化工原理传热习题及答案..

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,λ=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*** 1140w

2.(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, λ=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*** 1000w

3.(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λ=0.35w.m.K,则其厚度不低于_______。(注:大型容器可视为平壁) ***答案*** 91mm

4.(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,计算得到管壁对水的传热系数α=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,此时传热系数α=_____________.

***答案*** α=0.023(λ/d)Re Prα=3.81(kw.m.K)

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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表达式为_____________________.当管内水的流速为0.5m.s,计算得到管壁对水的传热系数α=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,此时传热系数α=________________.

***答案*** α=0.023(λ/d)Re Prα=5.26(kw.m.K)

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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)α的单位是_______。

***答案*** q=αA△t w.m.K

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7.(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*** 27.9K

8.(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15℃和30℃,此时传热平均温度差△t=_________. ***答案*** 41.6K

9.(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α.αλ的关系为_________.当间壁管规格为φ108×4mm,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/α+bd/λd+1d/αd 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*** 32.5℃

12.(3分)对流传热中的努塞特准数式是______, 它反映了______________

__________ ***答案*** Nαl/λ,对流传热过程几何尺寸对α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=α.A.△t,A表示为_____*** α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℃ 47.2℃

17.(4分)冷、热气体在间壁换热器中换热,热气体进口温度T400℃,出口温度T200℃,冷气体进口温度t50℃,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℃, 240℃18.(3分)一列管换热器,列管规格为φ38×3, 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=127×4π×0.038=60.6m F2=127×4π×0.032=51.1m

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19.(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 2

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20.(2分)进行换热的两流体,若α》α时,要提高K值,应设法提高_______;当αα时,要提高K值,应使_________________。 ***答案*** α;α与α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. α小的一侧

B. α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 R R

( C )。

A. R>(R+R)

B. R<(R+R)

C. R=(R+R)

D. 无法比较

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本题目有题图:

4.(2分)工业采用翅片状的暖气管代替圆钢管,其目的是( C )。

A. 增加热阻,减少热量损失;

B. 节约钢材、增强美观;

C. 增加传热面积,提高传热效果。

5.(2分)有一列管换热器,用饱和水蒸汽(温度为120 ℃)将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃,该换热器的平均传热温度差Δt B )。

A. -60/ln2.5;

B. 60/ln2.5;

C. 120/ln5

6.(2分)将1500 kg.h80℃的硝基苯通过换热器冷却到40℃,冷却水初温为30℃,出口温度不超过35℃,硝基苯比热为1.38kJ.kg.K B )。

A. 19800 kJ.h;

B. 82800 kJ.h;

C. 82800 kw;

7.(2分)对流传热是由(C )因素产生的。

A. 流体分子的热振动;

B.流体体内电子的移动;

C. 流体质点的位移、扰动。

8.(2分)法定计量单位中,属于国际热量计算单位的是( C )。

A. kw;

B. kcal;

C. J

9.(2分)热量传递的基本方式是( D )。

A. 恒温传热和稳态变温传热;

B. 导热给热和热交换;

C. 气化、冷凝与冷却;

D. 传导传热、对流传热与辐射传热

10.(2分)在比较多的情况下,尤其是液-液热交换过程中,热阻通常较小可以忽略不计的是( D )。

A. 热流体的热阻;

B. 冷流体的热阻;

C. 冷热两种流体的热阻;

D. 金属壁的热阻。

11.(2分)公式q=KAΔtΔt B )。

A.器壁内外壁面的温度差;

B.器壁两侧流体对数平均温度差;

C.流体进出口的温度差;

D.器壁与流体的温度差。

12.(2分)湍流体与器壁间的对流传热(即给热过程)其热阻主要存在于( C )。

A. 流体内;

B. 器壁内;

C. 湍流体滞流内层中;

D. 流体湍流区域内。

13.(2分)对一台正在工作的列管式换热器,已知α116w.m.Kα11600 w.m.K

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高传热系数(K),最简单有效的途径是(A )。

A. 设法增大α;

B. 设法增大α;

C. 同时增大αα

14.(2分)用饱和水蒸汽加热空气时,传热管的壁温接近( A )

A. 蒸汽的温度;

B. 空气的出口温度;

C. 空气进、出口平均温度

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15.(2分)在间壁式换热器内用饱和水蒸汽加热空气,此过程的总传热系数K值接近于( B ) A. α蒸汽 B. α空气 C. α蒸汽与α空气的平均值

16.(2分)对流传热仅发生在(C )中。

A. 固体

B. 静止的流体

C. 流动的流体

17.(2分)稳定的多层平壁的导热中,某层的热阻愈大,则该层的温度差( A )。

A. 愈大

B. 愈小

18.(2分)流体与固体壁面间的对流传热,当热量通过滞流内层时,主要是以( A )方式进行的。

A. 热传导

B. 对流传热

C. 热辐射

19.(2分)当壳体和管束之间温度大于50℃时,考虑热补偿,列管换热器应选用(B )

A. 固定管板式

B. 浮头式

C. 套管式

20.(2分)强化传热的主要途径是(B )。

A. 增大传热面积

B. 提高K值

C. 提高△t

三、判断题:

1.(2分)凡稳定的圆筒壁传热,热通量为常数。( ) ×

2.(2分)传导和对流传热的传热速率与温度的一次方之差成正比,而辐射的传热速率与温度的四次方之差成正比。()√

3.(2分)凡稳态的园筒壁传热过程,单位时间单位面积所传递的热量相等。×

4.(2分)热量传递过程的规律与流体流动过程相似,流速越大,则其过程的阻力越大。×

5.(2分)当保温材料的厚度加大时,内外壁面的总温度差增大,总的热阻也增大,总推动力与总阻力之比为定值,即导热速率不变。()×

6.(2分)多层平壁导热过程中,传热总推动力为各壁面温度差之和。()√

7.(2分)无相变的折,错流换热器,其平均温度差△t)√

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8.(2分)换热器的导热管,应选用导热系数值大的材料。(√

9.(2分)导热系数是物质的一种物理性质(√

10.在列管换热器管间装设了两块横向折流档板,则该换热器变成为双壳程的换热器( X )

11.(2分)在稳定的多层平壁导热中,若某层的热阻较大,则这层的导热温度差就较小×

12.(2分)在对流传热中,传热管壁的温度接近α值小的哪一侧流体的温度(). ×

13.(2分)对于问壁两侧流体稳定变温传热来说,载热体的消耗量逆流时大于并流时的用量。()×

14.(2分)列管式热交换器内用饱和水蒸汽加热管程的空气,为提高换热器的K值,在管外装设折流挡板。()×

15.(2分)蛇管换热器是属于间壁式换热器的一种(√

16.(2分)列管换热器采用多管程的目的是提高管内流体的对流传热系数α)√

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17.(2分)维持膜状沸腾操作,可获得较大的沸腾传热系数。()×

18.(2分)为了提高间壁式换热器的传热系数K值,必须设法提高α值大的那一侧流体的对流传热系数。()×

19.(2分)强化传热的途径主要是增大传热面积()×

20.(2分)付立叶定律适用于流体与壁面间的传热计算。()×

四、简答题:

1.(8分)在化工生产中,传热有哪些要求?

传热一般有两方面的要求:

1、尽量使传热情况良好,即要求高的传热效率,以减少设备尺寸;

2、尽量避免传热,即保温或保冷。

2.(10分)传导传热,对流传热和辐射传热,三者之间有何不同?

传导热是固体或静止流体的分子运动或分子振动传递热量。对流传热则是流体质点发生相对位移来传递热量, 辐射传热是高温物体以电磁波形式向空间发射能量来传递热量。

3.(10分)试述对流传热的机理?

热流体流过管道时, 在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡, 使质点强烈混合而交换热量,温度较均匀,几乎不存在温度梯度;但在紧靠管壁,有一层很薄的作层流流动的流体层(层流底层),在这层薄层内,热量传递以导热方式进行,从微观上言,是靠分子传递。由于流体的导热系数很小,故热阻丝要集中层流底层内。对管内层流流动,热量传递也是主要靠导热。但由于温度存在(轴向的,径向的),有密度差,会引起质点的对流,比较复杂。

4.(8分)强化传热过程应采取哪些途径?

根据q=K.A.△t, 指任一个K、A、△t

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(1) 增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管;(2)增大传热温差△t

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可采用逆流操作,因为当T T t t t大;

(3)提高传热系数K由

K=1/(1/α1/αΣ(δ/λ

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提高ααδ,都能强化传热,要提高α由单层改为多层,或在壳程中增设档板,对于蛇管中,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物(强化圈)在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。

5.(4分)传热有哪几种方法?各有何特点?试就锅炉墙的传热分析其属哪些传热方式?

传导、对流、辐射

导热--分子原位振动,电子定向流动。

对流--流体质点流动与混合。

锅炉壁为导热,外壁对烟气为对流,火焰和炉墙的热辐射。

6.(4分)为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作?

操作可以获得较大的平均传热温度差,从传递相同热负荷言,须较小的传热面积,节省设备费用。此外,逆流热流体出口温度T t

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流体而言,逆流体出口温度t T

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就加热剂或冷却剂用量考虑,逆流操作费小。

7.(4分)什么是稳定传热和不稳定传热?

在传热过程中,传热面上各点的温度不随时间变化,称为稳定传热。稳定传热时,传热速率为定值。

反之,若传热面上各的温度随时间而变,则为不稳定传热。不稳定传热时,传热速率也随时间而变。

8.(5分)导热系数受哪些因素影响?现有建筑砖(ρ=1800kg.mρ=700 kg.m

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材料,哪种保温性能好?

组成:纯物质的导热系数好;

结构:结构致紧、密度大的材料导热系数大;

温度:一般温度升高,非金属固体导热系数增大。

煤灰砖的保温性能好。

9.(2分)多层平面壁的导热速率是怎样计算的?

Q/A=(Δt+Δt+Δt+...)/(b/λ+b/λ+b/λ+...)

10.(3分)题号4206 第4章知识点 100 难度中等

多层园筒壁的导热速率是怎样计算的?

Q=2πL(Δt+Δt+...)/(ln(r/r)/λ+ln(r/r)/λ+...)

11.(4分)说明流体流动类型对给热系数的影响。

流体为层流时,传热是以导热方式进行的。则此时给热系数较小。当为湍流时,传热是以对流方式进行的,此时给热系数增大。所以流体的传热,多在湍流情况下进行。

12.(6分)给热系数受哪些因素影响?

流动类型:湍流时的给热系数大。流体的物性:粘度μ、密度ρ、比热Cp,导热系数λ均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置:管子的排列、折流都是为了提高给热系数。流体的对流情况,强制对流比自然对流的给热系数大,流体在传热过程有无相变,有相变α大。

分析α=0.023λ/d.Re.Pr

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13.(3分)提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧?

当忽略金属壁面的导热热阻时,

1/K=1/α+1/α=(α+α)/(αα)

若α>>α,则α+αα∴K≈α

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即K接近α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=λ.A.(t-t)/δ

B. Q=α.A.(T-T)

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=δ/λ或R=δ/A ×λ

B式:R=1/α或R=1/α×A

17.(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 t Q=KA△t,当K、A一定时,△t Q↑,对现有的换热器来说,可提高生产能力。当Q、K一定时,△t 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。

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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λw.m.K,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

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Q=2πλ(t1-t2)/ln(r2/r1) ∴t2=t1-Q ln(r2/r1)/(2πλ)

=t1-Q/λ[ln(0.13/0.05)/(2×3.14)

=t1-0.152Q/λ

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0.582[w.m.K],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?(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/λ1)

∴b1=λ1(t1-t2)/q=1.163(1000-800)/930=0.25m

跨过三层砖的热通量为:

q=(t1-t4)/[(b1/λ1)+(b2/λ2)+(b3/λ3)]

b2=[(t1-t4)/q-b1/λ1-b3/λ3]λ2

=[(1000-83)/930-0.25/1.163-0.1/0.582]×0.233 =0.14m,

跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/λ3,

t3=q.b3/λ3+t4=930×0.1/0.582+83=243℃

3.(15分)在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h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. kg K, 基于传热外面积的总传热系数K=2000w.m K,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 T T W t t

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3500×2.38×(100-60)=W 4.174×(50-40)

∴W7982kg.h

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Δt50-20)/ln(50/20)=32.75

Δt60-10)/ln(60/10)=27.9

Q=KAΔt Q=333200kJ.h

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A逆=333200×10/(2000×32.75×3600)=1.41m

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πd 1.41 3.14×0.18×l=1.41

∴l=2.5 m

A并=333200×10/(2000×27.9×3600)=1.66 m

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3.14×0.18×l=1.66

∴l=2.93 m

4.(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.K10℃, 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。

⑴ Q/L=2π(120-115)/[1/λ(ln(75/55))]=4545

(1/λ)ln(75/55)=2×3.14(125-115)/4545=0.00691

∴λ=44.9w.m.K

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⑵设外加石棉层厚度为δ

则:Q'/L

=2×3.14(120-10)/{(1/44.9)[ln(75/55)]+(1/0.15)ln(75+2δ)/75}

=4545×0.0387=175.9w.m

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690.8=175.9{0.00691+(1/0.15)ln[(75+2δ)/75]}

解得: δ=30mm (石棉层厚度)

⑶设钢管和石棉层接触面间的温度为t2'

则: 2×3.14(120-t2')/[(1/44.9)ln(75/55)]=175.9

解得: t2'=119.8℃

5.(12分)φ120×5mm的蒸汽管外拟包一层保温材料,其导热系数为0.07w.m.K

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度为110℃,管壁导热系数为45w.m.K20℃,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

qt t/(ln(r/r/(2π

λ/r/(2πλ

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将r0.06m,r0.055m,r0.06+δ

λ0.07w/(m·K),λ45w/(m·K),q60w/m

t110℃,t20℃代入上式

60=(110-20)/(ln(0.06/0.055)/(2π×45)+ln(r/0.06)/(2π

×0.07))

=90/(0.00031+(lnr+2.813)/0.4398)

解得r0.116m,

δ=0.116-0.06=0.056m=56mm

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K=100w.m.K

化工原理传热习题及答案..

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:W80-20)=KAΔt (1)

Δt80-20)/ln(80/20)=43.28℃

半年后:W70-20)=K AΔt (2)

Δt80-30)/ln(80/30)=50.98℃

(2)/(1)得:

(70-20)/(80-20)=KΔt/(KΔt

化工原理传热习题及答案..

=(K/100)×50.98/43.28

K70.75 w.m.K

化工原理传热习题及答案..

保持原生产能力,即 KAΔt K AΔt

化工原理传热习题及答案..

Δt KΔt/K100×43.28/70.75

=61.17℃

Δt T-20)-(T-80))/ln(T-20)/(T-80)

=61.17

∴ 60/61.17=ln(T-20)/(T-80)

∴2.667=(T-20)/(T-80)

T=115.8℃

7.(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φ25×2.5mm),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.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=msCp△T=1.4×2×10(150-100)

=1.4×10w

1/K=d/(αd)+1/α

化工原理传热习题及答案..

=0.025/(1160×0.02)+1/930=2.15×10

化工原理传热习题及答案..

K=464w.m.K

化工原理传热习题及答案..

冷却水用量 ms'=Q/[Cp'(t2-t1)]

=1.4×10/[4180(60-25)]

=0.957kg.s=3445kg.h

化工原理传热习题及答案..

△tm=[(150-60)-(100-25)]/ln[(150-60)/(100-25)]=82.3℃

A=Q/(K tm)=1.4×10/(464×82.3)=3.67m

化工原理传热习题及答案..

l=A/(πd)=3.67/(π×0.025)=46.7m

10.(16分)用一传热面积为3mφ25×2.5mm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.h1200kg.h ,其比热分别为4.18kJ.kg.K 2.0kJ.kg.K;水侧和油侧的对流传热系数分别为2000w.m.K 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?(假设传热系数不变)

(1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

化工原理传热习题及答案..

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+240000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20)

K1=2 16.2w.m.K

化工原理传热习题及答案..

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(216.2×3600×110)

=2.8 m<3m故适用

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×216.2)=3.45m>3m

化工原理传热习题及答案..

不适用

11.(10分)采用传热面积为4.48m,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,80℃冷却至30℃, 水溶液由20℃被加热到30℃。忽略热损失。试求:传热系数K

(1)由 Q=K.A△tm 式求 K

其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/3600×1.88×10(80-5

0)=56400w

ΔtΔtΔt/ln(Δt/Δt

化工原理传热习题及答案..

=[(80-30)-(50-20)]/ln[(80-30)/(50-20)]

=39.2℃

∴ 56400=K×4.48×39.2

解得 K=321w.m.℃

化工原理传热习题及答案..

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.K16℃及5000kg.h(内径为50mm)作湍流流动,其对流传热系数为1740w.m.K 4.19kJ.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:

q=Gr=W.Cp(t出-16)∴t出=Gr/(W.Cp)+16)

=2000/3600×363×10/5000/3600×4.19×10+16

=50.65℃

取K=1/[(1/1740)+(1/14000)]=1548w.m.K

化工原理传热习题及答案..

q=Gr=2000/3600×363×10 2.02×10w

Δt1 =110-16=94℃, Δt2 =110-50.65=59.35℃

Δtm =(Δt1 +Δt2 )/2=(94+59.35)/2=76.8℃

又q=KAΔtm =KπdlΔtm

∴管长l=q/(KπdΔtm )

=2.02×10 /(1548×3.14×0.05×76.8)=10.82m

(2)水温升高(忽略物性变化)

传热面积A=πdl=3.14×0.05×10.8=1.7m

化工原理传热习题及答案..

q'=KA△tm' 其中q'=5000/3600×4.19×10(t'-25)

△tm'=[(110-25)+(110-t')]/2=97.5-0.5t'

∴ 5000/3600×4.19×10(t'-25) =1548×1.7(97.5-0.5t') , 解得 t '=56.4℃

q'=5000/3600×4.19×10(56.4-25)=1.83×10w

(q-q')/q×100%==9.4%

13.(14分)某厂在由177根φ25×2mm, 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,将管内作湍流流动的常压乙烯气体加热。已知乙烯气体流量为0.6kg.s

化工原理传热习题及答案..

为20℃,在操作条件下的密度为1kg.m 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λ=0.04, 试确定该换热器最多能允许通过多少kg.s?

(1) Q=wCP (t2 -t1 )=0.6CP (t2 -20)

Q=KAΔtm

Ai =nπdi L=177π×0.021×3 =35.014 m

化工原理传热习题及答案..

∵αi<<αo Ki =1/(1/α1 +1/α2 )

=1/(1/53+1/8000)=52.65 w.m.K

化工原理传热习题及答案..

则 0.6×1.84×10^3×(t2 -20)=52.65×35.014×(t2 -20)

/ln(132.9-20)/(132.9-t2 )

ln(112.9/(132.9-t2 ))=1.668

112.9/(132.9-t2 )=5.304

704.89 - 5.304t2 =112.9 ∴t2 =111.61℃

(2)ΔP=0.01 kgf/cm=0.01×9.804×10

化工原理传热习题及答案..

=9.807×10Pa

ΔP=λl/d×U /2×ρ=0.04×5.5/0.021×U/2×1

9.807×10=0.04×5.5/0.021×U/2

∴ U=13.68 m.s

化工原理传热习题及答案..

w=nπ/4 di Uρ

=177×0.785×0.02113.68

=0.8389 kg.s=0.84kg.s

化工原理传热习题及答案..

14.(10分)在单程逆流列管式换热器中用水冷却空气, 水和空气的进口温度分别为20℃及110℃, 在换热器使用的初期,冷却水及空气的出口温度分别为45℃及40℃, 使用一年后,由于污垢热阻的影响,在冷热流体的流量及进口温度不变的情况下, 冷却水出口温度降至38℃。热损失可以忽略不计。求(1)空气出口温度变为多少? (2)总传热系数为原来的多少倍?

(1)初期 m1 CP1(110-40)= m2 CP2(45-20)= K AΔtm

一年后 m1 CP1(110-T2' )= m2 CP2(38-20)= K' AΔtm '

(110-T2 ' )/(110-40) =(38-20)/(45-20)

解出 T2 ' =59.6℃

(2)Δtm =((110-45)-(40-20))/ln(65/20)= 38.2℃

Δtm ' =((110-38)-(59.6-20))/ln(72/39.6)=54.2℃

(38-20)/(45-20)=(K' /K)×(54.2/38.2)

解出 K'/K=0.507

15.(10分)在换热器中,热水流量为2000kg.h3000 kg.h,热水进口温度T85℃,冷水进口温度t15℃,如要求将冷水加热到t40℃, 求采用并流和逆流时的平均温度差,冷、热水的平均比热可认为相等。

G C(T T G C(t t

化工原理传热习题及答案..

2000(85-T3000(40-15)

得T47.5℃

并流时 85℃→47.5℃

15℃→35℃

---------

70 12.5

Δt70-12.5)/(ln70/12.50)=33.4℃

逆流时 85℃→47.5℃

35℃←15℃

50 32.5

Δt50+32.50)/2=41.25℃

16.(15分)在内管为φ160×10mm的套管换热器中, 将流量为3500kg.h,从100℃冷却到

60℃,其平均比热 C 2.38 kJ.kg.K,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热C 4.174kJ.kg.K,基于传热外面积的总传热系数K=2000w.m.K,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:

wT T t t

化工原理传热习题及答案..

3500×2.38×(100-60)=w 4.174×(50-40)

∴w7982kg.h

化工原理传热习题及答案..

Δt50-20)/ln(50/20)=32.75

Δt60-10)/ln(60/10)=27.93

Q=KAΔt Q=3500×2.38×(100-60)=333200kJ.h

化工原理传热习题及答案..

A逆=333200×10/(2000×32.75×3600)

=1.41m

化工原理传热习题及答案..

πd 1.41

3.14×0.16×l=1.41 ∴l=2.81m

A并=333200×10/(2000×27.93×3600)

=1.66 m

化工原理传热习题及答案..

3.14×0.16×l=1.66 ∴l=3.3 m

17.(15分)在内管为φ189×4.5mm的套管换热器中,将流量为3500kg.h 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℃,平均比热水为4.17kJ.kg.K K=2500 w.m.K,设其值恒定,忽略热损失。试求:(1)冷却水用量;(2)分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。

冷却水用量

Wh CP h (T1 -T2 )=Wc CP c (t2 -t1 )

3500×2.38×(100-60)=Wc× 4.17×(50-40)

Wc =7990kg.h

化工原理传热习题及答案..

Δt逆=(50-20)/ln(50/20)=32.75℃

Δt并=(60-10)/ln(60/10)=27.91℃

Q=KAΔtm Q=7990×4.17×(50-40)=3.332×10kJ.h

化工原理传热习题及答案..

∴A逆=3.332×10/[(2500/1000)×32.75×3600]=1.13(m)

πd0 l=1.13

3.14×0.18×l=1.13 ∴l逆=2 (m )

A并=3.332×10/[(2500/1000)×27.91×3600]=1.33 (m)

3.14×0.18×l并=1.33 ∴l并=2.35 (m )

18.(16分)用一外表传热面积为3mφ25×2.5mm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

化工原理传热习题及答案..

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.K200w.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?(假设传热系数不变) (1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ.h

化工原理传热习题及答案..

Q2=Q1,

t2=t1+Q1/(m2·Cp2)=10+24000/(1000×4.18)=67.4℃

△tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃

1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/200+25/(2000×20)

K1=1 77.8w.m.K

化工原理传热习题及答案..

A1=Q1/(K△tm) =240000×10/(177.8×3600×110)

=3.4 m>3m故不适用

(2) t1=30℃时

t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃

△tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃

A1=240000×10/(3600×89.6×177.8)=4.195m>3m

化工原理传热习题及答案..

不适用

19.(12分)一套管换热器,外管为φ83×3.5mm,内管为φ57×3.5mm的钢管, 有效长度为 60m。用 120℃的饱和水蒸汽冷凝来加热内管中的油.蒸汽冷凝潜热为2205kJ.kg6500kg.h,比热为2.2kJ.kg.K,进口温度为30℃,出口温度为80℃。试求: (1)蒸汽用量;(不计热损)(2)传热系数;

(1)蒸汽用量 Q放=W.r=2205×W kJ.h

化工原理传热习题及答案..

Q吸=W' CP(t出-t入)

=6500×2.2×(80-30)=7.15×10kJ.h

化工原理传热习题及答案..

Q放=Q吸

∴w=7.15×10/2205≈324kg.h

化工原理传热习题及答案..

(2)传热系数的计算由Q=KAΔtm

Δtm =((120-30)-(120-80))/ln((120-30)/(1 20-80))

=50/ln(90/40)=61.66℃

∴ Ki=Q/AiΔtm

=7.15×10/[60×π×(50/1000)×61.66]

≈1231 kJ.h.m.℃

=342 (w.m.K)

20.(10分)有一逆流热交换器,将1.25 kg.s77℃冷却至27℃,苯的平均比热Cp为1.88 KJ.kg .K25℃和47℃。换热器采用φ25×2.5 mm的钢管,水在管内,苯在管外,水和苯的传热膜系数分别为α850w.m.Kα1700w.m.Kλ=49w.m .K

化工原理传热习题及答案..

q=CpG(t-t)=117.5 KJ/S

W=117.5/[4.187×(47-25)]=1.276 kg.S

化工原理传热习题及答案..

Δt=[(77-47)-(27-25)]/[ln(30/2)]=10.34 ℃

1/K=1/α+1/α+δ/λ

K=550.7 w.m.K

化工原理传热习题及答案..

A=q/K.Δt=20.635 m

化工原理传热习题及答案..

L=A/πdm=292.1 m

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