化工原理劉志奎第四章課后習(xí)題.pdf

第四章 傳 熱 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 【4-1】有一加熱器，為了減少熱損失，在加熱器的平壁外表面，包一層熱導(dǎo)率為 0.16W/(m)、厚度為 300mm 的絕熱材料。已測得絕熱層外表面溫度為 30，另測得距加 熱器平壁外表面 250mm 處的溫度為 75，如習(xí)題 4-1 附圖所示。試求加熱器平壁外表面溫 度。 解解 23 75, 30tt= 計(jì)算加熱器平壁外表面溫度 1 t，./()Wm=0 16 2312 12 tttt bb = 1 757530 0 250 05 0 160 16 t = . . 1 45 0 2575300 0 05 t =+= 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由 30mm 厚的軟木做成的。軟木的熱導(dǎo)率 =0.043 W/(m)。若外表面溫度為 28，內(nèi)表面溫度為 3，試計(jì)算單位表面積的冷量損失。 解解 已知.(),. 12 3, 28, =0 043 0 03ttWmbm=， 則單位表面積的冷量損失為 ()() . ./ . qttWm b = 2 12 0 043 32835 8 0 03 【4-3】用平板法測定材料的熱導(dǎo)率，平板狀材料的一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷水 冷卻，同時(shí)在板的兩側(cè)均用熱電偶測量其表面溫度。若所測固體的表面積為 0.02m2，材料 的厚度為 0.02m。 現(xiàn)測得電流表的讀數(shù)為 2.8A， 伏特計(jì)的讀數(shù)為 140V， 兩側(cè)溫度分別為 280 和 100，試計(jì)算該材料的熱導(dǎo)率。 解解 根據(jù)已知做圖 熱傳導(dǎo)的熱量 . 2 8 140392QI VW= () 12 A Qtt b = . ().() 12 392 0 02 0 02 280 100 Qb A tt = ()./2 18Wm= 【4-4】燃燒爐的平壁由下列三層材料構(gòu)成：耐火磚層，熱導(dǎo)率 =1.05W/(m)，厚度 230bmm=；絕熱磚層，熱導(dǎo)率 =0.151W/(m)；普通磚層，熱導(dǎo)率 =0.93W/(m)。 耐火磚層內(nèi)側(cè)壁面溫度為 1000，絕熱磚的耐熱溫度為 940，普通磚的耐熱溫度為 130。 (1) 根據(jù)磚的耐熱溫度確定磚與磚接觸面的溫度，然后計(jì)算絕熱磚層厚度。若每塊絕熱 習(xí)題 4-1 附圖 習(xí)題 4-3 附圖 39 磚厚度為 230mm，試確定絕熱磚層的厚度。 (2) 若普通磚層厚度為 240mm，試計(jì)算普通磚層外表面溫度。 解解 (1)確定絕熱層的厚度 2 b 溫度分布如習(xí)題 4-4 附圖所示。 通過耐火磚層的熱傳 導(dǎo)計(jì)算熱流密度 q。 () 1 12 1 qtt b = . ()/ . Wm= 2 1 05 1000940274 0 23 絕熱磚層厚度 2 b的計(jì)算 () 2 23 2 qtt b = . ().bm= 2 0 151 940 1300 446 274 每塊絕熱磚的厚度為023m，取兩塊絕熱磚的厚度為. 2 0 23 2046bm= 。 (2) 計(jì)算普通磚層的外側(cè)壁溫 4 t 先核算絕熱磚層與普通磚層接觸面處的溫度 3 t . . . 2 32 2 274 0 46 940105 3 0 151 qb tt = 3 t小于 130，符合要求。 通過普通磚層的熱傳導(dǎo)，計(jì)算普通磚層的外側(cè)壁溫 4 t。 () 3 34 3 qtt b = . . 3 43 3 274 0 24 105 334 6 0 93 qb tt = 【4-5】有直徑為382mmmm的黃銅冷卻管，假如管內(nèi)生成厚度為 1mm 的水垢，水垢 的熱導(dǎo)率 =1.163W/(m)。試計(jì)算水垢的熱阻是黃銅管熱阻的多少倍黃銅的熱導(dǎo)率 =110W/(m)。 解解 因 38 2 32 雷諾數(shù) Re. . 4 3 0 015 1 998 2 1 49 10 1 004 10 du = 湍流 對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算，水被加熱，Pr 的指數(shù). 0 4n = . .RePr.( .)( .) . 0 80 440 80 4 0 599 0 0230 0231 49 107 02 0 015d = =4367 W/(m2) 【4-9】空氣以4m s的流速通過75 53 75mmmm的鋼管，管長5m?？諝馊肟跍囟葹?32，出口溫度為 68。(1)試計(jì)算空氣與管壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)。(2)如空氣流速增加一倍， 其他條件均不變，對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？(3)若空氣從管壁得到的熱量為578W，鋼管內(nèi)壁 的平均溫度為多少。 解解 已知/ ,., 12 4 0 068 5 32 68um sdmlmtt= (1)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 空氣的平均溫度 3268 50 2 m t + = 查得空氣在50時(shí)的物性數(shù)據(jù)./ 3 1 093kg m=， .,./(),./() p Pa sWmckJkg = 52 1 96 10 2 83 10 1 005 Pr0698= ，空氣被加熱，Pr 的指數(shù)04n = 雷諾數(shù) Re. . 4 5 0 068 4 1 093 1 52 10 1 96 10 du = 湍流 . . 5 73 560 0 068 l d = 對(duì)流傳熱系數(shù) . .RePr 0 80 4 0 023 d = . .( .)( .)./() . Wm = 2 40 80 42 2 83 10 0 0231 52 100 69818 4 0 068 (2)空氣流速增加一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)為 42 ./() u Wm u = 0 80 8 2 2 18 432 1 (3)若空氣從管壁得到的熱量為578W，計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度 用式 wm QA tt=（）計(jì)算鋼管內(nèi)壁的平均溫度 w t。 已知空氣進(jìn)出口平均溫度 50 m t= 在第(1)項(xiàng)中已計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù) ./() 2 18 4Wm= 鋼管內(nèi)表面積為 2 0 068 51 07Adlm= 鋼管內(nèi)壁平均溫度 . 578 5079 4 18 4 1 07 ww Q tt A =+=+= 【4-10】溫度為 10、壓力為 101.3kPa 的空氣，以/10m s的流速在列管式換熱器管間 沿管長方向流動(dòng)，空氣出口溫度為 30。列管式換熱器的外殼內(nèi)徑為 190mm，其中裝有 37 根的192mmmm鋼管，鋼管長度為 2m。試求鋼管外表面對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。 解解 已知空氣壓力.101 3kPa=，溫度, 12 10 30tt=， 空氣的平均溫度 1030 20 2 m t + = 查得空氣在 20的物性數(shù)據(jù)為：密度./ 3 1 128kg m=，比熱容./( 3 1 005 10) p cJkg=， 熱導(dǎo)率 2 2.76 10()Wm =，黏度. 5 1 91 10 Pa s =，普朗特?cái)?shù)Pr. 0 699=，空氣被加熱，Pr 的指數(shù). 0 4n = 空氣流動(dòng)的截面積 () 22 0 1937 0 019 4 濕潤周邊 ( .)0 1937 0019+ 當(dāng)量直徑 ( ) . ( ) 22 40 1937 0 019 4 0 0255 0 1937 0 019 e d = + . . 2 78 460 0 0255 e l d = 已知空氣的流速 /10um s= 雷諾數(shù) . Re. . 4 5 0. 0255 10 1 128 =1 51 10 1 91 10 e d u = 湍流 對(duì)流傳熱系數(shù) () . . . RePr.( . 2 0 4 0 80 440 8 2 76 10 =0.0230 0231 51 10 ）0 699 0 0255 e d = ./() 2 47 5 Wm= 【4-11】有一套管式換熱器，內(nèi)管為.382 5mmmm，外管為573mmmm的鋼管，內(nèi)管 的傳熱管長為 2m。質(zhì)量流量為/2530kg h的甲苯在環(huán)隙中流動(dòng)，進(jìn)口溫度為 72，出口溫度 為 38。試求甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)。 43 解解 甲苯的溫度 , 12 72 38TT=，平均溫度 12 7238 55 22 m TT T + = 甲苯在 55的物性數(shù)據(jù)有：密度/ 3 830kg m=，比熱容./() 3 1 83 10 p cJkg=，熱導(dǎo)率 =0.128W/(m)，黏度. 4 4 3 10Pa s = 甲苯的質(zhì)量流量 / 1 2530 m qkg h= 體積流量 /./ vm qqmh= 3 11 2530 8303 05 甲苯在環(huán)隙中的流速u計(jì)算 套管的內(nèi)管外徑 1 0038dm= ，外管內(nèi)徑. 2 0 051dm=， 流速 . ./ ( ) um s = 22 3 05 0 933 36000 0510 038 4 甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 套管環(huán)隙的當(dāng)量直徑 21 0051 00380013 e dddm= . 2 15460 0 013 l d = Re. . 4 4 0 013 0 933 830 2 34 10 4 3 10 e d u = 湍流 Pr. . 34 1 83 104 3 10 6 15 0 128 p c = 甲苯被冷卻 . 0 3n = RePr 0 80 3 0 023 de = ()() . . /(Wm = = 0 8 0 3 4 2 0 128 0 0232 34 106 15 0 013 1222 ) 【4-12】 甲苯在一蛇管冷卻器中由 70冷卻到 30，蛇管由.452 5mmmm的鋼管 3 根并聯(lián)而成，蛇管的圈徑為 0.6m。若甲苯的體積流量為/mh 3 3，試求甲苯對(duì)鋼管內(nèi)表面的 對(duì)流傳熱系數(shù)。 解解 甲苯的溫度,TT= 12 70 =30 平均溫度 7030 50 2 m T + = 甲苯在 50時(shí)的物性數(shù)據(jù)為：密度/ 3 836kg m=，黏度. 4 4 4 10Pa s =，熱導(dǎo)率 0.129()Wm=，比熱容./() 3 1 77 10 p cJkg= 甲苯在 3 根并聯(lián)蛇管中的流速u計(jì)算 體積流量 / v qmh= 3 3，蛇管內(nèi)徑. 0 04dm=， 44 流速 / ./ .( .)22 3 3600 0 221 0 7850 043 3 4 V q um s d = 雷諾數(shù) Re. . 4 4 004 0221 836 =1 68 10 4 4 10 du = 湍流 普朗特?cái)?shù) Pr. . 34 1 77 104 4 10 6 04 0 129 p c = 彎管效應(yīng)校正系數(shù) . . . 0 04 1 1 771 1 771 24 0 3 R d R = += += 對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 甲苯被冷卻 . 0 3n = RePr 0 80 3 0023 R d = () . . . .( .) . 0 3 40 8 0 129 0 0231 68 106 041 24379 0 04 = W/(m2) 【4-13】質(zhì)量流量為 1650kg/h 的硝酸，在管徑為.802 5mmmm、長為 3m 的水平管中 流過。管外為 300kPa（絕對(duì)壓力）的飽和水蒸氣冷凝，使硝酸得到. 4 3 8 10 W的熱量。試求 水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。 解解 在計(jì)算水蒸氣在水平管外冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，需要知道管外表面溫度 w t。 如何假設(shè) w t? 水蒸氣冷凝的值一般為()500015000 Wm 按題意，飽和水蒸氣冷凝傳給硝酸的熱量為. 4 3 8 10QW= 取()1000 Wm=，估算壁溫度 w t 300kPa（絕對(duì)壓力）時(shí)，水蒸氣的飽和溫度. s t =1333。 用式() sw QA tt=估算壁溫度 w t . . . 4 3 8 10 133 3128 100000 08 3 ws Q tt A = 先假設(shè)128 w t = 定性溫度為膜溫 . 133 3 128 131 22 sw tt t + = 冷凝水膜的物性參數(shù) / 3 934 kg m= .,./()Pa sWm = 41 2 16 10 6 86 10 .133 3 s t =時(shí)水的比汽化熱 / 3 2168 10 rJkg= 水蒸氣在水平管外冷凝的值計(jì)算 . 23 0 0 725 gr dt = 45 .( .) . (.) /()Wm = = 1 21 33 4 4 2 9349 816 86 102168 10 0 725 2 16 100 08133 3 128 11558 用式() sw QA tt=計(jì)算 Q 值 ()QW= =115580 08 3133 3 12846164 此 Q 值大于硝酸吸收的熱量，說明假設(shè)的 w t偏小。 重新用() 2 11558 Wm=估算 w t。 . . . 4 3 8 10 133 3=129 115580 08 3 ws Q tt A = 假設(shè)129 w t = 膜溫 .133 3 129 131 22 sw tt t + = 與前面計(jì)算的膜溫基本一樣，故冷凝水膜的物性數(shù)據(jù)也一樣，只是計(jì)算式中的 133 3 1294 3 sw ttt =不同。 值計(jì)算 .( .) . (.) 1 21 33 4 4 9349 816 86 102168 10 0 725 2 16 100 08133 3 129 = ()Wm=11216 用() 2 11216 Wm=驗(yàn)算壁溫 . . . ws Q tt A = 4 3 8 10 133 3129 112160 08 3 與前面假設(shè)的相同。 【4-14】水在大容器內(nèi)沸騰，如果絕對(duì)壓力保持在200pkPa=，加熱面溫度保持 130， 試計(jì)算加熱面上的熱流密度q。 解解 ,.,200 120 2 130 sw pkPatt= 130 120 29 8 ws ttt = 水沸騰的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算 () . . . 0 5 2 330 52 333 0 1230 123 9 8200 10tp= .() 42 1 12 10 Wm= 加熱面上的熱流密度q ./ 4522 1 12 109 81 1 10110 Q qtWmkWm A = = 46 兩流體間傳熱過程的計(jì)算兩流體間傳熱過程的計(jì)算 【4-15】載熱體的流量為/1500kg h，試計(jì)算下列各過程中載熱體放出或吸收的熱量。(1) 100的飽和水蒸氣冷凝成 100的水；(2)苯胺由 383K 降溫至 283K；(3)比熱容為 ./()3 77kJkg K的NaOH水溶液從 290K 加熱到 370K； (4)常壓下 20的空氣加熱到150； (5)絕對(duì)壓力為 250kPa 的飽和水蒸氣，冷凝冷卻成 40的水。 解解 / m qkg s= 1500 3600 (1) 水蒸氣冷凝 比汽化熱/2258rkJkg= 放熱量 m Qq rkW= 1500 2258941 3600 (2) 苯胺 平均溫度 383283 333 2 m TK + = 比熱容 ./()2 19 p ckJkg K= 放熱量 ()() 12 1500 =2 1938328391 3 3600 mp Qq cTTkW= (3) NaOH水溶液 比熱容()./3 77 p ckJkg K= 吸熱量 ()(). 12 1500 3 77370290126 3600 mp Qq cTTkW= (4) 空氣加熱平均溫度 20150 85 2 m t + = 比熱容 ()./1 009 p ckJkg= 吸熱量 ()() 21 1500 =1 0091502054 7 3600 mp Qq cttkW= (5) 飽和水蒸氣250pkPa=，飽和溫度. s t =127 2，比汽化熱/2185rkJkg=， 冷凝水從.127 2 s t =降至 2 40t =，平均溫度 . . 127 240 83 6 2 m t + = 比熱容 ()./4 196 p ckJkg= 放熱量 2 （） mps Qqrctt=+ () 1500 21854 196127 2401063 3600 kW=+= 【4-16】用冷卻水使流量為/kg h2000的硝基苯從 355K 冷卻到 300K，冷卻水由 15升 到 35，試求冷卻水用量。若將冷卻水的流量增加到./ 3 3 5mh，試求冷卻水的出口溫度。 解解 硝 基 苯 流 量/ 1 2000 m qkg h=， 平 均 溫 度 ., 12 355300 = 327 5 22 m TT TK + =比 熱 容 ()./ p ckJkg K= 1 1 58 47 硝基苯的放熱量 () 1112mp Qq cTT= ()kW= 2000 1 5835530048 3 3600 (1) 冷卻水用量計(jì)算 平均溫度 1 2 1535 =25 22 m tt t + = 比熱容()./ 2 4 179 p ckJkg=，密度/ 3 997kg m= . / ().() m p Q qkg h ctt = 2 221 48 3 3600 2080 4 179 35 15 ./ m v q qmh = 32 2 2 09 (2) 用水量./ v qmh= 3 2 3 5時(shí)，求 2 t =？ 用水量增大，水出口溫度 2 t應(yīng)降低。先假設(shè)水的比熱容及密度不變。從上面的計(jì)算式可 知() 221v qtt與成反比，故 . ,. . 2 2 152 09 26 9 3 535 15 t t = 假設(shè). 2 26 9t = 水的平均溫度 . 21 26 915 21 22 m tt t + = 查得水的比熱容()./4 182 p ckJkg=，密度/ 3 998kg m= 計(jì)算 2 t 21 2222pmpv QQ tt c qc q = . . 2 48 3 3600 1526 9 4 182 3 5 998 t =+= 與假設(shè)相符。 【4-17】在一換熱器中，用水使苯從 80冷卻到 50，水從 15升到 35。試分別計(jì) 算并流操作及逆流操作時(shí)的平均溫度差。 解解 (1)并流操作 苯 12 8050TT= 水 12 1535tt= 12 6515tt= (2) 逆流操作 苯 12 8050TT= / 12 45 352tt= 21 3515tt= 水 12 4535tt= 【4-18】 在 1殼程 2管程列管式換熱器中用水冷卻油， 冷卻水走管內(nèi)， 進(jìn)口溫度為20， . lnln 12 并 1 2 65 15 34 1 65 15 tt t t t = 12 逆 4535 40 22 tt t + = 48 出口溫度為 50。油進(jìn)口溫度為 120，出口溫度為 60。試計(jì)算兩種流體的傳熱平均溫 度差。 解解 屬于折流 / 1212 1205070,602040,70 402tttt= 12 7040 55 22 tt t + = 逆 12 21 1206060 2 502030 TT R tt = . 21 11 502030 0 3 12020100 tt P Tt = 查得溫差校正系數(shù) . 0 91= . 逆 0 91 5550 mm tt= = 【4-19】 用絕對(duì)壓力為 300kPa 的飽和水蒸氣將體積流量為 3 80mh的苯胺從 80加熱到 100。苯胺在平均溫度下的密度為/ 3 955kg m，比熱容為./()2 31 kJkg。試計(jì)算：(1)水蒸 氣用量(/ )kg h；(2)當(dāng)總傳熱系數(shù)為() 2 800Wm 時(shí)所需傳熱面積。 解解 (1)水的比汽化熱/2168rkJkg=，苯胺體積流量/ 3 2 80 v qmh=， 苯胺吸收的熱量為 ()(). 3 221 80 955 2 31 1010080 vp Qqctt= ././ . 96 5 3 53 103 53 10 9 8 10 JhkJh W = = 水蒸氣用量 . / m Q qkg h r = 6 1 3 53 10 1628 2168 (2) 計(jì)算傳熱面積 A 已知/()KWm= 2 800，水蒸氣的,.300 133 3pkPat=。 水蒸氣 133.3 133.3 苯胺 12 80100 53 333 3tt = . 12 53 333 3 43 3 22 m tt t + = . . . m Q Am Kt = 5 2 9 8 10 28 3 800 43 3 【4-20】有一套管式換熱器，內(nèi)管為18010mmmm的鋼管，內(nèi)管中有質(zhì)量流量為 /3000kg h的熱水，從 90冷卻到 60。環(huán)隙中冷卻水從 20升到 50?？倐鳠嵯禂?shù) /() 2 2000KWm=。試求：(1)冷卻水用量；(2)并流流動(dòng)時(shí)的平均溫度差及所需傳熱面積； (3)逆流流動(dòng)時(shí)的平均溫度差及所需傳熱面積。 解解 (1)冷卻水用量 2m q計(jì)算 49 熱水平均溫度 ,./() mp TT TckJkg + = 12 1 9060 75 4 191 22 冷水平均溫度 ,./() mp tt tckJkg + = 12 2 2050 35 4 174 22 熱量衡算 ()(). 338 2 4 174 1050203000 4 191 1090603 77 10 m qJh= / m qkg h= 2 3012 (2) 并流 熱水 12 9060TT= 冷水 21 12 2050 7010 tt tt = = . ln 70 10 30 8 70 10 m t = 傳熱面積 ./ . . m Q Am K t = 8 2 3 77 103600 1 7 2000 30 8 (3) 逆流 熱水 12 9060TT= 21 12 5020 4040 tt tt = = 冷水 40 m t= 傳熱面積 ./ 8 3 77 103600 2000 40 m Q A K t = .m= 2 1 31 【4-21】 有 1 殼程 2 管程列管式換熱器，用 293K 的冷水 30t/h 使流量為 20t/h 的乙二 醇從 353K 冷卻到 313K，設(shè)總傳熱系數(shù)為/() 2 1200WmK，試計(jì)算所需傳熱面積。 解解 乙二醇的平均溫度 353313 333 2 m TK + =， 比熱容()./ 3 1 2 6 10 p cJkg K= 乙二醇放出熱量 1112 （） mp Qq cTT= () 3 35 20 10 2 6 103533135 78 10 3600 W = 從水的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)表上可知，水在3050范圍內(nèi)，比熱容/()4174 p cJkg K=。假設(shè) /() 2 4174 p cJkg K=，計(jì)算冷水出口溫度 2 t。 () 2221mp Qq ctt= 習(xí)題 4-21 附圖 50 . . 5 21 3 22 5 78 103600 293309 6 30 104174 mp Q tt q c =+=+= K 冷水的平均溫度 . . 12 293309 6 =301 3 22 m tt tK + = .28 3= m t接近 30，所假設(shè)的 2p c可以。 逆流平均溫度差 m t 逆計(jì)算 112 353309 643 4tTt= 221 31329320tTt= . . . ln 逆 43 420 =30 2 43 4 20 m t = 折流的平均溫度差 m t計(jì)算 . 12 21 35331340 2 41 309 629316 6 TT R tt = . 21 11 309 629316 6 0 277 35329360 tt P Tt = .,.0 830 83 30 225 1 mm tt= 逆 傳熱面積 . . . m Q Am Kt = 5 2 5 78 10 19 2 1200 25 1 【4-22】 有一外徑為 l00mm 的水蒸氣管，水蒸氣溫度為 160。為了減少熱量損失， 在管外包覆厚度各為 25mm 的 A、B 兩層絕熱材料保溫層，A 與 B 的熱導(dǎo)率分別為. 0 15與 .()0 05 Wm K。試計(jì)算哪一種材料放在內(nèi)層好。周圍空氣溫 度為 20，保溫層外表面對(duì)周圍空氣的對(duì)流（包括熱輻射） 傳熱系數(shù)/() 2 15Wm=。 保溫層內(nèi)表面溫度在兩種情況下 都等于水蒸氣溫度。 解解 (1) A 在內(nèi)層，B 在外層。以保溫層外表面積為基準(zhǔn)的 總傳熱系數(shù)為 1323 1122 1 1 mm K b db d dd = + () ./Wm = + = 2 1 0 025 0 20 025 0 21 0 15 0 1250 05 0 17515 1 1 習(xí)題 4-22 附圖 51 熱量損失 ()() 12312 QKA ttKd L tt= 單位長度的熱損失為 () 312 Q qK dtt L = () ./Wm=1 10 21602096 7 (2) B 在內(nèi)層，A 在外層，總傳熱系數(shù)為 1323 1122 11 0 025 0 20 025 0 211 0 05 0 1250 15 0 17515 mm K b db d dd = + ./()Wm= 2 0 946 ()()/ Q qK d ttWm L = 312 =0 9460 21602083 2 計(jì)算結(jié)果表明，熱導(dǎo)率小的絕熱材料放在內(nèi)層，熱損失小。 【4-23】測定套管式換熱器的總傳熱系數(shù)。數(shù)據(jù)如下：甲苯在內(nèi)管中流動(dòng)，質(zhì)量流量為 5000kg/h，進(jìn)口溫度為 80，出口溫度為 50。水在環(huán)隙流動(dòng)，進(jìn)口溫度為 15，出口溫 度為 30。水與甲苯逆流流動(dòng)，傳熱面積為. 2 2 5m。問所測得的總傳熱系數(shù)為多大？ 解解 甲苯/ , 112 5000 80，50 m qkg hTT=， 8050 65 2 m T + =, ./() 3 1 1 86 10 p cJkg K= 熱負(fù)荷 () 33 5000 1 86 108050 = 77 5 10 W 3600 Q = 12 8050TT= 21 12 3015 5035 tt tt = = . 5035 42 5 2 m t + = . 2 2 5Am= () . / m Q KWmK A t = 3 2 77 5 10 729 2 5 42 5 【4-24】在一套管換熱器中，內(nèi)管中流體的對(duì)流傳熱系數(shù)() 2 1 200 WmK=，內(nèi)管外側(cè) 流體的對(duì)流傳熱系數(shù)() 2 2 350 WmK=。已知兩種流體均在湍流條件下進(jìn)行換熱。試回答下 列兩個(gè)問題：(1)假設(shè)內(nèi)管中流體流速增加一倍；(2)假設(shè)內(nèi)管外側(cè)流體流速增加兩倍。其他 條件不變，試問總傳熱系數(shù)增加多少？以百分?jǐn)?shù)表示。管壁熱阻及污垢熱阻可不計(jì)。 解解 已知(),() 22 12 200 350 WmKWmK= (1) 內(nèi)管中流體流速增加一倍，1 1 2uu= ( )() . . / u WmK u = 0 8 0 8 21 11 1 200 2348 52 /() 212 12 200 350 =127 200350 KWmK = + () / KWmK = + 212 12 348 350 174 348350 . 174127 0 37 127 KK K = 增加 37% (2) ( ) () . . , u uuWmK u = 0 8 0 8 22 2222 2 3 3503843 /() KWmK = + 212 12 200 843 162 200843 . 162 127 0 276 127 KK K = 增加 27. 6% 增大小者，對(duì)增大 K 有利。 【4-25】 有一套管式換熱器，內(nèi)管為573mmmm，外管為1144mmmm。內(nèi)管中有 流量為/4000kg h的苯被加熱，進(jìn)口溫度為 50，出口溫度為 80。套管的環(huán)隙中有絕對(duì)壓 力為 200kPa 的飽和水蒸氣冷凝放熱，冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)為/()WmK 42 10。已知內(nèi)管的內(nèi) 表面污垢熱阻為./ 2 0 0004mK W，管壁熱阻及管外側(cè)污垢熱阻均不計(jì)。試計(jì)算：(1)加熱水蒸 氣用量；(2)管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；(3)完成上述處理量所需套管的有效長度；(4)由于某 種原因，加熱水蒸氣的絕對(duì)壓力降至 140kPa。這時(shí)，苯出口溫度有何變化？應(yīng)為多少度（設(shè) 苯的對(duì)流傳熱系數(shù)值不變，平均溫度差可用算術(shù)平均值計(jì)算） 。 解解 苯, 12 50 80 tt=平均溫度,/() 2 5080 65 1840 2 mp tcJkg K + =，/ 2 4000 m qkg h= 熱負(fù)荷 () 2221 4000 1840 （8050） 61330 3600 mp Qq cttW= (1) 水蒸氣用量 1m q ,./200120 2,2205 pkPa TrkJkg= ./ 1 3 61330 0 0278100 2205 10 m Q qkg skg h r = (2) 苯的對(duì)流傳熱系數(shù) ()/,.,. 3 832 0 38 0 13 kg mmPa sWmK= () ./ . um s = 2 4000 0 654 3600 8320 051 4 Re. . 4 3 0 051 0 654 832 7 3 10 0 38 10 du = 湍流 Pr. . 3 1840 0 38 10 5 38 0 13 p c = 苯被加熱 . 0 4n = 53 RePr 0 80 4 0 023 d = () () . . . .( .)./ . WmK= 0 4 40 82 0 13 0 0237 3 105 38893 0 051 (3)管長 l ()() /,./ 4222 211 10 893 0 0004WmKWmKRmK W= 以管內(nèi)表面積 A1為基準(zhǔn) /() . . . 2 1 1 14 122 11 621 11 0 05111 0 0004 8930 05710 d KWmK d R d = + 1122 120 25070 2, 120 28040 2tTttTt= . 70 240 2 55 2 2 m t + = . . 2 61330 1 8 621 55 2 m Q Am Kt = . . . A lm d = 1 8 11 2 0 051 (4) 水蒸氣絕對(duì)壓力140pkPa=時(shí)，苯的出口溫度 2 t。 140pkPa=時(shí)，.109 2T = () () () . 2 2 109 250109 24000 184050 = 621 1 8 36002 t t + .75 2t = 【4-26】在一套管換熱器中，用絕對(duì)壓力為 200kPa 的飽和水蒸氣使流量為/5000kg h的 氯化苯從 30加熱到 70，氯化苯在內(nèi)管中流動(dòng)。因某種原因，氯化苯的流量減小到 /2500kg h，但進(jìn)、出口溫度欲保持不變。為此，想把水蒸氣壓力降低一些，試問水蒸氣的 絕對(duì)壓力應(yīng)降到多少（兩種情況下，管內(nèi)氯化苯均為湍流流動(dòng)，并且其對(duì)流傳熱系數(shù)比水 蒸氣冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)小很多。因此，水蒸氣冷凝的熱阻及管壁熱阻均可忽略不計(jì)）？ 解解 水蒸氣絕對(duì)壓力,.200 120 2pkPaT= , 12 120 23090 2120 27050 2tt= . 90 250 2 70 2 2 m t + = 氯化苯的流量 / m qkg h= 5000 熱負(fù)荷 m Qq與成正比，5000Q 氯化苯的對(duì)流傳熱系數(shù) m q與的關(guān)系為() . 0 8 5000 氯化苯的流量減小到/2500 m qkg h=， () . , 0 8 2500 2500Q 總傳熱系數(shù) ,KK 54 mm mm KA tA tQ QK A tA t = () . . . . () 0 8 0 8 500070 25000 = 61 1 25002500 m m t t = () () . 3070 =61 1 2 m TT t + = 水蒸氣溫度 111T = 壓力 .143 3pkPa= 【4-27】欲將體積流量為 3 3000mh（標(biāo)準(zhǔn)狀況101 325，273 15pkPaTK =）的常壓空 氣，用絕對(duì)壓力為 200kPa 的飽和水蒸氣加熱，空氣從 10加熱到 90。現(xiàn)有一列管式換 熱器，其規(guī)格如下：鋼管直徑.252 5mmmm，管長 1.6m，管數(shù) 271 根。如用此換熱器，使 空氣在管內(nèi)流動(dòng)，水蒸氣在管外冷凝，試驗(yàn)算此換熱器面積是否夠用？水蒸氣冷凝時(shí)的對(duì) 流傳熱系數(shù)可取為/()WmK 2 10000。 解解 空氣的平均溫度 12 1090 50 22 m tt t + = 空氣的物性參數(shù) ./. 36 1 093，19 6 10kg mPa s = ()()./,. 23 2 83 10 1 005 10 p Wm KcJkg K =， Pr. 0 698= 空氣流量 / . 3000 293884 22 4 m qkg h= /. 3 3884 1 0933554 Vm qqmh= 熱負(fù)荷 ()(). 3 21 3884 1 005 1090 10 3600 mp Qq ctt=一.W= 4 8 67 10 水蒸氣 .200120 2pkPaT=， 平均溫度差 11 120 2 10110 2tTt= 22 120 29030 2tTt= . lnln . m tt t t t = 12 1 2 110 230 2 62 110 2 30 2 空氣流速 ./ ( .) 22 3554 11 6 360036000 02271 44 v q um s d n = Re. . 4 6 002 11 6 1 093 1 29 10 19 6 10 du = 湍流 () . . RePr( .). . 2 0 4 0 840 8 2 83 10 =0.023=0.0231 29 100 698 0 02 n d ./()WmK= 2 54 8 ./() 2 54 8KWmK= 55 . . . m Q Am K t = 4 2 8 67 10 25 5 54 8 62 已有換熱器的傳熱面積為 . 2 0 02 1 6 27127 2Adlnm= 夠用 【4-28】有一鋼制套管式換熱器，質(zhì)量流量為2000/kg h的苯在內(nèi)管中，從 80冷卻到 50。冷卻水在環(huán)隙中從 15升到 35。已知苯對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)為() 2 600WmK， 管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)為/()WmK 2 1000。計(jì)算總傳熱系數(shù)時(shí)，忽略管壁熱阻，按平壁計(jì) 算。試回答下列問題：(1)計(jì)算冷卻水消耗量；(2)計(jì)算并流流動(dòng)時(shí)所需傳熱面積；(3)如改變 為逆流流動(dòng)，其他條件相同，所需傳熱面積將有何變化？ 解解 總傳熱系數(shù) K 的計(jì)算 已知 ()() 22 12 600 , 1000/ WmKWmK= /()KWmK = + 212 12 600 1000 375 6001000 苯 , m TTT + = 12 8050 80 =50, 65 2 ()./,/ 3 11 1 86 10 2000 pm cJkg Kqkg h= 熱負(fù)荷 () 1112mp Qq cTT= ()W= 34 2000 1 86 1080503 1 10 3600 (1) 冷卻水消耗量 2m q 12 1535 153525 2 m ttt + =， ()./ 3 2 4 179 10 p cJkgK= . ().() 4 2 3 221 3 1 103600 1335 4 179 1035 15 m p Q qkg h ctt = (2) 并流的傳熱面積 A , 111222 80 1565 503515tTttTt= . lnln 12 1 2 65 15 34 1 65 15 m tt t t t = . . . m Q Am K t = 4 2 3 1 10 2 42 375 34 1 (3) 逆流時(shí)的傳熱面積 A , 1122 803545 50 1535tTtt= 56 4535 40 2 m t + = . . m Q Am K t = 4 2 3 1 10 2 07 375 40 逆流與并流比較，由于逆流的溫度差較大，所以傳熱面積小了一些。 【4-29】 在一傳熱面積為 20m2的列管式換熱器中，殼程用 110的飽和水蒸汽冷凝以加熱 管程中的某溶液。溶液的處理量為 2.5104kg/h，比熱容為 4kJ/(kgK)。換熱器初始使用時(shí)可將溶液 由 20加熱至 80。 （1）該換熱器使用一段時(shí)間后，由于溶液結(jié)垢，其出口溫度只能達(dá)到 75， 試求污垢熱阻值； （2）若要使溶液出口溫度仍維持在 80，在不變動(dòng)設(shè)備的條件下可采取何種措 施？做定量計(jì)算。 解：原工況條件下的對(duì)數(shù)平均溫差： 21 1 2 8020 54.6 11020 lnln 11080 m tt t Tt Tt = 此操作條件下的總傳熱系數(shù)： ()() 21 25000 40008020 /3600 1526 20 54.6 m2p2 mm q cttQ K AtAt = W/ (m2K) （1）使用一年后，溶液出口溫度下降至75，此時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差為 2 .58 75110 20110 ln 2075 ln 2 1 12 m = = = tT tT tt t 總傳熱系數(shù) ()() 21 25000 40007520 /3600 1313 20 58.2 m2p2 mm q cttQ K AtAt = W/(m2K) 污垢熱阻 4 1111 1.063 10 13131526 d R KK = m2K/W （2）在不變動(dòng)設(shè)備的條件下，可通過提高加熱蒸汽的溫度使溶液出口溫度仍然維持在80。 此時(shí)傳熱溫差為 ()() 21 25000 40008020 /3600 “63.5 20 1313 m2p2 m q cttQ t K AK A = 即 21 1 2 8020 “63.5 20 lnln 80 m tt t TtT TTt = 由此解得 “118.2T = 【4-30】有一單管程的列管式換熱器，其規(guī)格如下：管徑為.252 5mmmm，管長為 3m， 管數(shù)為 37 根。 今擬采用此換熱器冷凝并冷卻 2 CS的飽和蒸氣， 自飽和溫度 46冷卻到 10。 2 CS在管外冷凝， 其流量為/300kg h， 比汽化熱為/350kJkg。 冷卻水在管內(nèi)， 進(jìn)口溫度為 5， 出口溫度為 32。 逆流流動(dòng)。 已知 2 CS的冷凝和冷卻時(shí)的總傳熱系數(shù)分別為() 2 1 291KWmK= 和/() 2 2 174KWmK=（以內(nèi)表面積為基準(zhǔn)） 。試問此換熱器是否合適？ 57 解解 2 CS質(zhì)量流量/ m qkg h= 1 300， 冷凝段 1 46T =， 2 CS的比汽化熱/ 3 350 10rJkg= 冷凝段熱負(fù)荷 3 11 300 350