化工原理 培训传热练习

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1、、计算练习题1.有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为巾89mmX3.5mm，流量为2000kg/h 的苯在内管中从80 r冷却到50 r。冷却水在环隙从15 r升到35 r。苯的对流传 热系数a广230W/ (m2 K),水的对流传热系数a=290W/ (m2 K)。忽略污垢热 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。解 苯的平均温度T = 80；50 = 65C，比热容Cph=1.86X103j/ (kgK)苯的流量W广2000kg/h，水的平均温度t = !5m

2、= 25C，比热容Cpc=4.178X 103J/ (kgK)。热量衡算式为Q = Wc (T -T ) = Wc (t -1 )(忽略h ph 12c pc 21热损失)热负荷 Q = 2000 x 1.86 x 103 x (80 50) = 3.1 x 104W3600冷却水消耗量 W = 一Q一 = 一3x 104 x 3600= 1335kg/hc c (七-11) 4.178 x103 x (35 -15) 以内表面积S为基准的总传热系数为K，碳钢的导热系数人=45W/ (mK) 上上 bdd _ 10.0035 x 0.0820.082K o 苛 ad 23045 x 0.085

3、5290 x 0.089=4.35 X 10-3+7.46 X 10-5+3.18 X 10-3 =7.54X10-3m2 K/WK,=133W/ (m2K)，本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。并流操作80 -1565503515A t =m并65 155-!5 = 34.2 C65ln 15传热面积S，并=Q_ 3.1 x 104=6.81 m2K A t, m并133 x 34.2逆流操作80 5045 + 352=40 C传热面积芝-1545353.1 x 104133 x 40=5.83m2因 At A ，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。【例4-2】某平

4、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0.9W/ (mC )及0.7W/ (mC)。待操作稳定后，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Q)、s %此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：fQ k S1测得炉膛的内表面温度为700 ，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0.06W/ (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t 700 130w/m2=2244T +户而+如12

5、加保温层后单位面积炉壁的热损失为fQ )2此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为：1 =740 - 90= 706W/m2b b b0.1 0.1 0.04*09 + 07 + 0.06123故加保温层后热损失比原来减少的百分数为：f Q Jr x 100% =06 x 100% = 68.5%f Q )22441【例4-3】 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=0.1+0.0002t (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

6、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：r2=0.07mt2=390Ct3=40C先求保温层在平均温度下的导热系数，即=0.143W/ (m C)X= 0.1 + 0.0002f 2 J(1)保温层温度 将式(4-15)改写为m 4 = 2兀人匕-七)n 厂Q / L 5I2兀 X 0.143(390 - 40)ln r =+ ln 0.073450得r3=0.141m故保温层厚度为b=r3 - r2=0.141 - 0.07=0.071m=71mm(2)保温层中温度分布 设保温层半径r处的温度为房代入式(4-15)可得 2兀 x 0.143(390 -1) =450皿

7、二0.07解上式并整理得f=-501lnr-942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】 有一列管式换热器，由38根巾25mmX2.5mm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8.32kg/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t = -(20 + 80)= 50 C下的物性可由附录查得：m 2密度 P =860kg/m3；比热容 Cp=1.80kJ/ (kgC)；粘度 U=0.45mPas；导热 系数入=0.14W/ (mC)。8.32860加热管

8、内苯的流速为u =860= 0.81m/s兀刀0.785 x 0.022 x 38Re = 4 即 X 丝 X 860 = 30960日 a 2 n 4 i0.45 x 10-3pr =我=Y.8 x 103)x 0.45 x 10 -3 = 5 79r0.14 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. 023 x 014 x(30960定 x(5. 79). 4 d0.02=1272W/ (m2C)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 aa = a义0 = 1272x20.8 = 2215W/ (m2C)I

9、u J【例4-5】 在预热器内将压强为101.3kPa的空气从10C加热到50C。预热器由 一束长度为1.5m，直径为e86X1.5mm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=1 (10+50) =30 C2查得空气在30C时的物性如下：U=1.86X10-5Pa sP=1.165kg/m3入=2.67X10-2W/ (mC)cp=1kJ/ (kg -C)所以Re = dup= 0.086 x 8 x

10、1165 = 43100日1.86 x 10 -5由=戏=1 x 103 x 1.86x 10-5 = 07 r V-2.67 x 10-2.空气流过10排错列管束的平均对流传热系数为：a = 0.33 Re0.6 Pr0.33 = 0.33 0.0267(43100贝(0.7齐 d 00.086=55W/ (m2 C)空气流过15排管束时，由表(4-3)查得系数为1.02，则Q=1.02a =1.02X55=56W/ (m2C)【例4-6】 热空气在冷却管管外流过，a2=90W/ (m2C)，冷却水在管内流过， a=1000W/ (m2C)。冷却管外径do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁

11、的入=40W/(mC)。试求： 总传热系数K。； 管外对流传热系数&增加一倍，总传热系数有何变化？ 管内对流传热系数a1增加一倍，总传热系数有何变化？解：由式4-70可知1=1 16 0.0015 161+ 10001340 14.5 90=80.8W/ (m2.C)0.00123 + 0.00004 + 0.01111可见管壁热阻很小，通常可以忽略不计。 K =1-=147.4W/o 0.00123 +2 x 902 -0 C)传热系数增加了 82.4%。一1一四 + 0.01111 2 x 100013=85.3W/传热系数只增加了 6%,说明要提高K值，应提高较小的以2值。及(4-91a

12、)NTU1 + NTU【例4-8】 有一台运转中的单程逆流列管式换热器，热空气在管程由120C降至 80C，其对流传热系数a1=50W/(m2K)。壳程的冷却水从15C升至90C，其对 流传热系数a2=2000W/ (m2.K)，管壁热阻及污垢热阻皆可不计。当冷却水量增 加一倍时，试求水和空气的出口温度t和t2,忽略流体物性参数随温度的变化; 传热速率0比原来增加了多少？解：水量增加前 T=120C，T2=80C，t15C，t2=90C，a1=50W/ (m2 K)，a2=2000W/ (m2 K)，K = 1 1 1 = = 48.8W/(m2 - K) a + a 50 + 200012A

13、tm(T -1 ) - (T -1 ) (120 - 90) - (80 -15) 1221 221 T LIn 2孔一tln120-2080 -15=45.3CQ = Wc h(T - T) = W c(t -1) = KSAtc pc 2140Wc = 75Wc = 48.8 x 45.3Sc pch ph(a)a = 20.8 a2211一 +a11+20.8a 50 20.8 x 20002=49.3W/(m2 - K)(T -1 ) - (T -t ) 1 22 1-2z:I T -1In 2T -t21(120-t，)-(T -15)i 1220-t 广ln2-T -15120-t

14、 -T -15i 120 -1ln2-T -15Q = Wc h(T - T ) = 2Wc(t -t ) = K SAt12c pc 21mWc (120 - T ) = 2Wc (t -15) = 49.3S - h ph2c pc 2(b)4075(c)120 - T22(t -15)275t -15 = (120 - T )280ln2T -154048.8 x 45.3(d)（c ）代入式（d ）,得=0.0558ln120 -12 = 1.057(e)由式（c）与（e）得t2=61.9CT ；=69.9 C 2 = T1 - T2 = 120 - 69.9 = 1 25 即传热速率

15、增加了 25%。120 - 80Q T -T12【例4-9】 在一传热面积为15.8m2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110C；水的流量为0.667kg/s，进口温度为35C。油和 水的平均比热容分别为1.9kJ/(kg -C)及 4.18 kJ/(kg C)。换热器的总传热系数为 320W/ (m2C )试求水的出口温度及传热量。解：本题用eNTU法计算。吧成=2.85X 1900=5415W/CWcp(=0.667 X 4180=2788W/C 故水(冷流体)为最小热容量流体。C minCmax27885415=0.515(ntu )minKSCmin320 x 15.82788=1.8查图 4-27 得 e=0.73。因冷流体为最小热容量流率流体，故由传热效率定义式得 = -1 = 0.73 T -1解得水的出口温度为 t2=0.73(11035)+35=89.8C换热器的传热量为Q = Wc (t -1 ) = 0.667 x 4180(89.8 - 35) = 152.8 kW c pc 21120 - T2 49.3 x 120 - 富；