05傳熱過程基礎(chǔ)精品文檔11

1、第五章傳熱過程基礎(chǔ)1 .用平板法測(cè)定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時(shí)在板兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其表面溫度， 若所測(cè)固體的表面 積為0.02 m2，厚度為0.02 m，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流表讀數(shù)為 0.5 A，伏特表讀數(shù) 為100 V，兩側(cè)表面溫度分別為 200 C和50 C，試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱(導(dǎo)熱)速率相等，即式中 Q IV 0.5 100W 50W將上述數(shù)據(jù)代入，可得2 .某平壁燃燒爐由一層 400 mm厚的耐火磚和一層 200 mm厚的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測(cè)得爐的內(nèi)表面溫度為1500 C,外表面溫度為100 C，試求

2、導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為! 0.8 0.0006t，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為2 0.3 0.0003t， W/(m C)。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即Q Q2 Q(5-32)或Q2b1b2(5-32a)式中1500 t10.8 0.0006t0.8 0.00061.25 0.0003t2代入入1、入2得解之得則Q S i -t- 1.543 150977 W m2 2017W m23 .外徑為159 mm的鋼管，其外依次包扎 A B兩層保溫材料，A層保溫 材料的厚度為

3、50 mm導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(mC) , B層保溫材料的厚度為 100 mm導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W /(m C )，設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分 別為170 C和40 C,試求每米管長的熱損失；若將兩層材料互換并假設(shè)溫 度不變，每米管長的熱損失又為多少？解：A B兩層互換位置后，熱損失為4 .直徑為57mm 3.5 mm的鋼管用40 mm厚的軟木包扎，其外又包扎 100mn厚的保溫灰作為絕熱層。 現(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為120C，絕熱層外表面溫度為10 C。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043 W/(m C)和0.07 W/(m C )，試求每米管長的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

4、問題，則5.在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為25 mm< 2.5 mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m-C)。冷卻水在管程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù) 為2 600 W/(m2 C)，熱空氣在殼程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為52 W/而C )。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K，以及各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由K 10 丄b dodo0dmidi查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45W. m2 Cb2.5mmdo25 mmd2522.5 mm 20mm殼程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為 管程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為 管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為6 在一傳熱面積為40 m2的平板式換

5、熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動(dòng)。冷卻水的流量為30 OOOkg/h，其溫度由22 C升高到36 C。溶液溫度由115 C降至55 C。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流 量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至40 C,試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：(1)兩種情況下，冷、熱流體的物性可視為不變，水的平均比熱容為 4.174 kJ/(kgC) ；( 2)兩種情況下，i、 o分別相同；(3)忽略壁面熱阻和熱損失。解：求清洗前總傳熱系數(shù)K求清洗后傳熱系數(shù)K由熱量衡算清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻7 在一傳熱面積為25 m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶 液。冷卻水的

6、流量為28 OOOkg/h，其溫度由25 C升至38 C，平均比熱容為 4.17 kJ/(kg C)。有機(jī)溶液的溫度由11O C降至65 C，平均比熱容為1.72 kJ/(kg C)。兩流體在換熱器中呈逆流流動(dòng)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計(jì)算該有機(jī)溶液的處理量。解：Cp,c 4.17 kJ/(kg C)求tm有機(jī)物11O T 65水38 J 25t 72 4O8.在一單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶劑。冷卻水的流量為1O OOO kg/h，其初始溫度為3O C，平均比熱容為 4.174 kJ/ (kgC)。 有機(jī)溶劑的流量為14 OOO kg/h ，溫度由18O

7、 C降至12O C，平均比熱容為 1.72 kJ/ (kg C)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為5OO W/(m2 C)，試分別計(jì)算逆流和并流時(shí)換熱器所需的傳熱面積，設(shè)換熱器的熱損失和污垢熱阻可以 忽略。解:Q WCphT2 14OOO 1.72 18O 12O kJ h 1.4448 1O6 kJ h 4O1.3kW冷卻水的出口溫度為逆流時(shí)并流時(shí)9 .在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和 液體。已知苯蒸汽的體積流量為1 600 m3/h，常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1 C，氣化熱為394 kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20 C，流量為 35 000 kg/h，水 的平均比熱容為4.1

8、7 kJ/(kgC)?？倐鳠嵯禂?shù)為 450 W/(m2 C)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計(jì)算所需的傳熱面積。解：苯蒸氣的密度為解出 t231.6 C求tm苯 80.1 f 80.1水 31.6- 20 t 48.560.110. 在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度為30 C,出口溫度為65 C。油在管程流動(dòng)，進(jìn)口溫度為120 C。出口溫度為75 C,試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時(shí)平均溫度差油 120 f 75水 65 30t5545-計(jì)算P及 R查圖5-11 ( a)得11. 某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從 105 C冷卻至70 C。已知油的流 量為6 000 k

9、g/h，水的初溫為22 C,流量為2 000 kg/h?，F(xiàn)有一傳熱面積 為10 m2的套管式換熱器，問在下列兩種流動(dòng)型式下，換熱器能否滿足要求：(1) 兩流體呈逆流流動(dòng)；(2) 兩流體呈并流流動(dòng)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為 300 W/(m2C);油的平 均比熱容為1.9 kJ/(kg C)，水的平均比熱容為 4.17 kJ/(kg C)。熱損 失可忽略。解：本題采用NTU法計(jì)算(1) 逆流時(shí)查圖得 0.6225T2 T,105 1.196 10 C 67.2 C 70 C能滿足要求Whcph3166.7(2) 并流時(shí)查圖得 0.5265T2 105 1.011 10 C 73.

10、1 C 70 C不能滿足要求3166.712. 在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻。已知換熱器的傳熱面積為5 m，總傳熱系數(shù)為1 400 W/(m2 C)；熱水的初溫為100 C， 流量為5 000 kg/h ;冷水的初溫為20 C，流量為10 000 kg/h。試計(jì)算熱水 和冷水的出口溫度及傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為 4.18 kJ/(kg C)，熱損 失可忽略不計(jì)。解：Whcph 5000 4.18 103 W C 5806W C p 3600查圖得 0.575傳熱量Q Cmin(T tj解出T2 54 C解出t2 43 C13 .水以1.5 m/s 的流速在長為 3 m、直

11、徑為 25mm 2.5mm的管內(nèi)由20 C加熱至40 C,試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的定性溫度為由附錄六查得30 °C時(shí)水的物性為3 5p= 995.7 kg/m , 口 =80.07 X 10 Pa - s,入=0.6176 W/(m C),Pr=5.42則Re°.°2 1.5 9957 3.73 104 (湍流)80.07 105Re Pr及丄值均在式5-59a的應(yīng)用范圍內(nèi)，故可采用式 5-76a近似計(jì)算。di水被加熱，取n=0.4，于是得14 .溫度為90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流過直徑為57mm 3.5 mm彎曲半徑為0.6 m的蛇

12、管換熱器而被冷卻至30 C,試求甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為 由附錄查得60 C時(shí)甲苯的物性為3一 3P= 830 kg/m ,1840 J/(kg C) , 口 =0.4 X 10一 Pa - s,入=0.1205 W/(m C) , Pr c1840 0.4 100.12056.11Ub1500n23600 8300.05240.256 m sRediUb0.05 0.256 8300.4 1026539 (湍流)流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度, 使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時(shí)可用下式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，即式中一彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W (m

13、2 C)；直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W (m2 C);di管內(nèi)徑，mR管子的彎曲半徑，m15 .壓力為101.3 kPa，溫度為20 C的空氣以60 m3/h的流量流過直 徑為57mm 3.5mm，長度為3 m的套管換熱器管內(nèi)而被加熱至 80 °C,試求管 壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為由附錄五杳得50C時(shí)空氣的物性為3 5p= 1.093 kg/m ，1005 J/(kg C)， 口=1.96 x 10 Pa - s，入=0.0283 W/(m C)，Pr=0.698則UbWndi2460m s 8.50 m s3.142 f36000.0524Re叭0.05 8.5 1

14、.093523679.5 (湍流)1.96 10 516 .常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過。已知管子尺寸為38mm 3 mm正方形排列，中心距為 51 mm,擋板距離為1.45 m，換 熱器外殼內(nèi)徑為2.8 m，空氣流量為4 104m3/h，平均溫度為140 C，試求空 氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：由附錄五查得140 C時(shí)空氣的物性為p= 0.854 kg/m 3，1013 J/(kg -C)， 口=2.37 x 10 5 Pa - s， 入=0.0349 W/(m C)，Pr=0.694米用凱恩(Kern )法，即Nu 0.36Re0.55 Pr13 w(5-63)deU 0 55

15、130 14或0.36(二)Pr (一)dew(5-63 a)傳熱當(dāng)量直徑de可根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計(jì)算。管子為正方形排列，則式中 t 相鄰兩管的中心距，m;D。一管外徑，m代入t 和 do得式5-63及式5-63a中的流速u可根據(jù)流體流過管間最大截面積A計(jì)算，即式中 z兩擋板間的距離，mD換熱器的外殼內(nèi)徑，m代入z、D t和do得上述式中的w對(duì)氣體可取為1.0。17 .將長和寬均為0.4 m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為98 C,試計(jì)算平板與蒸汽之間的傳熱速率及蒸汽冷凝速率。解：水的定性溫度為由附錄六查得99 C時(shí)水的物性為3 5P = 958.5 kg/m ，4220 J/(

16、kg C)， 口 =28.41 x 10 Pa - s，入=0.683 W/(m °C)，Pr=1.762由附錄八查得100C時(shí)飽和蒸氣的物性為r 2258kJ/kg， v 0.597 kg/m對(duì)于此類問題，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜為層流, 由式5-135得核算冷凝液流型，由對(duì)流傳熱速率方程計(jì)算傳熱速率，即冷凝液的質(zhì)量流率為單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為2則Ref 4 5.2 10693.3 18000.3 10 3故假定冷凝液膜為層流是正確的。18.常壓水蒸氣在一25mm 2.5mm長為3 m,水平放置的鋼管外冷凝。鋼管外壁的溫度為96 C，試計(jì)算水蒸氣冷凝

17、時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。若此鋼管 改為垂直放置，其對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？由此說明工業(yè)上的冷凝器應(yīng)如何 放置？解：由附錄查得，常壓水蒸氣的溫度為100 °C。定性溫度 tf tW Is 100 96 C 98 C2 2由附錄查得在98 C下，水的物性為：960.78kg. m3;0.6822W m2 C ; r 2261.08kJ kg; 29.03 10 5Pa s水平放置垂直放置通過上述計(jì)算可知，工業(yè)上的冷凝器應(yīng)水平放置。19 .兩平行的大平板，在空氣中相距10 mm 一平板的黑度為 0.1，溫度為400 K ;另一平板的黑度為0.05，溫度為300 K。若將第一板加涂層， 使其黑度為0

18、.025，試計(jì)算由此引起的傳熱通量改變的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)兩板間對(duì)流傳熱可以忽略。解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板，則CCoC1 2丄丄11 25.67102。O.WFK4 ；于是第一板加涂層后第 11 頁空氣導(dǎo)熱的熱通量tmg婦27 127 c 77 c，查得77 c時(shí)，空氣的導(dǎo)2 2熱系數(shù) 0.03W m加涂層前后傳熱通量減少的百分率為20. 用壓力為300 kPa （絕對(duì)壓力）的飽和水蒸氣將 20 C的水預(yù)熱至80 C, 水在25mm 2.5 mn水平放置的鋼管內(nèi)以0.6 m/s的速度流過。設(shè)水蒸氣冷凝 的對(duì)流傳熱系數(shù)為5 000 W/（m2C），水側(cè)的污垢熱阻為 6X 10-4 mC/W, 蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計(jì)，試求（1）換熱器的總傳熱系數(shù)；（2）設(shè)操作半年