化工原理傳熱計(jì)算題專題訓(xùn)練

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 第二部分 計(jì)算題示例與分析3-77 某流體通過內(nèi)徑為100mm圓管時(shí)的流傳熱系數(shù)為120W/(),流體流動(dòng)的雷諾數(shù),此時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為。 今擬改用周長(zhǎng)與圓管相同、高與寬之比為1：3的矩形扁管，而保持流速不變，試問對(duì)流傳熱系數(shù)有何變化？ 解：由對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式： （）Pr當(dāng)物性不變時(shí) ， 求扁管的當(dāng)量直徑d：設(shè)a、b，分別為矩形截面的寬與長(zhǎng)由題意 2(a+b)=解之 a= b=d= = 設(shè)分別為圓管與扁管的對(duì)流傳熱系數(shù)，則 =1.11 =1.11100=111W/() 對(duì)流傳熱系數(shù)由原來的（）增至現(xiàn)在的（m）分析：由以上的計(jì)算可以看出，由于矩形扁管的當(dāng)量

2、直徑小于同周長(zhǎng)圓的直徑，其對(duì)流傳熱系數(shù)大于后者。因此用非圓形管道制成的換熱器（如最近開發(fā)的螺旋扁管換熱器），一般都具有高效的特點(diǎn)。 某固體壁厚b=500mm,其導(dǎo)熱系數(shù))。已知壁的一側(cè)流體溫度230C,其對(duì)流傳熱系數(shù)a=50W/(m.);另一側(cè)流體溫度t=30,對(duì)流傳熱系數(shù)m2).若忽略污垢熱阻，試求：（1） 熱通量q; （2）距熱壁面mm處的壁溫t。 解：方法一 T 先求熱通量，然后以（t）為傳熱推動(dòng)力， （）為對(duì)應(yīng)熱阻，求出。即將熱流體與壁 b面對(duì)流傳熱與厚壁面的導(dǎo)熱綜合考慮。 （1）熱通量q 圖3-3 3-84附圖 =)/W q= (2) 壁溫 q= =230-378(=213方法二用方

3、法一求出熱通量后，先由牛頓冷卻定律求出熱壁面的溫度 ，然后再由傅立葉定律求出距熱壁面 處的 ，即分步計(jì)算法。（1） 熱通量 （2） 壁溫 由牛頓冷卻定律得 再由傅立葉定律 得 當(dāng)然從冷流體算起還可以找到兩種方法，即綜合法和分步法。分析：此例想要強(qiáng)調(diào)的是，無論采取哪一種求解方法，都要十分注意傳熱推動(dòng)力與熱阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如我們還可以找到第5種并不簡(jiǎn)捷的方法，即先從熱流體著眼，求出冷壁面的溫度，再從冷壁面求出距其 處的壁溫。則其傳熱推動(dòng)力與熱阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)是： 、。3-85 一立式換熱器規(guī)格如下：管長(zhǎng)3m，管數(shù)30根，管徑為 mm，管程為1?，F(xiàn)擬選用此換熱器冷凝、冷卻 飽和蒸氣，使之從飽和溫度46

4、 降至10 ， 走管外，其流量W=0.07kg/s，其冷凝潛熱為356kJ/kg，比熱容為1.05kW/(kg) 。水走管內(nèi)，且與呈逆流流動(dòng)。冷卻水進(jìn)出口溫度為5 和30 。已知冷凝和冷卻段基于換熱管外表面的總傳熱系數(shù)分別為() 和()。問此換熱器是否合用？分析：判斷一臺(tái)換熱器是否合用，一般可以采用比較傳熱速率或傳熱面積的方法，本例采用后一種方法：分別計(jì)算已有換熱器面積和所需換熱器面積，比較二者后即可以得出結(jié)論。本例不同之點(diǎn)在于：該換熱器既作冷凝器又作冷卻器，需分段計(jì)算所需面積，即冷凝段所需面積 和冷卻段所需面積 ，而 、 的求得又須以 、 為前提。因此，解決該題的重點(diǎn)在于求出冷凝、冷卻段交界

5、處的冷卻水溫度，即冷卻水離開冷卻段的溫度t。解：（1）以管子外表面為基準(zhǔn)計(jì)算已有換熱器的傳熱面積： （3） 求所需的傳熱面積 冷凝段與冷卻段的傳熱量水CS2冷凝段 K1兩段的平均溫差總傳熱量：冷卻水用量K2冷卻段 冷卻水離開冷卻段的溫度水CS2 冷凝段的平均溫差 冷卻段的平均溫差 所需傳熱面積冷凝段 冷卻段 A>，即已有傳熱面積大于所需傳熱面積，所以此換熱器合用。3-86 將流量為2200kg/h的空氣在蒸汽預(yù)熱器內(nèi)從20 加熱到80?？諝庠诠軆?nèi)作湍流流動(dòng)，116的飽和蒸汽在管外冷凝?，F(xiàn)因工況變動(dòng)需將空氣的流量增加20%，而空氣的進(jìn)、出口溫度不變。問采用什么方法才能完成新的生產(chǎn)任務(wù)？請(qǐng)作

6、出定量計(jì)算（要求：換熱器的根數(shù)不作變化）。 分析：由傳熱基本方程 著眼考慮：空氣流量增加20%而進(jìn)出口溫度不變，即Q增加20%。因?yàn)檎羝睦淠禂?shù)遠(yuǎn)大于空氣的對(duì)流傳熱系數(shù),所以總傳熱系數(shù)K接近空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)?？諝饬髁吭黾雍?，總傳熱系數(shù)增大，但其增大的幅度不能滿足熱負(fù)荷增大的要求，故可以改變的只有 及A。 解： ，又管壁較薄可忽略其熱阻 在物性不變的前提下 (a) 由題意，n為常數(shù)（a）式代入： （b） （a）、（b）二式中、均為比例系數(shù)。 設(shè)“1”，“2”分別代表工況改變前后的情況，由（b）式： 已知： 1.2(b) 比較（a）、（b）二式得 將已知數(shù)據(jù)代入 增加冷凝量為 即蒸氣冷凝量增加

7、了64。 此例可以幫助我們加深對(duì)控制熱阻的理解。 由于原來的冷卻水出口溫度已經(jīng)很低，冷卻水流量加倍后，平均溫差即傳熱推動(dòng)力增加很少，這可由與的比較看出。但因蒸氣冷凝給熱系數(shù)遠(yuǎn)大于冷卻水的對(duì)流傳熱系數(shù)，所以管內(nèi)對(duì)流傳熱熱阻就成為整個(gè)冷凝過程的控制熱阻。冷卻水流量加倍后，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)增大到原來的倍，控制熱阻相應(yīng)降低，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)幾乎以與管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)相同的幅度增大，結(jié)果使冷凝液大量增加，由此可見，降低控制熱阻，是增大傳熱速率的一個(gè)重要途徑。3-92 某廢熱鍋爐由25mm2。5mm的鍋爐鋼管組成。管外為水沸騰，絕對(duì)壓強(qiáng)為2。8Mp，管內(nèi)走合成轉(zhuǎn)化氣，溫度由550降至450。已知轉(zhuǎn)化氣一側(cè)，）

8、水側(cè)）。若忽略污垢熱阻，求換熱管的壁溫及。 解：方法一（1） 先求總傳熱系數(shù)（以管子內(nèi)表面為基準(zhǔn)） （2） 平均溫度差 2.8Mp下水的飽和溫度為230。（3）熱通量（4）管壁溫度1） 先著眼于管內(nèi)的對(duì)流傳熱。由牛頓冷卻定律：又 再眼于管外的對(duì)流傳熱 方法(1) 先求傳熱過程的總熱阻及分熱阻（基于內(nèi)表面） =0.00413()/W (2) 再求管壁溫度 在連續(xù)傳熱過程中，溫降與熱阻成正比。故 已知：t = 2300c T = = 500 tw = T- = tw = t + = 兩種解法結(jié)果相同 分析：由于管內(nèi)外水沸騰傳熱系數(shù)較大，管內(nèi)合成轉(zhuǎn)化氣對(duì)流傳熱系數(shù)相對(duì)要小得多,所以壁溫接近水的溫度。

9、又因?yàn)楣鼙诘臒嶙栎^小，所以溫降也小，也就是說管壁兩側(cè)溫度比較接近。兩種方法略作比較可以發(fā)現(xiàn)，第二種方法更簡(jiǎn)捷、直觀。壁溫的估算對(duì)工程技術(shù)人員十分重要。無論選擇換熱器類型還是選定換熱器都需要知道壁溫，一些對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算也需要知道壁溫。3-93 質(zhì)量流率相同的兩種液體通過某套換熱器的管程并被加熱，其對(duì)流傳熱系數(shù)都可以用下式表示：若定性溫度下兩流體的物性 = 4.2 ， l1 = 3.2l2為了簡(jiǎn)化計(jì)算，其它物性可認(rèn)為相同，問二者的對(duì)流傳熱系數(shù)有多大差別？解：由給熱系數(shù)的計(jì)算公式知： aµ0.4 l0.6 即二者的對(duì)流傳熱系數(shù)之比為3.57倍。 分析：在相同的質(zhì)量流率下，由于兩種液體的

10、物性不同，其對(duì)流傳熱系數(shù)相差是很大的。換言之，流體的物性對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響是甚大，這點(diǎn)我們應(yīng)予以充分注意。至于氣體與液體之間，這種區(qū)別就更大。例如定性溫度為50 °c時(shí)，在相同的流動(dòng)狀態(tài)下，水和空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)相差700倍以上。因此在一般操作情況下，空氣的流速往往比水的流速要大幾倍甚至十幾倍。3-94 在列管換熱器中用蒸汽加熱空氣，蒸汽走完程，空氣走管程且作湍流流動(dòng)，若其它條件不變，僅將：(1)空氣的壓強(qiáng)加倍；(2)傳熱管的數(shù)目加倍 試估算/tm將如何變化？解：（1） a蒸汽a空氣 K » a空氣由 Q =KAtm得 Q/ Re=由上可知，當(dāng)壓強(qiáng)加倍后，管內(nèi)空氣的r，u

11、將有所改變，具體說r增大 u減少，但質(zhì)量流速G = u r不變。即Re=m不變。又 Rr= 不變 a不變 Q/tm亦不變化（2）傳熱管數(shù)目加倍。 傳熱管數(shù)目加倍，則傳熱面積A加倍；但流通面積增大1倍后，流速相應(yīng)減少1倍，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)減至原來倍。 3-95 一長(zhǎng)度為3m、管外徑為131mm、管內(nèi)通有123飽和蒸汽的豎直加熱管。管外壁的溫度為120，周圍空氣的溫度為20，試求：（1） 每米管道因自然對(duì)流而產(chǎn)生的熱損失為多少?（2） 若管外包一層40mm的保溫層后,保溫層外表面溫度降至60,上述熱損失減至多少? 解: (1)定性溫度=,在此溫度下空氣的物性為 ） 查表得： =6。84W/（m2）

12、（3） 加保溫后定性溫度，在此溫度下： ） Pr'=0.699 Gr'= =1.17×1011Gr'·Pr'=1.17×1011×0.699 =8.17×1010 '= =5.39 W/(m2·) =5.39×3.14×0.131(60-20)=88.7W/m 即加了保溫層后，每米管道的熱損失由原來的281W/m減至88.7W/m。 此題亦可采取簡(jiǎn)化的方法：如上求出=6.84W/(m2·)后，因?yàn)楸厍昂缶鶎僮匀粚?duì)流，假定物性不變，則保溫前后對(duì)流系數(shù)的關(guān)系為 W/(

13、m2·) 簡(jiǎn)化計(jì)算的結(jié)果與前面計(jì)算相差 分析：=可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)n=1/3時(shí)，定性尺寸（此例中既蒸汽管的長(zhǎng)度）可以消去。利用這種自然對(duì)流與定性尺寸無關(guān)的特點(diǎn)，可以在較小尺寸的模型上進(jìn)行自然對(duì)流傳熱研究，即所謂的“自?；睂?shí)驗(yàn)，從而為實(shí)驗(yàn)工作帶來諸多方便。 3-96平均溫度為270的機(jī)油從一108mm×6mm的鋼管中流過。已知油對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)為340W/(m2·)，大氣溫度為12。試求：(1)每米管長(zhǎng)的熱損失： (2)若管外包以導(dǎo)熱系數(shù)為0.045W/(m·)，厚度為20mm的玻璃棉作保護(hù)層，此時(shí)的熱損失又為多少？ 假設(shè)管壁及污垢熱阻可以忽略不計(jì)，外壁對(duì)

14、空氣的對(duì)流輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)可用aT=8+0.05tW來計(jì)算。其中tW表示壁溫，；T的單位為W/(m2·)。 解：（1）設(shè)油和空氣的溫度分別為t1、t2。 從熱油和空氣的傳熱來看 Q=KA(t1-t2) 欲求Q必先知K，而K又與T有關(guān)。由T的計(jì)算式可以看出，求解tW是關(guān)鍵。但從外壁對(duì)周圍環(huán)境的聯(lián)合傳熱方程QT=TA(tW-t)分析，要想求得tW又須知QT。如此應(yīng)采取試差法求解。 設(shè)未保溫時(shí)管外壁溫度為265則 T=8+0.05×265=21.3 W/(m2·) 每米鋼管的外表面積 A=dL=3.14×0.108×1=0.339m2 散熱量 QT=

15、TA(tW-t) =21.3×0.339(265-12)=1827W 校核壁溫由 Q=KA(t1-t2)其中: =0.0499（m2）/W K=20W/(m2·)又 Q=20×0.339(270-12)=1753W 穩(wěn)定傳熱時(shí)，QT應(yīng)等于Q；現(xiàn)QT>Q，說明假設(shè)的壁溫偏高。 重設(shè)tW=250 T=8+0.05×250=20.5W/(m2·K) QT=20.50×0.339(250-12)=1654W 校核壁溫 =0.0517(m2·)/W K=19.3W/(m2·K) Q19.3×0.339(250

16、-12)=1688W QTQ,說明所設(shè)壁溫合理。 故每米鋼管的損失約為=1671W。 (2)設(shè)保溫后外壁溫度為50 T=8+0.05×50=10.5W/(m2·) 此時(shí)每米管長(zhǎng)的外表面積 AT=(0.108+0.04)×1=0.465m2 散熱量 QT=10.5×0.465(50-12)=186W 校核壁溫 由于增加了保溫層的熱阻，總熱阻 =0.543(m2·)/W K=1.84W/(m2·) 傳熱面積取保溫層內(nèi)、外表面積的平均值 A=0.402m2 Q=KA(t1-t2) =1.84×0.402(270-12)=190W

17、QQT，說明所設(shè)壁溫合理。故保溫后每米鋼管熱損失僅有=188W，為不保溫時(shí)的=11.3%。分析：比較保溫前后可以看出：保溫前總熱阻為0.0517(m2·)/W，保溫后總熱阻為0.543(m2·)/W，大了一個(gè)數(shù)量級(jí)；保溫前鋼管外壁溫度為250，保溫后保溫層表面溫度降至50，下降了200。本例提示我們：高溫設(shè)備經(jīng)保溫可極大限度地減少熱損失，因此是十分必要的。3-97 有兩條48mm×3mm的蒸汽管道，管內(nèi)飽和蒸汽的溫度皆為120。不同的是管線甲外包有一層=0.75W/(m2·)、厚10mm的絕熱層，而管線乙沒有。設(shè)周圍空氣為20，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)a=10

18、W/(m2·)。試比較哪一個(gè)管道的散熱速率大。請(qǐng)說明原因。解：因?yàn)楣鼙诘臒嶙韬苄?，故管壁外表面溫度可取?20。求單位管長(zhǎng)的熱損失：(1) 管線甲甲管外包有絕熱層，因此總散熱損失包括單位時(shí)間內(nèi)通過絕熱層的導(dǎo)熱量與空氣對(duì)流傳熱熱量二者之和，即 = =185W/m(2) 管線乙 乙管外無絕熱層，總散熱損失即單位時(shí)間內(nèi)管壁與空氣的對(duì)流傳熱量。 =d1(t1-t3)=10×0.048(120-20)=151W/m 由以上計(jì)算可以看出，包有絕熱層的管甲的散熱量反而裸管乙要大。 為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？分析：由(a)式我們不難看出，管甲的散熱總熱阻R為導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流傳熱熱阻之和。隨著

19、絕熱層厚度的增加即r2增大，導(dǎo)熱熱阻增大，對(duì)流傳熱熱阻減小。當(dāng)絕熱層厚度從零開始增大時(shí)，總熱阻R先是降低到某一個(gè)臨界值后又逐漸增大。臨界半徑可由求出： 令 =0 則臨界半徑 r2= 本題中，臨界半徑r2=0.075m=75mm，管道中的絕熱層厚度為10mm，其半徑為4mm，在臨界半徑之內(nèi)，此時(shí)隨絕熱層厚度增大，熱損失增大。 由r2=還可以看出，對(duì)于直徑較小的管道特別是導(dǎo)線，一定要選用絕熱或絕緣性能好(大)的材料做絕熱或絕緣層，否則就會(huì)事與愿違。 3-98在管道中心裝有熱電偶以測(cè)量管內(nèi)空氣的溫度。由于熱電偶溫度上升后對(duì)管壁進(jìn)行輻射傳熱，測(cè)溫元件的溫度t1低于空氣的真實(shí)溫度ta。(1) 試推導(dǎo)計(jì)算

20、測(cè)量誤差的關(guān)系式。 (2)已知熱偶的指示溫度t1=220，管道內(nèi)壁溫度tW=120，熱偶的黑度為0.8，空氣對(duì)流傳熱系數(shù)=40W/(m2·)·。試求真實(shí)的空氣溫度。 解 (1) 熱電偶的絕對(duì)溫度T1=(t1+273)K 管壁的絕對(duì)溫度TW=(tW+273)K 空氣與熱電偶的對(duì)流傳熱為 q=(ta-t1) 熱電偶與管壁之間的輻射傳熱為 則 穩(wěn)態(tài)下，二者熱通量相等，即： 相對(duì)誤差 將已知數(shù)據(jù)代入上式： 絕對(duì)誤差 空氣的真實(shí)溫度 相對(duì)誤差 分析：由計(jì)算結(jié)果知，相對(duì)誤差較大。由式可以看出，減小誤差的方法有： 減小熱電偶的黑度； 增大空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。為此應(yīng)增大空氣流速，或?qū)犭娕?/p>

21、安放在管中心處； 將管壁保溫以提高壁溫；在熱電偶處加一遮熱罩，限制熱電偶與管道內(nèi)壁的輻射傳熱。3-99 為了減小測(cè)量誤差，在上題熱電偶處加一黑度為0.55的遮熱罩，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)管 遮熱罩壁溫度和空氣的真實(shí)溫度不變。求熱電偶指示的溫度。 熱電偶分析如圖3-7，熱偶加遮熱罩后，熱偶對(duì)管道內(nèi)壁的輻射傳熱被抑制， 空氣變?yōu)闊崤紝?duì)遮熱罩內(nèi)壁的輻射。當(dāng)空氣對(duì)熱偶的對(duì)流傳熱速率與熱偶 圖 3-7 3-99 附圖對(duì)遮熱罩的輻射傳熱速率相等時(shí)，熱電偶指示的溫度即為所求。但因遮熱罩的溫度為未知，必須建立一個(gè)新的熱平衡關(guān)系，即空氣對(duì)遮熱罩的對(duì)流傳熱速率加上熱偶對(duì)遮熱罩的輻射傳熱速率等于遮熱罩對(duì)管道內(nèi)壁的輻射傳

22、熱速率。 由于熱偶對(duì)遮熱罩的輻射傳熱速率遠(yuǎn)小于空氣對(duì)遮熱罩的對(duì)流傳熱速率，在計(jì)算熱罩熱平衡時(shí)可以忽視不計(jì)。 解：遮熱罩的熱平衡計(jì)算 設(shè)A為遮熱罩兩側(cè)的平均表面積，為遮熱罩的溫度。 空氣對(duì)遮熱罩的對(duì)流傳熱速率 遮熱罩對(duì)管壁的輻射傳熱速率 平衡時(shí)，式式將已知數(shù)據(jù)代入即可求得遮熱罩的溫度 熱電偶熱平衡計(jì)算設(shè)熱電偶的外表面積為，黑度為。 空氣對(duì)熱電偶的對(duì)流傳熱速率 熱電偶對(duì)遮熱罩的輻射傳熱速率 平衡時(shí)，式式 將已知數(shù)據(jù)代入，即可求得熱偶的指示溫度 相對(duì)誤差 僅為不加遮熱罩時(shí)的可見在熱偶外安裝遮熱罩可使熱偶的指示溫度更接近氣體的真實(shí)溫度，明顯地降低了測(cè)量誤差，是一種行之有效的方法。3-100 擬在列管式

23、換熱器中用120的飽和蒸氣將存放在常壓貯槽中的溫度為20比熱容為2.09kJ/(kg·)質(zhì)量為的重油進(jìn)行加熱。采用輸油能力為6000kg/h的油泵將油從貯槽送往換熱器，經(jīng)加熱后再返回，油循環(huán)流動(dòng)。若要求經(jīng)4h后油溫升至80，試計(jì)算所需換熱器的傳熱面積。假定整個(gè)加熱過程中均可取作350W/（），而且任一瞬間槽內(nèi)溫度總是均勻的。分析：此為一不穩(wěn)定傳熱過程。因?yàn)橹赜碗x開換熱器的出口溫度總是隨著進(jìn)口溫度（即槽內(nèi)溫度）變化。因此，可先通過熱量衡算和總傳熱速率方程先求出與的關(guān)系，然后將此關(guān)系再代入熱平衡方程，得到的關(guān)系式，再根據(jù)題中給定的條件（既在4h內(nèi)油溫從20升至80）進(jìn)行積分，既可求得所需

24、的傳熱面積。解：設(shè)G為槽內(nèi)油的質(zhì)量（kg）,W為泵的輸油能力（kg/h）,T為飽和蒸氣的溫度，根據(jù)題意，由熱平衡方程和總傳熱速率方程 化簡(jiǎn)： 由瞬間熱平衡方程 將 式代入 分離變量： 變量置換 將已知數(shù)據(jù)代入，積分： 解得 3-101將一銅球投入T=350的恒溫油槽中。已知銅球的初始溫=20，質(zhì)量m =1kg，表面積，比熱容c=0.406,油與球外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)=60W/(。設(shè)可忽略銅球內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，求6min后銅球的溫度。 分析：銅球投入油中后，隨即開始吸熱升溫過程。由于油溫不變，隨著球溫上升，傳熱推動(dòng)力即溫差減小，傳熱速率下降。而傳熱速率下降反過來又影響銅球的吸熱，使得球溫上升速度漸

25、減。所以銅球與油品之間的傳熱為一非定態(tài)傳熱過程。解：設(shè)t為銅球的瞬時(shí)溫度，秒時(shí)間內(nèi)，球溫升高攝氏度。銅球的吸熱速率為 油對(duì)銅球的傳熱速率為 由題意，式=式 ，即 分離變量 對(duì) 式進(jìn)行積分 故 代入已知數(shù) 6min后銅球升至156。 3-102用傳熱面積=的蛇管加熱器加熱容器中的某油品，擬將油溫從升至。已知加熱器的總傳熱系數(shù)，油品質(zhì)量，比熱容。容器外表面散熱面積 ,空氣溫度,空氣與器壁的對(duì)流傳熱系數(shù)，加熱蒸汽的壓強(qiáng)為。試求：（1） 所需加熱時(shí)間；（2） 油品能否升至。不考慮管壁熱阻及油與壁面的對(duì)流傳熱熱阻。分析：顯然，這也是個(gè)不定態(tài)的問題。蒸氣通過蛇管加熱器使油品不斷升溫，當(dāng)油品溫度超過容器外空

26、氣溫度后在自身升溫的同時(shí)又不斷向器外空氣散熱。器內(nèi)器外傳熱推動(dòng)力都隨時(shí)間不斷變化。但不管情況如何改變，熱平衡關(guān)系卻總是成立的。因此，求解本題的關(guān)鍵在于找出其間這樣一個(gè)平衡關(guān)系：蒸氣的加熱速率等于油品的吸熱速率與容器向外散熱速率之和。又：油溫升高的過程即為器壁向環(huán)境散熱量不斷增加的過程，直至這兩個(gè)過程速率相等。此時(shí)的油品溫度即為其可能達(dá)到的最高溫度。解：油品從升至所需時(shí)間查表得， 時(shí)蒸氣的飽和溫度蛇管加熱器的傳熱速率 式中 t 任一瞬間油品溫度， 油品的吸熱速率 器壁的散熱速率 由熱平衡關(guān)系 故 將已知條件代入 整理 積分 (2) 油品可能升至的最高溫度令加熱器的傳熱量與器壁的散熱量相等即 代入

27、數(shù)據(jù) 解之 t=86.9<90由計(jì)算結(jié)果知：油品從20升至80需2.17h。油溫最高升至86.9，不能達(dá)到90。3103 用一設(shè)有攪拌器的夾套式換熱器將質(zhì)量m=800kg的上例油品從80冷卻至40。已知夾套式換熱器的總傳熱系數(shù)，傳熱面積，冷卻水的流量，入口溫度。試求：（1） 所需時(shí)間；(2) 此時(shí)冷卻水的出口溫度。假設(shè)熱損失可以忽略不計(jì)，傳熱推動(dòng)力可用對(duì)數(shù)平均溫差公式計(jì)算。分析：本題與上例既有相識(shí)之處，又有較大差別。上例加熱劑蒸汽溫度不變，只是被 t2 t2(冷卻水) 油 t(冷卻水)加熱介質(zhì)油品溫度變化；本例中不僅是冷卻介質(zhì)油品溫度變化，冷卻劑的溫度亦隨之改變，因此較上例更為復(fù)雜一些。

28、只有找出任一瞬間油品溫度T與冷卻水出口溫度t2之間的關(guān)系，才能完成所求。而找出上述二者的關(guān)系則需借助傳熱基本方程和熱平衡方程。解（1）傳熱基本方程 (a)熱平衡方程 (b)將(a)、(b)兩式聯(lián)立 整理得 (c)令 則 (d)又 （e） 將(e)式代入(b)式 分離變量 積分 （f）為了計(jì)算方便起見，先求出A 將A與其他已知數(shù)據(jù)代入(f)式解之將A值代入(d)式 由計(jì)算結(jié)果可知，油溫從80降至40需1.88h，此時(shí)水的出口溫度為33.6。J04c10221 3-104求電熱器中電熱絲的表面溫度。已知電熱絲直徑0.5，全長(zhǎng)2.5，表面黑度，周圍反射器的溫度為15，電熱器的功耗為。不計(jì)對(duì)流傳熱。解

29、電熱絲被反射器所包圍 其中 則 即電熱絲的表面溫度為917j04c10254 3-105欲將一容器中的溶液進(jìn)行加熱，使其從30加熱至60，容器中的液量為6000，用夾套加熱，傳熱面積為，容器內(nèi)有攪拌器，因此器內(nèi)液體各處的溫度可視為均勻的，加熱蒸氣為的飽和水蒸氣，傳熱系數(shù)為，求將溶液由30加熱至60所需要的時(shí)間？已知溶液比熱為，熱損失忽略不計(jì)。解：溶液從30被加熱到60所需的熱量：而夾套的傳熱效率：其中，對(duì)于的飽和水蒸氣，則 j04c15096 3-106有一列管式熱換器，列管由薄壁鋼管制成。殼方通入溫度為720的飽和水蒸汽。管內(nèi)走空氣，空氣流量為，呈湍流流動(dòng)，進(jìn)口溫度為30，出口溫度為80?，F(xiàn)

30、加大空氣流量為原來的1.5倍，進(jìn)口溫度不變。問此時(shí)的換熱量為多少？空氣比熱，假設(shè)空氣的物性保持不變。解：原工況： 其中： 現(xiàn)工況：則 由 （2）/（1）得： 解得：則此時(shí)的換熱量為：j04c15117 3-107一列管式換熱器，由的136根不銹鋼管組成。平均比熱為的某溶液在管內(nèi)作湍流流動(dòng)，其流量為，并由15加熱到100。溫度為110的飽和水蒸氣在殼方冷凝。已知單管程時(shí)管壁對(duì)溶液的給熱系數(shù)，蒸汽對(duì)管壁的給熱系數(shù),不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，忽略垢層熱阻和熱損失。試求：A）管程為單程時(shí)的列管長(zhǎng)度（有效長(zhǎng)度，下同）；B）管程為4程時(shí)的列管長(zhǎng)度（總管數(shù)不變，仍為136根）。解：（1）單程時(shí)，（以外表面計(jì)）即單

31、程時(shí)列管的有效長(zhǎng)度為。（2）4程時(shí)，則 不變，為37.8。即管程為4程時(shí)的列管長(zhǎng)度為3.56。j04c15198 3-108冷、熱水在傳熱面積為 的換熱器中進(jìn)行熱交換，進(jìn)口熱水溫度為85，流量為，冷水在25下進(jìn)入，流量為。兩者按逆流流動(dòng)。已知傳熱系數(shù)。不計(jì)熱損失。求傳熱量及冷、熱水的出口溫度。（冷熱水物性數(shù)據(jù)可視為相同，取平均比熱為。解： 冷水為最小熱容流體，則 熱效率： 即：傳熱量為，冷水出口溫度為64.8，熱水出口溫度為55.2。J04c15217 3-109某列管熱換器用109.2的飽和水蒸氣加熱管內(nèi)空氣，使它由20升到80，現(xiàn)空氣流量增加一倍，問在傳熱面積和空氣進(jìn)、出口溫度不變的情況下

32、，加熱蒸汽溫度應(yīng)改變?yōu)槎嗌?？解：則原工況： （1）流量加倍后，空氣進(jìn)、出口溫度不變： （2）（2）/（1）得：解得：。 即加熱蒸汽應(yīng)上升為116.5。J04c15247 3-110現(xiàn)有兩臺(tái)單殼程單管程的傳熱面積均為的列管式空氣加熱器，每臺(tái)加熱器均由64根鋼管組成。殼程為170的飽和水蒸氣冷凝（冷凝潛熱），空氣入口溫度，流量為，以湍流方式通過管內(nèi)。（1）若兩臺(tái)換熱器并聯(lián)使用，通過每臺(tái)熱換器的空氣流量均等，此時(shí)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為，求空氣的出口溫度及水蒸氣的總冷凝量為多少？（2）若二臺(tái)換熱器改為串聯(lián)使用，問此時(shí)空氣的出口溫度及水蒸氣的總冷凝量為多少？假定空氣的物性不隨溫度壓力而變化，視為常量。解：

33、（1）兩臺(tái)并聯(lián)使用：對(duì)于其中一臺(tái)： 即： 解得：即空氣的出口溫度為93.8兩臺(tái)的傳熱量：蒸汽總冷凝量：（2）兩臺(tái)串聯(lián)使用：即 又 即： 即空氣的出口溫度總傳熱量：水蒸汽總冷凝量：J04c20090 3-111溫度為20比熱為的溶劑以的流率流過套管換熱器內(nèi)管，被加熱至64，環(huán)隙內(nèi)為170飽和水蒸氣冷凝。換熱器內(nèi)管直徑，總長(zhǎng)，材料為鋼，計(jì)算傳熱系數(shù)。如果將內(nèi)管改為的鋼管，其他條件不變，求所需管長(zhǎng)。假設(shè)兩種情況下蒸汽冷凝膜系數(shù)均為液體在管內(nèi)均為湍流，不考慮污垢熱阻及熱損失。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)。解：（1）（以外表面計(jì)）（2）內(nèi)管改為的鋼管。原工況： 現(xiàn)工況：由原工況可得： 解得：則現(xiàn)工況：（以外表面計(jì)）即管

34、長(zhǎng)為。J04c20093 3-112有一套管換熱器，管內(nèi)為，套管為的鋼管，內(nèi)管中苯被加熱，苯進(jìn)口溫度為50，出口溫度為80，流量為。環(huán)隙為133.3的飽和水蒸氣冷凝，其汽化熱為，冷凝傳熱膜系數(shù)為。苯在5080之間的物性參數(shù)平均值為密度，比熱，粘度，導(dǎo)熱系數(shù)，管內(nèi)壁垢阻為，管壁及管外側(cè)熱阻不計(jì)。試求：（A）加熱蒸汽消耗量；（B）所需的傳熱面積（以內(nèi)管外表面計(jì)）。（C）當(dāng)苯的流量增加50%，要求苯的進(jìn)出口溫度不變，加熱蒸汽的溫度應(yīng)為多少？解：（1）加熱蒸汽消耗量：（2）內(nèi)管中苯的流速：湍流則以內(nèi)管外表面計(jì)的傳熱系數(shù)為： （3）苯的流量增加50%，而進(jìn)出口溫度不變，則 （以內(nèi)管外表面計(jì)）即：解得：即

35、苯的流量增加50%而溫度不變時(shí)，加熱蒸汽的溫度應(yīng)為145.2。j04c20114 3-113有一傳熱實(shí)驗(yàn)，在套管換熱器中用飽和水蒸氣加熱空氣，空氣走內(nèi)管，蒸汽在環(huán)隙冷凝。已知，兩側(cè)均無垢，內(nèi)管為，長(zhǎng)的紫銅管。今測(cè)得：空氣：進(jìn)口溫度：20 出口溫度70 流量： （進(jìn)口狀態(tài)之值） 粘度： （45下）蒸汽：溫度：110 （冷凝潛熱：2250） 冷凝量：（A）試求該套管換熱器向大氣散失的熱量占蒸汽放出熱量的百分?jǐn)?shù)。（B）估計(jì)管內(nèi)空氣的傳熱膜系（）（C）如空氣進(jìn)口溫度不變，流量增到（進(jìn)口狀態(tài)），為了維持其出口溫度仍為70，需要調(diào)節(jié)蒸汽壓力，問此時(shí)蒸汽溫度應(yīng)為多少，方可滿足要求？注：在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，空氣

36、的比熱變化很小，可取 空氣可視為理想氣體，操作壓力可取為，分子量為29。解：（1）空氣在進(jìn)口狀態(tài)下的密度為： 空氣在內(nèi)管的質(zhì)量流量：空氣所獲得的熱量： 而蒸汽冷凝放出的熱量：向大氣散失的熱量占蒸汽放出熱量的百分?jǐn)?shù)為：（2） 湍流 空氣傳熱膜系數(shù)：（3） 空氣流量增到時(shí)， （以內(nèi)表面計(jì)）則 即：蒸汽溫度應(yīng)為128才能滿足要求。J04c20115 3-114某廠用兩臺(tái)結(jié)構(gòu)完全相同的單程列管換熱器（由44根、長(zhǎng)的管子構(gòu)成），按并聯(lián)方式預(yù)熱某種料液。122飽和蒸汽在兩換熱器管外加熱，料液以等流量在兩換熱器管內(nèi)流過。料液的比熱為，密度為，當(dāng)料液總量為時(shí)（料液在管內(nèi)呈湍流流動(dòng)）料液由22被加熱到102，若

37、蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)為，管壁及污垢熱阻均可忽略不計(jì)。試問：（A）料液對(duì)流傳熱膜系數(shù)為多少？（B）料液總量與加熱條件不變，將兩臺(tái)換熱器由并聯(lián)該為串聯(lián)使用，料液能否由22加熱到112。（C）兩臺(tái)換熱器由并聯(lián)該為串聯(lián)后，總流量不變的情況下，流經(jīng)換熱器的壓力降將增加多少倍（湍流時(shí)可按考慮）。解：（1）（以外表面計(jì)）管壁及污垢熱阻可忽略。 即料液的對(duì)流傳熱膜系數(shù)為（2）改為串聯(lián)后：（以外表面計(jì)）即：解得：112 即料液不能被加熱到112（3）壓力降：則串聯(lián)時(shí)， 并聯(lián)時(shí)，倍。 即串聯(lián)的壓力降將增加5.73倍。J04c20116 3-115有一套管換熱器，內(nèi)管為，外管為的鋼管?，F(xiàn)用120的飽和水蒸氣加熱苯，使

38、苯由50加熱至80，苯在內(nèi)管中以的流量流動(dòng)，試求：（A）加熱蒸汽消耗量；（B）所需套管的有效長(zhǎng)度；（C）由于某種原因，加熱蒸汽的溫度降為110，苯的出口溫度將變?yōu)槎嗌伲浚僭O(shè)苯不變,在50-80范圍內(nèi)，苯的物性為，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為，120時(shí)水蒸氣冷凝潛熱，蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，壁兩側(cè)垢層熱阻及換熱器損失均可忽略，加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出。）解：（1）加熱蒸汽消耗量： （2）套管的有效長(zhǎng)度：湍流則以內(nèi)管外表面計(jì)的傳熱系數(shù)：（3）當(dāng)時(shí)，不變，也可視為不變。則 即：解得：j04c20118 3-116欲將流量的苯蒸汽在附圖所示的直立單殼程單管程換熱器的殼程先冷凝后冷卻。苯蒸汽壓力，相應(yīng)的冷凝溫度，

39、潛熱為。液苯的出口溫度要求低于。液苯的平均比熱為。換熱器內(nèi)裝有，長(zhǎng)的無縫銅管38根，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為。苯蒸汽在管外冷凝的傳熱膜系數(shù)，液苯在管外的傳熱膜系數(shù)。冷卻水走管內(nèi)，每管外苯逆流，水的入口溫度，出口溫度。水在管內(nèi)各處的傳熱膜系數(shù)均為：式中，U為水的流速，；為管的內(nèi)徑，為管內(nèi)進(jìn)、出口水溫的算術(shù)平均值，。如果熱損失及污垢熱阻均可忽略不計(jì)，試問：（A）冷卻水需用量為多少？（B）換熱器能否完成苯蒸汽的冷凝、冷卻任務(wù)？解：（1）傳熱量其中： 冷卻水用量： （2）設(shè)苯蒸汽內(nèi)部冷凝時(shí)，對(duì)應(yīng)的水溫度為則由：解得：水在管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)：冷凝段的傳熱系數(shù)：（以外表面計(jì)）平均溫差： 冷凝所需傳熱面積冷卻段的傳熱系

40、數(shù)：（以外表面計(jì)）平均溫差： 冷卻所需傳熱面積所需總換熱面積：而實(shí)際換熱器面積： 此換熱器能完成任務(wù)。J04c20119 3-117某一列管式換熱器，將一定量的空氣加熱?？諝庠诠軆?nèi)作湍流流動(dòng)，飽和水蒸氣在管外冷凝。今因生產(chǎn)任務(wù)加大一倍，除用原換熱器外，尚需加一臺(tái)新?lián)Q熱器。如果使新舊兩臺(tái)換熱器并聯(lián)使用，且使二臺(tái)換熱器在空氣流量、進(jìn)、出口溫度及飽和蒸汽溫度都相同的條件下操作。原換熱器列管數(shù)為，管徑為，管長(zhǎng)為，而新?lián)Q熱器管數(shù)為，管徑為。試問新?lián)Q熱器管長(zhǎng)為原換熱器管長(zhǎng)的幾倍。解：二臺(tái)換熱器的空氣流量、進(jìn)、出口溫度及飽和蒸汽溫度都相同，且，原換熱器： (1) 新?lián)Q熱器： (2)（2）/（1）得：其中：原

41、換熱器管內(nèi)流速，新?lián)Q熱器管內(nèi)流速，則 即新?lián)Q熱器管長(zhǎng)為原換熱器管長(zhǎng)的倍。J04c 3-118某長(zhǎng)用套管換熱器每小時(shí)冷凝甲苯蒸汽，冷凝溫度110，冷凝潛熱為，冷凝膜系數(shù)，冷卻水溫16，以的流量進(jìn)入內(nèi)管內(nèi)（內(nèi)徑50），作湍流流動(dòng)，膜系數(shù)，水的比熱取為，忽略壁阻及污垢熱阻。試求A）冷卻水出口溫度及管長(zhǎng)； B）如在夏季，冷卻水入口溫度將升至25，使換熱器傳熱能力下降，為此建議將水流量增加一倍，那么，該換熱器的傳熱能力能否增加？定量地說明。解：（1）冷卻水出口溫度： 管長(zhǎng)： （2）當(dāng)時(shí)。而流量加倍時(shí)， 即：則傳熱能力 原傳熱能力 換熱器的傳熱能力能增加。J04c20121 3-119 在列管式換熱器中，

42、用飽和水蒸氣將空氣由10加熱到90,該換熱器由38根,長(zhǎng)1.5m的銅管構(gòu)成,空氣在管內(nèi)作湍湍流動(dòng),其流量為740Kg/h,比熱為1.005,飽和水蒸氣在管間冷凝.已知操作條件下的空氣對(duì)流給熱系數(shù)(或稱對(duì)流傳熱膜系數(shù))為70W/.,水蒸氣的冷凝給熱系數(shù)為8000W ,管壁及垢層熱阻可忽略不計(jì)。A） 試確定所需飽和水蒸氣的溫度；B） 若將空氣量增大25%通過原換熱器，在飽和水蒸氣溫度及空氣進(jìn)口溫度均不變的情況下，空氣能加熱到多少度？（設(shè)在本題條件下空氣出口溫度有所改變時(shí)，其物性參數(shù)可視為不變）解：（1）飽和水蒸氣的溫度T:其中： (以外表面計(jì)) T=124(2) 若空氣量增大25%,則 由式（）可

43、知： 解得：即空氣加熱到 J04c20123 3-119-2  如圖所示的套管換熱器,空氣進(jìn)口溫度,出口溫度,空氣的質(zhì)量流量W=50Kg/h,定性溫度下空氣的物性參數(shù):,;內(nèi)管為的無縫鋼管,長(zhǎng)度為2.0m,設(shè)飽和水蒸氣的冷凝傳熱系數(shù),試求:A) 飽和蒸汽的溫度 ();B) 若空氣質(zhì)量流量減少50%,其他參數(shù)不變,則總傳熱系數(shù)值為多少。參見附圖：j04c123.t解：（1）飽和蒸汽溫度：管內(nèi)空氣流速：湍流 而 （2）當(dāng)空氣流量減少50%時(shí)， 過渡流解得： 即出口溫度為106。J04c20124 3-120欲設(shè)計(jì)一列管式換熱器，用110的飽和水蒸氣將的常壓空氣由20預(yù)熱到95。A.若初步

44、選定采用單管程換熱器，空氣走管程，管束由120根的銅管組成。試確定所需管束長(zhǎng)。B.若選用雙管程浮頭式列管換熱器。管子總數(shù)、管長(zhǎng)及直徑同上。則空氣的出口溫度有無變化？試確定之。在計(jì)算中，冷凝液膜的熱阻、管壁及其兩側(cè)污垢熱阻可忽略不計(jì)，其空氣平均溫度下的物性可?。赫扯?，比熱：，導(dǎo)熱系數(shù)，密度。解：（1）管長(zhǎng)： 管內(nèi)流速：=9.59湍流冷凝液膜熱阻，管壁及兩側(cè)污垢熱阻可忽略不計(jì)，（以內(nèi)表面計(jì)）則 即管束長(zhǎng)2.0m（2）若改為雙管程： 即： 由（1）式可知： 解得: 因現(xiàn)蒸汽溫度>,所以此蒸汽能滿足傳熱要求.J04c20125 3-121在一傳熱面積為的再沸器中，用95熱水加熱某有機(jī)液體，使之沸騰以產(chǎn)生一定量的蒸汽。有機(jī)液體沸點(diǎn)45，已知熱水在管程流速（質(zhì)量流量）。出口水溫75 ，再沸器中列管管徑。A.計(jì)算該再沸器在上述操作情況下的傳熱系數(shù)，熱水側(cè)給熱系數(shù)，沸騰側(cè)給熱系數(shù)。 B.若管程中熱