化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)

传热过程及换热器1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为230mm，外层普通砖厚度为240mm，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是700℃，外表面温度是100℃，为了减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为40mm的保温材料，当定态后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐火砖、普通砖、保温材料的热导率分别为1.163W·m-1·℃-1，0.5815W·m-1·℃-1，0.07W·m-1·℃-1。解：根据多层平壁热传导公式：iiitQAδλΣΔ=Σ加保温材料前：Σti=t1-tn+1=700-100=600℃0.230.241.1630.58150.6105iiδλΣ=+=26000.6105982.8W/mQA==加保温材料后：Σti=t1-tn+1=720-70=650℃0.230.240.041.1630.1.18581500720.iiδλΣ=++=2545W/m1.186250QA==2.如习题1加保温材料后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。计算耐火砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。解：加保温材料后，传热速率为：2545W/m1.186250QA==根据平壁热传导公式：1211545ttQAδλ−==t1=720；λ1=1.163W·m-1·℃-1，δ1=0.24m代入上式解得：t2=1110.237205451.1636211.QtAδλ−⋅=−×=℃同理得t3=3430.0470545031.74.08QtAδλ+⋅=+×=℃3.平壁炉的炉壁内层为120mm厚的耐火材料和外壁厚度为230mm建筑材料砌成，两种材料的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为800℃，外侧壁面温度113℃，后来在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？解：包石棉材料前得传热速率1128001130.120.23tQδλλλΣΔ−==Σ+包石棉材料后得传热速率2128004050.120.23tQδλλλΣΔ−==Σ+包扎石棉后热损失比原来减少的百分数=21800405110.425=42.45%800113QQ−−==−=−4.φ50mm×5mm的不锈钢管(λ1=16W·m-1·K-1)外包扎厚度为30mm的石棉(λ2=0.22W·m-1·K-1),若管内壁温度为600℃，石棉外壁面温度100℃，求每米管线的热损失。若要使温差保持不变，欲使热损失减少60%，在石棉层外再包一层保温材料(λ3=0.07W·m-1·K-1)，求该保温材料的厚度为多少？解：(1)、11112()2(600100)=15011101lnlnln15400.22872.552W/m0nniiittQrLrππλ++−−==+∑5.用φ48mm×3mm的钢管(λ=45W·m-1·K-1)输送0.304MPa的饱和水蒸汽，外界空气为20℃，求不保温与包上30mm厚的石棉时每米管长的热损失速率(空气的表面传热系数可取为，水蒸汽传热的热阻忽略。解：查得0.304MPa的饱和水蒸汽的温度为133.74℃143.7441111133.2()2(20)=14811081lnlnln45741420.224894W/mnniiittQrLrππλ++−−==+∑6.φ50mm×3mm的钢管(λ=45W·m-1·K-1)外包扎二层绝热材料，内、外层厚度分别为25mm和40mm，热导率分别为0.08W·m-1·K-1及0.04W·m-1·K-1。若管内壁面温度为277℃，绝热材料外表面温度为57℃，求每米管长的热损失速率。解：11112()2(57)=150110011801lnlnlnln45440.0278500.04100759.14W/mnniiittQrLrππλ++−−==++∑7.某蒸汽管外径为100mm，外面包有两层绝热材料，内层为50mm厚的绝热材料A(λ=0.06W·m-1·K-1)，外层为25mm绝热材料B(λ=0.075W·m-1·K-1)，若A层内表面温度为175℃，B外表面温度为38℃，计算每米管长的热损失及A，B交界面的温度。解：11112()2(138)=120012501lnlnln0.061000.0757552009.22W/mnniiittQrLrππλ++−−==+∑12112()2(7559.22W1)=12001lnln0.06/0m10niiittQxrLrππλ+−−==∑1200ln0.0610017559.2266.062xπ=−×=℃8.炼油厂在一列管换热器中用热油加热冷油。管子规格为φ=38×3mm，管程冷油的流速为1.1m·s-1从25℃加热到125℃，在定性温度下冷油的物性参数为，密度850kg·m-3，比热2.5kJ·kg-1·K-1，粘度2×10-3Pa·s，热导率0.12W·m-1·K-1。求冷油的表面传热系数。解：30.80.40.80.430.120.0321.185025002100.023()()0.023()()0.0322100.12pCdudμλαμλ−−Ρ××==××××××=838.7W·m-2·K-19.在一列管换热器中，用水蒸气加热原油。管子规格φ=25×2.5mm，管程原油的表面传热系数为1000W·m-2·K-1，管内污垢层的热阻系数Rh,1=1.5×10-3m2·K·W-1；管外水蒸气加热原油，管外水蒸气的表面传热系数为10000W·m-2·K-1，管外污垢热阻及管壁的热阻忽略不计，求传热系数及各部分热阻占总热阻的百分数。解：以内表面为计算基础2131,1111388Wm12011.51010001000025hooKKdRdαα−−−===⋅+×+++×i⋅总热阻R=0.00258内表面热阻R1=0.001占总热阻的百分数38.88%外表面热阻Ro=0.00008占总热阻的百分数3.10%污垢层的热阻系数Rh,1=1.5×10-3占总热阻的百分数58.2%以外表面为计算基础21301,11111310Wm2525111.5101000202010000hooKKddRddαα−−−===+××+++×ii⋅⋅总热阻R=0.00323内表面热阻R1=0.00125占总热阻的百分数38.70%外表面热阻Ro=0.0001占总热阻的百分数3.10%污垢层的热阻系数Rh,1=1.875×10-3占总热阻的百分数58.04%10.两湍流流动的流体在套管换热器中换热，第一流体对管壁的表面传热系数α1=233W·m-2·K-1，管壁对第二流体的表面传热系数α2=407W·m-2·K-1。若忽略管壁和垢层的热阻，求下列情况传热系数各增加多少？(1).假定第一流体流速增加一倍，其余不变。(2).假定第二流体流速增加一倍，其余不变。解：αu∵∝0.8第一流体流速增加一倍，其余不变。α1=233W·m-2·K-1，则α1`=20.8α1=406W·m-2·K-1第二流体流速增加一倍，其余不变。α2=407W·m-2·K-1α2`=20.8α2=709W·m-2·K-121122121121211233407148Wm11233407−−×=====⋅⋅++++iiKKαααααααααα(1)、''2121'21406407203Wm4064071−−×===⋅⋅++iKKαααα'2031.37148KK==(2)、''2121'21233709175Wm2337091−−×===⋅⋅++iKKαααα'1751.18148KK==11.在管长为1m的单程套管换热器中，用水冷却热油，两种流体并流换热，油的初温为150℃，终温为100℃；水的初温为15℃，终温为40℃。欲用加长换热器管子的办法，使油的出口温度降至80℃，求此时的管长。假设在两种情况下，油和水的质量流量、进口温度、物性参数和传热系数均不变化，热损失可忽略；换热器除管长外，其余尺寸也不变化。解：油放热Q放=(ms·Cp)油·(T1-T2)水吸热Q吸=(ms·Cp)水·(t2-t1)热损失不计则Q放=Q吸，得：2112()()ssmCpttmCpTT⋅−=⋅−油水；根据传热方程Q=KAt△m；mQKAt=Δ未加长管子时2112()40150.5()150100ssmCpttmCpTT⋅−−===⋅−−油水12112(15015)(10040)92.515015lnln10040mtttttΔ−Δ−−−Δ===Δ−−Δ℃加长管子后油和水的质量流量、进口温度、物性参数和传热系数均不变化。则有2121121212()()ttttTTTT−−=−−；12()()mmQQAtAt=ΔΔ121212()()()()ssmmmCpTTmCpTTdLtdLtππ−−=ΔΔ得：211122221121()()(4015)(15080)()1550()150100ttTTttTT−⋅−−×−=+=−−+=℃12212(15015)(8050)69.815015lnln8050mtttttΔ−Δ−−−Δ===Δ−−Δ℃1112222121()92.5(15080)1.86()69.8(150100)mmtLTTLmtTTΔ−×−=⋅==Δ−×−12.列管换热器的管束由若干根长3m，规格为φ=25×2.5mm的钢管组成，要求将质量流量为1.25kg/s-1的苯由80℃冷却到30℃，20℃的水在管内与苯逆流流动。已知水侧和苯侧的表面传热系数分别为850W·m-2·K-1和1700W·m-2·K-1。污垢热阻可忽略，若维持水的出口温度不超过50℃，求所需列管数，苯的比热1900J·kg-1·K-1，密度880kg·m-3，管壁导热系数λ=45W·m-1·K-1。解：根据传热计算方程Q=KAt△m传热速率Q，按苯的热负荷计算Q=m·Cp·=1.25×1.9×50=118.75kW传热系数K以水侧为计算基准2111111592.9Wm10.002202018504522.5170025mooKKddddδαλα−−===+×+++×ii⋅⋅传热系数K以苯侧为计算基准210001111474.3Wm10.0022525117004522.585020mKKddddδαλα−−===⋅+×+++×ii⋅传热温差t△m逆流传热1212(8050)(3020)18.28050lnln3020mTTtKTTΔ−Δ−−−Δ===Δ−−Δ水侧传热面积A13118.751046.7=48592.93.140.02318.2QnKdltπ×===Δ××××iiii根根苯侧传热面积A0A=n·π·d0·l3118.751058.4=59474.33.140.025318.2QnKdltπ×===Δ××××iiii根根13.在列管换热器中用蒸气加热溶液，列管为φ25mm×1.5mm的钢管。水蒸气冷凝的表面传热系数为15000W·m-2·K-1，溶液的表面传热系数取2000W·m-2·K-1，管壁的导热率λ=50W·m-1·K-1。若，使用一段时间后，管内壁沉积1mm的垢层，垢层的导热率λ=1W·m-1·K-1，求此时传热量为原来的分率。解：根据传热计算方程Q=KAt△m以管内壁为计算基准面则：21111111724.1Wm10.00152020120005022.51500025−−===⋅+×+++×iimooKKddddδαλα⋅使用一段时间后'21111111680.7Wm10.0015200.00120201()20004022.5122.51500025−−===+×+×++++×iiimmooKKddddddδδαλλα垢⋅⋅因为水蒸气的冷凝温度和溶液加热温度都不变化则At△m=At△m`Q=KAt△m=1704.5At△mQ`=K`At△m=677.7At△m``680.70.395