K,终温都是305K。
试安排两换热器中流体的流程及流向,并计算平均温度差。
(换热器均为单管程、单壳程)
[11]j05a10205
某平壁工业炉的耐火砖厚度为0.213m,耐火砖导热率λ=1.038W/(m·℃)。
其外用导热率为0.07W/(m·℃)的绝热材料保温。
炉内壁温度为980℃,绝热层外壁温度为38℃,如允许最大热损失量为950W/m2。
求:
(1)绝热层的厚度;
(2)耐火砖与绝热层的分界处温度。
[13]j05a10208
在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg/h的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热cp=2.38kJ/(kg·℃),环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热cp=4.174kJ/(kg·℃)。
基于传热外表面积的总传热系数K=2000W/(m2·℃),且保持不变。
设热损失可以忽略。
试求:
(1)冷却水用量;
(2)计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。
[17]j05a10243
为了测定套管式甲苯冷却器的传热系数,测得实验数据如下:
冷却器传热面积A=2.8m2,甲苯的流量W1=2000kg/h,由80℃冷却到40℃,甲苯的平均比热cp1=1.84kJ/(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cp2=4.18kJ/(kg·℃),问水的流量为多少?
层次:
B
[4]j05b10071
①方型窑炉的炉壁由两层砖砌成,内层为240mm耐火砖[λ=0.9W/(m·K)],外层为240mm红砖[λ=0.6W/(m·K)],炉膛内壁面温度为700℃,外壁面温度为60℃,试求单位面积(m2)的散热速率及两层交界面的温度。
②上题中若炉气向壁面的对流给热系数α1为30W/(m2·K),壁面向外界空气的对流辐射联合给热系数α2为20W/(m2·K),求炉膛内炉气温度和外界空气温度。
[6]j05b10074
有一段管径为φ108×4mm的蒸汽管道,裸露于气温为20℃的环境中,管内通以100℃的饱和水蒸气。
测得每米管长的冷凝水量为0.70kg/h,钢的导热率为45W/(m·K),蒸汽冷凝潜热为2258kJ/kg,取蒸汽冷凝给热系数为104W/(m2·K)。
试计算:
A)管外壁温度tw;
B)辐射散热量占总热量损失的百分率,已知管外壁面黑度为0.8。
[12]j05b10108
一套管换热器,由φ48×3mm和φ25×2.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过,分别测得对流给热系数为α1和α2,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φ32×2.5mm后,管内对流给热系数有何变化?
(假设流动状态皆为湍流)
[17]j05b10193
在管长为1m的冷却器中,用水冷却油。
已知两流体作并流流动,油由420K冷却到370K,冷却水由285K加热到310K。
欲用加长冷却管子的办法,使油出口温度降至350K。
若在两种情况下油、水的流量,物性常数,进口温度均不变,冷却器除管长外,其他尺寸也均不变。
试求管长。
[20]j05b10212
在逆流换热器中,将油从25℃加热到50℃,热水的进口温度为80℃,出口温度为35℃,求该换热器的效率。
[21]j05b10213
某列管换热器,用100℃水蒸气将物料由20℃加热至80℃,传热系数K=100W/(m2·K)。
经半年运转后,由于污垢的影响,在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃,现欲使物料出口温度仍维持80℃,问加热蒸汽温度应取何值?
[24]j05b10246
用175℃的油将300kg/h的水由25℃加热至90℃,水的比热取4.2kJ/(kg·℃)。
已知油的比热为2.1kJ/(kg·℃),其流量为400kg/h,今有以下两个传热面积均为0.72m2的换热器可供选用。
(1)换热器1:
K1=625W/(m2·℃),单壳程,双管程,ψ=0.7;
(2)换热器2:
K2=500W/(m2·℃),单壳程,单管程,Δtm按逆流计。
为保证满足所需换热量应选用那一个换热器。
[26]j05b15075
某平壁炉炉壁由耐火砖、保温砖和建筑砖三种材料组成,相邻材料之间接触密切,各层材料的厚度和导热率依次为b1=250mm,λ1=1.4W/(m·K),b2=130mm,λ2=0.15W/(m·K),b3=200mm,λ3=0.8W/(m·K)。
已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度t2=820℃,保温砖与建筑砖接触面上的温度t3=260℃,试求:
(A)各种材料层的单位面积计的热阻;
(B)通过炉壁的热量通量;
(C)炉壁导热总温差及其在各材料层的分配。
[27]j05b15078
炉壁由绝热砖Ⅰ和普通砖Ⅱ两层平壁组成。
已知λ(绝热)=0.2W/(m·K),厚b(绝热)=200mm,λ(普通)=0.7W/(m·K),普通砖外侧壁温t3=50℃,两砖交界面温度t2=200℃,外界空气温度t=10℃,炉外壁对大气的联合给热系数为10W/(m2·K)。
(A)求单位面积炉壁热损失Q/A;
(B)假如t1,t及联合给热系数不变,两层砖位置互换,热损失(Q/A)'如何变化?
两砖
交界面温度t2及保温层外侧温度t3如何变化?
由计算结果得出什么结论?
[30]j05b15083
①车间内有一高和宽各为1m的炉门,其黑度为0.78,炉门的辐射散热量为20kW。
若车间内温度为25℃,则炉门的温度为多少?
黑体的辐射系数C0=5.67W/(m2·K4)
②有一套管换热器,长10m,管间用饱和蒸汽加热,空气在一定流量下由内管流过,温度可升至某指定温度。
现将空气流量增加一倍(即Wc′=2Wc),并近似认为加热面的壁温不变,要使空气出口温度仍达到原指定温度,则套管加热器的长度应为原来的几倍?
[32]j05b15087
一单壳程单管程列管换热器,由多根φ25×2.5mm的钢管组成管束,管程走某有机溶液,流速为0.5m/s,流量为15T/h,比热为1.76kJ/(kg·K),密度为858kg/m3,温度由20℃加热至50℃。
壳程为130℃的饱和水蒸气冷凝。
管程、壳程的对流给热系数分别为700W/(m2·K)和10000W/(m2·K)。
钢导热率为45W/(m·K)。
垢层热阻忽略不计。
求:
(A)总传热系数;
(B)管子根数及管长;
(C)在冷流体进口温度不变的情况下,若要提高此设备的传热速率,你认为要采取什么措施?
[33]j05b15088
在传热面积为20m2的某换热器中,用温度为20℃,流量为13200kg/h的冷却水,冷却进口温度为110℃的醋酸,两流体逆流流动。
换热器刚投入使用时,冷却水出口温度为45℃,醋酸出口温度为40℃,运转一段时间后,冷热流体流量不变,进口温度不变,而冷却水的出口温度降至38℃,试求传热系数下降的百分率。
水的比热cp=4.2kJ/(kg·℃),热损失可忽略。
[35]j05b15103
某车间有一台换热面积(以外表面积计)为2.5m2的单程列管换热器。
用180℃的热废气预热轻油,轻油走管外,其流量为200kg/h,比热为2kJ/(kg·℃),温度由30℃升至80℃。
轻油与热气体作逆流流动。
热废气出口温度为70℃。
求:
(A)换热器的热负荷和传热系数。
(B)若由于长期运转,轻油在管外结垢,已知污垢热阻为总热阻的10%,若仍要求轻油出口温度不变,试估算在其他条件基本不变的情况下,轻油处理量如何变化?
(略去热气出口温度的变化)
[36]j05b15109
90℃的正丁醇,在逆流换热器中被冷却到50℃,换热器的换热面积为6m2,传热系数K=230W/(m2·℃),正丁醇的流量为1930kg/h。
冷却介质为18℃水,热损失可以忽略。
求:
(A)冷却水出口温度;
(B)冷却水消耗量。
正丁醇cp1=2.98kJ/(kg·℃)
水cp2=4.187kJ/(kg·℃)
[38]j05b15187
在一列管换热器内,用110℃的饱和水蒸气加热管内湍流流动的空气,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,试求加热蒸汽用量为原用量的倍数。
忽略管壁热阻、垢层热阻及热损失,并忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。
[39]j05b15190
流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程通过,温度由150℃降至80℃;壳程冷却用软水,进口温度为15℃,出口温度为65℃,与气体作逆流流动。
两者均处于湍流。
已知气体侧的对流给热系数远小于冷却水侧的对流给热系数。
试求:
1.冷却水用量;
2.如进口水温上升为20℃,仍用原设备要达到相同的气体冷却程度,此时出口水温将为多少度?
冷却水用量为多少?
管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计。
气体的平均比热为1.02kJ/(kg·K),水的比热为4.17kJ/(kg·K),不计温度变化对比热的影响。
解:
(1)冷却水用量
Q=W1cp1(T1-T2)=W2cp2(t2-t1)
Q=2000×1.02(150-80)=W2×4.17(65-15)
=14.3×104kJ/h
W2=14.3×104/(4.17×(65-15))=685kg/h
(2)由题知αi<<αo
∴原情况Q=Ki·Ai·Δtm=αi·Ai·Δtm
(1)
新情况Q'=Ki'·Ai'·Δtm'=αi'·Ai'·Δtm'
(2)
因气体的冷却任务没有变化Q=Q'
气体的流量及管子尺寸没有变化αi=αi'
两种情况都用同一设备Ai=Ai'
比较式1及式2得:
Δtm=Δtm'
原情况Δt1=150-65=85℃Δt2=80-15=65℃Δt1/Δt2=85/65=1.3<2
Δtm=(85+65)/2=75℃
新情况Δt1’=150-t2'Δt2'=80-20=60℃Δtm'=[(150-t2')+60]/2=75℃
解得t2'=60℃Δt1'=150-60=90℃Δt1’/Δt2’=90/60=1.5
故Δtm'用算术平均值计算是可以的.
新情况的热衡算:
W2'×4.17×(60-20)=2000×1.02×(150-80)W2'=856kg/h
需将水量调至856kg/h。
[43]j05b15201
有一台套管换热器,内管为φ38×2.5mm钢管,外管为φ57×3mm钢管,换热管总长36m,逆流操作,管内走水,将管间4200kg/h的苯液从65℃冷却到35℃,水温从25℃升到35℃,现已知苯侧对流给热系数为2030W/(m2·K),水侧对流给热系数为6610W/(m2·K),苯侧垢层热阻为0.18(m2·K)/kW,苯液比热cP1=1.80kJ/(kg·K),钢导热率λ=45W/(m·K)。
试计算
(1)该换热器传热系数K
(2)水侧垢层热阻Ra2
Q=W1cp1(T1-T2)
=(4200/3600)×1.8×1000×(65-35)=63000W
A1=πd1L=3.14×0.038×36=4.295m2
Δtm=(Δt1-Δt2)/Ln(Δt1/Δt2)
=((65-35)-(35-25))/Ln(30/10)=18.2℃
K1=Q/(A1Δtm)=63000/(4.295×18.2)
=805.95W/(m2·K)
(2)Rs2=1/K-(1/α1+bA1/(λAm)+Rs1+A1/(α2A2))
=1/805.95-(1/2030+0.0025×38/(45×35.5)+0.18/1000+38/(6610×33))
=0.000334(m2·K)/W
[44]j05b15214
拟在单程逆流列管换热器中用35℃的冷水将流量为1kg/s、温度为150℃的热油冷却至65℃,油走管内,软水走壳程,水的出口温度为75℃,已知油与水均处在湍流,并知此条件下对流给热系数分别为水:
2000W/(m2·℃),油1000W/(m2·℃),油的平均比热为4kJ/kg℃,若换热器传热面积为11m2,热损失、垢层及管壁热阻均可不计,试求:
1.该换热器是否可用?
2.若油的流量增至1.2kg/s,油、水出口温度及其他条件均不变,仅将流程改为双程并知双程时温差校正系数
为0.85,该换热器能否用?
略去水侧对流给热系数的变化。
[47]j05b20089
用一传热面积为3m2由φ25×2.5mm的管子组成的单管程单壳程列管式换热器,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1000kg/h和1200kg/h,其比热分别为4.18kJ/(kg·K)和2.0kJ(kg·K);水侧和油侧的对流给热系数分别为2000W/(m2·K)和250W/(m2·K),两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。
(A)计算说明该换热器是否合用?
(B)夏天当水的初温达到30℃,而油的流量及冷却程度不变时,水流量亦不变,该换热器是否合用?
如何解决?
(假设传热系数不变)
Δtm=(132.6-90)/Ln(123.6/90)=110℃
1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20)K1=216.2W/(m2·K)
A1=Q1/(KΔtm)=2.40×108/(216.2×3600×110)=2.8m2<3m2故适用
(2)t1=30℃时
t2=30+2.40×105/(1000×4.18)=87.4℃
Δtm=(112.6-70)/Ln(112.6/70)=89.6℃
A1=2.40×108/(3600×89.6×216.2)=3.44m2>3m2不适用
解决办法是调大水量,使t2↓,Δtm↑,并使α↑,K↑
[48]j05b20092
有一列管式换热器,装有φ25×2.5mm钢管300根,管长为2m。
要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20℃加热到85℃,选用108℃饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。
若水蒸气的冷凝给热系数为1×104W/(m2·K),管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计,而且不计热损失。
已知空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/(kg·K),λ=2.85×10-2W/(m·K),
μ=1.98×10-5(Pa·S),Pr=0.7。
试求:
(A)空气在管内的对流给热系数;
(B)求换热器的总传热系数(以管子外表面为基准);
(C)通过计算说明该换器能否满足需要?
(D)计算说明管壁温度接近于哪一侧的流体温度。
[49]j05b20098
有一列管换热器,由φ25×2.5mm长为2m的26根钢管组成。
用120℃饱和水蒸气加热某冷液体,该液体走管内,进口温度为25℃,比热为1.76kJ/(kg·℃),流量为18600kg/h。
管外蒸汽的冷凝给热系数为1.1×104W/(m2·℃),管内对流给热热阻为管外蒸汽冷凝给热热阻的6倍。
求冷液体的出口温度。
(设换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可略去不计)
[51]j05b20100
有一换热器由φ25×2mm钢管组成,管外为常压下的苯饱和蒸汽冷凝,苯的沸点为80℃,管内走冷却水,温度由10℃升高到30℃。
已知,苯的冷凝给热系数为600W/(m2·K),水的对流给热系数为400W/(m2·K),钢的导热率为50W/(m·K),忽略垢层的热阻。
求:
(A)热流体一侧的平均壁温;
(B)冷流体一侧的平均壁温。
(热、冷侧壁温各自为恒值)
[52]j05b20101
16℃的盐水以3840kg/h的流率通过套管换热器的内管而被加热。
内管为φ38×2.5mm的钢管,每段长6m。
105℃的热水以4m3/h的流率在环隙内流过,而被冷却至48℃。
两流体作逆流流动。
热水对管壁的对流给热系数αo为5000W/(m2·℃),已知盐水物性(平均温度下)ρ=1200kg/m3,cp=3.3kJ/(kg·℃),μ=0.95×10–3Pa·s,λ=0.56W/(m·℃),管内外污垢热阻分别为Rs1=1/3788(m2·℃)/W,Rso=1/3846(m2·℃)/W。
求盐水出口温度和所需套管的段数。
忽略管壁热阻及热损失。
(热水在平均温度下的cp=4.18kJ/(kg·℃),ρ=1000kg/m3)
[55]j05b20145
某厂用120℃饱和水蒸气,通过φ25×2.5mm,长3m的单管程列管式换热器,将列管内的17.2[m3/h]水溶液从20℃加热到75℃,冷凝水于饱和温度下排出。
已知:
管侧水溶液α1=2500[W/(m2·℃)],壳侧蒸汽α0=10000[W/(m2·℃)],溶液在管内呈湍流,试问换热器的管数为若干?
水溶液密度ρ=1050kg/m3,比热为4.17kJ/(kg·℃)。
热损失及管壁、垢层热阻均可忽略。
检修时发现该换热器有三根管子已坏,拟将坏管堵塞再继续使用,试问此方案是否可行?
(通过计算或推导说明)。
[56]j05b20194
有一单程列管式冷凝器,安装有φ25×2.5mm,长2m的钢管60根。
水蒸气在管间冷凝,冷凝温度为100℃。
冷却水走管内,流量为50m3/h,其进、出温度分别为20℃和40℃,试计算此冷凝器的总传热系数K值。
在保持原来冷凝量的前提下,为节约水,要求冷却水量减少一半。
今拟将水侧由单程改为3程。
设管壁两侧的污垢热阻及管外蒸汽冷凝热阻均忽略不计,换热器热损失不计,试通过计算说明该方案从传热原理上是否可行。
计算中取水的平均物性为:
cp=4.187kJ/(kg·℃),ρ=996kg/m3,黏度μ=1cP。
[57]j05b20196
有一套管换热器由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm钢管组成,5000kg/h的甲醇在内管中流动,其温度由60℃冷却至30℃,甲醇对内管壁的对流给热系数为α1=1500W/(m2·K)。
冷却水在环隙内流动,其进、出口温度分别为20℃和35℃,甲醇和冷却水逆流操作,忽略热损失及垢层热阻,试求:
(1)冷却水用量(kg/h)
(2)所需套管长度
甲醇物性数据为:
cp1=2.6kJ/(kg·K),
冷却水物性数据为:
cp2=4.18kJ/(kg·K),ρ=996.3kg/m3,
λ2=0.603W/(m·K),μ=0.845×10-3Pa·S
钢导热率:
λ=45W/(m·K)
[58]j05b20202
采用传热面积为4.48m2单程管壳式换热器,进行溶剂和某水溶液间的逆流传热,溶剂为苯,流量为3600kg/h,比热为1.88kJ/(kg·℃)的苯,80℃冷却至50℃,水溶液由20℃被加热到30℃。
忽略热损失。
试求:
(1)传热系数K
(2)因前工段的生产情况有变动,水溶液进口温度降到10℃,但由于工艺的要求,水溶液出口温度不能低于30℃。
若两流体的流量及苯的进口温度不变,原换热器是否能保证水溶液的出口温度不低于30℃?
两种情况下两流体的物性常数可视为不变。
层次:
C
[2]j05c10220
某蒸汽管外包有两层厚度相等的绝热材料,已知第二层的平均直径相当于第一层的平均直径的两倍,而第二层的导热率为第一层的二分之一。
如将两层材料的位置调换,调换后第一、二层的平均直径与原来第一、二层的相同,则每米管长的热损失将如何变化?
设钢管外壁温度及最外层绝热材料的外壁温度不变。
[4]j05c10254
欲将夹套加热器中的某溶液进行加热,使其从30℃加热至60℃,溶液量为6000kg,传热面积为6m2,容器内有搅拌器,因此器内液体各处的温度可视为均匀的,加热蒸汽为0.1MPa的饱和水蒸气,传热系数为800W/(m2·℃),求将溶液由30℃加热至60℃所需要的时间?
已知溶液比热为5kJ/(kg·℃),热损失忽略不计。
[5]j05c15096
有一列管式换热器,列管由薄壁钢管制成。
壳程通入温度为120℃的饱和水蒸汽。
管内走空气,空气流量为2.5×104kg/h,呈湍流流动,进口温度为30℃,出口温度为80℃,现将空气流量提高50%,进口温度不变。
问此时的换热量为多少?
空气比热Cp=1005J/kg·K,假设空气的物性保持不变。
[6]j05c15117
拟设计由φ25×2mm的136根不锈钢管组成的列管换热器。
平均比热为4187J/(kg·℃)的某溶液在管内作湍流流动,其流量为15000kg/h,并由15℃加热到100℃。
温度为110℃的饱和水蒸气在壳层冷凝。
已知单管程时管壁对溶液的对流给热系数αi=520W/(m2·℃),蒸汽冷凝时的对流给热系数α0=1.16×104W/(m2·℃),不锈钢管的导热率λ=17W/(m·℃),忽略垢层热阻和热损失。
试求:
(A)管程为单程时的列管长度(有效长度,下同);
(B)管程为4程时的列管长度(总管数不变,仍为136根)。
[9]j05c15200
某厂精馏塔顶冷凝器中有φ25×2.5mm的管50根,长2m,管内通冷却水,流速为1.0m/s,其进、出口温度分别为20℃和40℃,管外为蒸汽冷凝,试求:
(1)管壁对冷却水的对流给热系数α;
(2)该厂仓库有一台与上述传热面积相同,管径相同,但管数为60根的换热器拟作备品。
若要求维持原有的加热任务,加热蒸汽温度也不变,问该换热器是否合用?
水物性数据可取为:
cp=4.174kJ/(kg·K),ρ=995.7kg/m3,
λ=0.617W/(m·K),μ=0.8cP
[11]j05c15247
现有两台单壳程单管程的传热面积均为20m2的列管式空气加热器,每台加热器均由64根φ57×3.5mm钢管组成,壳程为170℃的饱和水蒸气冷凝(冷凝潜热r=2054kJ/kg),空气入口温度t1=30℃,流量为2.5kg/s,以湍流方式通过管内。
(1)若两台换热器并联使用,通过每台换热器的空气流量均等,此时空气的对流给热系数为38W/(m2·℃),求空气的出口温度t2及水蒸气的总冷凝量w0为多少?
(2)若二台换热器改为串联使用,问此时空气的出口温度t2’及水蒸气的总冷凝量w0’为多少?
假定空气的物性不随温度压力而变化,视为常量,cp=1kJ/(kg·℃)。
忽略热损失。
[16]j05c20093
有一套管换热器,内管为φ54×2mm,外管为φ116