传热练习试题2化工原理Word下载.docx
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1、管壁热阻和污垢热阻可忽略,当传热面两侧的对流传热膜系数相差较大时,总传热系数总是接近于()。
热阻大的那侧的传热膜系数B热阻小的那侧的传热膜系数
C上述两者的平均值D不一定
2、在两灰体进行辐射传热,两灰体的温度相差50℃。
现因某种原因,两者的温度差升高到100℃,则此时的辐射传热量与原来的辐射传热量相比,应该()。
增大B变小C不变D不确定
3、为减少室外设备的热损失,拟在保温层外包一层金属皮,则选择金属皮时应优先考虑的因素是选用的材料()。
颜色较深B表面粗糟C颜色较浅D表面光滑
4、推导过滤方程式的一个最基本的依据是()。
滤液通过滤饼时呈湍流流动
假定滤饼大小均一
滤液通过滤饼时呈层流流动
假定过滤介质的阻力可忽略不计。
5、某一套管换热器,由管间的饱和蒸汽加热管内空气,设饱和蒸汽的温度为100℃,空气进口温度为20℃,出口温度为80℃,问此套管换热器内管壁温度应是()。
接近空气温度
接近饱和蒸汽和空气的平均温度
接近饱和蒸汽温度
三、计算题:
1、某一逆流操作套管换热器,冷却水进口温度t1=30℃,出口温度t2=84℃;
热流体进口温度T1=180℃,出口温度T2=120℃.若改为并流操作,其它条件均不变,两流体的出
口温度分别为多少?
(设平均温度差可用算术平均值)。
2、一套管换热器用133℃的饱和水蒸汽将管内的氯苯从33℃加热至73℃,氯苯流量为5500kg/h,现因某种原因,氯苯流量减少到3300kg/h,但其进出口温度欲维持不变,试问此时饱和蒸汽温度应为多少,才能满足要求?
此时饱和蒸汽的冷凝量为原工况的百分之几?
(设在两工况下蒸汽冷凝热阻、管壁热阻、垢层热阻及热损失均可忽略,且氯苯在管内作湍流流动,忽略两工况下饱和蒸汽汽化潜热的变化)。
3、在套管换热器中,冷流体以500kg/h流过φ23×
2mm的管内,冷流体的比热为1kJ/kg℃,进出口温度为20℃和80℃,管壁的导热系数为45w/m℃,加热介质走管外,温度由150℃降为90℃,已知管内传热膜系数为α1=700w/m2℃,总传热系数K0(基于管外表面积)为300w/m℃,热损失可以忽略不计。
求:
管外对流传热膜系数α0;
逆流传热所需管长;
如果加热介质换为140℃的饱和蒸汽,冷凝为饱和液体,蒸汽冷凝传热膜系数
α0=8000w/m2℃,其它条件不变,所需管长;
D、换热器使用一年后,发现冷流体的出口温度达不到80℃,请说明原因。
4、在一单程的列管换热器中,壳程通入100℃的饱和水蒸汽,将管内湍流的空气从10℃加热至60℃,饱和蒸汽冷凝成同温度下的水。
若空气流量和空气的进口温度不变,仅将原换热器改成双管程。
试求:
A、空气的出口温度t2
B、空气冷凝量有何变化?
(忽略管壁热阻及换热器的热损失)
例4-1某平壁厚度为0.37m,内表面温度t1为1650℃,外表面温度t2为300℃,平壁材料导热系数
(式中t的单位为℃,λ的单位为W/(m·
℃))。
若将导热系数分别按常量(取平均导热系数)和变量计算时,试求平壁的温度分布关系式和导热热通量。
解:
(1)导热系数按常量计算
平壁的平均温度为:
平壁材料的平均导热系数为:
由式可求得导热热通量为:
设壁厚x处的温度为t,则由式可得:
故
上式即为平壁的温度分布关系式,表示平壁距离x和等温表面的温度呈直线关系。
(2)导热系数按变量计算
由式得:
或
积分
得
(a)
当
时,
,代入式a,可得:
整理上式得:
解得:
上式即为当λ随t呈线性变化时单层平壁的温度分布关系式,此时温度分布为曲线。
计算结果表明,将导热系数按常量或变量计算时,所得的导热通量是相同的;
而温度分布则不同,前者为直线,后者为曲线。
例4-2燃烧炉的平壁由三种材料构成。
最内层为耐火砖,厚度为150mm,中间层为绝热转,厚度为290mm,最外层为普通砖,厚度为228mm。
已知炉内、外壁表面分别为1016℃和34℃,试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。
假设各层接触良好。
在求解本题时,需知道各层材料的导热系数λ,但λ值与各层的平均温度有关,即又需知道各层间的界面温度,而界面温度正是题目所待求的。
此时需采用试算法,先假设各层平均温度(或界面温度),由手册或附录查得该温度下材料的导热系数(若知道材料的导热系数与温度的函数关系式,则可由该式计算得到λ值),再利用导热速率方程式计算各层间接触界面的温度。
若计算结果与所设的温度不符,则要重新试算。
一般经5几次试算后,可得合理的估算值。
下面列出经几次试算后的结果。
耐火砖
绝热砖
普通砖
设t2耐火砖和绝热砖间界面温度,t3绝热砖和普通砖间界面温度。
,
由式可知:
再由式得:
所以
各层的温度差和热阻的数值如本列附表所示。
由表可见,各层的热阻愈大,温度差也愈大。
导热中温度差和热阻是成正比的。
例4-2附表
材料
温度差
热阻
59.5
0.1429
绝热转
805.1
1.933
117.4
0.2815
例4-3在外径为140mm的蒸气管道外包扎保温材料,一减少热损失。
蒸气管外壁温度为390℃,保温层外表温度不大于40℃。
保温材料的
(t的单位为℃。
λ的单位为W/(m·
若要求每米管长的热损失Q/L不大于450W/m,试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。
此题为圆筒壁热传导问题,已知:
先求保温层在平均温度下的导热系数,即:
(1)
保温层厚度
将式改写为:
得r3=0.141m
故保温层厚度为:
(2)保温层中温度的分布设保温层半径r处,温度为t,代入式可得:
解上式并整理得:
计算结果表明,即使导热系数为常数,圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。
例4-4某列管换热器由φ25×
2。
5mm的钢管组成。
热空气流经管程,冷却水在管间与空气呈逆气流流动。
已知管内侧空气的αi为50W/(m2·
℃),管外水侧的α0为1000W/(m2·
℃),钢的λ为45W/(m2·
℃)。
试求基于管外表面积的总传热系数K。
及按平壁计的总传热系数。
参考附录二十二。
取空气侧的污垢热阻
,水侧的污垢热阻
。
由式知:
若按平壁计算,由式知:
由以上计算结果表明,在该题条件下,由于管径较小,若按平壁计算K,误差稍大,即为:
例4-5在上例中,若管壁热阻和污垢热阻可忽略,为了提高总传热系数,在其他条件不变的情况下,分别提高不同流体的对流传热系数,即:
(1)将αi提高一倍;
(2)将α0提高一倍。
试分别计算K0值。
(1)将αi提高一倍
(2)
将αo提高一倍
计算结果表明,K值总是接近热阻大的流体侧的α值,因此欲提高K值,必须对影响K值的各项进行分析,如在本题条件下,应提高空气侧的α,才有效果。
例4-6在一单壳程、四管程换热器中,用水冷却热油。
用冷水管内流动,进口温度为15℃,出口温度为32℃。
热油在壳方流动,进口温度为120℃,出口温度为40℃。
热油的流量为1.25kg/s,平均比热为1.9kJ/(kg.℃)。
若换热器的总传热系数为470W/(m2·
℃),试求换热器的传热面积。
换热器传热面积可根据总传热速率方程求得,即:
换热器的传热量为:
1-4型列管换热器的对数平均温度差,先按逆流计算,即:
温度差校正系数为:
由图查得:
例4-7在传热外表面积S0为300m2的单程列管换热器中,300℃的某种气体流过壳方并被加热到430℃。
另一种560℃的气体作为加热介质,两气体逆流流动,流量均为1×
104kg/h,平均比热均为1.05kJ/(kg.℃)。
试求总传热系数。
假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。
对给定的换热器,其总传热系数可由总传热速率求得,即:
热气体的出口温度由热量衡算求得,即:
解得
流体的对数平均温度差为:
因
由本例计算结果可以看出,两气体间传热的总传热系数是很低的。
例4-8在一传热面积为15.8的m2的逆流套管换热器中,用油加热冷水。
油的流量为2.85kg/s、
进口温度为110℃;
水的流量为0.667kg/s、进口温度为35℃。
油和水的平均比热分别为1.9及4.18kJ/(kg.℃)。
换热器的ZO总传热系数为320W/(m2·
试求水的出口温度及传热量。
本题用ε-NTU法计算
故水(冷流体)为最小值流体。
查图得ε=0.73
因冷流体为最小值流体,故由传热效率定义式得:
解得水的出口温度为:
例4-9在逆流操作的列管换热器中,热气体将2.5kg/s的水从35℃加热到85℃。
热气体的温度由200℃降到93℃。
水在管内流动。
已知总传热系数为180W/(m2·
℃),水和气体的比热分别为4.18和1.09kJ/(kg·
若将水的流量减少一半,气体流量和两流体的进口温度不变,试求因水流量减少一半而使传热量减少的百分数。
假设流体的物性不变,热损失可忽略不计。
此题用ε-NTU法计算。
(1)由原水流量求换热器的传热面积
其中
(2)水流量减小后传热量的变化
故热气体为最小值流体。
因水的对流传热系数较气体的为大,故水流量减小后对总传热系数的影响不大,两种情况下K视为相同。
查图可得:
因热流体为最小值流体,由热效率定义式知:
此时传热量为:
则因水流量减少一半而使传热量减少百分数为:
例4-10在200kPa、20℃下,流量为60m3/h的空气进入套管换热器的内管,并被加热到80℃,内管的直径为Ф57×
3.5mm,长度为3m。
试求管壁对空气的对流传热系数。
于附录查得50℃下空气的物理性质如下:
空气在进口处的速度为:
空气在进口处的密度为:
空气的质量流速为:
(湍流)
又因
故Re和Pr值均在式
的应用范围内,可用该式求算αo且气体被加热,取n=0.4,
则:
计算结果表明,一般气体的对流传热系数都比较低。
例4-11
-5℃的冷冻盐水(25%CaCl2溶液)以0.3m/s的流速流经一套管换热器的内管,已知内管的内径为21mm、长度为3.0m。
假设管壁平均温度为65℃,试求盐水的出口温度。
假设盐水的平均温度为5℃,从附录查得25%CaCl2溶液在5℃下物性如下:
判别流型,即:
(滞流)
而
在本题的条件下,管径较小,流体的粘度较大,自然对流影响可忽略,故α可用下式进行计算,即:
盐水的出口温度由下式求得:
即
原假设的盐水平均温度与计算结果比较接近,不再重复试算。
例4-12在预热器内将压强为101.3kPa的空气从10℃加热到50℃。
预热器由一束长为1.5m、直径为φ89×
1.5mm的错列直立钢管组成。
空气在管外垂直流过,沿流动方向共有15排,每排管子数目相同。
空气通过管间最狭处的流速为8m/s。
试求管壁对空气的平均对流传热系数。
于附录查得空气在30℃时的物性如下:
空气流过10排错列管束的平均对流传热系数可由下式求得:
空气流过15排管束时,由表查得系数为1.02,则:
表式
的修正系数
排数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
15
18
25
35
75
错列
0.48
0.75
0.83
0.89
0.92
0.95
0.97
0.98
0.99
1.0
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
直列
0.64
0.80
0.90
0.94
0.96
例4-13在一室温为20℃的大房间中,安有直径为0.1m、水平部分长度为10m、垂直部分高度为1.0m之蒸汽管道,若管道外壁平均温度为120℃,试求该管道因自然对流的散热量。
大空间自然对流的α可由式
计算,即:
,该温度下空气的有关物性由附录查得:
(1)水平管道的散热量Q1
由表查得:
中的c和n值
加热表面形状
特征尺寸
(GrPr)范围
c
n
水平圆管
外径do
104~109
0.53
1/4
109~1012
0.13
1/3
垂直管或板
高度L
0.59
0.10
(2)垂直管道的散热量
蒸汽管道总散热量为:
例4-14饱和温度为100℃的水蒸气,在外径为0.04m、长度为2m的单根直立圆管外表面上冷凝。
管外壁温度为9℃。
试求每小时的蒸气冷凝量。
又若管子水平放置,蒸气冷凝量为多少?
由附录查得在100℃下饱和水蒸气的冷凝潜热约为2258kJ/kg。
由附录查得在97℃下水的物性为:
(1)单根圆管垂直放置时
先假定冷凝液膜呈滞流,由式知:
由对流传热速率方程计算传热速率,即:
故蒸气冷凝量为:
核算流型:
(2)管子水平放置时若管子水平放置时,由式知:
例4-15甲苯在卧式再沸器的管间沸腾。
再沸器规格:
传热面积So为50.7m2;
管束内径为0.35m,由直径为φ19×
2mm、长为5m的管子所组成。
操作条件为:
再沸器的传热速率为9.20×
105W;
压强为200kPa(绝压)。
已知操作压强下甲苯沸点为135℃、气化潜热为347kJ/kg。
甲苯的临界压强为4218.3kPa。
试求甲苯的沸腾传热系数。
甲苯沸腾传热系数可由下式计算,即:
又
校核临界热负荷qc:
且
(在0.01~0.9范围内)
例4-16在列管换热器中,两流体进行换热。
若已知管内、外流体的平均温度分别为170℃和135℃;
管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2·
℃)及1100W/(m2·
℃),管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005m2·
℃/W。
试估算管壁平均温度。
假设管壁热传导热阻可忽略。
管壁的平均温度可由下式计算,即:
计算结果表明,管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度。
例4-17车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门,其温度为227℃,室内温度为27℃。
为减少热损失,在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板,试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。
(1)放置铝板前因辐射损失的热量
由下式知:
取铸铁的黑度
本题属于很大物体2包住物体1的情况,
(2)放置铝板后因辐射损失的热量
以下标1、2和I分别表示炉门、房间和铝板。
假定铝板的温度为TiK,则铝板向房间辐射的热量为:
式中
炉门对铝板的辐射传热可视为两无限大平板之间的传热,故放置铝板后因辐射损失的热量为:
(b)
当传热达到稳定时,
将Ti值代入式b,得:
放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为:
由以上计算结果可见,设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法,而且挡板材料的黑度愈低,挡板的层数愈多,则热损失愈少。
例4-18平壁设备外表面上包扎有保温层,设备内流体平均温度为154℃,保温层外表面温度为40℃,保温材料的导热系数为0.098W/(m·
℃),设备周围环境温度为20℃。
试求保温层厚度。
假设传热总热阻集中在保温层内,其它热阻可忽略。
由下式知,平壁保温层外辐射-对流联合传热系数为:
单位平壁面积的散热量为:
因传热总热阻集中在保温层内,则:
所以保温层厚度为:
例4-19105℃的400kg甲苯盛在安装有蛇管的容器内。
蛇管的外表面积为3.2m2,管内通有13℃的冷水。
基于管外表面结的总传热系数为225W/(m·
经过若干时间测得甲苯被冷却到25℃,而相应的水出口温度为18℃。
操作过程中甲苯和水的平均比热分别为1.8kJ/(kg·
℃)和4.19kJ/(kg·
试求水的流量W2和冷却时间θ。
假设换热器的热损失可以忽略。
(1)水的流量W2
冷却过程结束瞬间的热衡算及传热速率方程为:
(2)冷却时间θ
设定某θ时刻,甲苯温度为T,水的出口温度为t,经dθ后,甲苯温度变化dT,则dθ时间内的热衡算式为:
积分上式即可求出时间θ,但需要找出某瞬间T和t的关系。
列任一瞬间的热衡算及传热速率方程,得:
整理上式,得:
将式b代入式a,并积分得: