1、1 .鍋爐鋼板壁厚61=20mm,其導熱系數兒=46.5W/mK0假設粘附在鍋爐內壁上的水垢層厚度為62=1mm,其導熱系數=1.162W/m,K卜鍋爐鋼板外外表溫度為t1=523K,水垢內外表溫度為t3=473K,求鍋爐每平方米外表積的傳熱速率,并求鋼板內外表的溫度t2.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r,那么n=r+0.02,r2=r,人=0.001,根據題意,可以得到r1Z0之自,所以Smi北Sm2由圓筒壁的導熱速率方程:tl-tn1_ti-t3bi=bi,一一i1-',-iSmi'iSmi12Sm2其中,t1=523K,t3=473K,匕=46.5

2、W/(mK),%=1.162W/(mK),b1=0.02m,所以q=S_tl_ta_bib2l-112b2=0.001m,Sm1ftsm2=S.523-47322-W/m3.874W/m0.020.00146.51.162根據圓筒壁的導熱速率方程:t1-tn1bii11iSmibi,1Sm1可以得到:=t1"qb11二523-3.8740.00246.5=506.3(K)2 .在一小60x3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料,里層為40mm的氧化鎂粉,平均導熱系數九=0.07W/m,C；外層為20mm的石棉層,平均導熱系數人=0.15W/m,C.現用熱電偶測得管內壁溫度為500C,最外

3、層外表溫度為80Co鋼管的平均導熱系數九=45W/m,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:Q=仆*1=/=2；工工.上上bi41iSmi'iSmi12Sm213m3'1M-b2-,2rm2b3式中：ti=500C,t4=80C,ri=60/2-3.5=26.5(mm),r2=60/2=30(mm),r3=30+40=70(mm),r4=70+20=90(mm),bi=3.5mm,b2=40mm,b3=30mm,入=45W/(m),；2=0.07W/(mC),；s=0.15W/(mC).rmlri-r2226.530=28.3

4、(mm)rm2r3-r2In一270-3070In30=47.2(mm)rm37090=80(mm)所以每米管長的熱損失為:Qc3七=2Tt-；L,b2b3'1rm1'2rm2'3rm3-23.1423.142500-803.54020W/m4528.30.0747.20.1580=191.6W/mb327tl7t1-t4bb2b3'1rm1'2rm2'3rm3二2冗I；t3-t4bs13rm3=80191.62023.1420.1580=130.8(C)33.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20c加熱

5、到80C,苯的流量為10.2kg/s,飽和蒸汽在殼程冷凝.試求：1管壁對苯的對流傳熱系數？2假設苯的流量提升一倍,對流傳熱系數將有何變化？(原題4)解：(1)苯的定性溫度20+80=50C,此狀況下的物性為：230=0.45mPas,P=860kg/m,Cp=1.80kJ/(kg,C),0=0.14W/(mC)根據公式：=0.023Re“Pr0"di10.2一=1.0m/s2di=0.020m,nA一元；P860380.02,4Re0.0201.086030.4510=38222(湍流)Pr1.800.450.14=5.786：i=0.023Re0.8Pr0.4di=0.023x-0

6、j14x382220.8X5.78604W/(m2C)0.020=1505W/(m2C)(12)苯的流量增加1倍后,5=叫父20.8=1505M2°.8W/(m2-C)=2620W/(m2C)4.苯流過一套管換熱器的環隙,自20c升高至80C,該換熱器的內管規格為小19mmx2.5mm,外管規格為小38mmx3mm.苯的流量為1800kg/h,求苯對內管壁的對流傳熱系數.解：苯的定性溫度20+80=50此狀況下的物性為：2N=0.45mPas,P=860kg/m3,Cp=1.80kJ/(kgC),0=0.14W/(mC)苯的流速為:u*=1.12m/s180036008600.032

7、2-0.0192套管的當量直徑為:4d12-d|de=4=d1-d2=32-19mm=13mm二di二d2流體的雷諾數為：Re0.0131.1286030.4510PrCp1.800.450.14=5.79dd232=1.681.6519由此可得對流傳熱系數為:1,=0.02Re0.8Pr3ded20.530.14083=0.0227826.5.7930.0132=1832W/(mC)0.5332、,2iW/(mC)皿與書上答案1794W/(m2N各有不同5.常壓下溫度為120c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,換熱器外殼內徑為190mm

8、,管束由37根小19mmx2mm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120+30=75C,此狀況下的物性為2N=0.012mPas,P=0.562kg/m3,Cp=2.48kJ/(kgC),九=0.04W/(mC)列管換熱器的當量直徑為：4d12-37d；de=二；37二d22_2d1-37d2d37二d2_2_2190-3719mm=25.47mm1903719=27826(湍流)流體的雷諾數為:RedeUP0.02547100.5620.01210多=11928(湍流)由此可得甲烷對管的對流傳熱系數為:二二0.023Re"8Pr0.3de0.04一0.8=

9、0.023119280.02547=60.3W/(m20.32.48x0.012).22AIW/(m'C)0.0416,溫度為90c的甲苯以1500kg/h的流量通過蛇管而被冷卻至30C.蛇管的直徑為小57mmx3.5mm,彎曲半徑為0.6m,試求甲苯對蛇管的對流傳熱系數.9030解：甲苯的平均溫度903=60.(：,此狀況下的物性為：2N=0.3864mPas,8=831.8kg/m3,Cp=1.853kJ/(kgC),九=0.1238W/(m,C)流體的流速為:VsU-1.2d4ms1.2d:415001236003.1420.0502831.84m/s=0.255m/s流體的雷諾

10、數為:ReduP0.050.255831.8130.386410=27447(湍流)湍流時甲苯對直管的對流傳熱系數為:二二0.023Re0.8Pr.3d0.3=0.023父但父274470.8/1W/宿.0.050'、0.1238)-2162.3W/m2C過渡流的校正系數:_5_5610.610=118-=1-18=0.612Re2744.7圓形彎管的校正系數為:d0.050=11.77-=11.77=1.14750.6甲苯對蛇管的對流傳熱系數為:2c2c=0(X0.612x1.1475=342.7M0.612M1.1475W/(m,C)=240.7W/(m,C)7.120C的飽和水蒸

11、氣在一根中25M2.5mm、長1m的管外冷凝,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,假定冷凝液為層流流動,那么:口垂直=1.131'rPyf液膜溫度為Jlt12080r=100C,該溫度下水的物性為R=0.283mPas,2P=958.4kg/m3,九=0.683W/(m)冷凝溫度為120C,此溫度下水的相變始為：r=2205.2kJ/kg.所以可以計算口垂直=1.131'rP2gK3;內&J=1.133232205.210958.49.81

12、0.6830.283101120-8014W/m2c二5495.3W/m2C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:Re=doUP_d°G_(4S/叼°bm/S)_4Q/(r叼.14G垂直叼.AtQ/(叼.4a垂直l&代入相關數據后可以求得4a垂直lAt4x5495.3x1x(120-80)d/innRe=11=1409r2205.21030.28310,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:1a水平=0.725rP2g片彳叼.川,1=0.7252205.2103958.429.810.683

13、3,203W/(mC)0.283100.025120-802.=8866.7W/(m,C)8.實驗室內有一高為1m,寬為0.5m的鑄鐵爐門,其外表溫度為600C,室溫為20C.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,那么散熱量為多少？如果將隔熱板更換為同等大小材料為已經氧化了的鋁板,那么散熱量有何變化？解：(1)不加隔熱板時,鑄鐵爐門被四壁所包圍,鑄鐵黑度為7=0.78,C-=wQ0,角系數%=1,根據;.因漫叱田3=12664W(2)加隔熱板后,輻射傳熱過程可以表示為：爐門1一隔熱板3一墻壁2.爐門輻射散熱量就是它對隔熱板的輻射傳

14、熱量(1V):T1I,-4心100100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:C05.669C13=-=3.62,其角系數%3=1一1111,一十1+-1；1；30.780.78隔熱板對周圍墻壁的輻射傳熱量3隹:Q3_2-C3_23_2S其中C32=e3C0=0.78x5.669=4.42,%2=1.過程到達穩態時,Q1J3=Q3N-C3_2【100JC1,心G-311100J1100)將數據代入上述公式,可以得到3可卡卜島4.42110.5R衛匚,30+273.151R00J-1100J求出T3-718.39K=443.24C所以熱損失為:Q=Ql2=C1J31J

15、3s1100J<100J=3.62110.561600+273.15；_'718.397W100IL、100=570CW3如果將隔熱板換為氧化的鋁板,其黑度為%=0/5,那么有C0工-1-1-35.669=0.816_X,1一I0.780.15C3i=；3co-0.155.669=0.85可以仿照2的公式求取隔熱板溫度,然后計算熱損失,也可以利用以下公式直接求取:O；©4Q=Q3Q3/二同廠畫11-33-211+C1_31_3SIC3N,3NSI600+273.15個3,30+273.15、4J100廠'100w110.81610.50.8510.5=1192W

16、9.現測定一傳熱面積為2m2的列管式換熱器的總傳熱系數K值.熱水走管程,測得其流量為1500kg/h,進口溫度為80C,出口溫度為50C；冷水走殼程,測得進口溫度為15C,出口溫度為30C,逆流流動,試計算該換熱器的K值,(原題6解：換熱溫差:lnlnT2-11TT1(50-15)-(80-30)150-15In80-30=42.06C熱負荷為:Q=WcCpcT1-T2=15003600一_34.181080-50W=52.25kW所以換熱器的總傳熱系數:八LCCL一八3Ko=Q=-W/(m2)=621.1W/(m2C)Sotm242.061010.熱氣體在套管式換熱器中用冷卻水冷卻,內管為4

17、25x2.5mm鋼管,冷水在管內湍流流動,對流傳熱系數為2000W/(m2K)0熱氣在套管環隙湍流流動,對流傳熱系數為50W/(m2妁.鋼的導熱系數為45.4W/(m?K).試計算：(1)管壁熱阻占總阻力的百分數；(2)冷水流速提升一倍,那么總傳熱系數有何變化？(3)氣體流速提升一倍,那么總傳熱系數有何變化?解：(1)根據題意(原題8)dmdo-diln8di25-20mm=22.4mm,25In20管壁熱阻占總阻力的百分數：bdodm1do°dobdRsi二ididid-100%-Rso'32.51045.42522.4200020=0.297%32502.510用45.4

18、22.4100%050(2)冷水流速提升1倍后,管內的對流傳熱系數變為:20.8=200020.8W/m,竺0.2A正至34822045.422.4=48.97W/m2C(3)氣體流速提升1倍后,管外的對流傳熱系數變為:ao=aoM208=50M20.8W/(m2-C)=87.06W/(m2)總傳熱系數為:C=3482W/m2C總傳熱系數為:W/m2C1050KoKo1.o1do-dobdo0Rsiodididm,空.土工m20002045.422.487.06W/(m2,C)=82.15W/m2C1111.實驗測定管殼式換熱器的總傳熱系數時,水在換熱器的列管內作湍流流動,管外為飽和水蒸汽冷凝

19、.列管由直徑為425x2.5mm的鋼管組成.當水的流速為1m/s時,測得基于管外外表積的總傳熱系數Ko為2115W/(m2C)；假設其它條件不變,而水的速度變為1.5m/s時,測得Ko為2660W/(m2C)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1m/s時,必用豆1.0表示,K用K1.0表示；速度為1.5m/s時,為用%.5表示,K用K1.5表示.由總傳熱系數的計算式可以得到：1 1dobdo1K1.011.0didm二o11dobdo1=rr兩式相減,可以得至U：m2),K1.511.5di,dm：o其中,K1.0=2115W/(20K1.5=2660W/(m-C)

20、,do=25mm,11_di_1_'1.0''1.5doK1.0K15di=20mm.20=7.76父10*(m2-C)/W2521152660根據流體在圓形直管內做湍流時的對流傳熱系數關系式,可以得到:1.5/u1.50.81.0=1.5°.8%.0=1.383J0<u1.0/由以上兩個式子可以求得一2一一2一«1.0=3569W/(mC),a1,5=4936W/(mC).根據-do+-do+,其中Ki0=2115W/(m2),do=25mm,K1.011.0di-dm：-o2.di=20mm,dm=22.5mm,b=2.5mm,爛45W/(

21、mC),«1,0=3569W/(mC).可以求得ao=15900W/(m2C卜1212.某套管式換熱器用于機油和原油的換熱.原油在套管環隙流動,進口溫度為120C,出口溫度上升到160C；機油在內管流動,進口溫度為245C,出口溫度下降到175Co(1)試分別計算并流和逆流時的平均溫度差；(2)假設機油質量流量為0.5kg/s,比熱為3kJ/(kg?C),并流和逆流時的總傳熱系數K均為100W/(m2?K),求單位時間內傳過相同熱量分別所需要的傳熱面積.(原題5)解：(1)逆流時:=5-11HI-12):(175-120H245-160)c=689c1nM,175-120In245-

22、160并流時:In12T1-t)lT2-t2InUT2-t2(245-120H175-160)(=519c,245-120一In175-160(2)逆流時換熱面積:cQWhCphT1-T>0,53000245-1752“八2S=m=15.2mKoAmKoAm100M68.9并流時換熱面積:cQW1cphT-T20.53000245-1752S二二二mKoAmKoAm100M51.92=20.2m21313.某列管換熱器由多根小25X2.5mm的鋼管組成,將流量為15噸/小時的苯由20c加熱到55C,苯在管中流速為0.5m/s,加熱劑為130c的飽和水蒸氣在管外冷凝,其汽化潛熱為2178k

23、J/kg,苯的比熱Cp=1.76kJ/(kg?K),密度p=858kg/m3,粘度p=0.52M0-3Pa?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«=104W/(m2?<).試求：(1)水蒸氣用量(kg/h)；(2)傳熱系數K(以管外外表積為基準)；(3)換熱器所需管數n及單根管長度L解：(1)加熱冷流體苯所需要的熱量15103°Qc=WcCpct2-t1二1.7610355-20W=256.7kWp3600水蒸汽用量:Q256.7kWWh=一=0.1179kg/s=424.3kg/hr2178kJ/kg(2)流體在管內強制

24、湍流傳熱系數5520苯的平均溫度55烏=37.5C,此狀況下的物性為：23N=0.52mPas,P=858kg/m,cp=1.76kJ/(kgC),0=0.148W/(m,C)Re-4=1650010du:0.0200.5858Pr_3_31.761030.52100.14810工0.5210,=6.1838帶入巴表達式有：二i=0.023Re08Pr0.4d=0.023x011481650086.18380.4W/(m2C)0.02=834.5W/m2C：o=10000W/m2C1kOVsU=1d2n4ms150001236003.1420.0202858n4m/s=0.5m/s1doi12

25、5112o+=+m6di«o<834,52010000'2Ko=625.8W/m2C(3)由于所以可以求得n=31換熱面積：So=-QKoAm:-tm立1：t2TTl:TLT-t2(130-20)-(130-55)0,130-20In130-55u91.4CKoAm3256.7102m625.891.4=4.488m2又So二n：dol4.487n二dom=1.84m313.1420.0251414 .在一套管式換熱器中用水逆流冷卻熱油,換熱器的傳熱面積為3.5m2.冷卻水走管內,流量為5000kg/h,流動為強制湍流,入口溫度為20C；熱油走套管環隙,流量為3800k

26、g/h,入口溫度為80C,其比熱Cp=2.45kJ/(kg?K).兩流體的對流傳熱系數均為2000W/(m2K).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.如果由于工藝改良,熱油的出口溫度需要限制在35c以下,當通過提升冷卻水流量的方法來實現時,冷卻水的流量應限制為多少？解：(1)原工況下：Qc=WcCpct2-t1=Qh=W£phT1-T2Q=KStm=KSTi-2i-1.T2-11lnTT2li=WhCphTi-T2以上兩式整理化簡后可以得到:KST2-tiWhC'i-WChphWcCpc所以WhCph雙C所以TwT2-ti=expKSWhCphd

27、WhCphi一WC=exppcjji000><3.5(i-0.4455)3800x2.45xi03<3600,=2.12此題中,ti=20C,Ti=80C,Wh=3800kg/h,Wc=5000kg/h,cph=2.45kJ/(kg?K),cpc=4.18kJ/(kg?K),38002.45,=0.445550004.i8又WcCJ-ti=WhCphTT2Ti-T2WcCpct2-tiWhCphi2.2450.4455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=7i35kg/hi515 .某列管換熱器由多根(|)

28、25X2.5mm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75c的飽和有機蒸汽,蒸汽的冷凝潛熱為310kJ/kg,蒸汽冷凝的對流傳熱系數為800W/(m2陽.冷卻劑在管內的流速為0.7m/s,溫度由20c升高到50C,其比熱為Cp=2.5kJ/(kgK),密度為尸860kg/m3,對流傳熱系數為2500W/(m2不).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0.00055m2不/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：50003Q=Whr3i0i0W=43ikW3600傳熱溫差1n

29、號lnUT-t275一20一75一50c-38c,75-20一In一總傳熱系數:Ko1dd.bd10Ri00-Rso-didm1252510.000550025002020800W/(m2C)=410W/(m2,C)所需的換熱面積:So二aKo34311041038=27.7m275-50431103kg/s=5.75kg/s冷卻劑用量:-31Cpc12T2.510350-20每程換熱管的數目:Vsn1二d：4ms5.75123.1420.02028600.74=30管程數為:N二一So27.7一doln3.1420.0253.030=3.92取管程數為總管數目:n總=nN=30父4=1201

30、616 .在一臺管殼式換熱器中,殼方120c的水蒸汽冷凝將一定流量的空氣由20c加熱到80C,空氣的對流傳熱系數%=100W/(m2?C).換熱器由425x2.5mm,L=6m的100根鋼管組成.現由于工藝需要,空氣流量增加50%,要維持對空氣的加熱要求,有人建議采用如下四種舉措：(1)將管方改為雙程,(2)增加管長到8m,(3)將管束改為ei9x2mm的規格,(4)將蒸汽溫度提升到124C.蒸汽的量足夠,試通過定量計算,必要時作合理簡化,說明上述舉措能否滿足需要.解：原工況下：So=n:dol=1003.1420.0256m2-47.12m2Cli2022Ko=q=110mW/mC=88W/

31、mCdo25121ln12Tt1I.T-12lnUT-t2120-20-120-80c,120-20In120-80=6548C.Q-KoSo：tm=8847.1265.48W=271.5kW流量增加40%后：Q'=QM1.4=271.5M1.4kW=380.1kW舉措之一：將管方改為雙程：傳熱系數Ko=Ko父2°8父1.40.8=88父2.8m1.40.8W/(m2:C)=200.5W/(m2C)換熱面積與傳熱溫差不變,所以熱負荷：Q'=K°So：tm=200.547.1265.48W=618.8kW380.1kW,故滿足要求.舉措之二：增加換熱管長：傳熱

32、系數Ko=Ko父1.4"8=88M1.40.8W/(m2C>115.2W/(m2C)l'8oo換熱面積So=So47.12-m2=62.83m2l6傳熱溫差不變,所以熱負荷：Q'=K°So：tm=115.262.8365.48W-473.9kW380.1kW,故滿足要求.舉措之三：改為19父2mm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-1.8次方成正比,再考慮改變流量的情形,所以有：,158'俗、8oti=%M1m1.4°'=110mIxl.4°.8W/m2.=241.6W/m2,C

33、皿注1522傳熱系數：Ko=%=241.6mW/mC=190.7W/mCdo19換熱面積：So=n1:dol=1003.1420.0196m2=35.81m2熱負荷:Q'=KoSo.：tm=190.735.8165.48W=447.4kW380.1kW,故滿足要求.舉措之四：提升蒸汽溫度:二WcCpc(t2-t1)Q二KoSo12r1.1ngT-t2所以InT-t2:InH9163二KoSoWcCpcITsTIn1Ts-t2支"臂=0.85671.4WcCpc1.40.2可以求得Ts=124.3C,此時蒸汽壓力為230kPa注：無論是何種舉措,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.25X2.5mmmm,傳熱面積12m2按管外徑計,下同.今擬使80c的飽和苯蒸汽冷凝、冷卻到45Co苯走管外,流量為1kg/s；冷卻水走管內與苯逆流,其進口溫度為10C,流量為5kg/so已估算出苯冷凝、冷卻時的對流傳熱系數分別為1500W/m2K870W/m2K；水的對流傳熱系數為2400W/m2K.取水側的污垢熱阻為0.26M0-3m2K