化工原理传热习题及答案(共12页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上化工原理习题及答案第五章 传热 姓名_班级_学号_成绩_一、填空题:1.(6分) 某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500, 而环境温度为20, 采用某隔热材料,其厚度为240mm,=0.57w.m.K,此时单位面积的热损失为_。(注:大型容器可视为平壁)*答案* 1140w2.(6分) 某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500, 而环境温度为20, 采用某隔热材料,其厚度为120mm, =0.25w.m.K,此时单位面积的热损失为_。(注:大型容器可视为平壁)*答案* 1000w3.(6分) 某大型化工容器的外

2、层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为150, 而环境温度为20,要求每平方米热损失不大于500w, 采用某隔热材料,其导热系数=0.35w.m.K,则其厚度不低于_。(注:大型容器可视为平壁) *答案* 91mm4.(6分)某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为_.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为0.8m.s时,此时传热系数=_. *答案* =0.023(/d)RePr =3.81(kw.m.K)5.(6分)某间壁换热器中,流体被加热时,圆形管内湍流的传热系数

3、表达式为_.当管内水的流速为0.5m.s时,计算得到管壁对水的传热系数=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为1.2m.s时,此时传热系数 =_. *答案* =0.023(/d)RePr =5.26(kw.m.K)6.(3分)牛顿冷却定律 的表达式为_,给热系数(或对流传热系数)的单位是_。 *答案* q=At w.m.K7.(4分)某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90和50,冷流体的进出口温度为30和40,此时传热平均温度差t=_. *答案* 27.9K8.(4分) 某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90和50,冷流体的进出

4、口温度为15和30,此时传热平均温度差t=_. *答案* 41.6K9.(2分)热量传递的方式主要有三种:_、_ *答案* 热传导 热对流 热辐射10.(6分)圆筒壁总传热系数K与间壁两侧对流传热系数.以及间壁导热系数的关系为_.当间壁管规格为1084mm,导热系数为45(w. m.K)时,管内外两侧给热系数分别为8000 (w.m.K)和1200(w.m.K)时,总传热系数K_. *答案* 1/K=1/+bd/d+1d/d; 946(w.m.K)11.(4分)某逆流操作的间壁式换热器中,热流体的进.出口温度为80和50,冷流体的进出.口温度为20和45,此时传热平均温度差t=_. *答案*

5、32.512.(3分)对流传热中的努塞特准数式是, 它反映了_ *答案* N/,对流传热过程几何尺寸对的影响。13.(4分)稳定热传导是指_不随时间而改变 *答案* 传热系统中各点的温度仅随位置变14.(2分)两流体的间壁换热过程中,计算式Q.A.,A表示为_* 一侧的换热壁面15.(2分)在两流体通过圆筒间壁换热过程中,计算式Q=K.A.t中,A表示为_。 *答案* A 泛指传热面, 与K 相对应16.(3分)两流体进行传热,冷流体从10升到30,热流体从80降到60,当它们逆流流动时, 平均传热温差tm=_,当并流时,tm=_。 *答案* 50 47.217.(4分)冷、热气体在间壁换热器

6、中换热,热气体进口温度T400,出口温度T为200,冷气体进口温度50,两股气体的质量流量相同,物性数据可视为相同,若不计热损失时,冷气体出口温度为_;若热损失为5时,冷气体出口温度为 *答案* 250, 24018.(3分)一列管换热器,列管规格为383, 管长4m,管数127根,则外表面积F=_, 而以内表面积计的传热面积F *答 F1=12740.038=60.6m F2=12740.032=51.1m19.(2分)当水在圆形直管内作无相变强制湍流对流传热时,若仅将其流速提高1倍,则其对流传热系数可变为原来的_倍 220.(2分)进行换热的两流体,若时,要提高K值,应设法提高_;当时,要

7、提高K值,应使_。 *答案* ; 与同时提高二、选择题:1.(2分)间壁传热时,各层的温度降与各相应层的热阻( A ) A. 成正比 B. 成反比 C. 没关系2.(2分)翅片管换热器的翅片应安装在( A )。 A. 小的一侧 B. 大的一侧 C. 管内 D. 管外3.(2分)穿过三层平壁的稳定导热过程,如图所示,试比较第一层的热阻 R与第二、三层热阻R、R的大小( C )。 A. R(R+R) B. R,则+ K 即K接近小的数值。14.(4分)说明列管式换热器的基本结构。 由壳体、管束、管板、封头等组成。 16.(6分)有以下传热公式 A. Q=.A.(t-t)/ B. Q=.A.(T-T

8、) 回答下列问题: (1)在什么传热情况下,可利用以上公式进行计算? (2)写出以上公式中,热阻的表达式 (1)A、B两公式均应用在稳定传热下传热速率的计算。公式A为物质内部传导的传热速率计算。公式B为物质表面与流体间对流传热的传热速率计算。 (2)A式:R=/或R=/A B式:R=1/或R=1/A17.(8分)换热器的散热损失是如何产生的?应如何来减少此热损失? 由于换热器外壁面温度往往高于周围外界空气的温度,外壁面不断通过对流和辐射传将热量传给换热器周围的空气而散失,即产生散热损失。为了减少散热损失,一般在换热器外壁面上包上一层(或两层)导热系数较小的绝热材料(或不同的两种导热系数较小的绝

9、热材料),使传热热阻增大,外壁面温度降低,从而减小了散热损失。18.(6分)列管换热器由哪几个基本部分组成? 主要由壳体、管束、管板和顶盖(又称封头)等基部分组成。壳体和管束作为冷热两流体的流动空间,通过管壁进行换热。管束安装在管板上,通过管板使管束与壳体连成一体。顶盖(封头)上有管程流体进出口,且有分程、密封,封头可拆卸,便于管子清洗等作用。19.(8分)当间壁两侧流体稳定变温传热时,工程上为何常采用逆流操作?并简要定性分析主要原因。 因为逆流操作有较高的经济效益。主要原因可由以下两方面分析:(1)当T、T、t、t四个温度一定时,逆流操作的t比其它流向大。根据:Q=KAt,当K、A一定时,t

10、则Q,对现有的换热器来说,可提高生产能力。当Q、K一定时,t则A,对生产能力要求一定时,新设计制造换热器由于A较小,设备尺寸可减小,节省投资费。(2)一般逆流操作的正常操作费比其它流向要少。逆流操作时,载热体用量比其它流向的要小,降低能耗,提高了经济效益。20.(8分)有一高温炉,炉内温度高达1000以上,炉内有燃烧气体和被加热物体,试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。 炉内以对流和辐射并联联合传热,将热量传给炉的内壁面。在炉壁内通过传导传热,将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面,它与炉内对流与辐射传热相串联。炉外通过对流与辐射并联联合传热,将热量从炉的外壁面传到大气中,它与炉壁内的传导传热

11、相串联,所以该传热过程的特点是:(1)传导、对流、辐射三种传热方式同时存在;(2)并联、串联的联合传热同时存在。五、计算题:1.(8分)外径为100mm的蒸汽管外包一层厚 80mm、导热系数为w.m.K的绝缘材料,管外壁温度为t,每米管长的热损失为Qw.m,试求绝热层外壁温度t(设管外壁与绝热层接触良好) Q=2(t1-t2)/ln(r2/r1) t2=t1-Q ln(r2/r1)/(2) =t1-Q/ln(0.13/0.05)/(23.14) =t1-0.152Q/ 2.(14分) 某平壁炉的炉壁由耐火砖,绝热砖和普通砖组成,它们的导热系数分别为1.163,0.233和0.582w.m.K,

12、为使炉内壁温度保持1000, 每平方米炉壁的热损失控制在930w以下,若普通砖厚度取为10cm,炉外壁温度为83,求:耐火砖和绝热砖厚度各为多少?绝热砖和普通砖交界面温度t为多少?(假设绝热砖与耐火砖交界面温度为800) 设耐火砖厚度b1, 绝热砖厚度b2 跨过耐火砖的热通量为: q=(t1-t2)/(b1/1) b1=1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m 跨过三层砖的热通量为: q=(t1-t4)/(b1/1)+(b2/2)+(b3/3) b2=(t1-t4)/q-b1/1-b3/32 =(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582

13、0.233 =0.14m,跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/3, t3=q.b3/3+t4=9300.1/0.582+83=2433.(15分)在内管为18010mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h的某液态烃从100冷却到60,其平均比热为2.38kJ.kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40和50,平均比热为4.174kJ. kgK, 基于传热外面积的总传热系数K=2000w.mK,且保持不变.设热损失可以忽略。试求:(1)冷却水用量;(2)计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。 冷却水用量:W(TT)W(tt) 35002.38(10060)W4.174(504

14、0) W7982kg.h t逆(5020)/(50/20)32.75 t并(6010)/(60/10)27.9 QKAt QkJ.h A逆10/(200032.753600)1.41m 1.41 3.140.181.41 2.5 m A并10/(200027.93600) 1.66 m 3.140.181.66 2.93 m4.(15分)已知一外径为75mm,内径为55mm的金属管,输送某一热的物流,此时金属管内表面温度为 120,外表面温度为115,每米管长的散热速率为4545w. m,求该管材的导热系数。为减少该管的热损失, 外加一层石棉层(导热系数为0.15w.m.K)此时石棉层外表面温

15、度为10, 而每米管长的散热速率减少为原来的3.87%,求石棉层厚度及钢管和石棉层接触面处的温度。 Q/L=2(120-115)/1/(ln(75/55)=4545 (1/)ln(75/55)=23.14(125-115)/4545=0.00691 =44.9w.m.K 设外加石棉层厚度为 则:Q/L =23.14(120-10)/(1/44.9)ln(75/55)+(1/0.15)ln(75+2)/75 =45450.0387=175.9w.m 690.8=175.90.00691+(1/0.15)ln(75+2)/75 解得: =30mm (石棉层厚度) 设钢管和石棉层接触面间的温度为t2

16、 则: 23.14(120-t2)/(1/44.9)ln(75/55)=175.9 解得: t2=119.85.(12分)1205mm的蒸汽管外拟包一层保温材料,其导热系数为0.07w.m.K。设蒸汽管的内壁温度为110,管壁导热系数为45w.m.K。要求保温层外壁温度不超过20,每米蒸汽管的热损失控制在60w以下,试计算保温层的最小厚度。 按多层圆筒导热 (tt)/(/)/(2)(/)/(2) 将0.06m,0.055m,0.06 0.07w/(mK),45w/(mK),60w/m t110,t20代入上式60=(110-20)/(ln(0.06/0.055)/(245)+ln(/0.06)

17、/(20.07) =90/(0.00031+(ln+2.813)/0.4398) 解得 0.116m, 0.1160.060.056m56mm 注:本题可简化不计管壁热阻。6.(20分)某列管换热器,用100水蒸汽将物料由20加热至80,传热系数K100w.m.K。经半年运转后,由于污垢的影响,在相同操作条件下物料出口温度仅为70, 现欲使物料出口温度仍维持80,问加热蒸汽温度应取何值? *答案* 原:W(8020)KAt (1) t(8020)/(80/20)43.28 半年后:W(7020)KAt (2) t(8030)/(80/30)50.98 (2)/(1)得: (7020)/(802

18、0)Kt/(Kt) (K/100)50.98/43.28 K70.75 w.m.K 保持原生产能力,即 KAtKAt tKt/K10043.28/70.75 61.17t(T20)-(T80)/(T-20)/(T-80) 61.17 60/61.17(T20)/(T80) 2.667(T20)/(T80) T115.87.(16分) 在一套管换热器中用水逆流冷却某种溶液,溶液量为1.4kg.s,比热为2kJ. kg.K,走内管(规格为252.5mm),从150 冷却到100 。冷却水走套管环隙,从25升温至60,水的比热为4.18kJ.kg.K。1. 已知溶液一侧的对流传热系数为1160w.m

19、.K,冷却水一侧的对流传热系数为930 w. m.K,忽略管壁和污垢的热阻及热损失, 求以传热外表面积为基准的总传热系数K 和冷却水的用量(kg.h)。 2.计算内管的外表面积和管长。 溶液放热 Q=msCpT=1.4210(150-100) =1.410w 1/K=d/(d)+1/ =0.025/(11600.02)+1/930=2.1510 K=464w.m.K 冷却水用量 ms=Q/Cp(t2-t1) =1.410/4180(60-25) =0.957kg.s=3445kg.h tm=(150-60)-(100-25)/ln(150-60)/(100-25)=82.3 A=Q/(Ktm)

20、=1.410/(46482.3)=3.67m l=A/(d)=3.67/(0.025)=46.7m10.(16分)用一传热面积为3m由252.5mm的管子组成的单程列管式换热器,用初温为 10的水将机油由200 冷却至100 ,水走管内,油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg.h和1200kg.h,其比热分别为4.18kJ.kg.K和2.0kJ.kg.K;水侧和油侧的对流传热系数分别为2000w.m.K和250w.m.K,两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。(1)计算说明该换热器是否合用? (2)夏天当水的初温达到30,而油的流量及冷却程度不变时,该换热器是否合用?(假设传热系数

21、不变) (1) Q1=12002(200-100)=kJ.h Q2=Q1, t2=t1+Q1/(m2Cp2)=10+/(10004.18)=67.4 tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110 1/K1=1/1+d1/(2d2)=1/250+25/(200020) K1=2 16.2.m.K A1=Q1/(Ktm) =10/(216.23600110) =2.8 m3m 不适用11.(10分)采用传热面积为4.48m单程管壳式换热器,进行溶剂和某水溶液间的换热.流量为3600kg.h,比热为1.88kJ.kg.K的苯,80冷却至30, 水溶液由20被加热到30。忽略热损失。试

22、求:传热系数K (1)由 Q=K.Atm 式 求 K 其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/360018810(80-50)=56400t(tt)/(t/t) (8030)(5020)/(80-30)/(50-20) 39.2 56400=K4.4839.2 解得 K=321.m. 12.(18分)某厂用一套管热交换器,每小时冷凝2000kg甲苯蒸汽,冷凝温度为110, 甲苯的汽化潜热为363kJ.kg, 其冷凝传热系数为14000w.m.K。冷却水于16及5000kg.h的流量进入套管内管(内径为50mm)作湍流流动,其对流传热系数为1740w.m.K。水的比热可取为4.19kJ

23、.kg.K :(1)试计算冷却水的出口温度及套管管长。(2)由于气候变热,冷却水进口温度升为25,试计算在水流量不改变的情况下,该冷凝器的生产能力的变化率。 (1)由热量衡算得: GW.Cp(t出16) t出G/(W.Cp)16) 2000/360036310/5000/36004.1910+16 50.65 取K1/(1/1740)+(1/14000)=1548w.m.K G2000/3600363102.0210w t1 1101694, t2 11050.6559.35 tm (t1 t2 )/2(9459.35)/276.8 又KAtm Ktm 管长/(Ktm ) 2.0210 /(1

24、5483.140.0576.8)10.82m (2)水温升高(忽略物性变化)传热面积A3.140.0510.81.7m q=KAtm 其中q=5000/36004.1910(t-25) tm=(110-25)+(110-t)/2=97.5-0.5t 5000/36004.1910(t-25) =15481.7(97.5-0.5t) , 解得 t=56.4 q=5000/36004.1910(56.4-25)=1.8310w (q-q)/q100%=9.4%13.(14分)某厂在由177根252mm, 长3m的钢管构成的单壳程单管程列管换热器内,用 132.9的饱和水蒸汽在管间冷凝,将管内作湍流

25、流动的常压乙烯气体加热。已知乙烯气体流量为0.6kg.s,进口温度为20,在操作条件下的密度为1kg.m,比热为1.84 kJ.kg.K,对流传热系数为53w.m.K,饱和水蒸汽冷凝传热膜系数为8000w.m.K,可忽略管壁及垢层热阻。(1)确定乙烯气体出换热器时的温度;(2)若乙烯气体通过换热器的压降要求不超过0.01 kgf.cm,通过换热器的总长度(包括局部阻力当量长度)为5.5m, 摩擦系数0.04, 试确定该换热器最多能允许通过多少kg.s的乙烯气体? (1) QCP (t2 -t1 )=0.6CP (t2 -20) QKAtm Ai i 1770.0213 =35.014 mio Ki 1/(1/1 1/2 ) 1/(1/53+1/8000)=52.65 .m.K则 0.61.84103(t2 -20)=52.6535.014(t2 -20) /(132.9-20)/(132.9-t2 )(112.9/(132.9-t2 )=1.668 112.9/(132.9-t2 )=5.304 704.89 - 5.304t2 =112.9 t2 =111.61(2) P0.01 kgf/cm=0.019.80410 =9.80710PaP/U /20.045.5/0.021U/21 9.80710=0.045

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