第四章 传热(习题及解答2007版)

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为定值。

传热综合题

4.28 在一套管换热器中,用水蒸汽加热空气,已知空气侧对流传热系数为40 W/(m2·℃),蒸汽冷凝侧的对流传热系数为5000 W/(m2·℃),现欲提高此传热过程的总传热系数,应从何着手解决?试用具体数据说明理由。(注:管壁热阻及污垢热阻可忽略)

4.29 接触法硫酸生产中用氧化后的高温SO3混合气预热原料气(SO2及空气混合物), 已知:列管换热器的传热面积为90m2 ,原料气入口温度t1=300℃,出口温度t2 =430℃。SO3混合气入口温度T1 =560 ℃,两种流体的流量均为10000 kg/h,热损失为原料气所得热量的6%,设两种气体的比热均可取为1.05 kJ/(kg·℃),且两流体可近似作为逆流处理。求: (1)SO3 混合气的出口温度T2; (2)传热系数K为多少。

4.30 某列管换热器,管间通饱和水蒸汽,可将一定流量作湍流流动的空气加热至指定温度,若须进一步提高空气出口温度,拟将加热管管径增加一倍(管长、管数、流态及其它条件均不变),你认为此措施是否可行,并说明理由。

4.31 举例说明下列各图的物理意义,并写出△tm的数学表达式:

题4.31附图

4.32 在内管为Φ189×10 mm的套管换热器中,将流量为3500 kg/h的某液态烃从100 ℃冷却到60℃,其平均比热Cp烃=2.38 kJ/(kg·℃),环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热Cp水=4.17 kJ/(kg·℃),基于传热管外表面积的总传热系数Ko=2000 W/(m2·℃),设其值恒定,忽略热损失。试求: (1)冷却水用量; (2)分别计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及所需管长。

4.33 某厂一单管程单壳程列管换热器,列管规格为Φ25×2.5 mm,管长6 m,管数501根,管程走热气体,流量为5000 kg/h,平均比热3.04 kJ/(kg·℃),进口温度500 ℃;壳程走冷气体,流量为4000 kg/h,平均比热3.14 kJ/(kg·℃),进口温度30 ℃。 (1)逆流操作时,测得热气体的出口温度为200 ℃,求总传热系数K为多少W/(m2·℃); (2)如采用并流操作,热气体的出口温度有无可能降为200 ℃?为什么?

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4.34 在一列管换热器内,用110 ℃的饱和水蒸汽加热管内的湍流流动的空气,使其从30 ℃升至45 ℃,若将空气的流量增加一倍而入口温度不变,试求加热蒸汽量为原用量的倍数。忽略管壁热阻、垢层热阻和热损失,并忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。

4.35 用120℃的饱和水蒸汽将流量为36 m3/h的某稀溶液在双程列管换热器中从80 ℃ 加热至95 ℃。若每程有直径为Φ25×2.5 mm的管子30根,且以管外表面积为基准的传热系数K=2800 W/(m2·℃)。蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计,试求: (1)换热器所需的管长; (2)当操作一年后,由于污垢累积,溶液侧的污垢系数为0.00009 m2·℃/W,若维持溶液的原流量及进口温度不变,其出口温度为多少?又若必须保证溶液原出口温度,可以采取什么措施? 注:溶液的密度及比热与水近似:ρ=1000 kg/m3 ;Cp=4.2 kJ/(kg·℃)

4.36 用一传热面积为3 m2,由Φ25×2.5 mm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1000 kg/h和1200 kg/h,其比热分别为4.187 kJ/(kg·℃)和2.0 kJ/(kg·℃);水侧和油侧的对流传热系数分别为2000 W/(m2·℃)和250 W/(m2·℃),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?如何解决?(假设传热系数不变)

4.37 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20 ℃加热到80 ℃,空气在管内呈湍流流动。压强为1.724 kgf/cm2的饱和水蒸汽在管外冷凝。现生产要求空气流量增加20%,而空气进口温度不变,试问采取何种措施才能完成任务?作出定量计算。假设管壁和污垢热阻忽略不计。

注:1.724 kgf/cm2压强下的饱和水蒸汽的饱和温度为115 ℃。

4.38 某厂用套管换热器每小时冷凝2000 kg的甲苯蒸汽,冷凝温度为110 ℃,潜热为 360 kJ/kg,甲苯蒸汽冷凝传热系数α为10000 W/(m2·℃)。冷却水于15℃,以4500 kg/h的流量进入Φ57×3.5 mm的管内作湍流流动,其对流传热系数为1500 W/(m2·℃)。管壁热阻和污垢热阻忽略不计,水的比热为4.18 kJ/(kg·℃);试求: (1)该换热器传热面积A为多少? (2)若夏天冷却水进口温度升至20 ℃,操作时将冷却水量加大一倍,原换热器能否完成任务?

4.39 一单壳程单管程列管换热器,由多根Φ25×2.5mm的钢管组成管束,管程走某有机溶液,流速为0.5 m/s,流量为15 T/h,比热为1.76 kJ/(kg·℃),密度为858 kg/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/(m2·℃)和10000 W/(m2·℃),钢导热系数为45 W/(m2·℃),垢层热阻忽略不计。 求:(1)总传热系数; (2)管子根数和管长;

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(3)在冷流体温度不变的情况下,若要提高此设备的传热速率,你认为要用什么措施? 4.40 有一蒸汽管,尺寸为Φ50×2.5 mm,外包有两层绝热材料,每一层厚度都是2.5 mm,现有两种保温方法,见图(1)和(2),已知λ2=5λ1,请定量判断这两种方法中哪一种方法绝热情况较好(蒸汽管本身的热阻可以忽略不计)

4.41 在研究污垢对传热的影响时,采用Φ28×1 mm之铜管,水在管内流动,水蒸汽在管外冷凝,传热系数K在很宽的水的流速范围内,对清洁管和污垢管可用如下方程表示: 清洁管:1/K=0.00020+1/(500u0.8) ;污垢管:1/K=0.00070+1/(500u0.8) 式中: K为传热系数,kcal/(m2·h·℃),u为水的流速,m/s;α=f(u0.8)为水的对流传热系数,kcal/(m2·h·℃) 试求污垢热阻和蒸汽冷凝传热系数。已知:铜的导热系数 λ=330 kcal/(m·h·℃)

4.42 判断下列说法是否妥当,如不妥,请写出正确说法 (1)蒸汽在管外冷凝时,“冷凝负荷越大,冷凝传热系数越高”; (2)用饱和蒸汽加热容器内的液体,使之沸腾时,“饱和蒸汽的压力越高,越有利于强化传热”。

4.43某厂加热炉为一内衬耐火砖的钢制圆筒,筒外覆盖一层绝热材料,如图所示。若钢板的允许工作温度不超过450 ℃,已知外界大气温度:夏季为40 ℃,冬季为-10 ℃,大气一侧的对流传热系数α外=10 W/(m2·k);炉内为热气体流动,最高温度为600℃,内侧对流传热系数α内=100 W/(m2·k),炉内流道截面直径为1.5 m。 (1)炉壁各层布置是否合理?(用数字说明) (2)若要改善钢炉壁的工作条件,从理论上你认为可采取什么措施?(定性说明) 各层材料的厚度与导热系数数据如下:

材料 耐火砖 钢 板 绝热材料

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导热系数,W/ m2k

λ1= 0.38 λ2= 45 λ3=0.10

厚度, m 0.25 0.01 0.25

题4.43附图 题 4.45 附图 4.44 设有一热物料,其流量为1000 kg/h ,比热Cp1 =2.1 kJ/(kg·℃),在换热器中与冷流体逆流换热,温度从149 ℃冷却至66 ℃。冷却剂为水,温度为15 ℃,流量为2000 kg/h,比热Cp2 =4.18 kJ/(kg·℃),换热器总传热系数K=567 W/(m2·℃)。如今换用10 ℃水作为冷却剂,则料液出口温度为多少?若生产上需维持热流体原出口温度为66 ℃,而水流量不变,换热器是否满足需要?

4.45 由A、B两台换热器组成的换热系统中,冷热流体的流向相反,流量相等,如图所示。已知A、B两台换热器的传热面积、传热系数均相等,冷流体流量等量分配,T1=150 ℃,T2=40 ℃、t1=30 ℃、t2=90 ℃。试求温度T、ta、tb的值分别为多少?

4.46 某套管换热器,内管为Φ19×2mm,流向安排如图(a)所示。已知Wh=Wc=1000 kg/h,T1=100 ℃,T2=80 ℃,t1 =20 ℃,Cph=2 kJ/(kg·℃),Cpc=1 kJ/(kg·℃),管内αi =2000 W/ (m2·℃),环隙αo=3000 W/(m2·℃)。若再增加一台完全相同的换热器按图b的流程操作,且Wh,Wc,T1,t1均不变,此时t2为多少?忽略管壁和污垢热阻。

题 4.46 附图

4.47 拟在单程逆流列管换热器中用35℃的冷水将流量为1 kg/s、温度为150℃的热油冷却至65℃,油走管内,软水走壳程,水的出口温度为75℃,已知油与水均处在湍流,并知此条件下对流传热系数分别为:水2000W/(m2·℃),油1000W/(m2·℃),油的平均比热为4 kJ/(kg·℃),水的平均比热为4.18 kJ/(kg·℃),若换热器传热面积为11 m2,热损失、垢层及管壁热阻均可不计,忽略内外表面积的不同。求:

(1)该换热器是否可用?(按平壁估算)

(2)若油的流量增至1.2 kg/s,其他条件均不变(水的流量及进口温度不变),仅将管内流程改为双程,并知双程时温差校正系数Φ△t为0.86,该换热器能否合用?

4.48 有一列管式换热器,装有Φ25×2.5 mm钢管300根,管长为2 m。要求将质量流量为8000 kg/h

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