1、传热习题一. 填空与选择1. 一列管换热器，列管规格为 383,管长 4m, 管数 127 根，则外表面积 1=_ _,而以内表面积计的传热面积 F2 =_。 两流体的间壁换热过程中 Q= m Cpt 计算式中, t 表示_。 答：F1=12740.038 ，F2=12740.032； T 1-T2 或 t2 t1 。 2. 稳定热传导是指_不随时间而改变。 套管换热器，内管外径 d 1、外管内径 d 2，则环隙的当量直径de=_。答：传热系统中各点的温度仅随位置变； d 2 d1 。 3. 物体黑度是指在_温度下，物体的_与_之比，在数值上 它与同一温度下物体的_相等。 两固体间辐射传热速率
2、公式为_。 t04a05030答：同一，辐射能力，黑体辐射能力， 吸收率； Q 12=C12A(T1/100) 4 - (T2/100)4 。 4. 将单程列管式换热器改为双程的作用是_，但这将使_减小，_ 增大。 对流过程是_和_之间的传热过程。 答：提高管内 ，t m ，阻力； 流体，壁面 5. 为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该是_ 表面光滑，颜色较浅 表面粗糙，颜色较深 表面粗糙，颜色较浅 某一套管换热器用管间饱和蒸汽加热管内空气，设饱和蒸汽温度为 100 , 空气进口 温度为 20，出口温度为 80，问此套管换热器内管壁温应是_ .接近空气平均温度 .接近饱和蒸汽
3、和空气的平均温度 .接近饱和蒸汽温度 答： A； C 。 6. 红砖的黑度 为 0.93，当其表面温度均为 300 时，红砖的发射能力为_。5683.4W/m 2 916.7W/m 2 7132.4W/m 2 504.7W/m 2 有一套管换热器，环隙有 119.6 蒸汽冷凝，管内空气从 20被加热到 50，管壁温度应接近_。 35 119.6 77.3 50 已知在温度时耐火砖的发射能力 （辐射能力） 大于铜的发射能力， 则铜的黑度为_, 耐火砖的黑度为_。 0.6 0.9 1 1.2 答： A ； B ； A ， B 。 7 强制对流（无相变）流体的对流传热系数关联式来自_。 理论方法 因
4、次分析法 数学模型法 因次分析和实验相结合的方法 钢的导热系数为_，不锈钢的导热系数为_，20水的导热系数为_，20空气的导热系数为_。45W/m 0.6W/m 0.026W/m 15W/m 答： D ； A ，D ，B ，C 。 8 两灰体间进行辐射换热，两者间温度差为，如两灰体的温度各升高，则此时的辐射传热量与原来的传热量对比，将_。 . 增大 . 减小 . 不变 . 不一定 一定流量的液体在一 .的直管内作湍流流动，其对流传热系数 1 = 2.。如流量与物性都不变，改用一 的直管，则其 值将变为_ 2.。 . . . . 答： ； 。 二. 计算题1 有一壁厚为 10mm 的钢制平壁容器
5、，内盛 80的恒温热水。水对内壁面的对流传热系数为 240W/m2。现在容器外表面复盖一层导热系数为 0.16W/m 、厚度为 50mm 的保温材料。保温层为 10的空气所包围, 外壁对空气的联合传热系数为 10W/m2。 试求：A) 每小时从每 m2面积所损失的热量 KJ/h.m2； B) 容器内表面的温度 TW。钢材的导热系数为 45W/m。 解：1.q=Ktm tm=80-10=70 q=2.39970=167.9W/m 2K=1/(1/ 0+1/ i+b1/ 1+b2/ 2) =1/(1/10+1/240+0.01/45+0.05/0.16)=2.399W/m2 每小时散热量 q h=
6、3600168/1000=604.4KJ/m2.h 2.q= i(80-Tw) 80-Tw=167.9/240=0.7 T w=79.3 2 如图所示，有一稳定导热的平壁炉墙，墙厚 240mm ，导热系数 0.2W/m，若炉墙外壁温度 345，为测得炉墙内壁温度 1，在墙深 100mm 处插入温度计，测得该处温度 2 100，试求炉墙内壁温度 1。解： Q=(/)At=(/)A(t1-t3) Q=(/1)At1=(/1)A(t2-t3) Q=Q (/)A(t1-t3)=(/1)A(t2-t3) t1=(/1)(t2-t3)+t3=(240/100)(100-45)+45=2.455+45=17
7、7 3. 水在一圆形直管内呈强制湍流时，若流量及物性均不变。现将管内径减半，则管内对流传热系数为原来的多少倍？ 解： /=(u 0.8 d0.2)/ (u0.8d0.2)=(4u)0.8(2d)0.2/(u0.8d0.2)=(4)0.8 (2)0.2=3.483,根据:Nu=0.023Re 0.8 Pr0.2u=4u d=1/2d 答: 管内对流传热系数为原来的 3.482 倍。 4. 平壁炉的炉壁由三种材料所组成，其厚度和导热系数列于附表中。序 号 材 料 厚度 bmm 导热系数 W/m21（内层）23耐火砖绝缘砖钢20010061.070.1445若耐火砖层内表面的温度 t1 为 1150
8、，钢板外表面温度 t4 为 30，计算导热的热通量。实际测得通过炉壁的热损失为 300 W/m2，分析原因并计算附加热阻。解：由多层平壁导热速率方程求导热的热通量，即W/m26.190.2456.1.07.3btSQq3214 计算结果的热通量大于实测的热损失，表明平壁间接触不良，有空气层存在，产生附加热阻，即， m2/W30R91.0q83.901.32R5直径为 603 mm 的钢管用 30 mm 厚的软木包扎，其外又用 100 mm 厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为 110，绝热层外表面温度 10。已知软木和保温灰的导热系数分别为 0.043 和 0.07 W/（m）
9、 ，求每米管长的冷量损失量。解：由圆筒壁的导热速率方程知 2312rlnrltQ其中 r1 = 30 mm，r 2 = 60 mm，r 3 = 160 mm W/m25601ln7.306l4.lQ负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。 6. 在内管为 18910mm 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 CP烃=2.38kJ/kg.， 环隙走冷却水，其进出口温度分别为 40和50，平均比热p 水4.17kJ/kg.，基于传热外面积的总传热系数 K0=2000W/m2, 设其值恒定, 忽略热损失。试求： A)冷却水用量；B)分别计算两流
10、体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。 解：冷却水用量 h P h ( 1 - 2 )c P c ( 2 - 1 ) 35002.38(100-60)c 4.17(50-40) c 7990Kg/h 逆 (50-20)(50/20)32.75 并 (60-10)(60/10)27.93 m 79904.17(50-40)=3.332 5KJ/h 逆 3.332 5/(2000/1000)32.7536001.41 (m 2) 0 L1.41 3.140.18L1.41 L 逆 2.5 (m ) 并 3.332 5/(2000/1000)27.9336001.66 (m 2) 3.140.1
11、8L 并 1.66 L 并2.93 (m ) 7. 一套管换热器,由 483mm 和 252.5mm 的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流传热系数为 1和 2，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。求:将内管改为 322.5mm 后,管内对流传热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流)解: 原内管外径 1 内径 2 . 新内管外径 1 内径 2 . 设 改用 .钢管后，内管对流传热系数 1 1 / （/） 0.8（ 2 / 1 ） 0.2 （ 2 2/ 2 2） 0。8 （ 2 / 2 ） 0。2 （ 2 / 2 ） 1。8 （） 1。8 0.583 （ 2
12、 / 2 ）（）0.583 1 0.583 8在并流换热器中, 用水冷却油。水的进、出口温度分别为 15和 40, 油的进、出口温度分别为 150和 100。现因生产任务要求油的出口温度降至 80, 设油和水的流量、进口温度及物性均不变, 若原换热器的管长为 1m, 求将此换热器的管长增加多少米才能满足要求。换热器的热损失可忽略。解：原平均温度差 t 1 = 150-15 = 135, t 2 = 100-40 = 60t m =（135-60）/ln（135/60）= 92.5由热量衡算 Q = WhCph（T 1 - T2）= WcCpc（t 2 - t1）WhCph/WcCpc =（t
13、2 - t1）/ （T 1 - T2）=（40-15）/（150-100）= 0.5当油的温度降至 80时, 由热量衡算得Q = WhCph（150-80）= WcCpc（t 2 -15）或 WhCph/WcCpc =（t 2-15）/（150-80）= 0.5 解得 t2 = 50新的平均温度差，t 1 = 150-15 = 135, t 2 = 80-50 = 30，t m =（135-30）/ln（135/30）= 69.8由传热速率方程可分别得原换热器 WhCph（150-100）= KSt m = KndL（92.5）新换热器 WhCph（150-80）= KSt m = KndL（
14、69.8） L =（70/50 ）（92.5/69.8 ）1 = 1.855 mL = 1.855 1 = 0.855 m9. 一单程列管式换热器, 由直径为 252.5 mm 的钢管束组成。苯在换热器的管内流动, 流量为 1.25 kg/s，由 80冷却到 30，冷却水在管间和苯呈逆流流动, 进口水温为 20, 出口不超过 50。已知水侧和苯侧的对流传热系数分别为 1.70 和 0.85 kW( 2) ，污垢热阻和换热器的热损失可忽略，求换热器的传热面积。苯的平均比热为 1.9 kJ/(kg), 管壁材料的导热系数为 45 W/(m) 。解：由总传热速率方程式 Q = KOSOt m式中 Q
15、 = WhCph（T 1 T2）= 1.251.910 3（80 - 30）= 118.8 kWkW( 2)47.01025.4.02.851dbKomio 2.180358lntlnt12m m2147.tKQSmo10 在列管式换热器中用水冷却油，水在管内流动。已知管内水侧对流传热系数 为 i349 W/（m 2 ） ，管外油侧对流传热系数 为 258 W/（ m2） 。换热器在使用一段时间o后，管壁面两侧均有污垢形成，水侧的污垢热阻 Rsi 为 0.00026 （m 2）/W，油侧的污垢热阻 Rso 为 0.000176 （m 2）/W。若此换热器可按薄壁管处理，管壁导热热阻忽略不计。求
16、：（1）产生污垢后热阻增加的百分数；（2）总传热系数 K。解：（1）产生污垢前的热阻（m 2）/W0674.25813490I 产生污垢后的热阻（m 2）/W071.6.02581.R1Kso0sii （0.007177-0.00674 ）/0.00674 = 6.48%（2）总传热系数W/（m 2）3.1907.11. 在管长为的冷却器中，用水冷却油。已知两流体作并流流动，油由冷 却到，冷却水由加热到。欲用加长冷却管子的办法，使油出 口温度降至。若在两种情况下油、水的流量，物性常数，进口温度均不变，冷 却器除管长外，其他尺寸也均不变。试求管长。 解： 1 1（） 2 2（） 1 1（） 2
17、2（ 2） 两式相比得 2 m(420-285)-(370-310)/ln(420-285)/(370-310) . m(420-285)-(350-320)/ln(420-285)/(350-320) . 1p 1）o 0 L m 1p 1（）o 0 L m油、水的流量,物性常数及管径均不变,故 Ko=Ko 两式相比得 ：（）（）（LL ）（ m） L. 12. 在逆流换热器中，将油从加热到，热水的进口温度为，出口温度为，求该换热器的效率。 解： 1 1 1 2） 2 2（ 2 1） 1 1（） 2 2（） 1 1 2 2 1 1 2 2 故换热器的效率为 （ 1 2）（ 1 1）（）（）.
18、 13. 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, 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。 1.已知溶液一侧的对流传热系数为 1160W/m2 , 冷却水一侧的对流传热系数为930 W/m2, 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。 解： 溶液放热 Q=msCpT=1.4210 3(150-100)=1.4105W 1/K0 =d0 / ( i di)+1/
19、0=0.025/(11600.02)+1/930=2.1510-3 K0=464W/m2 冷却水用 ms=Q/Cp(t2-t1)=1.4105/4180(60-25)=0.957Kg/s=3445Kg/h tm=(150-60)-(100-25)/ln(150-60)/(100-25)=82.3 A0=Q/(K0tm)=1.410 5/(46482.3)=3.67m2 L =A0/(d 0)=3.67/(0.025)=46.7m 14. 一单壳程单管程列管换热器, 由多根 252.5mm 的钢管组成管束, 管程走某有机溶液, 流速为 0.5m/s，流量为 15T/h,比热为 1.76kJ/kg
20、.K,密度为 858kg/m3,温度由 20加热至 50。壳程为 130的饱和水蒸汽冷凝。管程、壳程的对流传热系数分别为700W/m2K 和 10000W/m2K。钢导热系数为 45W/m.K。垢层热阻忽略不计。 求:A)此换热器的总传热系数; (以外表面积为基准) B)此换热器的管子根数及管长; C)在冷流体温度不变的情况下，若要提高此设备的传热速率，你认为要采取什么措施？Q=WCpt=1510 31.76103(50-20)/3600=2.20105 W tm=(130-20)+(130-50)/2=95 以外表面为基准的传热系数: K0=1/1/10000+(0.00250.025)/(
21、450.0225)+0.025/(7000.02)=513W/Km2 V=W/=1510 3/(3600858)=0.0049m3/s S=V/u=0.0049/0.5=9.810-3 m2 S=d 2n/4 n=4S/(d 2)=40.0098/(3.140.022)=31 根 A0=Q/(K0tm)=220000/(51395)=4.5m 2 A0=nd 0l l=A/(nd 0)=4.5/(313.140.025)=1.85m 取 2m 因为管程流速小, 也小, 故应强化管程, 可改为双管程。 15. 90的正丁醇，在逆流操作的换热器中被冷却到 50，正丁醇的流量为 1930kg/h，冷
22、却介质为 18水，换热器的传热面积为 6m2，总传热系数 K=230W/m2.，热损失不计。求： 冷却水出口温度； 冷却水消耗量。 正丁醇p.kJ/kg. 水 p.kJ/kg. 解： h P h ( 1 - 2 )(1930/3600)2.98 3(90-50)6.39 4 w m 6.39 4(2306)46.3 m （( 1 - 2 )+( 2 - 1 )） （(90-2 )+(50-18)） 2 . 2 . c P c ( 2 - 1 ) 冷却水消耗量 c （P c ( 2 - 1 )） 6.3910 4/(4.181000(29.4-18)1.34kg/s=4.810 3Kg/ht 1
23、=90-29.4=60.6 t 2=50-18=32 t 1/t 2 =60.6/32=1.89104Pr=Cp./3.310 30.9510-3/0.56=5.6 i=0.023(/di) Re 0.8 Pr0.4 =0.023(0.56/0.033)433400.8 5.60.43983W/m 2. Ko=1/1/5000+38/(333983)+1/3846+38/(333788)=950W/m2. 264700=9500.038L21.6 解得: L=108m 108/6=18 段 20.有一套管换热器由 .mm 与 .mm 钢管组成，kg/h 的甲醇在内管中流动，其温度由冷却至，甲醇
24、对内管壁的对流传热系数为 1 2，冷却水在环隙内流动,其进、出口温度分别为 20和 35, 甲醇和冷却水逆流操作，忽略热损失及垢层热阻，试求：（） 冷却水用量（） ； （） 所需套管长度。 甲醇物性数据为： p 1.， 冷却水物性数据为： p 2.，996.3 3， 2.，0.84510 -3Pa.S 钢导热系数： 解：(1) 冷却水用量由热衡算式求得,即: m24.18103(35-20)=(5000/3600)2.6103(60-30)=108360W 解得: m2=1.729kg/s=6220kg/h (2)用传热速率公式计算管长 L Q=Ko.Ao.tm=Ko.do.L.tm 其中 t
25、m=(60-35)/(30-20)/ln(60-35)/(30-20)=16.4 Uo=6220/3600996.3/4(0.08 2 - 0.0572)=0.7m/s de=0.08-0.057=0.023 m Re=0.0230.7996.3/(0.84510-3)=18980 Pr=4.181030.84510-3 / 0.603=5.9 o=0.023(0.603/0.023)18980 0.8 5.90.4 =3250W/m2. Ko=1/1/3250+0.003557/(53.545)+57/(501500)=869W/m2. L=Q/(Ko.do.tm)=108300/(8690.05716.9)=41.2m
