第二章 传热与换热设备.docx

1、第二章 传热与换热设备第二章 传热与换热设备21 某炉壁由耐火砖砌成，其厚度为250mm；炉膛中燃烧稳定后，测得内壁温度为800，外壁温度为120，耐火砖的=0.9Wm-1K-1。求单位面积炉壁的散热速率。解：假设炉壁可近似地看成单层平壁，根据单层平面壁的导热公式有：Q/A =/a(t1 - t2) = (800 - 120) = 2.45103(Js-1m-2)答：该炉壁单位面积的散热速率为2.45kJs-1m-2。22 某平壁炉炉壁内层为120mm厚的耐火材料和外层厚度为230mm的某种建筑砖砌成，两种材料的导热系数未知。当炉膛中燃烧稳定后，测得炉内壁温度为800，炉外壁温度为113；为了

2、减少热损失，又在建筑砖外包裹了一层厚 50mm的石棉；测得炉内壁温度为800，耐火材料与建筑砖交界面温度为686，建筑砖与石棉交界面温度为405，石棉外侧温度为77。问：包裹石棉后热损失比原来减少了多少？解：未包裹石棉层的单位面积的散热速率根据多层平面壁的导热公式有：Q/A =t/(ai/i) =(t1 - t3)/( + ) = (800 - 113)/( + ) = 687/( + )包裹石棉层后的单位面积的散热速率Q/A =t/(ai/i)=(t1 - t4)/( + + )15包裹石棉层后，热损失的减少率在包裹石棉层后，对于稳定导热，各层平壁的导热速率Q均相等。即：Q/A =1/a1(

3、t1 - t2) =2/a2(t2 - t3)=3/a3(t3 - t4)考查第一层和第二层。令：t =(t1 - t2) + (t2 - t3) = (t1 - t3)则有：Q/A =t/(ai/i)=(t1 - t3)/( + )于是：(1 - )100= 1 - 100= 1 - 100= 1 - 100 = 42.5答：包裹石棉后，炉壁的热损失比原来减少了约42.5。23 某蒸汽管道（钢管）其导热系数= 45 W/mK，管径为1444，管内壁温度为110，管外壁温度为80。求每米管线的散热速率。解：根据单层圆筒壁的导热公式有：Q/L = (t1 - t2)已知：r1 =(144 - 2

4、4)/2 = 68(mm)= 0.068mr2 = 144/2 = 72(mm)= 0.072m则：Q/L = (110 - 80) = 4.944103(Js-1m-1)答：该管道每米管线的散热速率为4.944kJs-1。1624某厂用573.5 的无缝钢管输送水蒸气，管外包有的隔热层。第一层为 50mm厚的玻璃棉毡，第二层为20mm 厚的石棉层。已知，管内壁温度为120，石棉层外壁温度为30。问：求每米管线的散热速率；若将石棉层改为内层，玻璃棉毡为外层，则每米管线的散热速率又将如何？解：1.每米管线的散热速率查取、计算有关数据导热系数无缝钢管 1 = 45Wm-1K-1；玻璃棉毡 2 =

5、0.046Wm-1K-1；石棉层 3 = 0.24Wm-1K-1。管线各层半径r1 =(57 - 23.5)/2 = 25(mm) = 0.025mr2 = 57/2 = 28.5(mm) = 0.0285m (钢管外半径)r3 = 57/2 + 50 = 78.5(mm) = 0.0785mr4 = r3 + 2010-3 = 0.0785 + 0.02 = 0.0985(m)每米管线的散热速率Q/L = t= = 24.6(Js-1m-1)2.将石棉层改为内层后，每米管线的散热速率管线各层半径r1 =(57 - 23.5)/2 = 25(mm) = 0.025mr2 = 57/2 = 28

6、.5(mm) = 0.0285m (钢管外半径)17r3 = 57/2 + 20 = 48.5(mm) = 0.0485m (石棉层外半径)r4 = r3 + 5010-3 = 0.0485 + 0.02 = 0.0985(m) (玻璃棉毡层外半径)每米管线的散热速率Q/L = = 32.1(Js-1m-1)答：石棉层为外层时，每米管线的散热速率为24.6Js-1；将石棉层改为内层后，每米管线的散热速率为32.1Js-1。另外，由计算结果可知：对于多层保温材料，热阻大的材料，应放内层，其保温效果较好；钢管的热阻远远小于石棉层及玻璃棉毡，可忽略不计。25 在50mm5mm的不锈钢管(1 = 16

7、Wm-1K-1)外包扎30mm厚的石棉(2 = 0.22Wm-1K-1)，测得管内壁面温度为600，石棉外壁面温度为100；试求每米管线的热损失。若上述温差保持不变，欲使热损失减少60，在石棉外层再包裹一层保温材料(3 = 0.07Wm-1K-1) 。问：该保温材料的厚度应为多少？解：管线的热损失Q/L = t=管线各层半径r1 =(50 - 25)/2 = 20(mm) = 0.02m，r2 = r1 + 510-3 = 0.025(m)，r3 = r2 + 3010-3 = 0.055(m)；导热系数1 = 16Wm-1K-1 ，2 = 0.22Wm-1K-1 。18管线的热损失Q/L =

8、 = = 873(Js-1m-1)需加保温层的厚度确定管线的热损失Q/L = 873 - 87360= 349.2(Js-1m-1)求r4349.2 =移项整理有：349.23.598 + 14.29ln(r4/55) = 31401256.4 + 4990ln(r4/55) = 3140则：ln(r4/55) =(3140 - 1256.4)/4990 = 0.377lnr4 = 0.377 + ln55 = 0.377 + 4.007 = 4.384即：r4 = arcln4.384 = 80(mm)确定保温材料的厚度r4 - r3 = 80 - 55 = 25(mm)= 0.025m答：

9、管线的热损失为873Js-1m-1；欲使热损失减少60，需在石棉外层再包裹一层厚度为25mm的保温材料。26 什么是对流传热？在生物化工生产实际中，常见的对流传热包含哪些传热过程？答：所谓对流传热是指，流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热19仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。在生物化工生产中所指的对流传热有，“自然对流传热”和“强制对流传热”两种基本类型。自然对流传热主要由流体的热胀冷缩引起的对流传热；强制对流传热主要由流体质点受外力作用引起的对流传热。27 某厂用120的水蒸气通过列管式换热器预热空气。已知，换热器的管束为383的钢管，空气的流速为14m/s；要求将空气由2

10、0加热到80。求管壁对空气的给热系数。解：确定空气的流动形态查取、计算有关数据空气的定性温度 (80 + 20)/2 = 50空气的粘度 空气50 = 1.9610-5 kgm-1s-1空气的密度 空气50 = 1.093 kgm-3钢管直径 d = 38 - 23 = 32(mm)= 0.032m求雷诺准数(Re) Re = = = 2.5104即：Re = 2.5104 4000，属于湍流。求管壁对空气的给热系数（空气属于低粘度流体）Nu =(l)/= 0.023Re0.8Prn查取、计算有关数据比热 Cp（空气） = 1.017103 Jkg-1K-1导热系数 空气 = 2.8310-2

11、 Wm-1K-1Prandt准数 Pr = (Cp)/=(1.0171031.9610-5)/2.8310-2= 0.704加热指数 n = 0.4 (空气被加热)求Nusselt准数(Nu) Nu = 0.023(2.5104)0.80.7040.4 = 65.9420求管壁对空气的给热系数() =(Nu)/l = (Nu)/d =(65.942.8310-2)/0.032= 58.3(Wm-2K-1)答：管壁对空气的给热系数= 58.3Wm-2K-1。28 某厂用列管式换热器对流速为1.1ms-1 的冷油进行预热，换热器管子的规格为383，欲将冷油由25预热到125。已知，在定性温度下，冷

12、油的有关参数为：= 850kgm-3 ；Cp = 2.5 kJkg-1K-1；= 210-3 Pas；= 0.12 Wm-1K-1。求冷油对管壁的给热系数。解：求雷诺准数(Re)，确定空气的流动形态Re = = = 1.496104即：Re = 1.5104 4000，属于湍流。求给热系数选择计算公式由于：油 = 210-3 Pas 2水 2810-4 Pas（属于高粘度流体）则：Nu = (l)/= 0.027Re0.8Pr0.33(/W)0.14计算、确定有关数据Prandt准数 Pr = (Cp)/=(2.5210-3)/0.12 = 41.67粘度比 /W 1 在给定条件下，(流体的粘

13、度)与W(壁面温度下流体的粘度)近似相等求Nusselt准数(Nu) Nu 0.027(1.496104)0.841.670.33 = 202求给热系数() = (Nu)/d =(2020.12)/0.032 = 758(Wm-2K-1)答：冷油对管壁的给热系数= 758Wm-2K-1。2129采用列管换热器预热原油，列管由531.5的钢管组成（导热系数为 50Wm-1K-1。管内原油的给热系数为100Wm-2K-1，管外饱和水蒸汽的给热系数为104 Wm-2K-1。求换热器的总传热系数。解：管道平均半径rm = = = 25.7(mm)= 0.0257m总传热系数K = (圆筒壁的总传热系数

14、)= = = 0.096(Wm-2K-1)答：换热器的总传热系数K = 0.096Wm-2K-1。此外，从上述计算过程中可知，管内原油的热阻是热交换过程的控制因素。210 某换热器的换热面积为 2.16m2，换热器内冷、热两流体采用逆流方式进行换热。已知，冷流体（冷水）的流量为 0.837 Ls-1，热流体（热水）的流量为 0.810Ls-1；冷水的进、出口温度分别为 30、52；热水的进、出口温度分别为 64、40。求该换热器的热负荷及传热的平均温度差。解：1.平均温度差tm =对于逆流操作：t1 = 64 - 52 = 12(K)t2 = 40 - 30 = 10(K)22则：tm = =

15、 11(K)2.热负荷(无相变)Q工艺 = WsCpt以热流体（热水）的放热量计算查取、计算有关数据热熔 Cp（水） = 4.187kJkg-1K-1密度 （水） = 1.0103 kgm-3质量流量 Ws = 0.8101.0103/1000 = 8.10(kgs-1)热负荷Q工艺 = Q放 = 0.8104.187103(64 - 40) = 8.14104 (W)以冷水的吸热量计算Q工艺 = Q吸 = WsCpt = 0.8374.187103(52 - 30) = 7.71104 (W)答：采用逆流方式进行换热，该换热器传热的平均温度差为11K()；从上述计算结果来看，Q放 Q吸，说明

16、换热过程中有热损耗。因此，该换热器的热负荷应为77.1kW(kJs-1)。211将1500kgh-1、80的料液(Cp = 1.3817103JkgK-1)通过换热器冷却到40。冷却水的进口温度为30，出口温度不超过35。求该换热器的热负荷及冷却水的用量。解：热负荷设：换热过程中无相变；工艺目的是冷却料液，以料液放热计算。即：Q工艺 = Q放 = WsCpT= 1500/36001.3817103(80 - 40)= 23.03103(W)23冷却水用量假设：在换热过程中无热损耗（理想过程）；并且，Cp（水） = 4.187kJkg-1K-1。即：Q放 = Q吸 = Ws(水)Cp(水)t则：

17、Ws(水) = Q放 /(Cp(水)t) = 23.03103/4.187103(35 - 30)= 1.1(kgs-1)答：该换热器的热负荷Q工艺 = 23.03103 W；在不考虑热损耗的前提下，冷却水的用量Ws(水) = 1.1kgs-1。212某厂选择381.5 的钢管设计管壳式加热器，并用换热器将质量流量为 40Th-1 的 NaOH 溶液由20加热至75。已知：NaOH溶液以0.7ms-1 流速通过管道，它在管程内的传热系数为930.4 Wm-2K-1，密度为 1100kgm-3。加热剂为p表 = 1atm 的饱和水蒸汽，温度为119.6，它在壳层内的传热系数为11630 Wm-2

18、K-1。钢管的导热系数 = 46.5Wm-1K-1。 确定加热器所需的传热面积、管数和管程数。解：要确定加热器（换热器）所需的传热面积、管数和管程数等，须先确定加热器的热负荷、总传热系数、平均温度差等数据。热负荷由于换热器是用于加热NaOH溶液，因此热负荷应按NaOH溶液的吸热量进行计算。Q工艺 = Q吸 = WsCpt查取、计算有关数据热熔 Cp = 3768.3 Jkg-1K-1质量流量 Ws = 401000/3600 = 11.1(kgs-1)计算热负荷Q工艺 = 11.13768.3(75 - 20) = 2.3106(W) = 2.3103 kW24总传热系数(圆筒壁)K = 由于

19、NaOH溶液具有强腐蚀性，选择走管壳式换热器的管程，加热饱和水蒸汽走壳程。管道平均半径rm = = = 18.2(mm) = 0.0182m总传热系数K = = 869(Wm-2K-1)平均温度差根据逆流原理进行热交换：t1 = 119.6 - 75 = 44.6(K)t2 = 119.6 - 20 = 99.6(K)tm = = = 68.5(K)平均传热面积由总传热速率方程（Q = KAmtm）可知，换热器的平均传热面积为：Am = Q/(Ktm)Q工艺/(Ktm)= 2.3106/(86968.5) = 38.6(m2)换热器所需管子的根数(n)n =为了使加热器便于清洗、维护，可将每根

20、管子的长度设计为L = 4m。由于25换热器所用管子的管壁较薄（381.5），可近似认为：Am A外 A内于是有：n = = = 84(根)换热器程数(m)按单程试算设，NaOH溶液在列管式加热器管道（管程）中的流速为 u，则溶液的质量流量为：Ws = nA内u = nr12u则：u Ws /(nr12) = 11.1/(8411003.140.01752) = 0.125(m/s)由于：u u(工艺) = 0.7ms-1，所以不能采用单程式换热器；若要满足工艺要求，必须采用多程式换热器。换热器的程数(m)对于列管式换热器，其流量与管子数(n)成正比；或者说，其流速(u)与于管子数(n)成正比。于是有：m = n/n = u/u = 0.7/0.125 = 6(程)因为n = 84(根)，m = 6(程)；则每程设n/m = 84/6 = 14根管子。答：该换热器所需的总传热面积Am = 38.6m2；管程数 m = 6；每程设置14根管子，共需84根管子。26