传热学答案

《传热学答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学答案（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、传热学答案（共10页）-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-1.某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为 100mm， 其导热系数分别为（mC）及（mC）。待操作稳定后，测得炉膛的内表面 温度为700C，外表面温度为130C。为了减少燃烧炉的热损失，在普通砖外表 面增加一层厚度为40mm、导热系数为（mC）的保温材料。操作稳定后，又 测得炉内表面温度为740C，外表面温度为90C。设两层砖的导热系数不变， 试计算加保温层后炉壁的热损失比原来的减少百分之几解：加保温层前单位面积炉壁的热损失为（S700 -130 = 2244此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：=bb

2、 = 0.1 _07W/m21 + 2 + 九 九 0.90.712 解上式并整理得 t=501lnr942 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。2.加保温层后单位面积炉壁的热损失为（52此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为：t -t4740 - 90=1 4= 706W/m2b b b0.1 0.1 0.041 +2 +3+XXX0.9 0.7 0.06123故加保温层后热损失比原来减少的百分数为：12半I2244 一 706x 100% =x 100% = 68.5%2244在外径为140mm的蒸气管道外包扎保温材料,以减少热损失。蒸气管外壁温度为

3、390C，保温层外表面温度不大于40C。保温材料的入与t的关系为入 =+ （t的单位为。C，入的单位为W/ （mC）。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。 解：此题为圆筒壁热传导问题，已知：r二t=390Ct=40C223先求保温层在平均温度下的导热系数，即r 390 + 401X= 0.1 + 0.0002 = 0.143,、I 2 丿 W/（mC）1）保温层温度 将式（4-15）改写为ln r3 =2兀X C t ）23-Q/L2兀 x 0.143（390 40）+ ln0.07450得r=3故保温层厚度为b=r r =71mm32（2）保

4、温层中温度分布 设保温层半径r处的温度为t，代入式（4-15）可得2 143（390 - 七）=450 ln厶0.073.有一列管式换热器，由38根025mmX的无缝钢管组成。苯在管内流动，由 20C被加热至80C,苯的流量为s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对 苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。解：苯在平均温度爲=2(20 + 80)= 50 C下的物性可由附录查得：密度P=860kg/m3；比热容c二(kg C);粘度U二s;导热系数入二(mC)。加热管内苯的流速为以上计算表明本题的流动情况符合式4-32的实验条件，故a = 0.023 Re0.8 Pr0.4 = 0

5、. 023 x 014 x(30960、8 x(5.79kd 0 02 i=1272W/ (m2 C)若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为a，珂匚 J = 1272 X 加=2215 W/(m2C)a =a4.在预热器内将压强为的空气从10C加热到50C。预热器由一束长度为，直 径为086X的错列直立钢管所组成。空气在管外垂直流过，沿流动方向共有15 行，每行有管子20列，行间与列间管子的中心距为110mm。空气通过管间最狭 处的流速为8m/s。管内有饱和蒸气冷凝。试求管壁对空气的平均对流传热系数。解：空气的定性温度二2 (10+50) =30C查得空气在30C时的物性如下:

6、U = X10-5Pa s入= X10-2W/ (m C)=m3c=1kJ/ (kg C)dup _ 0.086x 8 x 1.165Re = 43100所以卩1.86 x 10 -5厂 c 卩 1 x 103 x 1.86 x 10-5九2.67 x 10-2Pr _ _ 0.7空气流过10排错列管束的平均对流传热系数为：a = 0.33厶Re0.6 Pr0.33 = 0.33 0.0267 (43100L 6(0.7 L 33 d0.086=55W/ (m2 C)空气流过15排管束时，由表(4-3)查得系数为，则a二a =X55=56W/ (m2 C)5. 热空气在冷却管管外流过，a =9

7、0W/ (m2 C),冷却水在管内流过,2a =1000W/ (m2C)。冷却管外径d =16mm，壁厚b二，管壁的入=40W/ 1o(mC)。试求： 总传热系数K ；o 管外对流传热系数a增加一倍，总传热系数有何变化2 管内对流传热系数a增加一倍，总传热系数有何变化1解：由式4-70可知K =o 1 d b d 1 矿+o +-a d 九 d a 1 i m 21 160.0015 1611000 1340 14.5 90110.00123 + 0.00004 + 0.01111W/ (m2 C)可见管壁热阻很小，通常可以忽略不计。C)1= 147.40.00123 +2x90传热系数增加了

8、%。2。=85.31 1+ 0.011112 x 100013传热系数只增加了 6%，说明要提高K值，应提高较小的a值。2NTU8 =及 1 + NTU(4-91a)6. 有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为089mmX，流量为2000kg/h的苯 在内管中从80C冷却到50C。冷却水在环隙从15C升到35C。苯的对流传热 系数a =230W/ (m2K),水的对流传热系数a =290W/ (m2K)。忽略污垢热 hc阻。试求：冷却水消耗量；并流和逆流操作时所需传热面积；如果逆流 操作时所采用的传热面积与并流时的相同，计算冷却水出口温度与消耗量，假 设总传热系数随温度的变化忽略不计。80 +

9、50 _ 65解 苯的平均温度2 -65C，比热容c =X103J/ (kgK)pht = 15+35 =苯的流量W=2000kg/h,水的平均温度2 一 C,比热容c =X103J/ hpc(kgK)。热量衡算式为忽略热Q = Wc(T - T ) = Wc (t -1 )h ph 12 c pc 21损失)热负荷誥x 倔6103 x (80 - 50) =341104 WW =-=一3.11104 1 36 00 = 1335冷却水消耗量 c cpc(t2 -t1) 4.17811031(35-15)kg/h以内表面积S为基准的总传热系数为K，碳钢的导热系数九=45W/ii(m K)11

10、bd d 10.00351 0.0820.082=+i+i =+K aXda d 2304510.085529010.089i h m c o= X10-3+ X105+X10 3= X103m2 K/WK=133W/ (m2 K),本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不i计。并流操作805065 -15i 65In -15=34.2C传热面积Q _ 3.11104K A t - 133134.2i m并逆流操作At _ 45 + 35 _ 40。8050m逆2C传热面积3.11104133140_ 5.83m2S i并 因 At S Sm并m逆i并i逆i逆Atm逆Atm并1.17A t

11、 _逆流操作S=, m K.S.设冷却水出口温度为t，则册 _ 34.2 cAAt+35 “ cAt = 34.28050 m 2 t=80=C2Cp=X103J (D3.1 X104 X 3600水的平均温度t= (15+) /2二C,W = 846冷却水消耗量 c J (t2-ti) 4.174X103 x (46.6 -kg/h1335 - 846 00 _ 36 6% 逆流操作比并流操作可节省冷却水：1335 100 = 36.6%若使逆流与并流操作时的传热面积相同,则逆流时冷却水出口温度由原来的35C变为C,在热负荷相同条件下，冷却水消耗量减少了。7有一台运转中的单程逆流列管式换热器

12、，热空气在管程由120C降至80C, 其对流传热系数a =50W/ (m2 K)。壳程的冷却水从15C升至90C，其对流传 1热系数a =2000W/ (m2 K),管壁热阻及污垢热阻皆可不计。当冷却水量增加2一倍时，试求水和空气的出口温度t和T，忽略流体物性参数随温度的变22化；传热速率Q比原来增加了多少解：水量增加前 T=120C，T=80C，t=15C，t=90C，1 2 1 2a =50W/ (m2 K)，a =2000W/ (m2 K)，12K = 1 1 1 = 48.8W/(m2 K)+ +a a 50200012(T -t ) -(T -t ) (120-90)-(80-15)

13、1At =m2211 T -1ln 2T -t21120 -90In80-15=45.3CQ=Wc (T -T)=Wc (t -t ) = KSAth ph 12 c pc 21m40W c =75W c = 48.8X 45.3Sh phc pca)K=水量增加后 a2 = 20.8a211+a 2 0.8 a121 1+50 20.8 X 2000= 49.3W/(m2 K)At(T -t ) -(T -t )12 21 T - f ln 12-T -t21(120 -1 ) - (T -15)=,120 -12ln2T -152b)c)Q=Wc (T -T )=2Wc (t -t ) =

14、 KSAt h ph 12 c pc 21m120 - t -T -15Wc (120 - T ) = 2Wc (t -15) = 49.3S -2 rh ph2 c pc 2120 - t ln2-T -152407575亍=丁 或 t2-15 =亦(120 -厂2)4048.8 x 45.3120 - T49 3 x 120 - T -(t 15)249.3 x i i2o -12In2-(d)T -152 120 t120 tlnr = 0.0558 lnr = 1.057式(c)代入式(d),得厂2-15厂2-15(e)由式 )与(e)得 t二。CT 二。C2 2Q T T120 69

15、.9=2 = 1.25QTT2120 - 80即传热速率增加了 25%。11. 如图2所示，有一稳定导热的平壁炉墙，墙厚240mm，导热系数入= mC,若炉墙外壁温度t =45C，为测得炉墙内壁温度t，在墙深100mm处插 入温度计，测得该处温度t = 100C，试求炉墙内壁温度t。2 1解：Q=( X/5)AAt=(入 /&)A(t1t3) Q = ( X/5 1)AAt1 = (入/& 1)A(t2t3)Q=Q/.(入/&)A(t1t3) =(入 /5 1)A(t2-t3)t =(&/&1)(t2-t3)+t3=(240/100)(100-45)+45二 X 55+45=177C112水在

16、一圆形直管内呈强制湍流时，若流量及物性均不变。现将管内径减 半，则管内对流传热系数为原来的多少倍解：a/a = (u / = (4u)(2d) = (4) X (2)二,根据：Nu二u=4ud=1/2d答：管内对流传热系数为原来的倍。13.平壁炉的炉壁由三种材料所组成，其厚度和导热系数列于附表中。序号材料厚度bmm导热系数九W/m2C1 (内层)耐火砖2002绝缘砖1003钢645若耐火砖层内表面的温度t为1150C，钢板外表面温度t为30C，计算导热的热通1414 b b b1150 - 3002_0.1 _0.006+ +1.07 .0.144511200.901=1242.6 W/m2量

17、。实际测得通过炉壁的热损失为300 W/m2，分析原因并计算附加热阻。 解：由多层平壁导热速率方程求导热的热通量，即解：由圆筒壁的导热速率方程知Q2冗G -1 )=+3l 1 | r 1 r ln 亠 + ln 3- 九 r 九 r 12其中r=130 mm，r = 60 mm，r23 2J-11010) L1 1 160 ln + ln 0.043 30 0.07 60= 160 mm=25 W/m计算结果的热通量大于实测的热损失，表明平壁间接触不良，有空气层存在，产生附加热阻，即q =1120= 300，0.901 + R- R=Z-0-901=2-83m2514.直径为60X3 mm的钢

18、管用30 mm厚的软木包扎，其外又用100 mm厚的保温灰包 扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为一110C,绝热层外表面温度10C。已知软木和保温灰的导热系数分别为和W/ (m.C)，求每米管长的冷量损失量。负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。15.在内管为4)189X10mm的套管换热器中，将流量为3500kg/h的某液态烃从 100C冷却到60C，其平均比热C烃二kg.C,环隙走冷却水，其进出口温度P分别为40C和50C，平均比热Cp水= kg.C，基于传热外面积的总传热系数 K=2000W/m2 C,设其值恒定，忽略热损失。试求：A)冷却水用量；B)分别 计算两流体为逆流和

19、并流情况下的平均温差及所需管长。解：冷却水用量W CP (T -T )=Wc CP c (t t )hh12213500XX(100-60)=WcX X(50-40)Wc =7990Kg/h t =(50-20) /In (50/20)=C逆 t =(60-10) /In (60/10)=C并Q = KA Atm Q=7990XX (5040) = X 1 05KJ/h/. A =X105/(2000/1000)XX3600= (m2)逆nd L =0XXL=/. L = (m )逆A =X105/(2000/1000)XX3600= (m2)XXL =/. L 并=(m )并16.在并流换热

20、器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15C和40C,油的进、出 口温度分别为150C和100C。现因生产任务要求油的出口温度降至80C,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1m,求将此换热器的管长增加多少米才 能满足要求。换热器的热损失可忽略。解：原平均温度差 At 二 150-15 二 135C, At 二 100-40 二 60C12At 二(13560) /In (135/60)二 Cm由热量衡算 Q 二 WhCph (T - T ) = WcCpc (t - t )1 2 2 1WhCph/WcCpc =(t- t )/(T- T ) = (40-15) /

21、(150-100)二2 1 1 2当油的温度降至80C时，由热量衡算得Q 二 WhCph (150-80)二 WcCpc ( -15)或 WhCph/WcCpc 二(t2-15) / (150-80)二解得 t?二 50C新的平均温度差，At 二 150-15 二 135C, At 二 80-50 二 30C,12At 二(135-30) /In (135/30)二 Cm由传热速率方程可分别得原换热器WhCph (150-100)二 KSAt 二 KnndL ()m新换热器WhCph (150-80)二 KS At 二 KnndL()m/. L二(70/50)X()X1 二 mAL 二 一 1

22、 二 m17. 一单程列管式换热器，由直径为25X mm的钢管束组成。苯在换热器的管内流动， 流量为kg/s,由80C冷却到30C，冷却水在管间和苯呈逆流流动，进口水温为20C,出 口不超过50C。已知水侧和苯侧的对流传热系数分别为和kW/(m2.C),污垢热阻和换 热器的热损失可忽略，求换热器的传热面积。苯的平均比热为kJ/(kg C),管壁材料的导热系数为45 W/(m C)。解：由总传热速率方程式式中 Q二 WC (Th ph 1T2)二 KSAtOOXX10aX(80 - 30)二 kWAtbd卜 oa d九 dai imoAt - At2 1ln At2At1=0.472 kW /

23、(m2.C)0.0250.0025 x 0.0251+ +0.85x0.02 0.045x0.02251.7(80 - 50)-(30 - 20)=18.2 C 80 - 50 In30-20So K At0.472x 18.21188 = 13.8 m2om18在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系 数a.为 349 W/ (rw.C)，管外油侧对流传热系数a为258 W/ (rw.C)。1o换热器在使用一段时间后，管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻R .为si(rw.C) /W,油侧的污垢热阻R为(rw.C) /W。若此换热器可按薄壁管处so理，管壁导热热阻忽

24、略不计。求：(1) 产生污垢后热阻增加的百分数；(2) 总传热系数K。解：(1)产生污垢前的热阻=+ - =+= 0.00674 (m2.C) /WK a a 349258I0产生污垢后的热阻=+ R + 丄 + R =丄 + 0.00026 + 丄 + 0.000176 = 0.007177 (m2.C)/W K a s1 a so 34925810()/ 二 %(2)总传热系数K =-= 139.33 W/ (m2. C)0.00717719. 一单壳程单管程列管换热器，由多根25X的钢管组成管束，管程走某 有机溶液，流速为s,流量为15T/h,比热为，密度为858kg/rw，温度由20C

25、加热 至50C。壳程为130C的饱和水蒸汽冷凝。管程、壳程的对流传热系数分别为 700W/m2K和lOOOOW/rwK。钢导热系数为45W/。垢层热阻忽略不计。求:A)此换热器的总传热系数；(以外表面积为基准)B)此换热器的管子根数及管长；C)在冷流体温度不变的情况下，若要提高此设备的传热速率，你认为要采 取什么措施Q=WCpt=15X103XX103 (5020)/3600二 X105 W tm=(13020) + (13050)/2=95C以外表面为基准的传热系数：K=1/ 1/10000+ X/(45X + (700 X=513W/Km2 V=W/ p=15X103/(36 00 X 0

26、858)=sS=V/u= X 10-3 m2S= n d2 n/4n=4S/(nd2)=4XX=31 根A =Q/(K tm)=220000/(513X95) =00A 二nnd ll=A/( nnd) = (31XX二取 2m000因为管程流速小，a也小，故应强化管程，可改为双管程。20. 拟设计由4)25X2m m的136根不锈钢管组成的列管换热器。平均比热为 4187J/kg. C的某溶液在管内作湍流流动，其流量为15000kg/h，并由15C加热 到100C。温度为110C的饱和水蒸汽在壳方冷凝。已知单管程时管壁对溶液 的对流传热系数a = 520W/m2 C,蒸汽冷凝时的对流传热系数

27、a =X 104W/m2C，不锈钢管的导热系数入=17W/m.C,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)。 解：换热器热负荷：Q=WCCPC(t -t )=15000/3600XX (100-15)2 1= X1O3KW1.Ko=1/(1/ao +b / 入Xdo/dm +do/(ai d i )= 1/(1/11600 + X25/(17X23) + 25/(520X21)= 1/X1O-3)= (m2. C) tm = (95-10) /In (95/10)= CS = nndoL = Q/(K At

28、 m )=X1O6/X= m2Le = S/(nndo )= (136Xn)= m2 管方改四程时:a = 4a=1576 W/(m2. C)Ko =1/(1/11600 + X25/(17X23) + 25/(21 X1576)=1031 W/(m2. C)同理：L = m【例4-9】在一传热面积为的逆流套管换热器中，用油加热冷水。油的流量为s，进口温度为110C;水的流量为s，进口温度为35C。油和水的平均比热容分别为(kg C)及kJ/(kg C)。换热器的总传热系数为320W/ (m2 C)试 求水的出口温度及传热量。解：本题用e-NTU法计算。Wc =X1900=5415W/Ch p

29、hWc =X4180=2788W/Cc pc故水(冷流体)为最小热容量流体。minmax27885415=0.515(NTU)minKS320 x 15.82788=1.8查图4-27得Em=。因冷流体为最小热容量流率流体，故由传热效率定义式得=0.73解得水1的出口温度为换热器的传热量为t = (110 35)+35=C2Q 二 Wc (t t)二 0.667x4180(89.8 35)二 152.8 kWc pc 211.套管换热器，由0 48X 3mm和4)25X的钢管组成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流传热系数为a和a 2,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32X后,管内对流 传热系数有何变化(假设流动状态皆为湍流)解： 原内管外径 d =25mm 内径 d 2 =25 2.5X2 =12 0mm新内管外径 d =3 2mm 内径 d =32 2.5X2 = 271 2mm设 改用0 3 2X2.5钢管后，内管对流传热系数a 1a / a =(U/U)/(d /d )1 2 1=(d2/d 2)08X(d /d )0。22 2 2 2=(d/ d )1。8=(20/27)1。8=2 2=(d /d) = (20/27) =2 2 a =a1