流体力学与传热复习提纲作业解答(第34章)

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tu。而求tu须知颗粒密度s，直径为d，流体密度及粘度，此题中公未知s，故利用该颗粒在气体和水中重量比可解决s，从而可求出tu。1）求球形颗粒密度s：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6.16g633＝水气gddss又查出C20时水的物性：cPmkg1,/10003∴1.6＝水气ss,6.110002.1ss解之3/2664mkgs2）求颗粒在水中沉降速度水tu：设颗粒在水中沉降在层流区：∴3262101881.910002664103018gdust＝水sm/1016.84校核：0245.010101016.81030Re3346tdu1故smut/1016.84＝水3）颗粒在气体中沉降速度气tu：smuutt/1018.71016.8888824＝＝水气5.解：1）常压下C20空气密度3/2.1mkgsPa51081.1；2atm下C20空气密度3/4.22.12mkg设m20尘粒在C20常压空气中沉降速度为tu，C202atm下空气中沉降速度为tu∵质量流量W及设备尺寸不变又VW，∴21VV而生产能力AuVt∴21VVuutt假设尘粒沉降在层流区内进行：∴2dduutt，mdd14.1421校核：tduRe常压下，52521081.11881.910218sstgdus5102.1ss5555106.11081.14.1102.1102Re1压强增大一倍，smuustt/1062165651081.14.210610414.1eRstuds510125.11故md14.14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C190空气密度3/76.0mkg，粘度sPa5106.2∵质量流量W与设备尺寸不变，VW∴6.176.02.1VV，∴6.1VVuutt假设在层流区内沉降2dduutt∴3.281.16.26.12ttuudd∴md3.30203.2校核：190℃时，sstu551092.1102.16.1''1107.1106.276.01092.1103.30''''''''Re5556sstud故md3.30''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34/10mkg，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。smVs/37.12734002733600200033/65.04002732736.1mkg，又sPa5103根据mlmbmH5,2,4∴气体停留时间ulsmHbVus/17.02437.1∴sul41.2917.05又t，取等号；ttuhmHh2.0119∴smuuhtt/108.641.292.0,41.293再求对应之d；设在层流区域沉降，∴81.965.03700108.6103181835gudstmm1.10101.106校核：53610365.0108.6101.10Retdu41088.141所以沉降的最小尘粒直径为m1.10。12．解：)1(求eeqK、、2311/03.01.0003.0mmAVq2321/1.01.001.0mmAVq由恒压过滤方程式：kqqqe22，可得：kqe6003.0203.02kqe6001.021.02联解求得：smK/1075.125，233/105.2mmqeskqee357.01075.1)105.2(5232)2(计算过滤时间和生产能力滤框容积3383.038025.0635.0635.0m33/12.0mm∴3192.312.0383.0mV23/1064.030192.3mmAVq由过滤方程式：kqqqe225321075.1105.2)1064.0(2)1064.0(解得：s677生产能力：hmVQ/22.860123600677192.33（3）进行洗涤的时间及生产能力板框过滤机洗涤速率EwddVddV)(41)(=)105.21064.0(2301075.141)(24135eqqKAsm/1003.63439576.0192.33.0103mVVw∴sddVV)(4于是，hmQ/85.3601236001588677192.33'生产能力变化：%2.53%10022.885.322.8)4(∵spkK12，∴spK18.1215.011sppKKsmKK/1015.31075.18.18.1255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500kg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299W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4.18kJ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）)()(21221211TTCwttCwqpp1w4.18（55-15）=5003.35（90-40）1w=500kg/h(2)Ko=224299116000018011100iiddw/m2.k(3)151t℃552t℃401T℃902T℃℃351t℃252tmtAK00Q7.292535ln2535mt℃)1555(18.43600500103=2240.18L29.7L=6.17m(4)201t℃a若维持水的流量及其它的条件不变，则水的出口温度602018.4500)4090(35.35002t℃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572)2050(18.4)4090(35.35002wkg/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)100150(Q11pCw（1）对水)1540(22pCwq（2）并流时135151501t℃60401002t℃5.9260135ln60135mt℃mtAKQ00=)100150(11pCw在新的冷却塔中对油)80150('11pCwQ（3）对水)15('222tCwQp（4）解上述方程得：2t=50℃'''00mtAKQ=)80150(11pCw13515150'1t℃305080'2t℃8.6950135ln30135'mt℃5.928.69'10015080150'LLQQL’=1.85L=1.85m19.90℃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230W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))5090(11pCwqmtAK0019301wkg/h7025090t℃由70oC查表得正丁醇的cp=2.8kJ/kg.k由题可知：K0=230w/m2.kA0=6m2T1=90℃T2=50℃t2℃t1=18℃32)90(ln)1850()90(22tttm360019302.8103(90-50)=230632)90(ln)1850()90(22ttt2=37℃(2))5090(11pCwQ)1837(22pCw2w=2721)1837(1018.4)5090(108.2193033kg/h=2.721m3/h20.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：)(1211ttCwQp)(2122TTCwpmtAK00水的出口温度取50℃2.181030ln)2030()5080(mt℃Ko=7.373170015.224525025.020850251w/m2.kw2=1.25kg/s2pC=1.69kJ/kg.k故：A0=5.152.187.373)3080(169025.1m221.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3490Wm-2℃-1,管外油侧的对流表面传热系数ho为258W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为45W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=2.2332581174519002.0153490191w/m2.k结垢后K’=1.208000176.0151900026.02581174519002.0153490191w/m2.k（2）%1212.011'1000KKK22.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，℃1008060403025总传热系数K。，Wm-2℃-1355350340310230160试求换热器的传热面积