化工原理练习题传热部分2

一填空(1)在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K接近于空气侧的对流传热系数，而壁温接近于饱和水蒸汽侧流体的温度值。(2)热传导的基本定律是傅立叶定律。间壁换热器中总传热系数K的数值接近于热阻大（大、小）一侧的值。间壁换热器管壁温度tW接近于值大（大、小）一侧的流体温度。由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈小，则该壁面的热阻愈大（大、小），其两侧的温差愈大（大、小）。(3)由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两侧的温差愈小。(4)在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在滞离层内（或热边界层内），减少热阻的最有效措施是提高流体湍动程度。(6)厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b1b2b3，导热系数123，在稳定传热过程中，各层的热阻R1R2R3，各层导热速率Q1=Q2=Q3。(7)在大容积沸腾时液体沸腾曲线包括自然对流、泡核沸腾和膜状沸腾三个阶段。实际操作应控制在泡核沸腾。在这一阶段内，传热系数随着温度差的增加而增加。(8)传热的基本方式有传导、对流和辐射三种。热传导的基本定律是傅立叶定律其表达式为dQ=-dsnt。二、选择4对流传热系数关联式中普兰特准数是表示C的准数。A对流传热B流动状态C物性影响D自然对流影响5在蒸气—空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的＿B＿在工程上可行。A提高蒸气流速B提高空气流速C采用过热蒸气以提高蒸气温度D在蒸气一侧管壁加装翅片，增加冷凝面积三、计算1一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为3m，直径为25×2mm。水以0.7m/s的流速在管内流过，并从17℃被加热到37℃。流量为1.25kg/s、温度为72℃烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg。已测得：蒸气冷凝传热系数0=800W/(m2·℃)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，试核算：（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准）；（2）换热管的总根数；（3）换热器的管程数。[计算时可忽略管壁热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/(kg·℃)]解：（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准），S1；由题意知，水以0.7m/s的流速在管内流过，欲求S1，需先知道每程的管子数，每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。两流体交换的热量为：kwrWQhh39431525.1又)(12ttCWQpcc，CkgkJCpc/18.4，则skgttCQWpcc/713.4)1737(18.4394)(12单管内水的流量为：skgudWc/2423.010007.0021.0785.04221每程所需管子数为：5.192423.0713.411ccWWn取每程管子数为20，则每程所能提供的传热外表面积为：21171.4320025.0lnmdSo(2)换热管的总根数；由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。mootSKQ由题给数据，CmWKoooo2/2.476)80014.07.080014.08001(1)14.07.014.01(1Ctttttm25.4437721772ln)3772()1772(ln2121则任务所需的传热外表面积为：27.1825.444762.0394mtKQSmoolnoodS换热管总根数为：4.793025.07.18ldSnoo取80n(2)换热器的管程数。由题意管程数为：41nnNt2在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20℃和110℃。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45℃和40℃，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38℃，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（水空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？解：使用初期使用一年后110℃40℃110℃2T45℃20℃38℃20℃（1）空气出口温度2T题意可得：使用初期mphhpcctKSTTCWttCWQ)()(2112（1）使用一年后mphhpcctKSTTCWttCWQ)()(22112（2）两式相比（2）/（1），得)2045()2038()40110()110(2T则：2T=59.6℃（2）总传热系数KK/CtCtTtTtTtTtmm2.546.3972ln6.3972206.5938110ln)202.59()38110(2.342065ln2065ln)()(12211221方程(2)式/(1)式，得：2.382.54)2045()2038(KK故%50.0KK（3）冷热流体的出口温度22Tt及一年后mphhpcctSKTTCWttCWQ)()(2112（3）mphhpcctSKTTCWttCWQ)()(22112（4）方程（4）式/（3），得：20110ln)20()110(2.5412038)20(26.59110110222222TtTtKKtT整理前半式的方程22179.06.39Tt（5）又因空气水，空气K，故1空空KK由等比定理20110ln)20()110(2.54196.59110)20()110(222222TtTttT则2.544.4120110ln22Tt整理得，22153Tt（6）联立（5）和（6），可得：Ct4.292，CT5.572（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？Ctm3.565.376.80ln5.376.80205.574.29110ln)205.57()4.29110(则04.12.543.56mmttQQ3有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，T=100℃；冷方：为生垢液体升温，Ct201，Ct602。(1)在测试中，维持以上温度条件不变，发现蒸汽凝液流量，在清洗前后之比为1：2。问：a那些是控制热阻？管程宜走那一方流体？简述理由；b清洗前，污垢热阻约为该时总热阻的多少分数？(2)在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。问：随着污垢的增加，调节饱和蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？简述理由（定性分析）。注：冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。解：(1)a垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。管程宜走生垢液体，便于清洗，便于增大流速，可能减少垢层沉积在管子表面上，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗，且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。b维持mtA,不变时：清洗前传热量mhtKAWQ（1）清洗后传热量mhtAKWQ2（2）（1）式与（2）式比较得：KK2清洗前后总热阻的差值是污垢热阻sRKKKKKRs2121111所以505.0121KKRRs总%(2)在操作中，调节生垢液体流量，企图减少垢层厚度来增加换热量，是不能满足的，因为生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所需要的热量相当，这时会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加mt，使其满足热负荷的要求。假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，（换热量再减少即不能操作），这时蒸汽的温度提高到160℃即可满足要求。假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，而传热系数下降一半，则推动力12026016020160mt增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷不变。4有一换热器，管内通90℃的热流体，膜系数1为1100Cmw2/，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，膜系数2为5800Cmw2/。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005wCm/2解：忽略管壁热阻，并假设壁温为wT（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：2111tTTTww58001501100190wwTT则CTw4.56（2）同理02111RtTTTww005.058001501100190wwTT则CTw84由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。5流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由150℃降至80℃；壳程冷却用水，进口温度为15℃，出口温度为65℃，与气体作逆流流动，两者均处于湍流。已知气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数，管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kg·℃，水的比热为4.17kJ/kg·℃，不计温度变化对比热的影响，试求：（1）冷却水用量；（2）如冷却水进口温度上升为20℃，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？（3）此时的出口水温将为多少？（4）此时的冷却水用量为多少？解：（1）冷却水用量；)()(2112TTCWttCWQphhpcc)80150(02.12000)1565(17.4cWQhkgWc/685（2）如冷却水进口温度上升为20℃，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？原情况miimiphhpcctStKSTTCWttCWQ)()(2112(1)新情况miimiphhpcctStSKTTCWttCWQ)()(2112(2)因空气水，空气K，换热器与气体的情况未变，则QQiiiiSS，故mmttCtm752)1580()65150(22102)2080()150(22tttm则Ct602，（21tt2，则mt用算术平均值合适）对新情况下的热量进行衡算，)80150(02.12000)2060(17.4WQ故hkgWc/8566在套管换热器中用120℃的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为4000kg/h，比热容为1.9kJ/(kg·℃)，温度从30℃升至60℃。蒸汽冷凝传热系数为1×104W/(m2·℃)，换热管内侧污垢热阻为4×10－4m2·℃/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为54×2mm的钢管，有效长度为12m。试求：（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为2204kJ/kg）；（2）管内苯的对流传热系数i；（3）当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？（4）若想维持苯的出口温度仍为60℃应采取哪些措施？作出定量计算。解：（1）饱和蒸汽流量；hkJttCWrWQpcch/1028.2)3060(9.14000)(512hkgrQWh/4.10322041025.25（2）管内苯的对流传热系数i；2112212112lnln)())(tTtTttSKtTtTtTtTSKtSKttCWQoooomoopcc（整理得pccooCWSKtTtT21ln（