柴誠(chéng)敬化工原理課后答案第五章 傳熱過程基礎(chǔ)

1、第五章傳熱過程基礎(chǔ)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 X100W = 50WS = 0.02m2，t = 200C，t = 50C，L = 0.02m將上述數(shù)據(jù)代入，可得50 x 0.02 1 12 J 0.02 x(200 50OC)= 0.333

2、W. (m-C)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)為七=0.8 + 0.00061，絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為 人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 Q = X S L史=X S 虹(5-32a)1 b 2 b式中 X = 0.8 + 0.0006t =

3、0.8 + 0.0006 x 1500 + = 1.25 + 0.0003t12X2 = 0.3 + 0.0003t = 0.3 + 0.0003 x 10(+1 = 0.315 + 0.000151代入、危得(1.25 + 0.0003t)1500 T = (0.315 + 0.00015t) 1000.40.2解之得t = 12 = 977C人廣 1.25 + 0.0003T =(1.25 + 0.0003x 977)W(m C)= 1.543 W (m - C)貝9QS =人= 1.543 x 1500) 977 Wm2 = 2017 Wm21外徑為159 mm的鋼管，其外依次包扎A、B

4、兩層保溫材料，A層保溫材料的厚度為50 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(m.C), 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(zhǎng)的熱損失；若將兩層材 料互換并假設(shè)溫度不變，每米管長(zhǎng)的熱損失又為多少？解：Q：L = f1 , r 1 、 r ln * H ln 2兀入 r 2兀入 r11222x34x。70-4。) 可 m = 150W m1 i 159 + 2 x 501 | 159 + 2 x G。+100)In1In0.11591.0159 +100A、B兩層互換位置后，熱損失為QL = 1t

5、t 12 1 r ,11 rln +In f159 +1002兀入 r 2兀入 r解：由K =o11 bd d +o +o- a 冗 d a dm i i查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù) 人=45W.； (n2 .C)b = 2.5 mmd = 25 mmd. =(25 - 2 x 2.5)mm =20mmd = M0 mm = 22.5mm m 2Ko 10.0025 x 0.0250.025+ 5245 x 0.02252600 x 0.02wk .C)= 50.6 W (n2 .C)殼程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為1-T X100% = K x100% = 506 x100% = 97.3%1Kao5

6、2o管程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為da.di x100% = Kodo x 100% = 50.6 x 0.025 x 100% = 2.4%1Kad2600 x 0.02o管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為bddm x100% = bdK x100% = .0025 x .025 x 50.6 x 100% = 0.3% 1XdKmo6.在一傳熱面積為40 m2的平板式換熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動(dòng)。45 x 0.0225冷卻水的流量為30 000kg/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

7、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/(kg.C)； (2)兩種情況下，a、ao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)tm =C15 - 36)-(55 - 22)C = 52.7Clni!655 - 22K =。= 30000 x 4.174 x 103 &-22)、會(huì).C)= 231w .C) Skt3600 x 40 x 52.7求清洗后傳熱系數(shù)K由熱量衡算WC (T T ) = WC (t -1)h p,h 12c p,c 21WC (T T，)

8、= WC (t，-1)c p,c, WC ,T = T c_p (t t)21 WC 21115 - 115 - 55(40 - 22)36 - 22=T d (t，1)=1 t t 21(115 40)(37.9 22)C = 38.1 CC = 37.9Ci 115 - 40In37.9 - 223600 x 40 x 38.1K = 3000 x 4.174 x 103 x(40 - 22)* .2 .C)= 410.8W J .C)清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻1231 410.8 )m2 - C W = 1.9 x 10-3 m2 C/W7.在一傳熱面積為25 m2的單程管殼式換熱器中，用水

9、冷卻某種有機(jī)溶液。冷卻水的流量為28 000kg/h，其溫度由25 C升至38 C，平均比熱容為4.17 kJ/(kgC)。有機(jī)溶液的溫度由110 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：C = 4.17 kJ/(kg. C)Q = WC (t -1)c p,c 2128000 x 4.17 x 103 x(38 - 25)W = 4.22 x 105 W3600求t m有機(jī)物 110 一 6538 25tt724072 - 40 C = 54.4Cm 72ln 402

10、5 x 54.4K =勺22 x 105 W. (n2 C)= 310.3W (n2 - C)K =422 x；5 kg s = 5.452 kg s = 1.963 x 104 kg h c T T )1.72 x 103 x(110 65)8.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10 000 kg/h，其初始溫度為30 C,平均比熱容為4.174 kJ/ (kg- C)。有機(jī)溶劑的流量為14000 kg/h，溫度由 180 C降至120 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500 W/(m2.C), 試分別計(jì)算逆流和并流時(shí)換熱器所

11、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 = Wc G -T )= 14000 x1.72x(180 -120)kJ/h = 1.4448 x 106 kJh = 401.3kW冷卻水的出口溫度為(1.4448 x 10610000 x 4.174+ 30 C = 6461Cln180 - 64-61120 - 30逆流時(shí)(180 - 64.61)-(120 - 30)25.39C - 115.39 C = 102-2 CIn并流時(shí)At m401.3 x 103m2 KAt500 x 102.2=7.854m2(120 - 64.61)-(180 - 30)i 120 - 6

12、4.61In 180 - 30一 94.61 一 一C = %C = 94.97Cln.150Q 401.3 x 103S = =m2逆 KAt500 x 94.97=8.452m29.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 600m3/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4.17 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PMP =RT1 x 78 /kg m3

13、= 2.692 kg m3 0.08206 x(273 + 80.1)Wh = 1600 x 2.692 kg, h = 4307.2 kg. hQ = Why = 4307.2 x 394kJ h = 1.697 x 106 kJ. h = 4.71 x 105 WQ = WC (t -1)c p,c 21=35000 x4.17x103(t -20) = 4.71 x 10536002解出 匕=31.6 C求Atm苯 80.1 一 80.131.6 6 2090t48.560.1t =些泮 oc = 54.1C m 60.1In48.5勺 Q4.71 x 105S =m2 = 19.3m2

14、KZ450 x 54.110.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 一 75水 65 30t5545ZL ln2 t12 *1 = 55 - 45 OC = 49.8CIn5545=.65-30 = 0.389T -1120 - 30120 7565 30=1.28611T - T R = 12t t查圖5-11 (a)得中=0.875t =p、 = 0.875 x 49.8C = 43.6C11.某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油

15、從105 C冷卻至70 C。已知油的流量為6 000 kg/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：兩流體呈逆流流動(dòng)；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/(m2- C)；油的平均比熱容為1.9 kJ/(kgC)，水的平均比熱容為4.17 kJ/(kgC)。熱損失可忽略。解：本題采用 NTU法計(jì)算(1)逆流時(shí)W。= 6000 x 2.9 x 103 W oc = 3166.7 W. C h ph 36002000minC2316/7 0.7323166.7max

16、(NTU)minKS 300 x10 1.295 2316.7min查圖得 0.622Q = C(T -1)min 11=0.622 x 2316.7 x (105 - 22)W = 1.196 x 105WT = T -1Wh c h105 - 1-196 x 1053166.7C = 67.2C 70C能滿足要求x 4.17 x 103 W C = 2316.7 W.Cpc3600(2)并流時(shí)C 0.732(NTU) .=1.295查圖得e = 0.526Q 0.526 x 2316.7 x (105 22M =1.011 x 105W1.011x105105 -3166.7C = 73.

17、1C 60d. 0.02Re、Pr及L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)算或。 di水被加熱，取n=0.4，于是得a = 0.023也Re0.8Pr0.4 = 0.023x 0,6176 x(3.73x 104).8 x5.420.4 W (n2 C)= 6345W (n2 C) d0.0214.溫度為90 C的甲苯以1500 kg/h的流量流過直徑為457mmx3.5 mm，彎曲半徑為0.6 m的蛇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t b1 +1 b2 = 90 + 30 C = 60C22由附錄查得60 C時(shí)甲苯的物性為p

18、 = 830 kg/m3，Cp=1840 J/(kgC)，=0.4x10-3Pas，久=0.1205W/(mC)， or_ c 四 1840 x0.4x10-30.1205P r = = 6.111500m. s = 0.256 m sp - d23600 x 830 x - x 0.0524 i4Re = diUbP = .05 X .256 X 830 = 26539P0.4 x 10-3(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,da = a (1+1.77-i)R式中a，彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W，(

19、m2-oC)；a 一直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W (m2-oC)；d.管內(nèi)徑，m；R一管子的彎曲半徑，m。入a = 0.023 Re0.8 Pr0.46.110.4 W2 .oc)= 395.5W2 -oc)d.=0.023x 0.1205 x 26539.30.8 x 0.05d、 a = a 1 +1.77 r=395.5 x 1 +1.77 x 0050.6 )W (n2 - oc)= 35.6W. (n2 -oc)15.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7mmx3.5mm，長(zhǎng)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

20、數(shù)。解：空氣的定性溫度為b = 土蘭 oc = 50c22由附錄五查得50 oc時(shí)空氣的物性為wu =b np d 24 .p = 1.093 kg/m3，=1005 J/(kgC)m=1.96x10rPas=0.0283W/(m-c)，Pr=0.698m/s = 8.50ms3600 x x 0.05240.05x 8.5x 1.093”山、云、=23679.5 (湍流)1.96 x 10-5入a = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4W. (n2 -oc)= 35.6W. (n2 -c)d.=0.023 x 0,0283 x(23679.3)0.8 x 0.6980.40.0516 .

21、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m,空氣流量為4x104m3/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/m3，G=1013 J/(kgC)m=2.37x10rPas=0.0349W/(mC)，Pr=0.694采用凱恩(Kern )法，即Nu = 0.36R e0.55 P r“ 中(5-63)w或a= 0.36 (e )0.55 P n 3 (-)0.14(5-63q)d 日曰傳熱當(dāng)量直徑d可根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計(jì)算。e管子為正方形排列，則兀 4( 2d 2)d =endo式中相鄰兩管的中心距，m

22、；Do管外徑，m。代入t和do得4,12 - -d2 4f0.0512 - - x 0.0382d = - = 4 m = 0.049mendn x 0.038o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dA = zD (1-) t式中z一兩擋板間的距離，m；D一換熱器的外殼內(nèi)徑，m。代入z、D、t和do得A = zd1 -=1.45 x 2.8 x(1 -0.0380.051m2 = 1.03m2u = V = 4 X104 m.s = 10.74 m. s A 3600 x 1.03上述式中的甲w對(duì)氣體可取為1.0。以=0.36 ()0.55Pri3(史)0.

23、14d 日 F=0.36 X 00349 xf 0.049 x10.。4 x0.854 0.55 X 0.68413 W2 代)=50州妃 W) 0.049 2.37 x 10-5J17.將長(zhǎng)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t =+1 = 98 +100 OC = 99C f 22TOT由附錄六查得99 C時(shí)水的物性為p=958.5 kg/m3, =4220 J/(kgC)，=28.41x10rPas，4=0.683W/(mC)，Pr=1.762由附錄八查得100 C時(shí)飽和蒸氣的物性為r =

24、 2258kJ/kg， P = 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得以=1.13P. - P)gr4RL(tsat -1w ) J958.5 x(958.5 0.597 )x 9.81 x 2258 x 103 x 0.683328.41 x 10-5 x 0.4 x(100 - 98) =1.468 x 104 W .2 - C)=1.13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14 W. (m - C)Q =aS(t -1 )= 1.468 x 104 x 0.4x 0.4x 2 x(100 - 98)W = 93

25、952W冷凝液的質(zhì)量流率為Q 93952w = 一 =kg. s = 4.16 x 10-2 kg. sr2258 x 103單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為r = - = 4.16 x10-2 kg. s = 5.2 x 10-2 kg Cm - s)P 2 x 0.44r4 x 5.2 x 10 -2Re =一 = 693.3 104旦54.94 x 10-5二3.5464.78 x10-2c 旦 4.174 x1000 x 54.94 x 10-5 Pr = X應(yīng)用公式5-58a進(jìn)行計(jì)算X a = 0.023 Re0.8 Pr0.4 d i=0.023 x 0.6478 x 21582

26、0.8 x 3.530.4 0.02K = -17上 + + R d ad a.W. (m C)= 3627W： (m - C)1+Si d 5000 20 x 3627+ 6 x 104 x 癸20W Cn2 -C)= 772.4W.： Cn2 - C)(a)(b)(2) Q = KSAt = WC (t t)Q = KS At = WC (tf-1)pc(b)式：(a)式，得mKAtmt tK =t t Att -1At 1m K = 1， t2t -t21-I T -1 ln1T -1In rt T t=596.2 W(n2 - C)t -121I T -1 ln1T -t2K =；i

27、T t In1T t血133.3 - 20133,3-70 x 772.4W.，2 - C)i 133.3 20In 133.3 80K =上 + 土 + R，do 二 + 25 + R x 類 a d a si d 5000 20 x 3627 si 20=596.2 W (m2 - C)si21.=1.2 x 10-3 m2 -C W在一套管換熱器中，用冷卻水將4 500 kg/h的苯由80 C冷卻至35 C，；冷卻水在4 25mmx 2.5 mm的內(nèi)管中流動(dòng)，其進(jìn)、出口溫度分別為17 C和47 C。已知水和苯的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為850 W/(m2.C)和1 700 W/(m2.C),試求

28、所需的管長(zhǎng)和冷卻水的消耗量。解：苯的定性溫度tm1t +180 + 352C = 57.5C 257.5C時(shí)苯的定壓熱容為1.824 kJ/ (kg-C) 水的定性溫度t =工=177 C = 27C m2 2227C時(shí)水的定壓熱容為4.176 kJ/ (kg- C) 冷卻水的消耗量Q = WC (T - T ) = WC (t -1) h ph 12 c pc 21W = WhT。)c c k -t.)4500 x 1.824 x(80 -35)4.176 x(47 -17)kg.h = 2948 kg; h管長(zhǎng)Q = KSAt = W c T - T )hph12K = 1 d 1 1oH a d a 1700 20 x 850 W (n2 .C)= 485.7 W.(n2 - C)oAt mo i i(80 - 47)-(35 -17 ) C = 24.75C80 - 47ln35 -17S = Wh Cph_12T - T ) 4500 x 1.824 x 103 x(80 - 35)m2 = 8.535m2KAtm3600 x 485.7 x 24.7522.某煉油廠擬采用管殼式換熱器將柴油從176C冷卻至65Co