09熱量傳遞過程練習(xí)題

10一、填空(2848.0分)

2023年化工根底練習(xí)題2用飽和水蒸氣加熱空氣換熱器壁面的溫度更接近 飽和水蒸氣的溫度總傳熱系數(shù)近似等于空的傳熱膜系數(shù)。假設(shè)要提高傳熱效率，應(yīng)當(dāng)改善空氣一側(cè)的傳熱條件。導(dǎo)熱系數(shù)〔〕是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。假設(shè)要提高導(dǎo)熱速率，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料；保溫時(shí)則要選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。333K。假設(shè)在保溫磚與裝飾層之間再加一層保溫材料，則溫度變化狀況為：保溫磚外側(cè)溫度上升；裝飾層外側(cè)溫度下降。導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱力量大小的標(biāo)志，其SIW·m‐1·K‐1。傳熱的根本形式除對流外，還有傳導(dǎo)和輻射。對流傳熱有強(qiáng)制對流傳熱和自然對流傳熱。100W·m‐2的速度加熱，維持此平板熱573K373K。這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)=0.005W·m‐1·K‐1水蒸氣冷凝的傳熱膜系數(shù)

，水沸騰傳熱膜系數(shù)1

，液體對流傳熱膜系數(shù)2

和氣體對流傳熱膜系數(shù)。四者中最小的是 。4 4某水蒸氣管道擬用同樣厚度的石棉泥〔=0.15 保溫材料，為了削減熱損失，石棉泥應(yīng)包扎在外層。流體的湍流程度越大，則滯流內(nèi)層的厚度 越小，傳熱過程的傳熱膜系數(shù)越大。流體與固體壁面間的對流傳熱〔給熱〕，其熱阻主要是集中于層流底層。2808040190℃。對這種換熱，必需承受逆流操作進(jìn)展，其傳熱平均溫度差為61.7℃。在列管換熱器中，用飽和水蒸氣加熱氣體反響物，通常讓氣體反響物走管程，飽和水蒸氣走殼程；提高總傳熱系數(shù)的措施是提高氣體反響物的流速。熱傳導(dǎo)是在物體內(nèi)部或者物體與物體接觸中，由于自由電子的運(yùn)動、分子的振動或分子集中傳遞熱能；而對流傳熱是由于流體質(zhì)點(diǎn)的相對位移傳遞熱能。兩種流體通過間壁進(jìn)展換熱的過程，包括間壁的導(dǎo)熱和間壁兩側(cè)的對流傳熱的過程。在夾套式、套管式和列管式三種熱交換器中，單位體積的傳熱面積最小的是 夾套式熱交換器，最大的是列管式熱交換器。進(jìn)展熱交換時(shí)，參與熱交換的兩流體的流淌方向可分為并流、逆流、錯(cuò)流和折流四種類型。用常壓蒸餾塔的塔底重油加熱原油。重油的初始溫度為300℃，最終溫度為220℃；原油的初始溫度為25℃，最終溫度為180℃。假設(shè)承受并流操作，其平均溫差：

=121.9℃℃；假設(shè)承受逆流操作，其平均溫差：

=157.5℃℃。由上述計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)熱交換雙方流體無相變，且進(jìn)、出逆流操作的傳熱平均溫差比并流操作的傳熱平均溫差大，對熱交換有利。生產(chǎn)中用水蒸氣對夾套式反響釜加熱時(shí)，水蒸氣進(jìn)口應(yīng)在夾套上部，而冷凝水則由其下部排出；當(dāng)用冷卻水冷卻時(shí)，冷卻水進(jìn)口應(yīng)在夾套下部，而冷卻水出口應(yīng)在夾套上部。加熱劑或冷卻劑的用量要少。假設(shè)單位時(shí)間傳遞的熱量肯定，加熱劑或冷卻劑的用量也肯定，則逆流操作所需換熱設(shè)備的傳熱面積要比并流操作的小。323K338K。使用一段時(shí)間后，管壁〔或達(dá)不到〕338K。在套管換熱器中冷熱流體以逆流方式換熱，熱流體進(jìn)出口溫度分別為393K和363K，冷流進(jìn)口溫度為303K。兩種流體的質(zhì)量流量和比定壓熱容之積一樣，即q

c=qc

。則此時(shí)的傳熱的平均溫差 =60K。

p,1

p,250W·m-2·K-1，10000W·m-2·K-1，則總傳熱系數(shù)約為50W·m-2·K-1。45K，9000W，則該換熱器此時(shí)K=80W·m-2·K-1。120702060℃，則傳熱平均溫度差為55℃，即為55K。某工廠依據(jù)工藝要求，熱流體進(jìn)口溫度應(yīng)為300℃，出口溫度應(yīng)為200℃,冷流體進(jìn)口溫度應(yīng)為80℃,出口溫度應(yīng)為200℃。明顯,在此工藝條件下,不能承受并流傳熱操作。管內(nèi)用水作冷卻劑冷凝管外水蒸氣,假設(shè)要強(qiáng)化傳熱,應(yīng)設(shè)法增大管內(nèi)側(cè)的傳熱膜系數(shù)才比較有效。工業(yè)熱交換器可分為間接式(間壁式)熱交換器,直接混合式熱交換器和蓄熱式熱交換器三大類。例如,來自發(fā)生爐的熱煤氣先經(jīng)過余熱鍋爐,后經(jīng)過填料塔進(jìn)展冷卻。回收余熱的列管式蒸汽鍋爐屬于間接(間壁)式熱交換器,而水冷卻填料塔則屬于直接混合式熱交換器?；どa(chǎn)中最常用的載熱體〔加熱劑〕為 飽和水蒸氣，常用的冷卻劑為水和空氣。二、推斷題(13小題,共26.0分)度圓管的能損失?！插e(cuò)〕導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱膜系數(shù)，都是物質(zhì)的物理性質(zhì).〔錯(cuò)〕過程?！插e(cuò)〕上的污垢。〔對〕5.錯(cuò)〕[6]與總熱阻之比根本不變，即傳熱速率也根本不變。(錯(cuò)〕7〔錯(cuò)〕〔錯(cuò)〕多層平壁定態(tài)熱傳導(dǎo)時(shí)，各層壁面的溫度差與其熱阻之比等于總溫差與總熱阻之比?！矊Α程荻却嬖诘膮^(qū)域稱為傳熱邊界層。所以，流淌邊界層和傳熱邊界層實(shí)際上是同一個(gè)概念?！插e(cuò)〕〔對〕當(dāng)熱、冷流體均無相變,且進(jìn)出口溫度不變時(shí)，逆流操作時(shí)平均溫度差Tm

最大，并流操作時(shí)T最m小，任何其它簡單流程皆介于兩者之間?！矊Α畴x心泵的揚(yáng)程是指流體流過泵前后的靜壓強(qiáng)的增加。〔錯(cuò)〕三、選擇(1836.0在換熱器中，間壁任一側(cè)的對流傳熱速率=推動力/阻力，其中推動力是指……〔D〕A、兩相流體溫度差〔T–Tˊ〕;B、冷流體進(jìn)出口溫度差〔Tˊ-Tˊ〕;2 1C、熱流體進(jìn)出口溫度差〔T-T〕;D、流體主體溫度和管壁溫度差〔T–T〕或〔Tˊ–Tˊ〕2 1 W W屬材料，液體和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為和，通常它們的大小挨次為〔C〕、>; B、>; >; >>。不同流體的傳熱膜系數(shù)相差很大。假設(shè)氣體被加熱或冷卻時(shí)的傳熱膜系數(shù)為 W·m‐2·K‐1，液體被加熱或冷卻的傳熱膜系數(shù)為2挨次為〔D〕

W·m‐2·K‐1,飽和水蒸氣冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)為3

W·m‐2·K‐1，則其大小A、<<；B、<<；C、<<；D、<<。32233223AA′之間的關(guān)系為〔C〕A、A=A′； B、A>A′； C、A<A′； D、無法確定。兩種化學(xué)組成一樣的保溫材料其密度分別為 與 ，且 > ，它們的保溫性能〔A〕A、B比A好； B、A比B好； C、兩者一樣：D、無法推斷。差的位置〔B〕A、在冷流出口處;B、在冷流體入口處;C、在冷流體入口處〔逆流〕或出口處〔并流〕;D、無法確定表達(dá)流體流淌狀態(tài)對管內(nèi)流體強(qiáng)制對流傳熱過程影響的特征數(shù)〔無因次準(zhǔn)數(shù)〕是〔C〕AB、普朗特?cái)?shù)；C、雷諾數(shù)；D、格拉曉夫數(shù)。在列管換熱器中，在溫度不太高的狀況下，冷熱兩流體的傳熱過程是…〔D〕A;B.以輻射為主要方式;C.以熱對流為主要方式;D.以熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式為主為400K，出口溫度為300K；冷卻水的進(jìn)口溫度為280K，出口溫度為290K。并流時(shí)，對數(shù)平均溫差 為(C〕A、130K；B、65K；C、44.3K；D、52.8K對于兩層平壁的一維定常態(tài)導(dǎo)熱過程，假設(shè)第一層的溫差 大于其次層的溫差1

，則第一層的熱2阻R與其次層的熱阻R的關(guān)系為〔D〕A、R=R； C、無法確定；D、R>R1 2 1 2 2 1 2在列管式換熱器中，用飽和水蒸氣加熱空氣。下面甲、乙兩種說法何者合理？〔A〕甲:傳熱管的壁溫將接近加熱水蒸氣的溫度；乙:換熱器總傳熱系數(shù)將接近空氣側(cè)的傳熱膜系數(shù)。A、甲、乙均合理；B、甲、乙均不合理；C、甲合理，乙不合理；Ｄ、甲不合理，乙合理.在通常操作條件下的同類換熱器中，設(shè)空氣的傳熱膜系數(shù)為，水的傳熱膜系數(shù)為1

2冷凝的傳熱膜系數(shù)為，則有〔C〕A、>>;B、 >>;C、 >>;D、 >>.3 1 2 3 2 3 1 3 2 1 2 1 3熱量傳遞的根本方式為〔D〕A、蒸氣的冷凝；B、液體的沸騰；C、冷、熱流體的混合；D、傳導(dǎo)、對流和輻射。CO〔C〕2A.CO;B.金屬管壁中;C.CO;D.水流與管壁間的層流底層中2 2在多層固體平壁中進(jìn)展一維定常導(dǎo)熱時(shí)，各層的溫度降與各相應(yīng)層的熱阻之間呈何種關(guān)系？〔C〕A、反比關(guān)系；B、無關(guān)系；C、正比關(guān)系；D、不確定關(guān)系。1

和其對應(yīng)的溫度差分別為和2 1假設(shè)，則 和 的關(guān)系為〔A〕A、 <; B、 >;C、 =

;D、無法確定。2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2[17]常溫下，鋼、不銹鋼、水和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為〔A〕、45W·m‐1·K‐1,15W·m‐1·K‐1,0.6W·m‐1·K‐10.026W·m‐1·K‐1;、0.6W·m‐1·K‐1,0.026W·m‐1·K‐1,45W·m‐1·K‐115W·m‐1·K‐1;、0.026W·m‐1·K‐1,0.6W·m‐1·K‐1,15W·m‐1·K‐145W·m‐1·K‐1；D、15W·m‐1·K‐1

,45W·m‐1·K‐1

,0.6W·m‐1·K‐10.026W·m‐1·K‐1.[18]空氣、水和鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1

與 和，其大小挨次為〔B〕2 3A、 >>

;

<<; C、 >

> D、 <<.1 2

1 2 3 2

2 3 1四、計(jì)算問答(22210.0分)有一列管式換熱器,由50根25mm×2.5mm鋼管組成。管長為1.5m。管內(nèi)冷卻水的進(jìn)口溫度為20℃,出口溫度為40℃,體積流量為50m3·h-1,試求管內(nèi)冷卻水的傳熱膜系數(shù)。定性溫度下水的c=4.1755×103J·kg-1·K-1,導(dǎo)熱系數(shù)=0.618W·m-1·K-1,密度=996pkg·m-3,粘度=8.01×10-54Pa·s。答: 定性溫度T=

= =30℃ u=

= =0.88m·s-1Re= =

=2.20×104 Pr=

= =5.41 = =75由于R>104,0.7<P<160,>50,水被加熱,則: =0.023Re0.8Pr0.4=0.023× ×(2.19×104)0.8(5.41)0.4=4.14×103 W·m-2·K-1。有一列管式換熱器,用殼程的飽和水蒸氣加熱管程的原油。列管由53mm×1.5mm知?dú)こ陶魵庖粋?cè)的傳熱膜系數(shù)為1.163×104Wm-2K-1,管程原油一側(cè)的傳熱膜系數(shù)為116Wm-2K-1,46.5W·m-1·K-1,垢層熱阻為0.00043m2·K·W-1,試求該換熱器的總傳熱系數(shù)。假設(shè)在保持原有其它條件不變的狀況下,只是將管程原油一側(cè)的傳熱膜系數(shù)提高1倍,試問總傳熱系數(shù)將提高多少倍?答: =109W·m-2·K-1(2)當(dāng) =2 =2×116=232W·m-2·K-1時(shí),K”==206W·m-2·K-1(3)K′∕=20∕109=1.89。有一套管換熱器,內(nèi)管通熱水,溫度由58℃降至45℃。冷卻水以逆流的方式流過管間,流量為2.0×10-2m3·h-1,溫度由15℃升至45℃。內(nèi)管外徑為100mm,長度為1450mm。冷卻水在此溫度范圍內(nèi)的平均密度為997kg·m-3,比熱容為4.187kJ·kg-1·K-1,假設(shè)熱損失可略而不計(jì),試求以內(nèi)管外外表積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)。答: K= 式中: = ×997=5.54×10-3kg·s-1=45-15=30

=30K;=(

)=58-45=13℃,亦即=13K;)=45-15=30℃,亦即=30K;= = =20.3KA==×0.1×1.45=0.456m2;由此可得:K= =75.2W·m-2·K-1。有一管式反響器需要將進(jìn)入反響器前的原料氣甲烷從20℃加熱到70℃?，F(xiàn)擬承受套管換熱器,用100℃降到802510kJ·m-2·h-1·K-1,甲烷流過薄壁管子的內(nèi)徑為26mm。甲烷流淌時(shí)的雷諾數(shù)Re5×104,甲烷的導(dǎo)熱系0.109kJ·m-1·h-1·K-1,甲烷的普朗特?cái)?shù)Pr12023kg·h-1,比定壓熱容為4.18kJ·kg-1·K-1。試求熱交換器所需的面積。假設(shè)改用并流操作,其它條件均保持不變,問熱交換器所需的傳熱面積又為多少?答(1)逆流操作所需傳熱面積A=

;式中

= ×4.18×103×(100-80)=4.64×104W= =80-20=60℃,即

=60K;=

=100-70=30℃,即

=30K= = =43.3K;

=2510kJ·h-1·m-2·K-1=697W·m-2·K-1;1=0.023(R)0.8=0.023 (5×104)0.8=154W·m-2·K-1;= = =126W·m-2·K-1計(jì)算可得:A==8.5m2(2)并流操作所需傳熱面積”;式中: = =100-20=80℃,即 =60K= =80-70=10℃,即 =10K; =33.7K計(jì)算可得:”=11m2。某套管換熱器管間為水蒸氣冷凝,管內(nèi)為湍流流淌的空氣?？諝鉁囟扔缮痢，F(xiàn)要求空氣流量增加1.5倍,而空氣進(jìn)出口溫度保持不變,空氣物性數(shù)據(jù)和換熱器管徑也不變,試問傳熱管的長度需增加多少倍才行。答:由題知:K≈ 空氣在管內(nèi)之傳熱膜系數(shù));當(dāng)空氣質(zhì)量流量為①當(dāng)空氣質(zhì)量流量為1.5時(shí), =1.5 ②;兩式相比可得:=1.5= ③又由于 =()0.8=(

)0.8=(

)0.8,所以式③可改寫為:1.5=(

)0.8()④由此解得: =1.5×( )0.8=1.08倍。在一內(nèi)管為19mm×2mm85℃和45℃,傳熱膜系數(shù)為5000W·m-2·K-115℃和50℃,傳50W·m-2·K-1,質(zhì)量流量為20kg·h-1,比定壓熱容為1.0kJ·kg-1·K-1。冷熱流體呈逆流答: = ×1.0×103×(50-15)=194W;=K式中：K= =

=49.5W·m-2·K-1 =

=85-50=35℃,

= =45-15=30℃= = =32.5℃,即= =2.3m在套管換熱器中,用120℃的飽和水蒸氣加熱苯。苯在50mm×2.5mm不銹鋼管內(nèi)流淌,質(zhì)量流3600kg·h-1,溫度從30℃加熱到60℃,比定壓熱容可取為1.9kJ·kg-1·K-1,傳熱膜系數(shù)為500W·m-2·K-1:(1)加熱水蒸氣消耗量(水蒸氣2204kJ·kg-1,飽和冷凝液排出,熱損失不計(jì));(2)套管換熱器的有效長度.答: 水蒸氣耗用量=3600×1.9×103×(60-30)== =93kg·h-1長度l;=KA=K== =74℃(即=74K)l==10m。位于北方的一個(gè)礦區(qū)，冬天最低氣溫可達(dá)零下60℃，其水源全部為厚冰所掩蓋。為解決供水，在湖邊裝了一個(gè)浮動泵裝置。進(jìn)水管在冰面以下，出水管用外徑125mm9mm5km5cm67.5Lmin-1假設(shè)冰面以下湖水溫度為2.5℃，泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W·m‐1·K‐149W·m‐1·K‐1，試問：在輸水過程中是否會結(jié)冰？〔水的比定壓熱容可取4.18kJ·kg‐1·K‐1〕。答: 〔1〕管路中單位時(shí)間的熱損失：〔2〕單位時(shí)間流出的水在損失上述熱量后溫度下降量為：℃ 0.37℃,還不致于結(jié)冰。在充分絕熱的高壓釜中裝有甲烷與空氣的混合物〔兩者體積比是1：10〕，25℃和0.1MPa時(shí)點(diǎn)燃這一混合物，反響式為CH〔g〕+2O〔g〕=CO〔g〕+2HO〔g〕：空氣組成〔體積分?jǐn)?shù)〕為〔O〕4 2 2 2 2=0.20和〔N〕=0.80，25℃時(shí)反響熱是803kJ·mol-1甲烷，在較寬溫度范圍內(nèi)，以下物質(zhì)的平均摩2爾定容熱容C〔J·mol-1·K-1〕分別為：CO64.9，HO〔g〕32.6，N25.1，試計(jì)算反響后高壓釜中的溫V，m 2 2 2度〔1mol〕。答: 以1mol甲烷為基準(zhǔn),則空氣為10mol，其中含O2mol，N8mol2 2〔g〕+2O〔g〕=CO〔g〕+2HO〔g〕;N8mol，CO1mol，HO〔g〕2mol，4 2 2 2 2 2 2混合物總物質(zhì)的量n=8+1+2=11mol.混合物的摩爾熱容Q803kJ，全部用于使混合物升溫，則：Q=nC〔T-T〕V，m 2 1℃在肯定態(tài)操作的換熱器中，用373K293K353K。溶液的流量為1000kg·h-1，平均比定壓熱容為3.56kJ·kg-1·K-1。水蒸氣冷凝成同溫度的飽和水排出，水蒸氣冷凝熱2258.4kJ·kg-110000kJ·h-1，計(jì)算所需的加熱水蒸氣用量。答: 輸入熱能速率：=qc(T-T)=1000×3.56×(353-293);m,1p,2 1 2和蒸氣輸出熱能速率：

×r=2258.4qkJ·h-1;換熱器散熱速率：m,1由熱能衡算，可得：

m,12258.4q=2.136×105+10000;由此解得水蒸氣用量：q

=99kg·h-1。m,1 m,1燃燒爐壁由耐火磚、絕熱磚和一般磚三種材料組成，各層接觸良好。絕熱磚和一般磚的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)依次為：

=150mm，=0.15W·m‐1·K‐1 =240mm，=0.8 W·m‐1·K‐1

假設(shè)耐火磚與2 2 ； 3 3 。絕熱磚接觸面的溫度為800℃，絕熱磚與一般磚接觸面的溫度為200℃，試求一般磚外側(cè)的溫度。答: m2·K·W-1所以

W·m-2; 由于

m2·K·W-1 由于W·m-2所以 即一般磚外側(cè)的溫度為20℃在三層接觸良好的固體平壁中，進(jìn)展定態(tài)導(dǎo)熱，測得導(dǎo)熱速率為，平壁的各壁面溫度分別為T=900℃，T=800℃，T=500℃，T=300℃，試求各平壁熱阻之比。1 2 3 4答:則R:R:R=:

; ;=1:3:2。1 2 3在水平放置的列管換熱器中，用飽和水蒸氣將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9820℃加熱到100℃。醋酸在內(nèi)徑15mm的管內(nèi)流過，每根管內(nèi)質(zhì)量流量為400kg·h-1。操作條件下醋酸的物性常數(shù)：密度=1049kg·m-3，導(dǎo)熱系數(shù)=0.165W·m-1·K-1c=2.177kJ·kg-1·K-1，粘度=7.30×p10-4Pa·s，試求醋酸和管壁間的傳熱膜系數(shù)。雷諾數(shù)

=400kg·h-1= kg·s-1e=1.2×104>1×104所以傳熱膜系數(shù)=0.023(R)0.8(P)0.4=0.02× ×(12920)0.8×(9.63)0.4=1220Wm-2K-1。如附圖所示，有一平壁加熱爐。為削減熱損失，在加熱爐外壁包一層保溫層，其厚度為350mm。已知保溫層外壁溫度T3

30℃。在保溫層50mmT2

60℃。試求加熱爐外壁溫度T。1答: ：=350mm=0.35m，=50mm=0.05mT=60℃，T=30℃1 2 2 3假設(shè)：該保溫材料平均導(dǎo)熱系數(shù)為,依據(jù)定態(tài)導(dǎo)熱過程的導(dǎo)熱速度：得：T=240℃1通過三層固體平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)中，各層接觸良好，測得各界面的溫度分別為600℃，450℃，200℃，100℃，試求各層熱阻之比。答: 定態(tài)熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱速率：R:R:R= : : =(600-450):(450-200):(200-100)=1.5:2.5:1。1 2 3 1 2 3在湍流條件下,試驗(yàn)測定套管式換熱器的總傳熱系數(shù)。當(dāng)管內(nèi)流速u=1.0m·s-1時(shí)，K=550W·m‐2·K‐1；當(dāng)管內(nèi)流速ˊ=1.5m·s-1時(shí)，=615W·m‐2·K‐1。假設(shè)不考慮管壁及垢層熱阻，求管外傳熱膜系數(shù)〔管內(nèi)傳熱膜系數(shù)可按=0.023·R0.8·P0.4計(jì)算〕。2 1答:u=1.0m·s-1時(shí) ①; ’=1.5m·s-1時(shí), ②

=1440W·m-2·K-11

=890W·m-2·K-1。2某油礦用300mm×15mm180km，送油量為2.8×105kg·h-1，油管許可承受的最大壓強(qiáng)為5.88MPa〔表壓〕。油在50℃時(shí)進(jìn)展輸送，此時(shí)油的粘度為0.187Pa·s，密度為890kg·m-3答: 油在輸油管內(nèi)的流速u=油在輸油管內(nèi)的雷諾數(shù)Re==

= =1.53m·s-1=1.96×103<2023滯流流淌時(shí)，摩擦系數(shù)= = 廠貯油槽2—2為衡算體系列伯努利方程：Zg+ + +H=Zg+ + +h 。由于Z=Z，u≈0，u≈0，p=p=p(大氣壓)1 e 2

f(1→2)

1 2 1 2 1 2H=h=，亦即==0.0326××=2.26×107Pae=3.84≈4個(gè)一工業(yè)爐由以下三種磚砌成〔如