5计算题题目9修订版.docx

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5计算题题目9修订版

层次：

A

[2]j05a10067

如图所示,有一稳定导热的平壁炉墙,墙厚240mm,导热率λ=0.2W/（m·℃）,若炉墙外壁温度t3=45℃,为测得炉墙内壁温度t1,在墙深100mm处插入温度计,测得该处温度t2=100℃,试求炉墙内壁温度t1。

[5]j05a10073

100℃的水蒸气在管壳式换热器的管外冷凝，冷凝潜热为2258.4kJ/kg，总传热系数为2039W/（m2·℃），传热面积为12.75m2，15℃的冷却水以2.25×105kg/h的流量流进管内，水的比热为4.187kJ/（kg·oC）,求水蒸气冷凝量？

[9]j05a10203

常压下338K之甲醇蒸汽经冷凝器冷凝后,送入冷却器中冷却至300K。

冷凝器与冷却器中所用冷却水的初温都是290K,终温都是305K。

试安排两换热器中流体的流程及流向,并计算平均温度差。

（换热器均为单管程、单壳程）

[11]j05a10205

某平壁工业炉的耐火砖厚度为0.213m,耐火砖导热率λ=1.038W/（m·℃）。

其外用导热率为0.07W/（m·℃）的绝热材料保温。

炉内壁温度为980℃,绝热层外壁温度为38℃,如允许最大热损失量为950W/m2。

求:

（1）绝热层的厚度;

（2）耐火砖与绝热层的分界处温度。

[13]j05a10208

在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg/h的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热cp=2.38kJ/（kg·℃）,环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热cp=4.174kJ/（kg·℃）。

基于传热外表面积的总传热系数K=2000W/（m2·℃）,且保持不变。

设热损失可以忽略。

试求:

（1）冷却水用量;

（2）计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。

[17]j05a10243

为了测定套管式甲苯冷却器的传热系数,测得实验数据如下:

冷却器传热面积A=2.8m2,甲苯的流量W1=2000kg/h,由80℃冷却到40℃,甲苯的平均比热cp1=1.84kJ/（kg·℃）。

冷却水从20℃升高到30℃,两流体呈逆流流动,求所测得的传热系数K为多少?

若水的比热cp2=4.18kJ/（kg·℃）,问水的流量为多少?

层次：

B

[4]j05b10071

①方型窑炉的炉壁由两层砖砌成，内层为240mm耐火砖[λ=0.9W/（m·K）]，外层为240mm红砖[λ=0.6W/（m·K）]，炉膛内壁面温度为700℃，外壁面温度为60℃，试求单位面积（ｍ2）的散热速率及两层交界面的温度。

②上题中若炉气向壁面的对流给热系数α1为30W/（m2·K），壁面向外界空气的对流辐射联合给热系数α2为20W/（m2·K）,求炉膛内炉气温度和外界空气温度。

[6]j05b10074

有一段管径为φ108×4mm的蒸汽管道，裸露于气温为20℃的环境中，管内通以100℃的饱和水蒸气。

测得每米管长的冷凝水量为0.70kg/h，钢的导热率为45W/（m·K）,蒸汽冷凝潜热为2258kJ/kg，取蒸汽冷凝给热系数为104W/（m2·K）。

试计算：

A）管外壁温度tw；

B）辐射散热量占总热量损失的百分率,已知管外壁面黑度为0.8。

[12]j05b10108

一套管换热器,由φ48×3mm和φ25×2.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为α1和α2，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。

求:

将内管改为φ32×2.5mm后,管内对流给热系数有何变化?

（假设流动状态皆为湍流）

[17]j05b10193

在管长为1m的冷却器中,用水冷却油。

已知两流体作并流流动,油由420K冷却到370K,冷却水由285K加热到310K。

欲用加长冷却管子的办法,使油出口温度降至350K。

若在两种情况下油、水的流量,物性常数,进口温度均不变,冷却器除管长外,其他尺寸也均不变。

试求管长。

[20]j05b10212

在逆流换热器中,将油从25℃加热到50℃,热水的进口温度为80℃,出口温度为35℃,求该换热器的效率。

[21]j05b10213

某列管换热器，用100℃水蒸气将物料由20℃加热至80℃，传热系数Ｋ＝100W／（ｍ2·K）。

经半年运转后，由于污垢的影响，在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃，现欲使物料出口温度仍维持80℃，问加热蒸汽温度应取何值？

[24]j05b10246

用175℃的油将300kg/h的水由25℃加热至90℃,水的比热取4.2kJ/（kg·℃）。

已知油的比热为2.1kJ/（kg·℃）,其流量为400kg/h,今有以下两个传热面积均为0.72m2的换热器可供选用。

（1）换热器1:

K1=625W/（m2·℃）,单壳程,双管程,ψ=0.7;

（2）换热器2:

K2=500W/（m2·℃）,单壳程,单管程,Δtm按逆流计。

为保证满足所需换热量应选用那一个换热器。

[26]j05b15075

某平壁炉炉壁由耐火砖、保温砖和建筑砖三种材料组成，相邻材料之间接触密切，各层材料的厚度和导热率依次为b1=250mm,λ1=1.4W/（m·K）,b2=130mm,λ2=0.15W/（m·K）,b3=200mm,λ3=0.8W/（m·K）。

已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度t2=820℃，保温砖与建筑砖接触面上的温度t3=260℃，试求：

（A）各种材料层的单位面积计的热阻；

（B）通过炉壁的热量通量；

（C）炉壁导热总温差及其在各材料层的分配。

[27]j05b15078

炉壁由绝热砖Ⅰ和普通砖Ⅱ两层平壁组成。

已知λ（绝热）=0.2W/（m·K），厚b（绝热）=200mm,λ（普通）=0.7W/（m·K）,普通砖外侧壁温t3=50℃,两砖交界面温度t2=200℃,外界空气温度t=10℃,炉外壁对大气的联合给热系数为10W/（m2·K）。

（A）求单位面积炉壁热损失Q/A;

（B）假如t1,t及联合给热系数不变,两层砖位置互换,热损失（Q/A）'如何变化?

两砖

交界面温度t2及保温层外侧温度t3如何变化?

由计算结果得出什么结论?

[30]j05b15083

①车间内有一高和宽各为1m的炉门,其黑度为0.78,炉门的辐射散热量为20kW。

若车间内温度为25℃,则炉门的温度为多少?

黑体的辐射系数C0=5.67W/（m2·K4）

②有一套管换热器,长10m,管间用饱和蒸汽加热,空气在一定流量下由内管流过,温度可升至某指定温度。

现将空气流量增加一倍（即Wc′=2Wc）,并近似认为加热面的壁温不变,要使空气出口温度仍达到原指定温度,则套管加热器的长度应为原来的几倍?

[32]j05b15087

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0.5m/s，流量为15T/h,比热为1.76kJ/（kg·K）,密度为858kg/m3,温度由20℃加热至50℃。

壳程为130℃的饱和水蒸气冷凝。

管程、壳程的对流给热系数分别为700W/（m2·K）和10000W/（m2·K）。

钢导热率为45W/（m·K）。

垢层热阻忽略不计。

求:

（A）总传热系数;

（B）管子根数及管长;

（C）在冷流体进口温度不变的情况下，若要提高此设备的传热速率，你认为要采取什么措施？

[33]j05b15088

在传热面积为20m2的某换热器中,用温度为20℃,流量为13200kg/h的冷却水,冷却进口温度为110℃的醋酸,两流体逆流流动。

换热器刚投入使用时,冷却水出口温度为45℃,醋酸出口温度为40℃,运转一段时间后,冷热流体流量不变,进口温度不变,而冷却水的出口温度降至38℃,试求传热系数下降的百分率。

水的比热cp=4.2kJ/（kg·℃）,热损失可忽略。

[35]j05b15103

某车间有一台换热面积（以外表面积计）为2.5m2的单程列管换热器。

用180℃的热废气预热轻油,轻油走管外,其流量为200kg/h,比热为2kJ/（kg·℃）,温度由30℃升至80℃。

轻油与热气体作逆流流动。

热废气出口温度为70℃。

求:

（A）换热器的热负荷和传热系数。

（B）若由于长期运转,轻油在管外结垢,已知污垢热阻为总热阻的10%,若仍要求轻油出口温度不变，试估算在其他条件基本不变的情况下,轻油处理量如何变化?

（略去热气出口温度的变化）

[36]j05b15109

90℃的正丁醇，在逆流换热器中被冷却到50℃，换热器的换热面积为6ｍ2，传热系数K=230W/（m2·℃），正丁醇的流量为1930kg/h。

冷却介质为18℃水,热损失可以忽略。

求：

（A）冷却水出口温度；

（B）冷却水消耗量。

正丁醇cp1＝2.98kJ/（kg·℃）

水cp2＝4.187kJ/（kg·℃）

[38]j05b15187

在一列管换热器内，用110℃的饱和水蒸气加热管内湍流流动的空气，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，试求加热蒸汽用量为原用量的倍数。

忽略管壁热阻、垢层热阻及热损失，并忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。

[39]j05b15190

流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程通过,温度由150℃降至80℃;壳程冷却用软水,进口温度为15℃,出口温度为65℃,与气体作逆流流动。

两者均处于湍流。

已知气体侧的对流给热系数远小于冷却水侧的对流给热系数。

试求:

1.冷却水用量;

2.如进口水温上升为20℃,仍用原设备要达到相同的气体冷却程度,此时出口水温将为多少度?

冷却水用量为多少?

管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计。

气体的平均比热为1.02kJ/（kg·K）,水的比热为4.17kJ/（kg·K）,不计温度变化对比热的影响。

解:

（1）冷却水用量

Q=W1cp1（T1-T2）=W2cp2（t2-t1）

Q=2000×1.02（150-80）=W2×4.17（65-15）

=14.3×104kJ/h

W2=14.3×104/（4.17×（65-15））=685kg/h

（2）由题知αi<<αo

∴原情况Q=Ki·Ai·Δtm=αi·Ai·Δtm

（1）

新情况Q'=Ki'·Ai'·Δtm'=αi'·Ai'·Δtm'

（2）

因气体的冷却任务没有变化Q=Q'

气体的流量及管子尺寸没有变化αi=αi'

两种情况都用同一设备Ai=Ai'

比较式1及式2得:

Δtm=Δtm'

原情况Δt1=150-65=85℃Δt2=80-15=65℃Δt1/Δt2=85/65=1.3<2

Δtm=（85+65）/2=75℃

新情况Δt1’=150-t2'Δt2'=80-20=60℃Δtm'=[（150-t2'）+60]/2=75℃

解得t2'=60℃Δt1'=150-60=90℃Δt1’/Δt2’=90/60=1.5

故Δtm'用算术平均值计算是可以的.

新情况的热衡算:

W2'×4.17×（60-20）=2000×1.02×（150-80）W2'=856kg/h

需将水量调至856kg/h。

[43]j05b15201

有一台套管换热器,内管为φ38×2.5mm钢管,外管为φ57×3mm钢管,换热管总长36m,逆流操作,管内走水,将管间4200kg/h的苯液从65℃冷却到35℃,水温从25℃升到35℃,现已知苯侧对流给热系数为2030W/（m2·K）,水侧对流给热系数为6610W/（m2·K）,苯侧垢层热阻为0.18（m2·K）/kW,苯液比热cP1=1.80kJ/（kg·K）,钢导热率λ=45W/（m·K）。

试计算

（1）该换热器传热系数K

（2）水侧垢层热阻Ra2

Q=W1cp1（T1-T2）

=（4200/3600）×1.8×1000×（65-35）=63000W

A1=πd1L=3.14×0.038×36=4.295m2

Δtm=（Δt1-Δt2）/Ln（Δt1/Δt2）

=（（65-35）-（35-25））/Ln（30/10）=18.2℃

K1=Q/（A1Δtm）=63000/（4.295×18.2）

=805.95W/（m2·K）

（2）Rs2=1/K-（1/α1+bA1/（λAm）+Rs1+A1/（α2A2））

=1/805.95-（1/2030+0.0025×38/（45×35.5）+0.18/1000+38/（6610×33））

=0.000334（m2·K）/W

[44]j05b15214

拟在单程逆流列管换热器中用35℃的冷水将流量为1kg/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,并知此条件下对流给热系数分别为水:

2000W/（m2·℃）,油1000W/（m2·℃）,油的平均比热为4kJ/kg℃,若换热器传热面积为11m2,热损失、垢层及管壁热阻均可不计,试求:

1.该换热器是否可用?

2.若油的流量增至1.2kg/s,油、水出口温度及其他条件均不变,仅将流程改为双程并知双程时温差校正系数

为0.85,该换热器能否用?

略去水侧对流给热系数的变化。

[47]j05b20089

用一传热面积为3m2由φ25×2.5mm的管子组成的单管程单壳程列管式换热器,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1000kg/h和1200kg/h,其比热分别为4.18kJ/（kg·K）和2.0kJ（kg·K）;水侧和油侧的对流给热系数分别为2000W/（m2·K）和250W/（m2·K）,两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。

（A）计算说明该换热器是否合用?

（B）夏天当水的初温达到30℃,而油的流量及冷却程度不变时,水流量亦不变，该换热器是否合用?

如何解决?

（假设传热系数不变）

Δtm=（132.6-90）/Ln（123.6/90）=110℃

1/K1=1/α1+d1/（α2·d2）=1/250+25/（2000×20）K1=216.2W/（m2·K）

A1=Q1/（KΔtm）=2.40×108/（216.2×3600×110）=2.8m2<3m2故适用

（2）t1=30℃时

t2=30+2.40×105/（1000×4.18）=87.4℃

Δtm=（112.6-70）/Ln（112.6/70）=89.6℃

A1=2.40×108/（3600×89.6×216.2）=3.44m2>3m2不适用

解决办法是调大水量,使t2↓,Δtm↑,并使α↑,K↑

[48]j05b20092

有一列管式换热器,装有φ25×2.5mm钢管300根,管长为2m。

要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20℃加热到85℃,选用108℃饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。

若水蒸气的冷凝给热系数为1×104W/（m2·K）,管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计,而且不计热损失。

已知空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/（kg·K）,λ=2.85×10-2W/（m·K）,

μ=1.98×10-5（Pa·S）,Pr=0.7。

试求:

（A）空气在管内的对流给热系数;

（B）求换热器的总传热系数（以管子外表面为基准）;

（C）通过计算说明该换器能否满足需要?

（D）计算说明管壁温度接近于哪一侧的流体温度。

[49]j05b20098

有一列管换热器,由φ25×2.5mm长为2m的26根钢管组成。

用120℃饱和水蒸气加热某冷液体,该液体走管内,进口温度为25℃,比热为1.76kJ/（kg·℃）,流量为18600kg/h。

管外蒸汽的冷凝给热系数为1.1×104W/（m2·℃）,管内对流给热热阻为管外蒸汽冷凝给热热阻的6倍。

求冷液体的出口温度。

（设换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可略去不计）

[51]j05b20100

有一换热器由φ25×2mm钢管组成,管外为常压下的苯饱和蒸汽冷凝,苯的沸点为80℃,管内走冷却水,温度由10℃升高到30℃。

已知,苯的冷凝给热系数为600W/（m2·K）,水的对流给热系数为400W/（m2·K）,钢的导热率为50W/（m·K）,忽略垢层的热阻。

求:

（A）热流体一侧的平均壁温;

（B）冷流体一侧的平均壁温。

（热、冷侧壁温各自为恒值）

[52]j05b20101

16℃的盐水以3840kg/h的流率通过套管换热器的内管而被加热。

内管为φ38×2.5mm的钢管，每段长6m。

105℃的热水以4m3/h的流率在环隙内流过，而被冷却至48℃。

两流体作逆流流动。

热水对管壁的对流给热系数αo为5000W/（m2·℃），已知盐水物性（平均温度下）ρ=1200kg/m3，cp=3.3kJ/（kg·℃），μ=0.95×10–3Pa·s,λ=0.56W/（m·℃），管内外污垢热阻分别为Rs1=1/3788（m2·℃）/W，Rso=1/3846（m2·℃）/W。

求盐水出口温度和所需套管的段数。

忽略管壁热阻及热损失。

（热水在平均温度下的cp=4.18kJ/（kg·℃）,ρ=1000kg/m3）

[55]j05b20145

某厂用120℃饱和水蒸气,通过φ25×2.5mm,长3m的单管程列管式换热器,将列管内的17.2[m3/h]水溶液从20℃加热到75℃,冷凝水于饱和温度下排出。

已知:

管侧水溶液α1=2500[W/（m2·℃）],壳侧蒸汽α0=10000[W/（m2·℃）],溶液在管内呈湍流,试问换热器的管数为若干?

水溶液密度ρ=1050kg/m3,比热为4.17kJ/（kg·℃）。

热损失及管壁、垢层热阻均可忽略。

检修时发现该换热器有三根管子已坏,拟将坏管堵塞再继续使用,试问此方案是否可行?

（通过计算或推导说明）。

[56]j05b20194

有一单程列管式冷凝器,安装有φ25×2.5mm,长2m的钢管60根。

水蒸气在管间冷凝,冷凝温度为100℃。

冷却水走管内,流量为50m3/h,其进、出温度分别为20℃和40℃,试计算此冷凝器的总传热系数K值。

在保持原来冷凝量的前提下,为节约水,要求冷却水量减少一半。

今拟将水侧由单程改为3程。

设管壁两侧的污垢热阻及管外蒸汽冷凝热阻均忽略不计,换热器热损失不计,试通过计算说明该方案从传热原理上是否可行。

计算中取水的平均物性为:

cp=4.187kJ/（kg·℃）,ρ=996kg/m3,黏度μ=1cP。

[57]j05b20196

有一套管换热器由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm钢管组成,5000kg/h的甲醇在内管中流动,其温度由60℃冷却至30℃,甲醇对内管壁的对流给热系数为α1=1500W/（m2·K）。

冷却水在环隙内流动,其进、出口温度分别为20℃和35℃,甲醇和冷却水逆流操作,忽略热损失及垢层热阻,试求:

（1）冷却水用量（kg/h）

（2）所需套管长度

甲醇物性数据为:

cp1=2.6kJ/（kg·K）,

冷却水物性数据为:

cp2=4.18kJ/（kg·K），ρ=996.3kg/m3,

λ2=0.603W/（m·K）,μ=0.845×10-3Pa·S

钢导热率:

λ=45W/（m·K）

[58]j05b20202

采用传热面积为4.48m2单程管壳式换热器,进行溶剂和某水溶液间的逆流传热,溶剂为苯,流量为3600kg/h,比热为1.88kJ/（kg·℃）的苯,80℃冷却至50℃,水溶液由20℃被加热到30℃。

忽略热损失。

试求:

（1）传热系数K

（2）因前工段的生产情况有变动,水溶液进口温度降到10℃,但由于工艺的要求,水溶液出口温度不能低于30℃。

若两流体的流量及苯的进口温度不变,原换热器是否能保证水溶液的出口温度不低于30℃?

两种情况下两流体的物性常数可视为不变。

层次：

C

[2]j05c10220

某蒸汽管外包有两层厚度相等的绝热材料，已知第二层的平均直径相当于第一层的平均直径的两倍，而第二层的导热率为第一层的二分之一。

如将两层材料的位置调换，调换后第一、二层的平均直径与原来第一、二层的相同，则每米管长的热损失将如何变化？

设钢管外壁温度及最外层绝热材料的外壁温度不变。

[4]j05c10254

欲将夹套加热器中的某溶液进行加热,使其从30℃加热至60℃,溶液量为6000kg,传热面积为6m2,容器内有搅拌器,因此器内液体各处的温度可视为均匀的,加热蒸汽为0.1MPa的饱和水蒸气,传热系数为800W/（m2·℃）,求将溶液由30℃加热至60℃所需要的时间?

已知溶液比热为5kJ/（kg·℃）,热损失忽略不计。

[5]j05c15096

有一列管式换热器，列管由薄壁钢管制成。

壳程通入温度为120℃的饱和水蒸汽。

管内走空气，空气流量为2.5×104kg/h，呈湍流流动，进口温度为30℃，出口温度为80℃，现将空气流量提高50%，进口温度不变。

问此时的换热量为多少？

空气比热Cp=1005J/kg·K，假设空气的物性保持不变。

[6]j05c15117

拟设计由φ25×2mm的136根不锈钢管组成的列管换热器。

平均比热为4187J/（kg·℃）的某溶液在管内作湍流流动,其流量为15000kg/h,并由15℃加热到100℃。

温度为110℃的饱和水蒸气在壳层冷凝。

已知单管程时管壁对溶液的对流给热系数αi=520W/（m2·℃）,蒸汽冷凝时的对流给热系数α0=1.16×104W/（m2·℃）,不锈钢管的导热率λ=17W/（m·℃）,忽略垢层热阻和热损失。

试求:

（A）管程为单程时的列管长度（有效长度,下同）;

（B）管程为4程时的列管长度（总管数不变,仍为136根）。

[9]j05c15200

某厂精馏塔顶冷凝器中有φ25×2.5mm的管50根,长2m,管内通冷却水,流速为1.0m/s,其进、出口温度分别为20℃和40℃,管外为蒸汽冷凝,试求:

（1）管壁对冷却水的对流给热系数α;

（2）该厂仓库有一台与上述传热面积相同,管径相同,但管数为60根的换热器拟作备品。

若要求维持原有的加热任务,加热蒸汽温度也不变,问该换热器是否合用?

水物性数据可取为:

cp=4.174kJ/（kg·K）,ρ=995.7kg/m3,

λ=0.617W/（m·K）,μ=0.8cP

[11]j05c15247

现有两台单壳程单管程的传热面积均为20m2的列管式空气加热器,每台加热器均由64根φ57×3.5mm钢管组成,壳程为170℃的饱和水蒸气冷凝（冷凝潜热r=2054kJ/kg）,空气入口温度t1=30℃,流量为2.5kg/s,以湍流方式通过管内。

（1）若两台换热器并联使用,通过每台换热器的空气流量均等,此时空气的对流给热系数为38W/（m2·℃）,求空气的出口温度t2及水蒸气的总冷凝量w0为多少?

（2）若二台换热器改为串联使用,问此时空气的出口温度t2’及水蒸气的总冷凝量w0’为多少?

假定空气的物性不随温度压力而变化,视为常量，cp=1kJ/（kg·℃）。

忽略热损失。

[16]j05c20093

有一套管换热器,内管为φ54×2mm,外管为φ116