化工原理(第四版)习题解__第四章__传热
第四章 传 热
热传导
【4-1】有一加热器,为了减少热损失,在加热器的平壁外表面,包一层热导率为0.16W/(m·℃)、厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃,另测得距加热器平壁外表面250mm处的温度为75℃,如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。
解 t275℃, t330℃
计算加热器平壁外表面温度t1,0.16W/(m℃)
t1t2t2t3
12
习题4-1附图
t175753045
t10.2575300℃ 0.250.050.050.160.16
【4-2】有一冷藏室,其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率λ=0.043 W/(m·℃)。若外表面温度为28℃,内表面温度为3℃,试计算单位表面积的冷量损失。
解 已知t13℃, t228℃, =0.043W/(m℃) ,b003m., 则单位表面积的冷量损失为
q
b
t1t2
0.043
32835.8 W/m2 0.03
【4-3】用平板法测定材料的热导率,平板状材料的一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2,材料的厚度为0.02m。现测得电流表的读数为2.8A,伏特计的读数为140V,两侧温度分别为280℃和100℃,试计算该材料的热导率。
解 根据已知做图
热传导的热量 QIV2.8140392W
Q
Ab
(t1t2)
习题4-3附图
Qb3920.02
A(t1t2)0.02(280100)
2.18W/m℃
【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成:耐火砖层,热导率λ=1.05W/(m·℃),厚度℃);普通砖层,热导率λ=0.93W/(m·℃)。 b230mm;绝热砖层,热导率λ=0.151W/(m·
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃,绝热砖的耐热温度为940℃,普通砖的耐热温度为130℃。
(1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度,然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热
砖厚度为230mm,试确定绝热砖层的厚度。
(2) 若普通砖层厚度为240mm,试计算普通砖层外表面温度。 解 (1)确定绝热层的厚度b2
温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度q。
q
1
b1
(t1t2)
1.05
(1000940)274 W/m2 0.23
绝热砖层厚度b2的计算
q
2
b2
(t2t3)
习题4-4附图
b2
0.151
(940130)0.446 m 274
每块绝热砖的厚度为0.46m。 23m,取两块绝热砖的厚度为b20.2320.(2) 计算普通砖层的外侧壁温t4
先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度t3
t3t2
qb2
2740.46
105.3℃
0.151
2
940
t3小于130℃,符合要求。
通过普通砖层的热传导,计算普通砖层的外侧壁温t4。
q
t4t3
qb3
3
b3
(t3t4)
2740.24
34.6℃
0.93
3
105.3
【4-5】有直径为38mm2mm的黄铜冷却管,假如管内生成厚度为1mm的水垢,水垢的热导率λ=1.163W/(m·℃)。试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍[黄铜的热导率λ=110W/(m·℃)]。
解 因
38
2,因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管的热阻为 32
bb1
R铜1
1Am11dm1L
0.002
1100.036L
b2b2
2Am22dm2L
水垢的热阻为
R垢
0.001
1.1630.033L
习题4-5附图
0.001
R垢1.1630.033
51.6倍
R铜
1100.036
【4-6】某工厂用170mm5mm的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失,在管外包两层绝热材料,第一层为厚30mm的矿渣棉,其热导率为0.065W/(mK);第二层为厚30mm的石棉灰,其热导率为0.21W/(mK)。管内壁温度为300℃,保温层外表面温度为40℃。管路长50m。试求该管路的散热量。
解 ql
2(t1t4)
121314
lnlnln1r12r23r3
2(30040)
lnlnln45800.065850.21115
284 W/m
Qqll284501.42104W
14.2 kW
【4-7】水蒸气管路外径为108mm,其表面包一层超细玻璃棉毡保温,其热导率随温度t/℃的变化关系为0.0330.00023tW/(mK)。水蒸气管路外表面温度为150℃,希望保温
层外表面温度不超过50℃,且每米管路的热量损失不超过160W/m。试确定所需保温层厚度。
解 保温层厚度以b表示
ql2r
dtdt2(0.0330.00023t)r drdr
ql
qlln
r2
r1
t2dr
2(0.0330.00023t)dt
t1
r
r20.002322
20.033(t1t2)(t1t2) r12
已知t1150℃,t250℃, q160W/m
r10.054m,r2r1b0.054b
0.0663.14(15050)0.000233.14(1502502)
160
b
ln10.054
b20.7314.45
ln1
0.054160
解得保温层厚度为
b0.0133m13.3mm
保温层厚度应不小于
13.3mm
对流传热
【4-8】冷却水在19mm2mm,长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。水温由15℃升至25℃。求管壁对水的对流传热系数。
解 d0.015m, l2m, u1m/s, t115℃, t225℃ 水的平均温度 tm
t1t21525
20℃ 22
查得20℃时水的密度998.2kg/m3,黏度1.004103Pas,热导率λ=59.9×10-2
l2
W/(m·℃),普朗特数Pr7.02。13360
d0.015
雷诺数 Re
du
0.0151998.2
1.49104 湍流 3
1.00410
对流传热系数的计算,水被加热,Pr的指数n0.4
0.599
0.023Re0.8Pr0.40.023(1.49104)0.8(7.02)0.4
d
0.015
=4367 W/(m2·℃)
【4-9】空气以4m/s的流速通过75.5mm3.75mm的钢管,管长5m。空气入口温度为32℃,出口温度为68℃。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍,其他条件均不变,对流传热系数又为多少?(3)若空气从管壁得到的热量为578W,钢管内壁的平均温度为多少。
解 已知u4m/s, d0068.m l,5m t1,32℃ t2,68℃ (1)对流传热系数计算 空气的平均温度 tm
3268
50℃ 2
查得空气在50℃时的物性数据1.093kg/m3,
1.96105Pas, 2.83102W/(m℃), cp1.005kJ/(kg℃)
Pr0.698,空气被加热,Pr的指数n0.4
雷诺数
Re
du
0.06841.093
1.52104 湍流 5
1.9610
l573.560 d0.068
.8.04
对流传热系数 0.0R0ePr
d
2.83102
0.023(1.52104)0.8(0.698)0.418.4 W/(m2℃)
0.068
(2)空气流速增加一倍,对流传热系数'为
u''
u
0.8
2
18.4
1
0.8
32 W/(m2℃)
(3)若空气从管壁得到的热量为578W,计算钢管内壁平均温度 用式QA计算钢管内壁的平均温度tw。 (twtm)已知空气进出口平均温度 tm50℃
在第(1)项中已计算出对流传热系数 18.4W/(m2℃) 钢管内表面积为 Adl0.06851.07m2 钢管内壁平均温度 twtw
Q578
5079.4℃ A18.41.07
【4-10】温度为10℃、压力为101.3kPa的空气,以10m/s的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动,空气出口温度为30℃。列管式换热器的外壳内径为190mm,其中装有37根的19mm2mm钢管,钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气的对流传热系数。
解 已知空气压力10.1k3,温度t110℃, t230℃, Pa空气的平均温度 tm
1030
20℃ 2
查得空气在20℃的物性数据为:密度1.128kg/m3,比热容cp1.005103J/(kg℃),热导率2.76102W/(m℃),黏度1.91105Pas,普朗特数Pr0.699,空气被加热,Pr的指数n0.4
空气流动的截面积
0.194
2
370.0192
湿润周边 (0.19
4
)1937.00
当量直径 de
)
40.0255 (019.370019.)
l2
78.460 de0.0255
(019.2370019.2
已知空气的流速 u10m/s 雷诺数 Re
deu0.02551.0
=51.9110
11284
=1.51 1湍流0
对流传热系数
=0.023
de
RePr
0.8
0.4
2.761020.40.8
0.023(1.51104)0.699
0.0255
47.5 W/(m2℃)
【4-11】有一套管式换热器,内管为38mm2.5mm,外管为57mm3mm的钢管,内管的传热管长为2m。质量流量为2530kg/h的甲苯在环隙中流动,进口温度为72℃,出口温度为38℃。试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。
解
甲苯的温度 T172℃, T238℃,平均温度Tm
T1T27238
55℃ 22
甲苯在55℃的物性数据有:密度830kg/m3,比热容cp1.83103J/(kg℃),热导率λ=0.128W/(m·℃),黏度4.3104Pas
甲苯的质量流量 qm12530k g/ h
体积流量 qv1qm1/2530/8303.05 m3/h 甲苯在环隙中的流速u计算
套管的内管外径d10.038m,外管内径d20.051m, 流速 u3600
3.05
4
0.933 m/s
2
2
(0.0510.038)
甲苯对内管外表面的对流传热系数计算
套管环隙的当量直径 ded2d10.0510.0380.013m
l2
15460 d0.013
Re
deu
0.0130.933830
2.34104 湍流 4
4.310
1.831034.3104
Pr6.15
0.128
cp
甲苯被冷却 n0.3
0.023
de
Re0.8Pr0.3
0.80.1280.3
2.341046.15
0.013
1222 W/(m2℃)
0.023
【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由70℃冷却到30℃,蛇管由45mm2.5mm的钢管3根并联而成,蛇管的圈径为0.6m。若甲苯的体积流量为3m3/h,试求甲苯对钢管内表面的对流传热系数。
解 甲苯的温度T170℃, T2=30℃ 平均温度 Tm
7030
50℃ 2
甲苯在50℃时的物性数据为:密度836kg/m3,黏度4.4104Pas,热导率
0.129W/(m℃),比热容cp1.77103J/(kg℃)
甲苯在3根并联蛇管中的流速u计算
3
体积流量 qv3m,蛇管内径d0.0m/h4,
流速 u
qV
4
d23
3/3600
0.221m/s
0.785(0.04)23
雷诺数 Re
du
0.04.0221836
=1.68
4.4140
4
10湍流
1.771034.4104
普朗特数 Pr6.04
0.129
cp
弯管效应校正系数 R11.77对流传热系数计算 甲苯被冷却 n0.3
d0.04
11.771.24 R0.3
0.023Re0.8Pr0.3R
d
0.023
0.1290.32
℃) (1.68104)0.86.041.24379 W/(m·
0.04
【4-13】质量流量为1650kg/h的硝酸,在管径为80mm2.5mm、长为3m的水平管中流过。管外为300kPa(绝对压力)的饱和水蒸气冷凝,使硝酸得到3.8104W的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。
解 在计算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数时,需要知道管外表面温度tw。 如何假设tw?
水蒸气冷凝的值一般为5000~15000W/(m℃)
按题意,饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为Q3.8104W 取1000W/(m℃),估算壁温度tw
300kPa(绝对压力)时,水蒸气的饱和温度ts133.3℃。 用式QA(tstw)估算壁温度tw
Q3.8104
twts133.3128℃
A100000.083
先假设tw128℃ 定性温度为膜温 t
tstw13.3322
128
131℃
3
冷凝水膜的物性参数 934k g/m
2.16104Pas, 6.86101W/(m℃)
℃时水的比汽化热 r2168103 J/kg ts133.3℃
水蒸气在水平管外冷凝的值计算
2g3r
0.725
dt0
9349.81(6.8610)216810
0.725
2.161040.08(133.3128)
2
11558 W/(m℃)
2133
14
用式QA(tstw)计算Q值
Q115580.083133.312846164 W
此Q值大于硝酸吸收的热量,说明假设的tw偏小。 重新用11558W/(m2℃)估算tw。
Q3.8104
twts133.3=129℃
A115580.083
假设tw129℃
膜温 t
tstw13.33
22
129
131℃
与前面计算的膜温基本一样,故冷凝水膜的物性数据也一样,只是计算式中的
ttstw133.31294.3不同。
值计算
0.725
9349.81(6.8610)216810
4
2.16100.08(133.3129)
2
13
3
1
4
11216W/(m℃) 用11216W/(m2℃)验算壁温
Q3.8104
twts133.3129℃
A112160.083
与前面假设的相同。
【4-14】水在大容器内沸腾,如果绝对压力保持在p200kPa,加热面温度保持130℃,试计算加热面上的热流密度q。
解 p200kPa, ts120.2℃, tw130℃
ttwts130120.29.8℃
水沸腾的对流传热系数计算
0.123t2.33p0.50.1239.82.33200103
0.5
1.12104 W/(m2℃)
加热面上的热流密度q
q
Q
t1.121049.81.1105W/m2110kW/m2 A
两流体间传热过程的计算
【4-15】载热体的流量为1500kg/h,试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。(1) 100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水;(2)苯胺由383K降温至283K;(3)比热容为
3.77kJ/(kgK)的NaOH水溶液从290K加热到370K; (4)常压下20℃的空气加热到150℃;
(5)绝对压力为250kPa的饱和水蒸气,冷凝冷却成40℃的水。
解 qm
1500
kg/s 3600
(1) 水蒸气冷凝 比汽化热r2258kJ/kg 1500
放热量 Qq2258941 k Wmr3600
(2) 苯胺 平均温度 Tm
383283
333K 2
比热容 cp2.19kJ/(kg K)放热量 QqmcpT1T2=
1500
2.1938328391.3 kW 3600
(3) NaOH水溶液 比热容cp3.77kJ/kgK 吸热量 QqmcpT1T2(4) 空气加热平均温度tm
1500
3.77370290126 kW 3600
20150
85℃ 2
比热容 cp1.009 kJ/kg℃ 吸热量 Qqmcpt2t1=
1500
1.0091502054.7kW 3600
(5) 饱和水蒸气p250kPa,饱和温度ts127.2℃,比汽化热r2185kJ/kg, 冷凝水从ts127.2℃降至t240℃℃,平均温度 tm比热容 cp4.196 kJ/kg℃ 放热量 Qqm[rc(] ptst2)
1500
21854.196127.2401063kW 3600
127.240
83.6℃ 2
【4-16】用冷却水使流量为2000kg/h的硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15℃升到35℃,试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到3.5m3/h,试求冷却水的出口温度。
解 硝基苯流量qm12000kg/h,平均温度Tm
cp11.58kJ/kgK
T1T2 355300
=327.5K,比热容22
硝基苯的放热量 Qqm1cp1T1T 2
2000
1.5835530048.3 kW 3600
t1t21535
=25℃ 22
(1) 冷却水用量计算 平均温度tm
比热容cp24.179kJ/kg℃,密度997kg/m3
qm2
Q48.336002080 kg/h
cp2(t2t1)4.179(3515)
qv2
qm2
2.09 m3/h
(2) 用水量qv23.5m3/h时,求t2?
用水量增大,水出口温度t2应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可知qv2与t2t1成反比,故
2.09t152, t226.9℃ 3.53515
假设t226.9℃ 水的平均温度 tm
t2t126.915
21℃ 22
查得水的比热容cp4.182 kJ/kg℃,密度998kg/m3 计算t2 t2t1
t215
cp2qm2cp2qv2
48.33600
26.9℃
4.1823.5998
与假设相符。
【4-17】在一换热器中,用水使苯从80℃冷却到50℃,水从15℃升到35℃。试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。
解 (1)并流操作 苯 T180℃T250℃ 水 t115℃t235℃
t165℃
t215℃
(2) 逆流操作
苯 T180℃T250℃ t1/t245/352 t235℃t115℃ 水
t145℃
t235℃
【4-18】 在1壳程2管程列管式换热器中用水冷却油,冷却水走管内,进口温度为
20℃,出口温度为50℃。油进口温度为120℃,出口温度为60℃。试计算两种流体的传热
平均温度差。
解 属于折流
t11205070℃,t2602040℃,t1/t270/402
Δt1Δt27040
55℃ 22TT1206060R122
t2t1502030Δt逆
P
t2t1502030
0.3 T1t112020100
查得温差校正系数 0.9 1
tmtm逆0.915550℃
【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为80m3/h的苯胺从80℃加热到100℃。苯胺在平均温度下的密度为955kg/m3,比热容为2.31kJ/( kg℃)。试计算:(1)水蒸气用量(kg/h);(2)当总传热系数为800W/(m2℃)时所需传热面积。
解 (1)水的比汽化热r2168kJ/kg,苯胺体积流量qv280m3/h, 苯胺吸收的热量为
Qqv2cpt2t1809552.3110310080
3.53109J/h353.106 kJh/9.8105W
水蒸气用量 qm1
6
Q3.53101628kg/ hr2168
(2) 计算传热面积A 已知K800W/(m2℃),水蒸气的p300kPa, t133.3℃。
水蒸气 133.3℃ 133.3℃ 苯胺 Δtm
80℃100℃
t153.3℃t233.3℃
Δt1Δt253.333.3
43.3℃ 22
Q9.8105
A28.3 m2
KΔtm80043.3
【4-20】有一套管式换热器,内管为180mm10mm的钢管,内管中有质量流量为
3000kg/h的热水,从90℃冷却到60℃。环隙中冷却水从20℃升到50℃。总传热系数K2000W/(m2℃)。试求:(1)冷却水用量;(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积;
(3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。
解 (1)冷却水用量qm2计算
热水平均温度 Tm冷水平均温度 tm热量衡算
T1T29060
75℃, cp14191 .kJ/kg(℃ )22
t1t2205035℃, cp24174 .kJ/kg(℃ )22
qm24.174103502030004.19110390603.77108 J/h
qm23012 kg/h
(2) 并流
热水 T190℃T260℃ 冷水
t220℃t50℃
1
t170℃t210℃7010
30.8℃ 70ln10
tm
Q3.77108/3600
传热面积 A1.7 m2
Ktm200030.8
(3) 逆流
热水 T190℃T260℃
t250℃t20℃
1冷水
t140℃t240℃
tm40℃
Q3.77108/3600
传热面积 A1.31 m2
Ktm200040
【4-21】 有1壳程2管程列管式换热器,用293K的冷水30t/h使流量为20t/h的乙二醇从353K冷却到313K,设总传热系数为1200W/(m2K),试计算所需传热面积。
解
乙二醇的平均温度Tm
353313
333K, 2
比热容cp12.6103J/kgK 乙二醇放出热量 Qqm1cp (1T1T)2
习题4-21附图
2010
2.61033533135.78105W 3600
3
从水的物理性质数据表上可知,水在30~50℃范围内,比热容cp4174J/(kgK)。假设
cp24174J/(kgK),计算冷水出口温度t2。
Qqm2cp2t2
t1
Q5.781053600t2t1293309.6K
qm2cp2301034174
冷水的平均温度 tm
t1t2293309.6
=301.3K 22
28.3℃
tm接近30℃,所假设的cp2可以。
逆流平均温度差tm逆计算
t1T1t2353309.643.4℃ t2T2t131329320℃ tm逆=
43.420
30.2℃ 43.4ln20
折流的平均温度差tm计算
RP
T1T235331340
2.41 t2t1309.629316.6t2t1 309.629316.6
0.277 T1t135329360
0.83,ΔtmΔtm逆0.8330.225.1℃
Q5.78105
传热面积 A19.2 m2
KΔtm120025.1
【4-22】 有一外径为l00mm的水蒸气管,水蒸气温度为160℃。为了减少热量损失,在管外包覆厚度各为25mm的A、B两层绝热材料保温层,A与B的热导率分别为0.15与
0.05W/(mK)。试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温
度为20℃,保温层外表面对周围空气的对流(包括热辐射)传热系数15W/(m2℃)。保温层内表面温度在两种情况下都等于水蒸气温度。
解
(1) A在内层,B在外层。以保温层外表面积为基准的总传热系数为
K
1
b1d3b2d31
1dm12dm2
习题4-22附图
1
0.0250.20.0250.21
0.150.1250.050.17515
1.1 W/m2℃
热量损失 QK(A1t2)tK单位长度的热损失为 q
3
2d(1Lt)t
1
Q
K3dL
t2t
1.10.21602096.7 W/m (2) B在内层,A在外层,总传热系数为
K
11
b1d3b2d30.0250.20.0250.211
1dm12dm20.050.1250.150.17515
0.946 W/(m2℃)
q
Q
=Kd3(t1t2)0.9460.21602083.2 W/m L
计算结果表明,热导率小的绝热材料放在内层,热损失小。
【4-23】测定套管式换热器的总传热系数。数据如下:甲苯在内管中流动,质量流量为5000kg/h,进口温度为80℃,出口温度为50℃。水在环隙流动,进口温度为15℃,出口温度为30℃。水与甲苯逆流流动,传热面积为2.5m2。问所测得的总传热系数为多大?
解 甲苯qm15000kg/h, T180℃,T250℃, Tm
8050
65℃, cp11.86103J/(kgK) 2
5000
1.861038050=77.5103W 3600
热负荷 Q
T180℃T250℃
t230℃t15℃5035
tm142.5℃
t150℃t235℃2
A2.5m2
Q77.5103
K729 W/m2K
Atm2.542.5
【4-24】在一套管换热器中,内管中流体的对流传热系数1200W/(m2K),内管外侧流体的对流传热系数2350W/(m2K)。已知两种流体均在湍流条件下进行换热。试回答下列两个问题:(1)假设内管中流体流速增加一倍;(2)假设内管外侧流体流速增加两倍。其他条件不变,试问总传热系数增加多少?以百分数表示。管壁热阻及污垢热阻可不计。
2解 已知1200W/(m2K) ,2350W/m(K )
(1) 内管中流体流速增加一倍,u'12u1
u'
'111
u1
0.8
2002
0.8
348 W/m2K
KK'
12200350
=127 W/(m2K) 12200350
'12348350
174 W/m2K
'12348350
K'K174127
0.37 增加37% K127
u'
(2) u'23u2, '222
u2
0.8
3503
0.8
843 W/m2K
K'
1'2200843
162 W/(m2K)
1'2200843
K'K1621270.276 增加27. 6% K127
增大小者,对增大K有利。
【4-25】 有一套管式换热器,内管为57mm3mm,外管为114mm4mm。内管中有流量为4000kg/h的苯被加热,进口温度为50℃,出口温度为80℃。套管的环隙中有绝对压力为200kPa的饱和水蒸气冷凝放热,冷凝的对流传热系数为104W/(m2K)。已知内管的内表面污垢热阻为0.0004m2K/W,管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。试计算:(1)加热水蒸气用量;(2)管壁对苯的对流传热系数;(3)完成上述处理量所需套管的有效长度;(4)由于某种原因,加热水蒸气的绝对压力降至140kPa。这时,苯出口温度有何变化?应为多少度(设苯的对流传热系数值不变,平均温度差可用算术平均值计算)。
解 苯t150℃, t280℃, 平均温度tm热负荷 Qqm2cp2(t2t1)(1) 水蒸气用量qm1
p200kPa,T120.2℃,r2205 kJ/kg
5080
65℃,c p22
18J4/0kg(K,)qm24000kg/h
4000
1840(8050)61330 W 3600
qm1
Q613300.0278kg/s100 kg/h r2205103
(2) 苯的对流传热系数
832kg/m3, 0.38mPas, 0.13 W/m K
u
4000
3600832
0.654 m/s
4
0.051
2
Re
du
0.0510.654832
7.3104 湍流 3
0.3810cp
18400.38103
Pr5.38
0.13
苯被加热 n0.4
0.023Re0.8Pr0.4
d
0.023
(3)管长 l
0.130.4
(7.3104)0.85.38893 W/m2K 0.051
2104W/m2K, 1893W/m2K, R10.0004m2K/W
以管内表面积A1为基准
K1
11
1d12d2
1
110.0510.00044893100.057
621 W/(m2K)
1
Rd1
t1Tt1120.25070.2℃, t2Tt2120.28040.2℃
Δtm
70.240.2
55.2℃ 2
(4) 水蒸气绝对压力时,苯的出口温度。
时,
【4-26】在一套管换热器中,用绝对压力为200kPa的饱和水蒸气使流量为的氯化苯从30℃加热到70℃,氯化苯在内管中流动。因某种原因,氯化苯的流量减小到,但进、出口温度欲保持不变。为此,想把水蒸气压力降低一些,试问水蒸气的绝对压力应降到多少(两种情况下,管内氯化苯均为湍流流动,并且其对流传热系数比水蒸气冷凝的对流传热系数小很多。因此,水蒸气冷凝的热阻及管壁热阻均可忽略不计)?
解 水蒸气绝对压力
氯化苯的流量 热负荷成正比,
氯化苯的对流传热系数的关系为 氯化苯的流量减小到,
总传热系数
水蒸气温度
压力
【4-27】欲将体积流量为(标准状况)的常压空气,用绝对压力为200kPa的饱和水蒸气加热,空气从10℃加热到90℃。现有一列管式换热器,其规格如下:钢管直径,管长1.6m,管数271根。如用此换热器,使空气在管内流动,水蒸气在管外冷凝,试验算此换热器面积是否够用?水蒸气冷凝时的对流传热系数可取为。
解 空气的平均温度 空气的物性参数
,
空气流量
热负荷 水蒸气
平均温度差
空气流速
湍流
已有换热器的传热面积为
够用
【4-28】有一钢制套管式换热器,质量流量为的苯在内管中,从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙中从15℃升到35℃。已知苯对管壁的对流传热系数为,管壁对水的对流传热系数为。计算总传热系数时,忽略管壁热阻,按平壁计算。试回答下列问题:(1)计算冷却水消耗量;(2)计算并流流动时所需传热面积;(3)如改变为逆流流动,其他条件相同,所需传热面积将有何变化?
解 总传热系数K的计算 已知
苯
热负荷
(1) 冷却水消耗量
(2) 并流的传热面积A
(3) 逆流时的传热面积A
逆流与并流比较,由于逆流的温度差较大,所以传热面积小了一些。
【4-29】 在一传热面积为20m2的列管式换热器中,壳程用110℃的饱和水蒸汽冷凝以加热管程中的某溶液。溶液的处理量为2.5104kg/h,比热容为4kJ/(kgK)。换热器初始使用时可将溶液由20℃加热至80℃。(1)该换热器使用一段时间后,由于溶液结垢,其出口温度只能达到75℃,试求污垢热阻值;(2)若要使溶液出口温度仍维持在80℃,在不变动设备的条件下可采取何种措施?做定量计算。解:原工况条件下的对数平均温差:℃ 此操作条件下的总传热系数:
W/ (m2K)
(1) 使用一年后,溶液出口温度下降至75℃,此时的对数平均温差为
℃
总传热系数 W/(m2K) 污垢热阻
m2K/W
(2) 在不变动设备的条件下,可通过提高加热蒸汽的温度使溶液出口温度仍然维持在80℃。 此时传热温差为
℃
即 由此解得 ℃
【4-30】有一单管程的列管式换热器,其规格如下:管径为,管长为3m,管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却的饱和蒸气,自饱和温度46℃冷却到10℃。在管外冷凝,其流量为,比汽化热为。冷却水在管内,进口温度为5℃,出口温度为32℃。逆流流动。已知的冷凝和冷却时的总传热系数分别为和(以内表面积为基准)。试问此换热器是否合适?
解 质量流量,
冷凝段,的比汽化热 冷凝段热负荷 冷却段
冷却段热负荷 冷却水
冷却水用量
水在两段之间的温度,用冷却段热负荷计算。
冷凝段平均温度差为 冷却段平均温度差为 冷凝段传热面积为 冷却段传热面积为 总传热面积
现有换热器的传热面积按传热管内表面积计算 传热面积够用。
【4-31】在一套管式换热器中,用120℃的饱和水蒸气在环隙中冷凝放热,使内管中湍流流动的流量为的苯从20℃加热到80℃。当流量增加到时只能从20℃加热到76℃。试计算换热器的传热面积和流量为时的总传热系数K。[计算时,水蒸气冷凝的值取用。可忽略管壁热阻及污垢热阻,并可当平壁处理。两种情况下苯的比热容认为相同]。
解 苯的流量 时
水蒸气 T=120℃ T=120℃ 苯 苯的流量时
水蒸气 T=120℃ T=120℃ 苯 传热速率方程
苯的流速与流量的关系 苯的对流传热系数与流速的关系
总传热系数与传热管内外两侧的对流传热系数与的关系为
解得 故
由求传热面积
用平均温度,查得苯的比热容
也可以由求传热面积
热辐射
【4-32】外径为50mm、长为10m的氧化钢管敷设在截面为200mm×200mm的红砖砌的通道内,钢管外表面温度为250℃,通道壁面温度为20℃。试计算辐射热损失。
解 钢管被红砖通道包围,角系数 辐射传热面积
红砖通道的表面积宽长
查得氧化钢材表面的黑度,红砖的黑度。 总辐射系数
辐射热损失为
【4-33】 冷藏瓶由真空玻璃夹层构成,夹层中双壁表面上镀银,镀银壁面黑度。外壁内表面温度为35℃,内壁外表面温度为0℃。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。
解 内壁外表面温度,外壁内表面温度,两表面镀银,两表面积。, 总辐射系数
每单位面积的辐射散热量
q为负值,表明热量从外壁向内壁传递。
【4-34】 水蒸气管路横穿室内,其保温层外径为70mm,外表面温度为55℃,室温为25℃,墙壁温度为20℃。试计算每米管路的辐射散热损失及对流散热损失。保温层外表面黑度。
解 (1) 辐射散热损失
管路被大房间包围,角系数,辐射传热面积为管路表面积
总辐射系数
辐射传热速率计算式为
每米管路的辐射散热损失为
(2) 对流散热损失
按大空间自然对流传热计算管路外表面温度55℃与室温25℃的平均温度
每米管路的对流散热损失为
计算结果表明辐射散热损失大于对流散热损失。
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