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化工原理传热习题解答

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习 题

1. 如附图所示。某工业炉的炉壁由耐火砖λ1=（m·K）、绝热层λ2=（m·K）及一般砖λ3=（m·K）三层组成。炉膛壁内壁温度1100oC，一般砖层厚12cm，其外表面温度为50 oC。通过炉壁的热损失为1200W/m2，绝热材料的耐热温度为900 oC。求耐火砖层的最小厚度及现在绝热层厚度。

设各层间接触良好，接触热阻能够忽略。

已知：λ1=m·K，λ2=m·K，λ3=m·K，T1＝1100 oC，T2＝900 oC，T4＝50oC，3＝12cm，q＝1200W/m2，Rc＝0

求： 1＝？2＝？

解： ∵Tq

∴1＝mqTT22.0120090011003.1211

又∵33224234332322TTTTTTq

∴WKmqTT/579.093.012.01200509002334222

得：∴m10.018.0579.0579.022

习题1附图 习题2附图

2. 如附图所示。为测量炉壁内壁的温度，在炉外壁及距外壁1/3厚度处设置热电偶，测得t2=300 oC，t3=50 oC。求内壁温度t1。设炉壁由单层均质材料组成。

已知：T2=300oC，T3=50oC 求： T1=？

解： ∵31323TTTTq

∴T1－T3＝3（T2－T3）

T1＝2(T2－T3)+T3=3×(300-50)+50＝800 oC

3. 直径为Ø60×3mm的钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为–110oC，绝热层外表面温度10oC。已知软木和保温灰的导热系数别离为和 W/（m·oC），试求每米管长的冷量损失量。

解：圆筒壁的导热速度方程为

23212131ln1ln12rrrrttLQ

其中 r1=30mm，r2=60mm，r3=160mm

因此 2560160ln07.013060ln043.01101002LQW/m

负号表示由外界向系统内传热，即为冷量损失量。

4. 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。假设将二层材料互换位置，假定其它条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？说明在此题情形下，哪一种材料包扎在内层较为适合？

解：设外层平均直径为dm,2，内层平均直径为dm,1，那么

dm,2= 2dm,1 且 λ2=2λ1

由导热速度方程知

11111122114522bLdtLdbLdbtSbSbtQmmmmm

两层互换位置后

11111122bLdtLdbLdbtQmmm

因此 25.145qqQQ 即 qq25.1

互换位置后，单位管长热损失量增加，说明在此题情形下，导热系数小的材料放在内层较适宜。

5. 在长为3m，内径为53mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为172kg/（s·m2）。苯在定性温度下的物性数据：μ=·s；λ= W/（m·K）；cp=（kg·oC）。试求苯对管壁的对流传热系数。

已知：L＝3m，d＝53mm，G=172 kg/（s·m2），被加热苯物性，μ=·s，λ= W/（m·K）；cp=（kg·oC）

求： 

解： Re＝431086.11049.0172053.0dG> 410

3.614.01049.0108.1Pr33pc>

6.56053.03dL>40

故可用Nu=公式

4.08.044.08.03.6)1086.1(053.014.0023.0PrRe023.0d=330W/m2·oC

6. 在常压下用列管换热器将空气由200 oC冷却至120 oC，空气以3kg/s的流量在管外壳体中平行于管制流动。换热器外壳的内径为260mm，内径Ø25×钢管38根。求空气对管壁的对流传热系数。

已知：T1=200 oC，T2=120 oC，空气qm＝3kg/s走管外壳程，D=260mm，n＝38，d＝25mm

求： 

解： 空气平均温度CTTtm1602120200221

查160 oC空气：ρ＝m3，μ＝×10-5Pa·s，Pr＝，λ＝m·K

mndDndDdnDdnDSAde036.0025.03826.0025.03826.0)44(44222222

smkgAqGm222/1.87)025.03826.0(785.03 331029.11045.21.87036.0RedeG>104

KmWd24.08.034.08.0/254682.0)1029.1(036.00364.0023.0PrRe023.0

7. 油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油，重油的平均温度tm=20oC，蒸汽管外壁温度tw=120oC，管外径为60mm。已知在定性温度70 oC下重油的物性数据：ρ=900kg/m3；cp=（kg·oC）；λ= W/（m·oC）；运动黏度ν=2×10-3m2/s；β=3×10-41/ oC。试问蒸汽对重油的热传递速度为多少，（单位为kW/m2 ）?

已知：水平管加热外部重油，d＝60mm， tm=20oC，tw=120oC，70oC下，ρ=900kg/m3；

cp=（kg·oC）；λ= W/（m·oC），ν=2×10-3m2/s；β=3×10-4/ oC。

求： q=?

解： 属大容积自然对流，

9.15)102(06.0)20120(81.9103233423tdgGr

4331094.1174.09001021088.1Prvccpp

541009.31094.19.15PrGr

查教材可得：A＝，b＝

CmWGrdAb225.05/9.36)1009.3(060.0174.054.0Pr)(

23/1069.3)20120(9.36)(mWttqmw

8. 室内水平放置两根表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径的10倍，小管的（GrPr）=109。试问两管路单位时刻、单位面积的热损失比值为多少？

解：∵3PrdGr

∴129323211101010Pr)()(Pr)(GrddGr

查表6-5，二者均在3区域，A=，31b

∵bGrdqPr)(1 ∴1)1010(10]Pr)(Pr)([3191213121122121GrGrddqq

9. 饱和温度为100oC的水蒸气在长3m、外径为的单根黄铜管表面上冷凝。铜管竖直放置，管外壁的温度维持96 oC，试求：（1）每小时冷凝的蒸汽量；（2）又假设将管子水平放，冷凝的蒸汽量又为多少？

已知：ts＝100oC，tw＝96 oC，L＝3m，d＝

求： （1）W竖放；（2）W水平

解： 查100oC，水，r＝2258kJ/kg

Ctttwsm982961002

查98 oC，水，ρ=960kg/m3，μ＝，λ＝m·K

（1） 设凝液为层流，那么竖放时

KmWtLgr234132/1042.713.1

验5441022581029.0431042.744Re333rtL<2000计算有效

skgrtdLrQqm/1072.3102258403.014.331042.7333

（2） 水平放，仍设层流

02.203.0364.064.04141dL

∴KmW243/1050.11042.702.2

∵mq

∴skgqqmm/1051.71072.302.233

验5.341029.031051.744Re33Lqm<2000计算有效

10. 在列管式换热器顶用冷水冷却油。水的直径为Ø19×2mm的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490 W/（m2·oC），管外油侧对流传热系数为258 W/（m2·oC）。换热器在利用一段时刻后，管壁双侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为·oC/ W，油侧污垢热阻为 m2·oC/ W。管壁导热系数λ为45 W/（m2·oC），试求：（1）基于管外表面积的总传热系数；（2）产生污垢后热阻增加的百分数。

解：（1）总传热系数K0

iiiSimSddddRddbRK00000011

15349019151900026.0171945002.0000176.025811

2080048.01W/（m2·oC）

（2）产生污垢后热阻增加百分数为

%8.11%100151900028.0000176.00048.0151900026.0000176.0

11. 热气体在套管换热器顶用冷水冷却，内管为Ø25×钢管，热导率为45W/（m·K）。冷水在管内湍流流动，对流传热系数α 1=2000 W/（m2·K）。热气在环隙中湍流流动，α 2=50

W/（m2·K）.不计垢层热阻，试求：（1）管壁热阻占总热阻的百分数；（2）内管中冷水流速提高一倍。总传热系数有何转变？（3）环隙中热气体流速提高一倍，总传热系数有何转变？

已知：内管为Ø25×，＝45W/（m·K），管内冷水湍流α 1=2000 W/（m2·K），管内热气湍流α 2=50 W/（m2·K）

求：（1）管内热阻分率，（2）内管中冷水流速增倍，K＇（3）管隙中冷水流速增倍，K”解：（1）121221211ln21dddddK

KmW21/3.4850102.0025.0ln452025.002.0025.020001

总热阻 WKmK/021.012

管壁热阻 WKmddd/102.602.0025.0ln452025.0ln223122

故管壁热阻分率为%3.0021.0102.63

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化工原理--传热

化工原理--传热

- 98 - 第四章 传热

本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。本章重点要求掌握：

①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；

②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；

③总传热速率方程以及传热过程的计算。

4.1 概述

4.1.1 传热在化工生产中的应用

传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。

化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。

化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：

（4.1.1）

式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δtm—平均传热温差，℃。

4.1.2 传热的基本方式

根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。 - 99 - 热传导：热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。

化工原理传热习题

化工原理传热习题

1 第五章 练习

1、棉花保温性能好，主要是因为______。

（A）棉纤维素导热系数小；

（B）棉花中含有相当数量的油脂；

（C）棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到极为严重的阻碍；

（D）棉花白色，因而黑度小。

2、在房间中利用火炉进行取暖时，其传热方式为；

（A） 传导和对流

（B） 传导和辐射

（C） 传导、对流和辐射，但对流和辐射是主要的。

3、一定流量的液体在一25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流传热系数＝1000w/m2.℃。如流量与物性都不变，改用一19×2mm的直管，则其值将变为_______w/m2.℃。

（A） 1059 （B）1496

（C） 1585 （D）1678

4、有一列管换热器，由38根25×2.5无缝钢管组成，某有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，水流速0.5m/s，相应的Re>104及对流传热膜系数为，当水流量减为一半时，对流传热膜系数改变为＝_____。

（A） =（1/2） （B） >（1/2）

（C） <（1/2） （D） 不一定

5、蒸汽冷凝时的热阻_______。

（A） 决定于汽膜厚度 （B） 决定于液膜厚度

（C） 决定于汽膜和液膜厚度 （D） 主要决定于液膜厚度，但汽膜厚度也有影响

6、沸腾传热的的过热度增大，其传热系数_________。

（A） 增大 （B） 减小

（C） 只在某范围变大 （D） 沸腾传热系数与过热度无关

7、在一列管式换热器中，用冷却水冷凝酒精蒸汽，冷却水应走_______。

（A） 管程 （B） 壳程

（C） 易于清洗侧 （D） 抗压性大的一侧

8、红砖的黑度为0.93，若温度为300℃，则红砖的辐射能力为______W/m2。

（A） 6112.3 （B） 5684

（C） 916.8 （D） 1000

9、已知当温度为T时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度______耐火砖的黑度。

化工原理习题 传热

化工原理习题 传热

例6.1 流速对管内给热系数的影响

有一套管换热器长10m，管间用饱和蒸汽加热，空气在一定流量下由内管流过，温度可升至某指定温度。现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，要使气体出口温度仍达到原指定温度，问套管加热器的长度为多少？

解：因管内流量加倍而出口温度不变，故两种情况下的物性变量和设备变量（管径）相同，给热系数之比为

倍8.00.8''2)uu(

气体流量加倍而进、出口温度不变，则热流量加倍而传热平均温差不变，故

mm''12m12'mtdLtdL)t-(tq)t(tqQQ'

倍15.1222qqLL2.08.0'm'm'

m5.111015.1L15.1L'

可见，由于8.0u，流量加倍，管长只需增加15％即可保证出口温度不变。若α与流速无关，流量加倍，管长也必须同时加倍；若1.0u，则同样管长无论流量增加多少倍，出口温度皆相同—这显然是不可能的。

例6.2 管径对管内给热系数的影响

一套管换热器，由348和5.225钢管制成，两种流体在内管和环隙流过，分别测得给热系数为α1和α2，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，试求将内管改用5.232后两侧的给热系数有何变化（假设流动状态皆为湍流）？

解：外管 内径mm422348D＝

原内管 外径mm25d1；内径mm2025.225d2

新内管 外径mm32d'1；内径mm2725.232d'2

（1）设改用5.232后两侧的给热系数为‘1，则

583.0)2720()dd( )dd()dd()dd(uu1.81.8'220.2'220.8'22220.2'228.0'11）（’ （2）环隙的当量直径

化工原理传热

化工原理传热

[1] 换热器中冷热流体一般为逆流流动,这主要是为了( C )。

(A)提高传热系数

(B)减少冷却剂用量

(C)提高对数平均温度差

(D)减小流动阻力

采用逆流主要是换热器两端的温度差膖1和膖2比较接近,因此对数平均温度差大。而冷却剂用量则取决于换热量,与传热温差无关。

[2] 冷热流体在套管换热器内换热，内管走冷流体，如果冷流体流量增大一倍，则总传热系数( A ),冷流体的出口温度( )。

(A)增大,下降

(B)增大,升高

(C)减小,下降

(D)减小,升高

流量增加一倍,传热量就增加一倍。尽管管内流速也增加一倍,但由于帷u^,即岵豢赡茉黾右槐,K当然更不可能增加一倍,所以K增加,出口温度下降。

[3] 在间壁式传热中,热量从热流体传到冷流体的过程,热阻主要集中在( B )。

(A)金属壁

(B)冷、热流体的层流底层内

(C)冷、热流体的主体

(D)平均分配在各层

金属的导热系数远大于流体的导热系数,所以金属壁的热阻很小,从上图的温度分布曲线可知,热阻主要集中在冷、热流体的层流底层。

[4] 在蒸汽冷凝传热中，不凝性气体的存在对对流传热系数岬挠跋焓莀___A___。

(A)不凝性气体的存在会使嶂荡蟠蠼档汀￡

(B)不凝性气体的存在会使嶂瞪摺￡

(C)不凝性气体的存在与否，对数据无影响。

(D)不一定

在蒸汽冷凝传热中，不凝性气体的存在会在壁面形成一层膜，从而使对流传热系数大大降低。

[5] 在圆形直管内作无相变强制湍流的对流传热系数关联式来自___B___。

(A)理论方法

(B)因次分析和实验相结合的方法

(C)因次分析法

(D)数学模型法

α=(λ/d)首先通过因次分析法推导出圆形直管内作强制湍流的3个准数，再用实验的方法关联出三个准数间的关系式。