新版化工原理习习题答案(05)第五章 传热过程基础.doc

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0.02 m2，厚度为0.02 m，实验测得电流表读数为0.5 A，伏特表读数为100 V，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 式中 将上述数据代入，可得 2．某平壁燃烧炉由一层400 mm厚的耐火砖和一层200 mm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，绝缘砖的导热系数为，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 （5-32）或 （5-32a）式中 代入λ1、λ2得 解之得 则 3．外径为159 mm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50 mm，导热系数为 W /(m·℃)，B层保温材料的厚度为100 mm，导热系数为 W /(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： A、B两层互换位置后，热损失为 4．直径为mm的钢管用40 mm厚的软木包扎，其外又包扎100 mm厚的保温灰作为绝热层。

现测得钢管外壁面温度为℃，绝热层外表面温度为10 ℃软木和保温灰的导热系数分别为℃)和℃)，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 5．在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气换热管为Φ25 mm×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)冷却水在管程流动，其对流传热系数为2 600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)试求基于管外表面积的总传热系数，以及各分热阻占总热阻的百分数设污垢热阻可忽略 解：由查得钢的导热系数 mm mm 壳程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管程对流传热热阻占总热阻的百分数为 管壁热阻占总热阻的百分数为 6．在一传热面积为40 m2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30 000kg/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 kJ/(kg·℃)；（2）两种情况下，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 求清洗后传热系数由热量衡算 清洗前两侧的总传热热阻 7．在一传热面积为25 m2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28 000kg/h，其温度由25 ℃升至38 ℃，平均比热容为 kJ/(kg·℃)有机溶液的温度由110 ℃降至65 ℃，平均比热容为 kJ/(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： kJ/(kg·℃) 求 有机物 110 → 65 水 38 ← 25 ———————————————— 72 40 8．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10 000 kg/h，其初始温度为30 ℃，平均比热容为 kJ/（kg·℃）有机溶剂的流量为14 000 kg/h，温度由180 ℃降至120 ℃，平均比热容为 kJ/（kg·℃）设换热器的总传热系数为500 W/(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： 冷却水的出口温度为逆流时并流时 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1 600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1 ℃，气化热为394 kJ/kg冷却水的入口温度为20 ℃，流量为35 000 kg/h，水的平均比热容为 kJ/(kg·℃)总传热系数为450 W/(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 解出 ℃求 苯 → 水 20 ———————————————— 10．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 65 30 55 45 计算P及R 查图5-11（a）得 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6 000 kg/h，水的初温为22 ℃，流量为2 000 kg/h现有一传热面积为10 m2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300 W/(m2·℃)；油的平均比热容为 kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为 kJ/(kg·℃)热损失可忽略 解：本题采用法计算 （1）逆流时 查图得 能满足要求 （2）并流时 查图得 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5 m2，总传热系数为1 400 W/(m2·℃)；热水的初温为100 ℃，流量为5 000 kg/h；冷水的初温为20 ℃，流量为10 000 kg/h试计算热水和冷水的出口温度及传热量设水的平均比热容为 kJ/(kg·℃)，热损失可忽略不计 解： 查图得 传热量 解出 ℃ 解出 ℃ 13．水以1.5 m/s的流速在长为3 m、直径为的管内由20 ℃加热至40 ℃，试求水与管壁之间的对流传热系数 解：水的定性温度为 由附录六查得30时水的物性为 ρ＝995.7 kg/m3，μ=×10－5 Pa·s，λ=，Pr=则 （湍流） Re、Pr及值均在式5-59a的应用范围内，故可采用式5-76a近似计算 水被加热，取n=，于是得 14．温度为90 ℃的甲苯以1500 kg/h的流量流过直径为mm，弯曲半径为0.6 m的蛇管换热器而被冷却至30 ℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。

解：甲苯的定性温度为 由附录查得60时甲苯的物性为 ρ＝830 kg/m3，Cp＝1840 J/(kg·℃)，μ=×10－3 Pa·s，λ=，则 （湍流） 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数，即 式中 —弯管中的对流传热系数，； —直管中的对流传热系数，； di—管内径，m； R—管子的弯曲半径，m 15．压力为 kPa，温度为20 ℃的空气以60 m3/h的流量流过直径为，长度为3 m的套管换热器管内而被加热至80 ℃，试求管壁对空气的对流传热系数 解：空气的定性温度为 由附录五查得50 °C时空气的物性为 ρ＝1.093 kg/m3，Cp＝1005 J/(kg·℃)，μ=×10－5 Pa·s，λ=，Pr=则 （湍流） 16．常压空气在装有圆缺形挡板的列管换热器壳程流过。

已知管子尺寸为mm，正方形排列，中心距为51 mm，挡板距离为1.45 m，换热器外壳内径为 m，空气流量为，平均温度为140 ℃，试求空气的对流传热系数 解：由附录五查得°C时空气的物性为 ρ＝0.854 kg/m3，Cp＝1013 J/(kg·℃)，μ=×10－5 Pa·s，λ=，Pr= 采用凯恩（Kern）法，即 （5-63）或 （5-63a）传热当量直径可根据管子排列情况进行计算管子为正方形排列，则 式中 t—相邻两管的中心距，m； Do—管外径，m代入和do得 式5-63及式5-63a中的流速u可根据流体流过管间最大截面积A计算，即 式中 z—两挡板间的距离，m； D—换热器的外壳内径，。