1、化工原理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
2、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=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,
3、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 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
4、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* 41.6K9.（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
5、为 80和 50,冷流体的化工原理进出.口温度为 20和 45,此时传热平均温度差t=_. *答案* 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_。*答案* 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
6、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中换热，热气体进口温度 T 400，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_ 。*答案* F1=12740.038=60.6m F2=12740.032=51.1m19.（
7、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。*答案* 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. 成正比 B. 成反比 C. 没关系*答案* A2.（2 分）翅片管换热器的翅片应安装在( )。A. 小的一侧 B. 大的一侧 C. 管内 D. 管外*答案* A3.（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(
8、)。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。 *答案* 由壳体、管束、管板、封头等组成。 15.（4 分）试比较各类常用热交换器的优缺点。 *答案* 略 16.（6 分）有以下传热公式 A. Q=.A.(t-t)/B. Q=.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*答案* （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
9、=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？*答案* 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？各起什么作用？*答案* 化工原理主要由壳体、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
10、，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。*答案* 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 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
11、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。本题目有题图：titu185.bmp*答案* 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
12、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）*答案* 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, 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
13、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）*答案* 化工原理设耐火砖厚度 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)/930-0.25/1.163-0.1/0.5820.233 =0.14m,跨过普通砖的热通量:=t3-t4/b3/3,t3=q.b3/3+t4
14、=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。*答案* 冷却水用量：W （T T ）W （t t ）35002.38（10060）W4.174 （5040）W 7982kg.ht 逆（5020）/（50/
15、20）32.75t 并（6010）/（60/10）27.9QKAt Q333200kJ.hA逆33320010/ （200032.753600）1.41m 1.41 3.140.181.412.5 mA并33320010/ （200027.93600） 1.66 m3.140.181.662.93 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度为 1
16、0, 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。*答案* 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.m690.8=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化工
17、原理则: 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。*答案* 按多层圆筒导热 （t t ）/（/ ）/（2 ）（/ ）/（2 ） ）将 0.06m, 0.055m， 0.06 0.07w/(mK), 45w/(mK)， 60w/mt 110,t 20代入上式60=(110-20)/(ln(0.
18、06/0.055)/(245)+ln(/0.06)/(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）
19、50.98（2）/（1）得：（7020）/（8020）Kt/ （Kt ）(K/100)50.98/43.28K 70.75 w.m.K保持原生产能力,即 KAt KAtt Kt/K 10043.28/70.7561.17t （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
20、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。化工原理*答案* 溶液放热 Q=msCpT=1.4210(150-100)=1.410w1/K=d/(d)+1/=0.025/(11600.02)+1/930=2.1510K=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)-
21、(100-25)/ln(150-60)/(100-25)=82.3A=Q/(Ktm)=1.410/(46482.3)=3.67ml=A/(d)=3.67/(0.025)=46.7m8.（10 分）某车间有一台换热面积（以外表面积计）为 2.5 m 的单程列管换热器。用180的热废气预热轻油, 轻油走管外,其流量为 200kg.h, 比热为 2kJ.kg.K, 温度由30升至 80。轻油与热气体作逆流流动。热废气出口温度为 70。求：换热器的热负荷和传热系数。*答案* A2.5m , C 2kJ.kg.Ktm （(180-80)-(70-30)）/(100/40)65.5Q2002(80-30)
22、20000kJ.hQKAtm K20000/(65.52.5)122.2kJ.m.K.h=34 .m.K9.（16 分）在并流换热器中,用水冷却油。换热管长 1.5m。水的进出口温度为 15和 40；油的进出口温度为 120和 90。如油和水的流量及进口温度不变,需要将油的出口温度降至 70,则换热器的换热管应增长为多少米才可达到要求?（不计热损失及温度变化对物性的影响）*答案* 由热量衡算GC （T T ）GC （t t ）按题意在两种情况下：G,C,T 和 G,C,t 不变, 故得（GC ）/（GC ）（t t ）/（T T ）（t t ）/（T T ）（4015）/（12090）（t 1
23、5）/（12070）t 56.7由 QKAt, 现 K不变,而t （120-15）-（90-40） ）/（120-15）/（9040）74.1t （12015） （7056.7） ）/（12015）/（7056.7）44.4故 Q/Q GC （T T ）/（GC （T T ） ）t/ （t ）,即（12090）/（12070）1.574.1/（44 4）化工原理得 4.17m。10.（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 12
24、00kg.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?(假设传热系数不变)*答案* (1) Q1=12002(200-100)=240000kJ.hQ2=Q1, t2=t1+Q1/(m2Cp2)=10+240000/(10004.18)=67.4tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=1101/K1=1/1+d1/(2d2)=1/
25、250+25/(200020) K1=2 16.2.m.KA1=Q1/(Ktm) =24000010/(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。试求：传热系数 K *答案* （1）由 Q=K.Atm 式 求 K其中: Q=m1.Cp1(T1-T2)=3600/360018810(80-50)=56400t （t t ）/（t/t ）（8030）（5020）/(80-30)
26、/(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.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。*答案* （1）由热量衡算得：GW.
27、Cp（t 出16） t 出G/（W.Cp）16)2000/360036310/5000/36004.1910+1650.65化工原理取 K1/(1/1740)+(1/14000)=1548w.m.KG2000/360036310 2.0210wt1 1101694, t2 11050.6559.35tm （t1 t2 ）/2（9459.35）/276.8又KAtm Ktm 管长/（Ktm ）2.0210 /（15483.140.0576.8）10.82m（2）水温升高(忽略物性变化)传热面积 A3.140.0510.81.7mq=KAtm 其中 q=5000/36004.1910(t-25)t
28、m=(110-25)+(110-t)/2=97.5-0.5t 5000/36004.1910(t-25) =15481.7(97.5-0.5t) , 解得 t=56.4q=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,
29、 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?*答案* （1） QCP (t2 -t1 )=0.6CP (t2 -20)QKAtmAi i 1770.0213 =35.014 mi3m 故不适用(2) t1=30时t2=30+240000/(10004.18)=87.4tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6
30、A1=24000010/(360089.6177.8)=4.195m3m不适用19.（12 分）一套管换热器,外管为 833.5mm,内管为 573.5mm 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.kg 。已知化工原理油的流量为 6500kg.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；*答案* （1） 蒸汽用量 Q 放W.2205W kJ.hQ吸W CP(t 出t 入）65002.2（8030）7.1510kJ.hQ放Q 吸 7.1510/2205
31、324kg.h（2） 传热系数的计算 由 QKAtmtm （(120-30)-(120-80)）/（(120-30)/(1 20-80)）50/（90/40）61.66 KiQ/Aitm7.1510/60(50/1000)61.661231 kJ.h.m.342 (.m.K)20.（10 分）有一逆流热交换器，将 1.25 kg.s 的苯从 77冷却至 27，苯的平均比热Cp为 1.88 KJ.kg.K 。冷却水的进、出口温度分别为 25和 47。换热器采用252.5 mm的钢管，水在管内，苯在管外，水和苯的传热膜系数分别为 850w.m.K 和 1700w.m.K 。钢的导热系数 49w.m.K 。若忽略污垢的热阻，试求冷却水消耗量及管子的总长度。*答案* q=CpG(t-t)=117.5 KJ/SW=117.5/4.187(47-25)=1.276 kg.St=(77-47)-(27-25)/ln(30/2)=10.34 1/K=1/+1/+/K=550.7 w.m.KA=q/K.t=20.635 mL=A/dm=292.1 m
