流体力学与传热复习提纲作业解答(第3 4章).doc

第三章作业
4.解：
此题核心在于求出球形颗粒在水中的沉降速度。而求须知颗粒密度，直径为，流体密度及粘度，此题中公未知，故利用该颗粒在气体和水中重量比可解决，从而可求出。
1）求球形颗粒密度：
该颗粒在气体和水中的重量比，实质指净重力（重力－浮力）之比，即

又查出时水的物性：
∴,
解之
2）求颗粒在水中沉降速度：
设颗粒在水中沉降在层流区：
∴

校核：<
故
3）颗粒在气体中沉降速度：

5.解：
1）常压下空气密度
；
2atm下空气密度
设尘粒在常压空气中沉降速度为，2atm下空气中沉降速度为
∵质量流量及设备尺寸不变
又，∴
而生产能力
∴
假设尘粒沉降在层流区内进行：
∴，
校核：
常压下，

<
压强增大一倍，

<
故
由以上计算可看出空气压力增大密度也增大，则体积流量减小，在降尘室内停留时间增长，故沉降的最小粒径会减小。
2）常压下空气密度，粘度
∵质量流量与设备尺寸不变，
∴，∴
假设在层流区内沉降

∴
∴
校核：190℃时，

故
由以上计算知，由于温度上升，空气密度减小、粘度上升，则体积流量增大，气体在设备内停留时间短，沉降最小尘粒增大。另外由1）计算中知由于一般颗粒密度不会超过，故只会在层流区域内沉降。

6.解：
在操作条件及设备尺寸均一定时，则确定了颗粒的最大沉降时间及颗粒的沉降速度，与该沉降速度对应的颗粒直径就是所要求的最小尘粒直径。

，又
根据
∴气体停留时间

∴
又，取等号；
∴
再求对应之；
设在层流区域沉降，
∴

校核：
<
所以沉降的最小尘粒直径为。

12．解：
求

由恒压过滤方程式：，可得：

联解求得：，

计算过滤时间和生产能力
滤框容积

∴

由过滤方程式：

解得：
生产能力：

（3）进行洗涤的时间及生产能力
板框过滤机洗涤速率

=

∴
于是，
生产能力变化：
∵，∴

第四章作业
15、在一套管式换热器，内管为φ180×10mm的钢管，用水冷却原油，采用逆流操作，水在内管中流动，冷却水的进口温度为15℃，出口温度为55℃，原油在环隙中流动，流量为500 kg×h-1，其平均比定压热容为3.35kJ×kg-1×℃-1，要求从90℃冷却至40℃，已知水侧的对流表面传热系数为1000W×m-2×℃-1，油侧的对流表面传热系数为299 W×m-2×℃-1，（管壁热阻及垢阻忽略不计）。试求：
（1） 所需冷却水用量（水的比热取4.18 kJ×kg-1×℃-1，忽略热损失）；
（2） 总传热系数；
（3） 套管换热器的有效传热长度；
（4） 若冷却水进口温度变为20℃，问此时会出现什么情况？
解（1）
´4.18´（55-15）=500´3.35´（90-40）
=500kg/h
(2) Ko=w/m2.k
(3) ℃℃
℃℃

℃
´103=224´0.18´L´29.7´
L=6.17m
(4) ℃
a 若维持水的流量及其它的条件不变，则水的出口温度
℃
水的出口温度过高导致结垢。
b 若水的出口温度不变，则必须增加水的流率
由 kg/h
此时换热器的管长也变化即需要换一个热交换器。

16.在并流的换热器中，用水冷却油。水的进，出口温度分别为15℃和40℃，油的进，出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务要求油的出口温度降至80℃，设油和水的流量，进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m，试求将此换热器的管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可以忽略。
解：
在原冷却器中 对油 （1）
对水 （2）
并流时 ℃
℃
℃
=
在新的冷却塔中 对油 （3）
对水 （4）
解上述方程得： =50℃
=
℃
℃
℃
L’=1.85L=1.85m

19. 90℃的正丁醇在逆流换热器中被冷却到50℃。换热器的传热面积为6m²，总传热系数为230 W×m-2×℃-1。若正丁醇的流量为1930kg×h-1，冷却介质为18℃的水，试求：
(1)冷却水的出口温度；
(2)冷却水的消耗量，以m³×h-1表示。
解：
(1)
kg/h ℃
由70oC查表得正丁醇的cp=2.8kJ/kg.k
由题可知：K0=230w/m2.k A0=6m2
T1=90℃T2=50℃
t2℃t1=18℃

´2.8´103´ (90-50)=230´6´
t2=37℃
(2)
=kg/h=2.721m3/h

20. 在逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25kg×s-1的液体（比定压热容为1.69kJ×kg-1×℃-1，密度为850kg×m-3）由80℃冷却到30℃。换热器的列管直径为Φ25×2.5mm，水走管内。水侧和液体侧的对流表面传热系数分别为0.85和1.70kW×m-2×℃-1，污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50℃，试求换热器的传热面积。
解：
水的出口温度取50 ℃
℃
Ko=w/m2.k
w2=1.25kg/s =1.69kJ/kg.k
故：A0=m2

21. 在列管式换热器中用冷水冷却油。水在直径为Φ19×2mm 的列管内流动。已知管内水侧对流表面传热系数hi为3490 W×m-2×℃-1,管外油侧的对流表面传热系数ho为258 W×m-2×℃-1.换热器在使用一段时间后，管壁两侧都有污垢形成，水侧污垢热阻Rsi为0.00026 ㎡×℃×W-1,油侧污垢热阻Rso为0.000176㎡×℃×W-1。管壁热传导系数l为45 W×m-1×℃-1.试求：(1)基于管外表面积的总传热系数KO；(2）产生污垢后热阻增加的百分数。
解：(1) 未结垢前 Ko=w/m2.k
结垢后
K’=w/m2.k
（2）

22. 在逆流换热器中，用冷油冷却热油，油的比定压热容均为1.68kJ×kg-1×℃-1，热油的流量为3000kg×h-1。热油从100℃冷却到25℃，冷油从20℃加热到40℃。已知总传热系数KO随热油的温度T变化如下：
热油温度T，℃
100 80 60 40 30 25
总传热系数K。，W×m-2×℃-1
355 350 340 310 230 160
试求换热器的传热面积。
解： 热油 ℃
由题附表可以得出
Ko=341.3 w/m2.k
℃

A0=m2

23. 套管换热器中，用35℃的水冷却110℃的油，油的比定压热容为1.9 kJ×kg-1×℃-1。两流体做逆流流动。若水的流量为0.67kg×s-1，油的流量为2.85kg×s-1。换热器的传热面积A。为16m2，总传热系数Ko为320 W×m-2×℃-1。试计算水的出口温度及换热器的传热速率。
解： 油 T1=110℃T2℃
水 t2℃t1=35℃
Q=0.67´4.18´(t2-35)=2.85´1.9´ (110-T2) (1)
Q=320´16´=0.67´4.18´103(t2-35) (2)
联立上面方程式用试差法得出水的出口温度 t2=92℃ 水过热
Q=0.67´4.18´103(92-35)=1.596´105 w

33. 在列管换热器中，用热水加热冷水，热水流量为4.5×103kg×h-1，温度从95℃冷却到55℃，冷水温度从20℃升到50℃，总传热系数为2.8×103 W×m-2×℃-1。试求：①冷水流量；②两种液体作逆流时的平均温度差和所需要的换热面积；③两种流体作并流时的平均温度差和所需要的换热面积；④根据计算结果，对逆流和并流换热作一比较，可得到哪些结论。
解：
（1）
w2=6000kg/h
（2） 逆流时 ℃
A=m2
（3） 并流时 ℃
A=m2
（4） 相同的进出口温度，逆流所需传热面积较小，因为逆流时传热推动力较大。

34. 在逆流换热器中，管子规格为38×3mm，用初温为15℃的水将2.5kg×s-1的甲苯由80℃冷却到30℃，水走管内，水侧和甲苯侧的对流表面传热系数分别为2500 和900 W×m-2×℃-1，污垢热阻忽略不计。若水的出口温度不能高于45℃，试求该换热器的传热面积。
解：设管壁w/m. k
K0= w/m2.k
℃
在 =℃时 甲苯Cp=1.9´103kJ/kg.k
A0=16.71m2

35. 某单壳程单管程列管换热器，用1.8×105Pa饱和水蒸气加热空气，水蒸气走壳程，其对流表面传热系数为104 W×m-2×℃-1，空气走管内，进口温度20 ℃，要求出口温度达110 ℃，空气在管内流速为10m×s-1。管子规格为25×2.5mm的钢管，管数共269根。试求换热器的管长。
若将该换热器改为单壳程双管程，总管数减至254根。水蒸气温度不变，空气的质量流量及进口温度不变，设各物性数据不变，换热器的管长亦不变，试求空气的出口温度。
解：
空气 =℃
kg/m3 kJ/kg.k w/m.k Pa.S
湍流
w/m2.k
因为 所以 K≈Ki=αi=46.9 w/m2.k
由蒸汽压表知： TS＝116.6℃

解得： L＝3m
当n=254 双管程时 () m/s
w/m2.k
解得： ℃

36. 在一单管程列管式换热器中，将2000kg×h-1的空气从20℃加热到80℃，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸气加热。列管总数为200根，长度为6m，管子规格为38×3mm。现因生产要求需要设计一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格改为19×1.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少米。
解：

m