发布时间 : 星期日 文章化工原理传热习题及答案更新完毕开始阅读4fb5554a0740be1e650e9af9
化工原理
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
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 若α
>>α
+1/α,则α
=(α+α
+αα
)/(α ∴K≈α
α
)
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 B. Q=α.A.(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TA一定时，△t
T
t
t
t
Q=KA△t
,当K、A↓，对
Q↑，对现有的换热器来说，可提高生产能力。当Q、K一定时，△t
-T)
-t
)/δ
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。
化工原理
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,每米管长的热损失为Qw.m
,试求绝热层外壁温度t
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其平均比热为2.38kJ.kg
.K
K, 基于传热外面积的总传热系数K=2000w.m 冷却水用量： W ∴W Δt Δt Q＝KAΔt πｄ
T
T
W
t
t
3500×2.38×（100－60）＝W
7982kg.h
4.174×（50－40）
K
从100℃冷却到60℃，
,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
,且保持不变.设热损失可以忽略。试求:（1）冷却
.K
,管外壁温度为t
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。
50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75 60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.9 Q＝333200kJ.h
/（2000×32.75×3600）＝1.41m
A逆＝333200×10
1.41 3.14×0.18×ｌ＝1.41
化工原理
∴ｌ＝2.5 m A并＝333200×10 ∴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加一层石棉层（导热系数为0.15w.m
.K
,求该管材的导热系数。为减少该管的热损失, 外
10℃, 而每米管长的散热速率减少
/（2000×27.9×3600） ＝1.66 m
3.14×0.18×ｌ＝1.66
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 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
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度为110℃,管壁导热系数为45w.m 按多层圆筒导热 ｑλ 将ｒ λ t×0.07))
=90/(0.00031+(lnｒ 解得 ｒ
0.116m,
+2.813)/0.4398)
t
t/ｒ0.06m,ｒ110℃,t0.07w/(m·K),λ
/（ｌｎ（ｒ/（2πλ0.055m，ｒ20℃代入上式
/0.06)/(2π
/ｒ
0.06＋δ
60w/m /（2π
.K
60w以下,试计算保温层的最小厚度。
.K
20℃,每米蒸汽管的热损失控制在
.K
⑵ 设外加石棉层厚度为δ
45w/(m·K)，ｑ
60=(110-20)/(ln(0.06/0.055)/(2π×45)+ln(ｒ
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问加热蒸汽温度应取何值? ***答案*** 原：W Δt 半年后：W Δt
（2）/（1）得：
80－20）＝KAΔt
70－20）＝K
……（1） AΔt
……（2）
80－20）/ｌｎ（80/20）＝43.28℃ 80－30）/ｌｎ（80/30）＝50.98℃
.K
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℃,
化工原理
（70－20）/（80－20）＝K ＝(K K ΔtΔt
70.75 w.m
KΔt
.K/K
K
AΔt
100×43.28/70.75
保持原生产能力,即 KAΔt
Δt
/（KΔt
/100)×50.98/43.28
＝61.17℃
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.s4.18kJ.kgw. m(kg.h
.K
.K
1. 已知溶液一侧的对流传热系数为1160w.m
.K
,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
,冷却水一侧的对流传热系数为930
,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
(150-100)
)。 2.计算内管的外表面积和管长。
w )+1/α
溶液放热 Q=msCp△T=1.4×2×10 =1.4×10 1/K K
=d
/(α.K
d
=0.025/(1160×0.02)+1/930=2.15×10
=464w.m
冷却水用量 ms'=Q/[Cp'(t2-t1)] =1.4×10 =0.957kg.s A l=A
=Q/(K/(πd
tm)=1.4×10
/[4180(60-25)] =3445kg.h
△tm=[(150-60)-(100-25)]/ln[(150-60)/(100-25)]=82.3℃
/(464×82.3)=3.67m
)=3.67/(π×0.025)=46.7m
φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器,用初温为 10℃的水将
1200kg.h
.K
2.0kJ.kg
.K
;水侧和油侧的对流传热系数分别为2000w.m
10.（16分）用一传热面积为3m,其比热分别为4.18kJ.kg250w.m
.K
.K
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
,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 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 =2.8 m
<3m
.K
/(216.2×3600×110)
A1=Q1/(K△tm) =240000×10
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