1、1.鍋爐鋼板壁厚E=20mn,其導熱系數2, = 46.5W/(in- K)o若粘附在鍋爐壁 上的水垢層厚度為= lmn ,其導熱系數/U=1.162W/(m-K)o巳知鍋爐鋼板外 表面溫度為t =523K ,水垢表面溫度為t. = 473K ,求鍋爐每平方米表面積的傳 熱速率，并求鋼板表面的溫度心。(原題1) 解：該題為圓筒壁的熱傳導問題，如果設鍋爐的半徑為I則/；=r + 0.02, /;=r,=r-0.001 ,根據題意，可以得到所以嚴S,“2由圓筒壁的導熱速率方程：Q= /y h.| b2i-l 九jS亦人2m2其中,=523K, t3= 473 K , & =46.5W/(m K),

2、入=1.162 W/(m K), b, = 0.02 m,b2 = 0.001 m , Sm= Sm2 = S o所以曠 = fn mrW/m2 = 3.874W/n?S b、人0.02 0.001-H +入心46.5 162根據圓筒壁的導熱速率方程：土主/-I入s血入S可以得到：匚=(単 =523 _ 刃4 X2 = 5063(K) 人46.52.在一 60x3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平 均導熱系數A = 0.07W/(nvC)；外層為20mm的石棉層，平均導熱系數2 = 0.15W/(nvC)。現用熱電偶測得管壁溫度為500C,最外層表面溫度為80弋。已

3、知鋼管的平均導熱系數2 = 45W/(nvC),試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。（原題2）解：根據圓筒壁的熱傳導傳熱速率計算公式:si- F= 2ttZ-b1一4b2m2式中：fi=500C ,廣產80C ,巧二60/2-3. 5二26 5 (mm),匕=60/2二30 (mm), 23=30+40=70(mm), 門=70+20二90(mm), 人產 45W/( m C), A2=0. 07W/( m C),方產3. 5mm , 厶二40mm , 43=0. 15W/( m C)。Z?.F30mm ,八+ G 26.5 + 3022厶一廠270-301 70111 f230r3+

4、r4 70 + 90 2=28.3(/?/?)47.2()加3ml所以每米管長的熱損失為:Q “=2 疋.L b、 b.+ +也也也3Z1Z4= 2x3.142x3.142500-8040-2W/mH+45x28.30.07x47.20.15x803因為于 臺札= 1916W/m址=XL孚一=2庇竿h , bl ,b3也也人匚3所以宀+知式80 + 19“疥爲瓦而“0.8代）3.有一列管式換熱器，由38根425X2. 5mm的無縫鋼管組成，苯在管程流動， 由2CTC加熱到80C,苯的流量為10.2kg/s,飽和蒸汽在売程冷凝。試求：（1） 管壁對苯的對流傳熱系數？ （2）若苯的流量提高一倍，對

5、流傳熱系數將有何變 化？（原題4）解：苯的定性溫度芳50此狀況下的物性為:p = 045mPa s , p = 860 Rg/ nt , cp = 1.80kJ /(kg C), 2 = 0.14W /(m C)根據公式 Q = 0.023 Re08 Pr04 d=0. 020m,=l.Om/s=38222 (湍流)v10.2u =-=pA 860x38x-x0.022 4r _ chip _ 0.020 x 1.0 x 860 C 一/7一0.45 xlO3-= L8OX-45 =5.7860.14a =0.023Re08 Pr04=0.023x 21Lx 38222 x 5.78604 W

6、/(m2 C)0.020 7= 15O5W/(m2-C)(12)苯的流量增加1倍后，a； = % x 2* = 1505 x 2 W /(m2 C)= 2620 W /(m2 C)4.苯流過一套管換熱器的環隙，自2CTC升高至809,該換熱器的管規格為4 19 mmX2. 5mm,外管規格為438 mmX3 mm。苯的流量為1800 kg/h,求苯對管 壁的對流傳熱系數。解：苯的定性溫度豈竺= 5(TC,此狀況下的物性為：2“ = 045mPas, p = 860kg/F,= 1.80燈/(kgC), 2 = 0.14W/(mC)苯的流速為:wv1800一 = PA=1.12m/s3600 x

7、 860 x 扌 x(0.0322 - 0.0192)套管的當量直徑為:4x#（-d；）de = d、一 =（32 一 19）inm = 13mm7tdx + 7nl2流體的雷諾數為：Re = = Z2x860 =噸（湍流）“0.45 xlO3Pr= 2 =.80 x 0.45 = 5.790.14=0.02 x由此可得對流傳熱系數為: 黑曲267.79%韻W/（卅C）= 1832W/（m2-C）與書上答案1794W/（nf C）略有不同。5.常壓下溫度為1209的甲烷以10m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸 向流動。離開換熱器時甲烷溫度為30C,換熱器外殼徑為190 mm,管束由37

8、根419 mmX2mm的鋼管組成，試求甲烷對管壁的對流傳熱系數。解：甲烷的平均溫度-12（-3（）= 75r,此狀況下的物性為2“ =0.012mPas , p = 0.562 Rg/加 ,cp = 2.4SkJ/（kg C）, 2 = 0.04W/（m C）列管換熱器的當量直徑為：4xf（：-37 盃）叫+37加厶- 37d；ml、+37屈21902 -37x192190 + 37x19mm = 25.47/77/72流體的雷諾數為:= 11928（湍流）& _ deiip _ 0.02547 xlOx 0.5620.012 x 10由此可得甲烷對管的對流傳熱系數為:a = 0.023 Re

9、08 Pr03=0.023 x 0 04 x 119288 x f 2,48xQ 1 W/(m2-C)0.02547I 0.04 丿 7= 60.3W/(m2-C)66.溫度為9(TC的甲苯以1500kg/h的流量通過蛇管而被冷卻至30Co蛇管的直 徑為457 mmX3. 5mm,彎曲半徑為0. 6m,試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數。 解：甲苯的平均溫度叱凹= 6(FC,此狀況下的物性為：“ = 0.3864mPa s, p = 831.8/m3,= 1.853V/(-C), 2 = 0.1238W/(m-C)流體的流速為：R 3600x1x3.142x0.050x831.8流體的雷諾數為：湍流

10、時甲苯對直管的對流傳熱系數為:= 2162.3W/(m2 C)過渡流的校正系數:圓形彎管的校正系數為： = 1 + 177 = 1 + 177x = 1.1475R0.6甲苯對蛇管的對流傳熱系數為：al=ax0.612 x 1.1475 = 342.7 x 0.612 x 1.1475 W/(m2 C)= 240.7W/(m2 C)7. 120C的飽和水蒸氣在一根025x2.5mm.長lm的管外冷凝，巳知管外壁溫 度為80Co分別求該管垂直和水平放置時的蒸氣冷凝傳熱系數。解：(1)當管垂直放置時，冷凝傳熱系數的計算方法取決于冷凝液在管外沿壁面 向下流動時的流動型態。采用試差法，假定冷凝液為層流

11、流動，則：液膜溫度為竺聖=100 J 該溫度下水的物性為“ = 0283mPas , p = 958.4/n 2 = 0.683W/(mC)=1.13(2205.2xl03x958.42 x9.81xO.6833 F/葉 冷凝溫度為120 此溫度下水的相變焙為：r = 22052kJ/kg。所以可以計算O.283xlO_3x 1x(120-80)= 5495.3W/(nr-C)根據此計算結果校核冷凝液膜的流動是否為層流。冷凝液膜流動雷諾數為：蟲_心爐_ dQ _(4S/磯X%_ 4(?/(r)_仏垂評以&/(皿厶)_ 4%/代入相關數據后可以求得&=如空=4 x 5495.3x1x(120-8

12、0)_他 訃 2205 2x 10x 0.283x10-3層流假定成立，以上計算有效。(2)當管水平放置時，直接用如下公式計算蒸汽冷凝傳熱系數:%平=722205.2xl03x958.42x9.81x0.683?Yw心2 Q= 0.7250.283x 10一 x 0.025 x (120 - 80) =8866.7W/(m2-C)8.實驗室有一高為1ID,寬為0.5m的鑄鐵爐門，其表面溫度為600C,室溫為 209。試計算每小時通過爐門輻射而散失的熱量。如果在爐門前50mm處放置一 塊同等大小同樣材料的平板作為隔熱板，則散熱量為多少？如果將隔熱板更換 為同等大小材料為已經氧化了的鋁板，則散熱量

13、有何變化？解：（1）不加隔熱板時，鑄鐵爐門被四壁所包圍，鑄鐵黑度為斫=0.78 , C,_2 = C）,角系數014 = 1，根據= 0.78x 5.669 x lx 1x0.5 x600+273.1530+273.15)100100VV= 12664VV（2）加隔熱板后，輻射傳熱過程可以表示為：爐門1-隔熱板3-墻壁2。爐門 輻射散熱量就是它對隔熱板的輻射傳熱量（1-3）：1100)100爐門與隔熱板相距很近，其輻射可以看作是在兩極大的平面間進行，于是:CS 669C-嚴= 3.62,其角系數_3=1。H 1+ 10.78 0.78隔熱板對周圍墻壁的輻射傳熱量（3-2）：03-2 = G-2

14、03-2S100t225X2. 5mm的鋼管，冷水在 管湍流流動，對流傳熱系數為2000 W/(m2- K)o熱氣在套管環隙湍流流動，對流 傳熱系數為50 W/(m2- K)o已知鋼的導熱系數為45. 4 W/(mK)。試計算：(1) 管壁熱阻占總阻力的百分數；(2)冷水流速提高一倍，則總傳熱系數有何變化？(3)氣體流速提高一倍，則總傳熱系數有何變化？(原題8)解：(1)根據題意25 - 20 “力 mm = 22.4/?/?/ 25In 20管壁熱阻占總阻力的百分數:b心-p-71T-. X1OO%空上也+R +丄8 dt 仇 A dm “ ao25xlO725x=d器xlOO%125 門

15、2.5x10-325n 12000 2045.422.450= 0.297%(2)冷水流速提髙1倍后，管的對流傳熱系數變為：a； = y X 2-8 = 2000 X 20S W /(nr C)= 3482 W /(m2 C)總傳熱系數為:W/(m2-C)1125 n 2.5 xlO325F3482 2045.422.450=4& 97W/(n?C)(3)氣體流速提高1倍后，管外的對流傳熱系數變為: ao = a x2 = 50 x 208 W/(m2 C)=87.06W/(m2 C)總傳熱系數為:=:W /(m2 C)125 n 2.5x1 O325 n 172000 2045.422.48

16、7.06= 82.15W/(nr-C)1111. 實驗測定管殼式換熱器的總傳熱系數時，水在換熱器的列管作湍流流動， 管外為飽和水蒸汽冷凝。列管由直徑為425X2. 5mm的鋼管組成。當水的流速為 lm/s時，測得基于管外表面積的總傳熱系數兀為2115 W/( m2C);若其它條 件不變，而水的速度變為1.5m/s時，測得憶為2660 W/(m2-C)o試求蒸汽冷 凝傳熱系數。假設污垢熱阻可以忽略不計。解：設水流速為lm/s時，匕用冬。表示，K用Ki.o表示；速度為1. 5m/s時，q用4$表示，K用K“表示。由總傳熱系數的計算式可以得到：1 1 _ 25X2. 5mm的鋼管組成，將流量為15噸

17、/小時的苯由 20弋加熱到559,苯在管中流速為05m/s,加熱劑為13CTC的飽和水蒸氣在管 外冷凝，其汽化潛熱為2178kJ/kg,苯的比熱c,=1.76kJ/(kg- K),密度 P=858kg/m 粘度 P=0. 52X10_3Pa s,導熱系數入=0.148W/(m K),熱損失、 管壁及污垢熱阻均忽略不計，蒸汽冷凝的a=104 W/Gn- K)。試求：(1)水蒸 氣用量(kg/h); (2)傳熱系數K (以管外表面積為基準)；(3)換熱器所需管數 及單根管長度人解：(1)加熱冷流體苯所需要的熱量Qe =叱-/,)=xl.76xl03x(55-20V = 256 .Ik W水蒸汽用量

18、:nIkW吶 P 詼7?礦。.9M*24.3M(2)流體在管強制湍流傳熱系數 苯的平均溫度工二 =37.5,此狀況下的物性為：2“ = 0.52mPas, p = 858kg/F, cp = .16kJ/(kg-C), 2 = 0.148W/(m-C)0.148xl03pr = SA = 1.76xl(rx0.52xl0-=6i838 2帶入e表達式有:a =0.023-Re08 Pr04，d=0.023x 巴蘭 x 16500“ x 6.183804 W /(nr C) 0.02 )= 834.5W/(m2-C)= 10000 W/(m2-C)(3)因為” _ 匕 _ 叫1.21 八 7Rr

19、 -n -ntrp-n 44所以可以求得77 = 31/fo=625.8W/(m2-dC)15000/.ml s = 0.5/zz/ s3600x-x3.142x0.0202 x858x/?4換熱面聯一僉in 12130-554.48731x3.142x0.025/ 一 _厶 _(13()_20)_(13() _55)c_9i /c Hl*F- d Sd gS _ Q K/J= 256.7x10=2 =4.48時625.8x91.4又 S。= HTUlJm = 1.84/n1414.在一套管式換熱器中用水逆流冷卻熱油，已知換熱器的傳熱面積為3. 5m2o 冷卻水走管，流量為5000kg/h,流

20、動為強制湍流，入口溫度為20C；熱油走套 管環隙，流量為3800kg/h,入口溫度為8(TC,其比熱q=2.45kj/(kgK)。已 知兩流體的對流傳熱系數均為2000W/(m2 K)o管壁厚度、管壁熱阻、污垢熱 阻均可以忽略。試計算冷熱流體的出口溫度。如果由于工藝改進，熱油的出口 溫度需要控制在35弋以下，當通過提高冷卻水流量的方法來實現時，冷卻水的 流量應控制為多少？解：(1)原工況下：a=t(G-)=a=cr/,(7/-7；)Q = KS = KS -律H)= W (ry-7；)以上兩式整理化簡后可以得到:本題中，ti=20C, Ti=80C, Wh=3800kg/h, Wc=5000

21、kg/h, cph=2. 45 kJ/(kg- K), cpc=4. 18 kJ/ (kg - K),佳=辭皿又一卩)tt21= 2.2452 匚叱6 0.4455聯立上述兩式，可以求得T2=39.9C, t2=37. 8C(2)在新工況下，聯立上述方程式，試差求解得到Wc=7135kg/h01515.某列管換熱器由多根425X2. 5mm的鋼管組成，管束的有效長度為3.0m。 通過管程的流體冷凝殼程流量為5000kg/h.溫度為75弋的飽和有機蒸汽，蒸汽 的冷凝潛熱為310kJ/kg,蒸汽冷礙的對流傳熱系數為800 W/(m2- K)o冷卻劑在 管的流速為0. 7m/s,溫度由2(TC升高到

22、5(TC,其比熱為c2. 5kJ/ (kg K), 密度為P=860kg/m對流傳熱系數為2500 W/(m2- K)。蒸汽側污垢熱阻和管壁 熱阻忽略不計，冷卻劑側的污垢熱阻為0. 00055點K / Wo試計算該換熱器的 傳熱面積并確定該換熱器中換熱管的總根數及管程數。解：有機蒸汽冷凝放熱量：q = %“ = Wx310x10W = 43KW3600傳熱溫差in 2275-50_ 弘一血 _（F-（Tf）_（75-20）-（75-50）c = 38C11 八d心 b Jr +丄W/（nr-C）總傳熱系數:丄 J + R= + % ch dt 2 d_ 1 =1 2525+0.00055+ 0

23、 + 0 +2500 2020800= 410W/（m2-C）所需的換熱面積：u Q 431x1022S、=m = 2/. 7mK380 MW,故滿足要求。措施之二：增加換熱管長：傳熱系數K =Kox.48 = 88x 1.48W/(nr C)=115.2W/(m2 C)r8換熱面積 S = y x - = 47.12 x m2 = 62.83nrI6傳熱溫差不變，所以熱負荷： 380. lVV ,故滿足要求。措施之三：改為 9x2mm的換熱管：對流傳熱系數，流量不變的情況下，改變管徑，對流傳熱系數與管徑的-18次 方成正比，再考慮改變流量的情形，所以有：傳熱系數：K。=匕盒=241.6 x

24、匕 W /(m2 C)= 190.7 W /(m2 C) do19換熱面積：So = n7nlj = 100x3.142 x0.019 x6/n2 = 35.81/n2熱負荷：Q= KoSoMm = 190.7 x 35.81x65.48IV = 447AkW380.1RW ,故滿足要求。措施之四：提高蒸汽溫度：所以仏120-80K c= 0.9163 = -0.9163=0.8567可以求得rv=124.3C,此時蒸汽壓力為230kPao注：無論是何種措施，蒸汽流量需要增加40%,滿足熱量衡算的要求。 所以(1)滿足(2)滿足(3)滿足(4)不滿足。17一列管換熱器(管徑425X2.傳熱面積

25、12淤(按管外徑計，下同)。今擬使8CTC的飽和苯蒸汽冷凝、冷卻到45Co苯走管外，流量為lkg/s；冷卻水走管與苯逆流，其進 口溫度為10,流量為5kg/s。巳估算出苯冷凝、冷卻時的對流傳熱系數分別為 1500W/(mK)、870W/(m2-K)；水的對流傳熱系數為2400W/仏-K)。取水側的污垢熱阻為0. 26X103nr K/W,并忽略苯側的污垢熱阻及管壁熱阻。問此換熱器是否可用？已知水、液體苯的比熱分別為4. 18kJ/(kg K)、1.76kJ/(kg K)；苯蒸汽的冷凝潛熱 r =395kJ/kgo (原題 11)解：欲求換熱器是否可用，可計算該換熱器的傳熱面積是否夠用。苯在管外發生 冷凝.冷卻，所以換熱過程可以分成兩個過程。(1)在冷卻過程中，管外流體為8CTC的苯液體冷卻到出口溫度45T,而管的冷 卻水從入口溫度10加熱到一定的溫度，設為匚。根據熱負荷計算公式Q = Q產Q可以得到:其中，叱=5kg/s