第五章传热过程基础

第五章传热过程基础1．用平板法测定固体的导热系数，在平板一侧用电热器加热，另一侧用冷却器冷却，同时在板两侧用热电偶测量其表面温度，若所测固体的表面积为0.02m2，厚度为0.02m，实验测得电流表读数为0.5A，伏特表读数为100V，两侧表面温度分别为200℃和50℃，试求该材料的导热系数。解：传热达稳态后电热器的加热速率应与固体的散热（导热）速率相等，即LttSQ21式中W50W1005.0IVQm02.0C50C200m02.0212LttS，，，将上述数据代入，可得CmW333.0CmW5020002.002.05021ttSQL2．某平壁燃烧炉由一层400mm厚的耐火砖和一层200mm厚的绝缘砖砌成，操作稳定后，测得炉的内表面温度为1500℃，外表面温度为100℃，试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.80.0006t，绝缘砖的导热系数为20.30.0003t，W/(mC)。两式中的t可分别取为各层材料的平均温度。解：此为两层平壁的热传导问题，稳态导热时，通过各层平壁截面的传热速率相等，即QQQ21（5-32）或23221211bttSbttSQ（5-32a）式中115000.80.00060.80.00061.250.00032ttt21000.30.00030.30.00030.3150.000152ttt代入λ1、λ2得2.0100)00015.0315.0(4.01500)0003.025.1(tttt解之得C9772ttCmW543.1CmW9770003.025.10003.025.11t则22111mW2017mW4.09771500543.1bttSQ3．外径为159mm的钢管，其外依次包扎A、B两层保温材料，A层保温材料的厚度为50mm，导热系数为0.1W/(m·℃)，B层保温材料的厚度为100mm，导热系数为1.0W/(m·℃)，设A的内层温度和B的外层温度分别为170℃和40℃，试求每米管长的热损失；若将两层材料互换并假设温度不变，每米管长的热损失又为多少？解：mW150mW100159100502159ln0.11159502159ln1.014017014.32ln21ln2123212121rrrrttLQA、B两层互换位置后，热损失为mW5.131mW100159100502159ln1.01159502159ln0.114017014.32ln21ln2123212121rrrrttLQ4．直径为57mm3.5mm的钢管用40mm厚的软木包扎，其外又包扎100mm厚的保温灰作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为120℃，绝热层外表面温度为10℃。软木和保温灰的导热系数分别为0.043W/(m℃)和0.07W/(m℃)，试求每米管长的冷损失量。解：此为两层圆筒壁的热传导问题，则mW53.24mW04.00285.01.004.00285.0ln07.010285.004.00285.0ln043.011012014.32ln1ln1π223212121rrrrttLQ5．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为Φ25mm×2.5mm的钢管，其导热系数为45W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数K，以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。解：由oooomii11Kddbdd查得钢的导热系数CmW4522.5bmmo25dmmmm20mm5.2225idmm5.22mm22025mdCmW6.50CmW02.02600025.00225.045025.00025.0521122oK壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为oooo150.6100%100%100%97.3%152KK管程对流传热热阻占总热阻的百分数为oooiiiio50.60.025100%100%100%2.4%126000.02dKdddK管壁热阻占总热阻的百分数为ooommo0.00250.02550.6100%100%100%0.3%1450.0225bdbdKddK6．在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体流量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设：（1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，io、分别相同；（3）忽略壁面热阻和热损失。解：求清洗前总传热系数KC7.52C225536115ln225536115mtCmW231CmW7.52403600223610174.430000223mtSQK求清洗后传热系数K由热量衡算hp,h12cp,c21()()WCTTWCtthp,h12cp,c21()()WCTTWCttcp,c2121hp,h()WCTTttWCC9.37C22402236551151151212211ttttTTTC1.38C229.3740115ln229.3740115mtCmW8.410CmW1.38403600224010174.430000223K清洗前两侧的总传热热阻WCm109.1WCm8.4101231111232SKKR7．在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶液。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。有机溶液的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机溶液的处理量。解：p,c4.17CkJ/(kg·℃)cp,c21()QWCttW1022.4W25381017.436002800053求mt有机物110→65水38←25————————————————t7240C4.54C4072ln4072mtCmW3.310CmW4.54251022.4225Khkg10963.1skg452.5skg651101072.11022.443521hhKTTcQWp8．在一单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机溶剂。冷却水的流量为10000kg/h，其初始温度为30℃，平均比热容为4.174kJ/（kg·℃）。有机溶剂的流量为14000kg/h，温度由180℃降至120℃，平均比热容为1.72kJ/（kg·℃）。设换热器的总传热系数为500W/(m2·℃)，试分别计算逆流和并流时换热器所需的传热面积，设换热器的热损失和污垢热阻可以忽略。解：kW3.401hkJ104448.1hkJ12018072.114000621hTTWcQp冷却水的出口温度为C61.64C30174.410000104448.161cc2tcWQtp逆流时C102.2C9039.115ln39.25C3012061.64180ln3012061.64180mt223mm854.7m2.102500103.401tKQS逆并流时C97.94C15039.55ln61.94C3018061.64120ln3018061.64120mt223mm452.8m97.94500103.401tKQS逆9．在一单程管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。总传热系数为450W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。解：苯蒸气的密度为33mkg692.2mkg1.8027308206.0781RTPMhkg2.4307hkg692.21600hWW1071.4hkJ10697.1hkJ3942.430756hWQcp,c21()QWCtt235350004.1710(20)4.71103600t解出231.6t℃求mt苯80.1→80.1水31.620————————————————t48.560.1C1.54C5.481.60ln5.481.60mt225mm3.19m1.544501071.4tKQS10．在一单壳程、双管程的管壳式换热器中，水在壳程内流动，进口温度为30℃，出口温度为65℃。油在管程流动，进口温度为120℃。出口温度为75℃，试求其传热平均温度差。解：先求逆流时平均温度差油120→75水6530t5545C8.49C4555ln4555ln1212mttttt计算P及R211165300.38912030ttPTt1221120751.2866530TTRtt查图5-11（a）得Δt0.875C6.43C8.49875.0mΔtmtt11．某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求：（1）两流体呈逆流流动；（2）两流体呈并流流动。设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。解：本题采用NTU法计算（1）逆流时CW7.3166CW109.2360060003hhpcWCW7.2316CW1017.4360020003ccpcWminRmax2316.70.7323166.7CCCminmin30010()1.2952316.7KSNTUC查图得0.622min11()QCTtW10196.1W221057.2316622.05C70C2.67C7.316610196.11055hh12pcWQTT能满足要求（2）并流时R0.732Cmin()1.295NTU查图得0.526W10011.1W221057.2316526.05QC70C1.73C7.316610011.110552T不能满足要求12．在一单程管壳式换热器中，管外热水被管内冷水所冷却。已知换热器的传热面积为5m2，总传热系数为140