第 六 章 习 题
热传导
1,某工业炉的炉壁由耐火砖λ
1
= 1.3W/(m·K)、绝热层λ
2
= 0.18W/(m·K)及普通砖λ
3
= 0.93W/(m·K)三层组成。炉膛壁内壁温度1100℃,普通砖层厚12cm,其外表面温度为50℃。通过炉壁的热损失为1200W/m
2
,绝热材料的耐热温度为900
℃。求耐火砖层的最小厚度及此时绝热层厚度。
设各层间接触良好,接触热阻可以忽略。
习题1附图 习题2附图
2,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t
2
=300℃,t
3
=50。求内壁温度t
1
。设炉壁由单层均质材料组成。
3,某火炉通过金属平壁传热使另一侧的液体蒸发,单位面积的蒸发速率为0.048kg/(m
2
·s),与液体交界的金属壁的温度为110℃。时间久后,液体一侧的壁面上形成一层2mm厚的污垢,污垢导热系数λ=0.65W/(m·K)。
设垢层与液面交界处的温度仍为110℃,且蒸发速率需维持不变,求与垢层交界处的金属壁面的温度。液体的汽化热γ
=2000kJ/kg。
4,为减少热损失,在外径Φ150mm的饱和蒸汽管道外复盖保温层。已知保温材料的导热系数λ=0.103+0.000198t(式中t
为℃),蒸汽管外壁温度为180℃,要求保温层外壁温度不超过50℃,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在1
×10
-4
kg/(m·s)以下,问保温层厚度应为多少?
*5,用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚δ、直径120mm的圆形平板,置于冷、热两表面之间。
热侧表面用电热器维持表面温度t
1
=200℃。冷侧表面用水夹套冷却,使表面温度维持在t
2
=80℃。电加热器的功率为40.0W。
由于安装不当,待测材料的两边各有一层0.1mm的静止气层λ气= 0.030W/(m·K),使测得的材料导热系数λ’与真实值
λ不同。不计热损失,求测量的相对误差,即(λ’-λ)/ λ。
习题5 附图 习题6 附图
*6,通过中空球壁导热的热流量Q可写成如下的形式
)/(
m
A
t
Q
λδ
=
试证,
21
AAA
m
=
259
式中A
1
、A
2
分别为球壁的内、外表面积。
*7,有一蒸汽管外径25mm,管外包以两层保温材料,每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为λ
2
/
λ
1
=5,此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置,且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变,则热损失为Q‵。
求Q’/Q,说明何种材料放在里层为好。
对流给热
8,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·m
2
)。苯在定性温度下的物性数据如下,
μ=0.49mPa·s; λ=0.14W/(m·K); Cp=1.8kJ/(kg·℃)。
试求苯对管壁的给热系数。
9,在常压下用列管换热器将空气由200℃冷却至120℃,空气以3kg/s的流量在管外壳体中平行于管束流动。换热器外壳的内径为260mm,内有Φ25×2.5mm钢管38根。求空气对管壁的给热系数。
10,油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油,重油的平均温度t
m
=20℃,蒸汽管外壁温度t
w
=120℃,管外径为60mm。已知在定性温度70℃下重油的物性数据如下,
ρ=900kg/m
3; Cp=1.88kJ/(kg·℃); λ=0.174W/(m·℃)。
运动粘度ν=2×10
-3
m
2
/s,β=3×10
-4
1/℃。
试问蒸汽对重油的热传递速率W/m
2
为多少?
11,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(Gr·Pr)=10
9
。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少?
冷凝给热
12,饱和温度为100℃的水蒸气在长3m、外径为0.03m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℃,试求每小时冷凝的蒸汽量。
又若将管子水平放,冷凝的蒸汽量又为多少?
热辐射
13,用热电偶温度计测量管道中的气体温度。温度计读数为300℃,黑度为0.3。气体与热电偶间的给热系数为
60W/(m
2
·K),管壁温度为230℃。求气体的真实温度。
若要减少测温误差,应采用哪些措施?
14,功率为1kW的封闭式电炉,表面积为0.05m
2
,表面黑度0.90。电炉置于温度为20℃的室内,炉壁与室内空气的自然对流给热系数为10W/(m
2
·K)。求炉外壁温度。
15,盛水2.3kg的热水瓶,瓶胆由两层玻璃壁组成,其间抽空以免空气对流和传导散热。玻璃壁镀银,黑度0.02。壁面面积为0.12 m
2
,外壁温度20℃,内壁温度99℃。问水温下降1℃需要多少时间? 设瓶塞处的热损失可以忽略。
*16,两平行平板的温度分别为t
1
=400℃、t
2
=150℃,黑度分别为ε
1
=0.65,ε
2
=0.90。今在两板之间插入第3块平行平板,
该板厚度极小,两侧面(A、B面)温度均一但黑度不同。当A面朝板1,达到定态后板3的平衡温度为327℃。 当B面朝板
1,达到定态后板3的温度为277℃。设各板之间距离很小,求板3的A、B两面的黑度ε
A
、ε
B
各为多少?
习题16附图 习题17附图
*17,试证明在定态传热过程中,两高、低温(T
A
>T
B
)的固体平行平面间装置n 片很薄的平行遮热板时(如图示),传热量减少到原来不安装遮热板时的1/(n+1)倍。设所有平面的表面积、黑度均相等，平板之间的距离很小。
260
传热过程计算
18,热气体在套管换热器中用冷水冷却,内管为Φ25×2.5mm钢管,导热系数为45W/(m·K)。冷水在管内湍流流动,给热系数α
1
=2000W/(m
2
·K)。热气在环隙中湍流流动,α
2
=50W/(m
2
·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,总传热系数有何变化?
(3) 环隙中热气体流速提高一倍,总传热系数有何变化?
19,Φ68×4mm的无缝钢管，内通过0.2MPa(表)的饱和蒸汽。管外包30mm厚的保温层λ=0.080W/(m·K),该管设置于温度为20℃的大气中,已知管内壁与蒸汽的给热系数α
1
=5000W/(m
2
·K),保温层外表面与大气的给热系数α
2
=10W/(m
2
·K)。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。
20,外径1.2m的球形贮罐内放-196℃的液氮,罐外覆以λ=0.02W/(m·K)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28 ℃,以免露水凝结。大气温度为32℃,大气与保温层外壁的给热系数为12 W/(m
2
·K),罐内液氮对壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略,计算绝热材料应有的厚度。
注,球壁导热公式参见题6。
21,用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验,第一次冷凝器是新的,第二次冷凝器已使用过一段时期之后。
试验结果如表所示,
试 验 次 数 第 一 次 第二次
流速 m/s 1.0 2.0 1.0
传热系数 K W/(m
2
·℃) 1200 1860 1100
上表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为Φ28×2.5mm,导热系数为45W/(m
2
·℃)。水在管内流动是高度湍流,饱和蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求,
(1) 第一次试验中,管外给热系数α
1
,以及当水速为2m/s时管内给热系数α
2；
(2) 试分析在相同的水流速下,两次实验的传热系数数值不同的原因,并得出定量计算的结果。
*22,一内径为0.34m的空心球形钢壳容器,其内壁表面温度为38℃,外壁外面用100℃热水加热。钢壳的导热系数为
45W/(m
2
·℃),热水对外壁的给热系数α=500 W/(m
2
·℃),试计算钢壳厚度是多少mm时传热速率达最大值? 最大传热速率为多少?
23,某列管冷凝器内流冷却水,管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为20℃与30℃。使用一段时期后,在冷却水进口温度与流量相同的条件下,冷却水出口温度降为26℃。求此时的垢层热阻。已知换热器的传热面为
16.5m
2
,有机蒸汽的冷凝温度80℃,冷却水流量为2.5kg/s。
24,某列管式加热器由多根Φ25×2.5mm的钢管所组成,将苯由20℃加热到55℃,苯在管中流动,其流量为每小时15
吨,流速为0.5m/s。加热剂为130℃的饱和水蒸汽,在管外冷凝。苯的比热C
P
=1.76kJ/(kg·℃),密度为858kg/m
3
。已知加热器的传热系数为700 W/(m
2
·℃),试求此加热器所需管数n及单管长度l。
*25,某气体混合物(比热及导热系数均未知)以90kg/h的流量流过套管换热器的内管,气体的温度由38℃被加热到138
℃。内管内径为53mm,外管内径为78mm,壁厚均为2.5mm,管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在150℃。已知混合气体粘度为0.027mPa·s,其普朗特数Pr=1,试求套管换热器的管长。
*26,传热面相等的两台换热器,用冷水将油从138℃冷却至93℃,冷水进入第一换热器的流量为2.5kg/s,温度t
1
=25℃,
出口t
2
=50℃。将此股水流中抽出0.62kg/s水移作它用,余下的水进入第二个换热器,冷水出口t
3
=65℃。设两个换热器的传热系数均为450 W/(m
2
·℃),油的比热C
P
=2.1 kJ/(kg·℃)。求两换热器的传热面积,及油的流量。
习题26 附图
261
*27,用一单程列管换热器以冷凝1.5kg/s的有机蒸汽,蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略,冷凝温度60℃,汽化热为
395kJ/kg。管束有n根Φ25×2.5mm的钢管组成,管内通入t
1
=25℃的河水作冷却剂,不计垢层及管壁热阻,试计算,
(1) 冷却水用量(选择冷水出口温度)；
(2) 管数n与管长 L(水在管内的流速可取1m/s左右)；
(3) 若保持上述计算所得的总管数不变,将上述换热器制成双管程投入使用,冷却水流量及进口温度仍维持设计值,求操作时有机蒸汽的冷凝量。
传热操作型计算
28,某冷凝器传热面积为20m
2
,用来冷凝100℃的饱和水蒸汽。冷液进口温度为40℃,流量0.917kg/s,比热为
4000J/(kg·℃)。换热器的传热系数K=125W/(m
2
·℃),求水蒸汽冷凝量。
29,有一套管换热器,内管为Φ19×3mm,管长为2m,管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为270kg/h,进口温度为100℃,水的流量为360kg/h,入口温度为10℃。若忽略热损失,且知以管外表面积为基准的传热系数K=374 W/(m
2
·℃),
油的比热C
P
=1.88kJ/(kg·℃),试求油和水的出口温度分别为多少?
30,某列管换热器用110℃饱和蒸汽加热甲苯,可使甲苯由30℃加热至100℃。今甲苯流量增加50%,试求,
(1) 甲苯出口温度；
(2) 在不变动设备条件下,采用何种措施以使甲苯出口温度仍维持100℃? 作定量计算。
*31,某套管换热器有传热面积0.4m
2
,油在内管从75℃被冷却至65℃。冷却水在环隙中逆流流动,从30℃加热至45℃,
给热系数α
2
=4000W/(m
2
·℃)。内管直径φ25mm,管壁较薄,热阻可略去不计。求该换热器能冷却的最大油量。
已知油在平均温度下的物性为λ=0.56W/(m·℃)；μ=1.8mPa·s；Cp=2070J/(kg·℃)。
*32,今有一套管换热器,冷、热流体的进口温度分别为40℃和100℃。已知并流操作时冷流体出口温度为60℃,热流体为80℃。试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数Ｋ均为定值。
*33,由A、B两台换热器组成的换热系统中,冷与热流体的流向及流量等均如图所示。
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。且
T
1
=150℃,T
2
=40℃；
t
1
=30℃,t
2
=90℃。
试求：温度T,t
a
,t
b
的值分别为多少?
习题33 附图 习题35 附图
非定态传热
34,某带搅拌器的夹套加热釜中盛有G kg的油品,用120℃的饱和水蒸汽将油品自25℃加热到110℃需要时间为τ
1
,今将加热时间延长一倍,试问最终的油温等于多少?
设传热面积A及传热系数K均给定且为常数,釜内油温各处均一。
35,如图所示的浸沉式蛇管换热器中,蛇管内流的是水,用以冷却槽中的液体。已知槽中盛放6000kg的某种液体,其比热为4.6kJ/(kg·K),从100℃开始冷却。冷却水的最初温度为20℃,用水量为1500kg/h。换热面积为6 m
2
。设传热系数为
230 W/(m
2
·℃)不变,且不考虑液体向空气的散热量,槽内液体温度均一。
试求该液体冷却至60℃所需的时间。
262
换热器
36,今欲于下列各列管换热器中,将某种溶液从20℃加热到50℃。加热剂进口温度为100℃,出口温度为60℃。试求各种情况下的平均温差。
(1) 单壳程,四管程;
(2) 双壳程,四管程。
37,有一列管换热器,煤油走壳程。其温度由230℃降至120℃,流量为28700kg/h。壳内径为560mm,内有Φ25×2.5mm
的钢管70根,每根长6m,管中心距为32mm,三角形排列。用圆缺形挡板(切去高度为直径的25%),挡板间距为300mm。试求煤油的给热系数。
已知定性温度下煤油的物性数据如下,
C
p
=2.60kJ/(kg·℃) ρ=710kg/m
3
μ=0.32mPa·s λ=0.13W/(m·K)
38,有一单壳程双管程列管换热器,管外用120℃饱和蒸汽加热,常压干空气以12m/s的流速在管内流过,管径为Φ38
×2.5mm,总管数为200根,已知空气进口温度为26℃,要求空气出口温度为86℃,试求,
(1) 该换热器的管长应为多少?
(2) 若气体处理量、进口温度、管长均保持不变,而将管径增大为φ54×2mm,总管数减少20%,此时的出口温度为多少? (不计出口温度变化对物性影响,忽略热损失)。
39,试设计一列管式冷凝器,用水来冷凝常压下的乙醇蒸汽。乙醇的流量为3000kg/h,冷水进口温度为30℃,出口温度为40℃。在常压下乙醇的饱和温度为78℃,汽化潜热为925kJ/kg。乙醇蒸汽冷凝给热系数估计为1660 W/(m
2
·℃)。
设计内容:：(1) 程数、总管数、管长；
(2) 管子在花板上排列；
(3) 壳体内径。
第 六 章 思 考 题
1,传热过程有哪三种基本方式?
2,传热按机理分为哪几种?
3,物体的导热系数与哪些主要因素有关?
4,流动对传热的贡献主要表现在哪儿?
5,自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热?
6,液体沸腾的必要条件有哪两个?
7,工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作? 为什么?
8,沸腾给热的强化可以从哪两个方面着手?
9,蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体?
10,为什么低温时热辐射往往可以忽略,而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式?
11,影响辐射传热的主要因素有哪些?
12,为什么有相变时的对流给热系数大于无相变时的对流给热系数？
13,有两把外形相同的茶壶，一把为陶瓷的，一把为银制的。将刚烧开的水同时充满两壶。实测发现，陶壶内的水温下降比银
壶中的快，这是为什么？
14,若串联传热过程中存在某个控制步骤,其含义是什么?
15,传热基本方程中,推导得出对数平均推动力的前提条件有哪些?
16,一列管换热器，油走管程并达到充分湍流。用133℃的饱和蒸汽可将油从40℃加热至80℃。若现欲增加50%的油处理量,
有人建议采用并联或串联同样一台换热器的方法，以保持油的出口温度不低于80℃，这个方案是否可行？
263
17,为什么一般情况下,逆流总是优于并流? 并流适用于哪些情况?
18,解决非定态换热器问题的基本方程是哪几个?
19,在换热器设计计算时，为什么要限制Ψ大于0.8？
264
热传导
1,某工业炉的炉壁由耐火砖λ
1
= 1.3W/(m·K)、绝热层λ
2
= 0.18W/(m·K)及普通砖λ
3
= 0.93W/(m·K)三层组成。炉膛壁内壁温度1100℃,普通砖层厚12cm,其外表面温度为50℃。通过炉壁的热损失为1200W/m
2
,绝热材料的耐热温度为900
℃。求耐火砖层的最小厚度及此时绝热层厚度。
设各层间接触良好,接触热阻可以忽略。
习题1附图 习题2附图
2,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t
2
=300℃,t
3
=50。求内壁温度t
1
。设炉壁由单层均质材料组成。
3,某火炉通过金属平壁传热使另一侧的液体蒸发,单位面积的蒸发速率为0.048kg/(m
2
·s),与液体交界的金属壁的温度为110℃。时间久后,液体一侧的壁面上形成一层2mm厚的污垢,污垢导热系数λ=0.65W/(m·K)。
设垢层与液面交界处的温度仍为110℃,且蒸发速率需维持不变,求与垢层交界处的金属壁面的温度。液体的汽化热γ
=2000kJ/kg。
4,为减少热损失,在外径Φ150mm的饱和蒸汽管道外复盖保温层。已知保温材料的导热系数λ=0.103+0.000198t(式中t
为℃),蒸汽管外壁温度为180℃,要求保温层外壁温度不超过50℃,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在1
×10
-4
kg/(m·s)以下,问保温层厚度应为多少?
*5,用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚δ、直径120mm的圆形平板,置于冷、热两表面之间。
热侧表面用电热器维持表面温度t
1
=200℃。冷侧表面用水夹套冷却,使表面温度维持在t
2
=80℃。电加热器的功率为40.0W。
由于安装不当,待测材料的两边各有一层0.1mm的静止气层λ气= 0.030W/(m·K),使测得的材料导热系数λ’与真实值
λ不同。不计热损失,求测量的相对误差,即(λ’-λ)/ λ。
习题5 附图 习题6 附图
*6,通过中空球壁导热的热流量Q可写成如下的形式
)/(
m
A
t
Q
λδ
=
试证,
21
AAA
m
=
259
式中A
1
、A
2
分别为球壁的内、外表面积。
*7,有一蒸汽管外径25mm,管外包以两层保温材料,每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为λ
2
/
λ
1
=5,此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置,且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变,则热损失为Q‵。
求Q’/Q,说明何种材料放在里层为好。
对流给热
8,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·m
2
)。苯在定性温度下的物性数据如下,
μ=0.49mPa·s; λ=0.14W/(m·K); Cp=1.8kJ/(kg·℃)。
试求苯对管壁的给热系数。
9,在常压下用列管换热器将空气由200℃冷却至120℃,空气以3kg/s的流量在管外壳体中平行于管束流动。换热器外壳的内径为260mm,内有Φ25×2.5mm钢管38根。求空气对管壁的给热系数。
10,油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油,重油的平均温度t
m
=20℃,蒸汽管外壁温度t
w
=120℃,管外径为60mm。已知在定性温度70℃下重油的物性数据如下,
ρ=900kg/m
3; Cp=1.88kJ/(kg·℃); λ=0.174W/(m·℃)。
运动粘度ν=2×10
-3
m
2
/s,β=3×10
-4
1/℃。
试问蒸汽对重油的热传递速率W/m
2
为多少?
11,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(Gr·Pr)=10
9
。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少?
冷凝给热
12,饱和温度为100℃的水蒸气在长3m、外径为0.03m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℃,试求每小时冷凝的蒸汽量。
又若将管子水平放,冷凝的蒸汽量又为多少?
热辐射
13,用热电偶温度计测量管道中的气体温度。温度计读数为300℃,黑度为0.3。气体与热电偶间的给热系数为
60W/(m
2
·K),管壁温度为230℃。求气体的真实温度。
若要减少测温误差,应采用哪些措施?
14,功率为1kW的封闭式电炉,表面积为0.05m
2
,表面黑度0.90。电炉置于温度为20℃的室内,炉壁与室内空气的自然对流给热系数为10W/(m
2
·K)。求炉外壁温度。
15,盛水2.3kg的热水瓶,瓶胆由两层玻璃壁组成,其间抽空以免空气对流和传导散热。玻璃壁镀银,黑度0.02。壁面面积为0.12 m
2
,外壁温度20℃,内壁温度99℃。问水温下降1℃需要多少时间? 设瓶塞处的热损失可以忽略。
*16,两平行平板的温度分别为t
1
=400℃、t
2
=150℃,黑度分别为ε
1
=0.65,ε
2
=0.90。今在两板之间插入第3块平行平板,
该板厚度极小,两侧面(A、B面)温度均一但黑度不同。当A面朝板1,达到定态后板3的平衡温度为327℃。 当B面朝板
1,达到定态后板3的温度为277℃。设各板之间距离很小,求板3的A、B两面的黑度ε
A
、ε
B
各为多少?
习题16附图 习题17附图
*17,试证明在定态传热过程中,两高、低温(T
A
>T
B
)的固体平行平面间装置n 片很薄的平行遮热板时(如图示),传热量减少到原来不安装遮热板时的1/(n+1)倍。设所有平面的表面积、黑度均相等，平板之间的距离很小。
260
传热过程计算
18,热气体在套管换热器中用冷水冷却,内管为Φ25×2.5mm钢管,导热系数为45W/(m·K)。冷水在管内湍流流动,给热系数α
1
=2000W/(m
2
·K)。热气在环隙中湍流流动,α
2
=50W/(m
2
·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,总传热系数有何变化?
(3) 环隙中热气体流速提高一倍,总传热系数有何变化?
19,Φ68×4mm的无缝钢管，内通过0.2MPa(表)的饱和蒸汽。管外包30mm厚的保温层λ=0.080W/(m·K),该管设置于温度为20℃的大气中,已知管内壁与蒸汽的给热系数α
1
=5000W/(m
2
·K),保温层外表面与大气的给热系数α
2
=10W/(m
2
·K)。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。
20,外径1.2m的球形贮罐内放-196℃的液氮,罐外覆以λ=0.02W/(m·K)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28 ℃,以免露水凝结。大气温度为32℃,大气与保温层外壁的给热系数为12 W/(m
2
·K),罐内液氮对壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略,计算绝热材料应有的厚度。
注,球壁导热公式参见题6。
21,用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验,第一次冷凝器是新的,第二次冷凝器已使用过一段时期之后。
试验结果如表所示,
试 验 次 数 第 一 次 第二次
流速 m/s 1.0 2.0 1.0
传热系数 K W/(m
2
·℃) 1200 1860 1100
上表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为Φ28×2.5mm,导热系数为45W/(m
2
·℃)。水在管内流动是高度湍流,饱和蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求,
(1) 第一次试验中,管外给热系数α
1
,以及当水速为2m/s时管内给热系数α
2；
(2) 试分析在相同的水流速下,两次实验的传热系数数值不同的原因,并得出定量计算的结果。
*22,一内径为0.34m的空心球形钢壳容器,其内壁表面温度为38℃,外壁外面用100℃热水加热。钢壳的导热系数为
45W/(m
2
·℃),热水对外壁的给热系数α=500 W/(m
2
·℃),试计算钢壳厚度是多少mm时传热速率达最大值? 最大传热速率为多少?
23,某列管冷凝器内流冷却水,管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为20℃与30℃。使用一段时期后,在冷却水进口温度与流量相同的条件下,冷却水出口温度降为26℃。求此时的垢层热阻。已知换热器的传热面为
16.5m
2
,有机蒸汽的冷凝温度80℃,冷却水流量为2.5kg/s。
24,某列管式加热器由多根Φ25×2.5mm的钢管所组成,将苯由20℃加热到55℃,苯在管中流动,其流量为每小时15
吨,流速为0.5m/s。加热剂为130℃的饱和水蒸汽,在管外冷凝。苯的比热C
P
=1.76kJ/(kg·℃),密度为858kg/m
3
。已知加热器的传热系数为700 W/(m
2
·℃),试求此加热器所需管数n及单管长度l。
*25,某气体混合物(比热及导热系数均未知)以90kg/h的流量流过套管换热器的内管,气体的温度由38℃被加热到138
℃。内管内径为53mm,外管内径为78mm,壁厚均为2.5mm,管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在150℃。已知混合气体粘度为0.027mPa·s,其普朗特数Pr=1,试求套管换热器的管长。
*26,传热面相等的两台换热器,用冷水将油从138℃冷却至93℃,冷水进入第一换热器的流量为2.5kg/s,温度t
1
=25℃,
出口t
2
=50℃。将此股水流中抽出0.62kg/s水移作它用,余下的水进入第二个换热器,冷水出口t
3
=65℃。设两个换热器的传热系数均为450 W/(m
2
·℃),油的比热C
P
=2.1 kJ/(kg·℃)。求两换热器的传热面积,及油的流量。
习题26 附图
261
*27,用一单程列管换热器以冷凝1.5kg/s的有机蒸汽,蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略,冷凝温度60℃,汽化热为
395kJ/kg。管束有n根Φ25×2.5mm的钢管组成,管内通入t
1
=25℃的河水作冷却剂,不计垢层及管壁热阻,试计算,
(1) 冷却水用量(选择冷水出口温度)；
(2) 管数n与管长 L(水在管内的流速可取1m/s左右)；
(3) 若保持上述计算所得的总管数不变,将上述换热器制成双管程投入使用,冷却水流量及进口温度仍维持设计值,求操作时有机蒸汽的冷凝量。
传热操作型计算
28,某冷凝器传热面积为20m
2
,用来冷凝100℃的饱和水蒸汽。冷液进口温度为40℃,流量0.917kg/s,比热为
4000J/(kg·℃)。换热器的传热系数K=125W/(m
2
·℃),求水蒸汽冷凝量。
29,有一套管换热器,内管为Φ19×3mm,管长为2m,管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为270kg/h,进口温度为100℃,水的流量为360kg/h,入口温度为10℃。若忽略热损失,且知以管外表面积为基准的传热系数K=374 W/(m
2
·℃),
油的比热C
P
=1.88kJ/(kg·℃),试求油和水的出口温度分别为多少?
30,某列管换热器用110℃饱和蒸汽加热甲苯,可使甲苯由30℃加热至100℃。今甲苯流量增加50%,试求,
(1) 甲苯出口温度；
(2) 在不变动设备条件下,采用何种措施以使甲苯出口温度仍维持100℃? 作定量计算。
*31,某套管换热器有传热面积0.4m
2
,油在内管从75℃被冷却至65℃。冷却水在环隙中逆流流动,从30℃加热至45℃,
给热系数α
2
=4000W/(m
2
·℃)。内管直径φ25mm,管壁较薄,热阻可略去不计。求该换热器能冷却的最大油量。
已知油在平均温度下的物性为λ=0.56W/(m·℃)；μ=1.8mPa·s；Cp=2070J/(kg·℃)。
*32,今有一套管换热器,冷、热流体的进口温度分别为40℃和100℃。已知并流操作时冷流体出口温度为60℃,热流体为80℃。试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数Ｋ均为定值。
*33,由A、B两台换热器组成的换热系统中,冷与热流体的流向及流量等均如图所示。
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。且
T
1
=150℃,T
2
=40℃；
t
1
=30℃,t
2
=90℃。
试求：温度T,t
a
,t
b
的值分别为多少?
习题33 附图 习题35 附图
非定态传热
34,某带搅拌器的夹套加热釜中盛有G kg的油品,用120℃的饱和水蒸汽将油品自25℃加热到110℃需要时间为τ
1
,今将加热时间延长一倍,试问最终的油温等于多少?
设传热面积A及传热系数K均给定且为常数,釜内油温各处均一。
35,如图所示的浸沉式蛇管换热器中,蛇管内流的是水,用以冷却槽中的液体。已知槽中盛放6000kg的某种液体,其比热为4.6kJ/(kg·K),从100℃开始冷却。冷却水的最初温度为20℃,用水量为1500kg/h。换热面积为6 m
2
。设传热系数为
230 W/(m
2
·℃)不变,且不考虑液体向空气的散热量,槽内液体温度均一。
试求该液体冷却至60℃所需的时间。
262
换热器
36,今欲于下列各列管换热器中,将某种溶液从20℃加热到50℃。加热剂进口温度为100℃,出口温度为60℃。试求各种情况下的平均温差。
(1) 单壳程,四管程;
(2) 双壳程,四管程。
37,有一列管换热器,煤油走壳程。其温度由230℃降至120℃,流量为28700kg/h。壳内径为560mm,内有Φ25×2.5mm
的钢管70根,每根长6m,管中心距为32mm,三角形排列。用圆缺形挡板(切去高度为直径的25%),挡板间距为300mm。试求煤油的给热系数。
已知定性温度下煤油的物性数据如下,
C
p
=2.60kJ/(kg·℃) ρ=710kg/m
3
μ=0.32mPa·s λ=0.13W/(m·K)
38,有一单壳程双管程列管换热器,管外用120℃饱和蒸汽加热,常压干空气以12m/s的流速在管内流过,管径为Φ38
×2.5mm,总管数为200根,已知空气进口温度为26℃,要求空气出口温度为86℃,试求,
(1) 该换热器的管长应为多少?
(2) 若气体处理量、进口温度、管长均保持不变,而将管径增大为φ54×2mm,总管数减少20%,此时的出口温度为多少? (不计出口温度变化对物性影响,忽略热损失)。
39,试设计一列管式冷凝器,用水来冷凝常压下的乙醇蒸汽。乙醇的流量为3000kg/h,冷水进口温度为30℃,出口温度为40℃。在常压下乙醇的饱和温度为78℃,汽化潜热为925kJ/kg。乙醇蒸汽冷凝给热系数估计为1660 W/(m
2
·℃)。
设计内容:：(1) 程数、总管数、管长；
(2) 管子在花板上排列；
(3) 壳体内径。
第 六 章 思 考 题
1,传热过程有哪三种基本方式?
2,传热按机理分为哪几种?
3,物体的导热系数与哪些主要因素有关?
4,流动对传热的贡献主要表现在哪儿?
5,自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热?
6,液体沸腾的必要条件有哪两个?
7,工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作? 为什么?
8,沸腾给热的强化可以从哪两个方面着手?
9,蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体?
10,为什么低温时热辐射往往可以忽略,而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式?
11,影响辐射传热的主要因素有哪些?
12,为什么有相变时的对流给热系数大于无相变时的对流给热系数？
13,有两把外形相同的茶壶，一把为陶瓷的，一把为银制的。将刚烧开的水同时充满两壶。实测发现，陶壶内的水温下降比银
壶中的快，这是为什么？
14,若串联传热过程中存在某个控制步骤,其含义是什么?
15,传热基本方程中,推导得出对数平均推动力的前提条件有哪些?
16,一列管换热器，油走管程并达到充分湍流。用133℃的饱和蒸汽可将油从40℃加热至80℃。若现欲增加50%的油处理量,
有人建议采用并联或串联同样一台换热器的方法，以保持油的出口温度不低于80℃，这个方案是否可行？
263
17,为什么一般情况下,逆流总是优于并流? 并流适用于哪些情况?
18,解决非定态换热器问题的基本方程是哪几个?
19,在换热器设计计算时，为什么要限制Ψ大于0.8？
264
