化工原理答案-第四章-传热.doc

第四章 传 热
热传导
【4-1】有一加热器,为了减少热损失,在加热器得平壁外表面,包一层热导率为0、16W/(m·℃)、厚度为300mm得绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃,另测得距加热器平壁外表面250mm处得温度为75℃,如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。
解
计算加热器平壁外表面温度,

习题4-1附图

【4-2】有一冷藏室,其保冷壁就是由30mm厚得软木做成得。软木得热导率λ=0、043 W/(m·℃)。若外表面温度为28℃,内表面温度为3℃,试计算单位表面积得冷量损失。
解 已知,
则单位表面积得冷量损失为

【4-3】用平板法测定材料得热导率,平板状材料得一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板得两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体得表面积为0、02m2,材料得厚度为0、02m。现测得电流表得读数为2、8A,伏特计得读数为140V,两侧温度分别为280℃与100℃,试计算该材料得热导率。
解 根据已知做图
热传导得热量

习题4-3附图

【4-4】燃烧炉得平壁由下列三层材料构成:耐火砖层,热导率λ=1、05W/(m·℃),厚度;绝热砖层,热导率λ=0、151W/(m·℃);普通砖层,热导率λ=0、93W/(m·℃)。
耐火砖层内侧壁面温度为1000℃,绝热砖得耐热温度为940℃,普通砖得耐热温度为130℃。
(1) 根据砖得耐热温度确定砖与砖接触面得温度,然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm,试确定绝热砖层得厚度。
(2) 若普通砖层厚度为240mm,试计算普通砖层外表面温度。
解 (1)确定绝热层得厚度
温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层得热传导计算热流密度q。

习题4-4附图
绝热砖层厚度得计算

每块绝热砖得厚度为,取两块绝热砖得厚度为。
(2) 计算普通砖层得外侧壁温
先核算绝热砖层与普通砖层接触面处得温度

小于130℃,符合要求。
通过普通砖层得热传导,计算普通砖层得外侧壁温。

【4-5】有直径为得黄铜冷却管,假如管内生成厚度为1mm得水垢,水垢得热导率λ=1、163W/(m·℃)。试计算水垢得热阻就是黄铜管热阻得多少倍[黄铜得热导率λ=110W/(m·℃)]。
解 因,因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管得热阻为

水垢得热阻为

习题4-5附图

倍
【4-6】某工厂用得无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途得热损失,在管外包两层绝热材料,第一层为厚30mm得矿渣棉,其热导率为;第二层为厚30mm得石棉灰,其热导率为。管内壁温度为300℃,保温层外表面温度为40℃。管路长50m。试求该管路得散热量。
解

【4-7】水蒸气管路外径为108mm,其表面包一层超细玻璃棉毡保温,其热导率随温度得变化关系为。水蒸气管路外表面温度为150℃,希望保温层外表面温度不超过50℃,且每米管路得热量损失不超过。试确定所需保温层厚度。
解 保温层厚度以b表示

已知

解得保温层厚度为

保温层厚度应不小于13、3mm
对流传热
【4-8】冷却水在,长为2m得钢管中以得流速通过。水温由15℃升至25℃。求管壁对水得对流传热系数。
解
水得平均温度
查得20℃时水得密度,黏度,热导率λ=59、9×10-2 W/(m·℃),普朗特数。
雷诺数 湍流
对流传热系数得计算,水被加热,Pr得指数

=4367 W/(m2·℃)
【4-9】空气以得流速通过得钢管,管长。空气入口温度为32℃,出口温度为68℃。(1)试计算空气与管壁间得对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍,其她条件均不变,对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到得热量为,钢管内壁得平均温度为多少。
解 已知
(1)对流传热系数计算
空气得平均温度
查得空气在时得物性数据,

,空气被加热,Pr得指数
雷诺数
　湍流

对流传热系数 　

(2)空气流速增加一倍,对流传热系数为

(3)若空气从管壁得到得热量为,计算钢管内壁平均温度
用式计算钢管内壁得平均温度。
已知空气进出口平均温度
在第(1)项中已计算出对流传热系数
钢管内表面积为
钢管内壁平均温度
【4-10】温度为10℃、压力为101、3kPa得空气,以得流速在列管式换热器管间沿管长方向流动,空气出口温度为30℃。列管式换热器得外壳内径为190mm,其中装有37根得钢管,钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气得对流传热系数。
解 已知空气压力,温度,
空气得平均温度
查得空气在20℃得物性数据为:密度,比热容,热导率,黏度,普朗特数,空气被加热,Pr得指数
空气流动得截面积
湿润周边
当量直径 　　　

已知空气得流速
雷诺数 湍流
对流传热系数

【4-11】有一套管式换热器,内管为,外管为得钢管,内管得传热管长为2m。质量流量为得甲苯在环隙中流动,进口温度为72℃,出口温度为38℃。试求甲苯对内管外表面得对流传热系数。
解
甲苯得温度 ,平均温度
甲苯在55℃得物性数据有:密度,比热容,热导率λ=0、128W/(m·℃),黏度
甲苯得质量流量
体积流量
甲苯在环隙中得流速计算
套管得内管外径,外管内径,
流速
甲苯对内管外表面得对流传热系数计算
套管环隙得当量直径　　

　湍流

甲苯被冷却

【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由70℃冷却到30℃,蛇管由得钢管3根并联而成,蛇管得圈径为0、6m。若甲苯得体积流量为,试求甲苯对钢管内表面得对流传热系数。
解 甲苯得温度
平均温度
甲苯在50℃时得物性数据为:密度,黏度,热导率,比热容
甲苯在3根并联蛇管中得流速计算
体积流量 ,蛇管内径,
流速 　　　　
雷诺数 　 湍流
普朗特数　　
弯管效应校正系数
对流传热系数计算
甲苯被冷却

　　　　　　 W/(m2·℃)
【4-13】质量流量为1650kg/h得硝酸,在管径为、长为3m得水平管中流过。管外为300kPa(绝对压力)得饱与水蒸气冷凝,使硝酸得到得热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时得对流传热系数。
解 在计算水蒸气在水平管外冷凝得对流传热系数时,需要知道管外表面温度。
如何假设?
水蒸气冷凝得值一般为
按题意,饱与水蒸气冷凝传给硝酸得热量为
取,估算壁温度
300kPa(绝对压力)时,水蒸气得饱与温度。
用式估算壁温度

先假设℃
定性温度为膜温
冷凝水膜得物性参数

℃时水得比汽化热　
水蒸气在水平管外冷凝得值计算

用式计算Q值

此Q值大于硝酸吸收得热量,说明假设得偏小。
重新用估算。

假设
膜温 　　　　　　　　
与前面计算得膜温基本一样,故冷凝水膜得物性数据也一样,只就是计算式中得不同。
值计算

用验算壁温

与前面假设得相同。
【4-14】水在大容器内沸腾,如果绝对压力保持在,加热面温度保持130℃,试计算加热面上得热流密度。
解

水沸腾得对流传热系数计算

加热面上得热流密度

两流体间传热过程得计算
【4-15】载热体得流量为,试计算下列各过程中载热体放出或吸收得热量。(1) 100℃得饱与水蒸气冷凝成100℃得水;(2)苯胺由383K降温至283K;(3)比热容为得水溶液从290K加热到370K; (4)常压下20℃得空气加热到;(5)绝对压力为250kPa得饱与水蒸气,冷凝冷却成40℃得水。
解
(1) 水蒸气冷凝 比汽化热
放热量
(2) 苯胺　　平均温度
比热容 　　　　　
放热量
(3) 水溶液 比热容
吸热量
(4) 空气加热平均温度
比热容
吸热量
(5) 饱与水蒸气,饱与温度,比汽化热,
冷凝水从降至℃,平均温度
比热容
放热量

【4-16】用冷却水使流量为得硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15℃升到35℃,试求冷却水用量。若将冷却水得流量增加到,试求冷却水得出口温度。
解 硝基苯流量,平均温度比热容
硝基苯得放热量

(1) 冷却水用量计算 平均温度
比热容,密度

(2) 用水量时,求？
用水量增大,水出口温度应降低。先假设水得比热容及密度不变。从上面得计算式可知成反比,故

假设
水得平均温度
查得水得比热容,密度
计算

与假设相符。
【4-17】在一换热器中,用水使苯从80℃冷却到50℃,水从15℃升到35℃。试分别计 算并流操作及逆流操作时得平均温度差。

解 (1)并流操作
苯
水

(2) 逆流操作

苯
水

【4-18】　在1壳程2管程列管式换热器中用水冷却油,冷却水走管内,进口温度为,出口温度为50℃。油进口温度为120℃,出口温度为60℃。试计算两种流体得传热平均温度差。
解　属于折流

查得温差校正系数

【4-19】用绝对压力为300kPa得饱与水蒸气将体积流量为得苯胺从80℃加热到100℃。苯胺在平均温度下得密度为,比热容为。试计算:(1)水蒸气用量;(2)当总传热系数为时所需传热面积。
解 (1)水得比汽化热,苯胺体积流量,
苯胺吸收得热量为

水蒸气用量
(2) 计算传热面积A 已知,水蒸气得。
水蒸气 133、3℃ 133、3℃
苯胺

【4-20】有一套管式换热器,内管为得钢管,内管中有质量流量为得热水,从90℃冷却到60℃。环隙中冷却水从20℃升到50℃。总传热系数。试求:(1)冷却水用量;(2)并流流动时得平均温度差及所需传热面积;(3)逆流流动时得平均温度差及所需传热面积。
解 (1)冷却水用量计算
热水平均温度
冷水平均温度
热量衡算

(2) 并流
热水
　冷水

传热面积
(3) 逆流
热水 　

传热面积
【4-21】　有1壳程2管程列管式换热器,用293K得冷水30t/h使流量为20t/h得乙二醇从353K冷却到313K,设总传热系数为,试计算所需传热面积。
解
乙二醇得平均温度,
比热容
习题4-21附图
乙二醇放出热量

从水得物理性质数据表上可知,水在范围内,比热容。假设,计算冷水出口温度。

冷水得平均温度

接近30℃,所假设得可以。
逆流平均温度差计算

折流得平均温度差计算

传热面积 　　　　　　　
【4-22】　有一外径为l00mm得水蒸气管,水蒸气温度为160℃。为了减少热量损失,在管外包覆厚度各为25mm得A、B两层绝热材料保温层,A与B得热导率分别为与。试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温度为20℃,保温层外表面对周围空气得对流(包括热辐射)传热系数。保温层内表面温度在两种情况下都等于水蒸气温度。
解
(1) A在内层,B在外层。以保温层外表面积为基准得总传热系数为
习题4-22附图

热量损失
单位长度得热损失为

(2) B在内层,A在外层,总传热系数为

计算结果表明,热导率小得绝热材料放在内层,热损失小。
【4-23】测定套管式换热器得总传热系数。数据如下:甲苯在内管中流动,质量流量为5000kg/h,进口温度为80℃,出口温度为50℃。水在环隙流动,进口温度为15℃,出口温度为30℃。水与甲苯逆流流动,传热面积为。问所测得得总传热系数为多大？
解 甲苯,
,
热负荷

【4-24】在一套管换热器中,内管中流体得对流传热系数,内管外侧流体得对流传热系数。已知两种流体均在湍流条件下进行换热。试回答下列两个问题:(1)假设内管中流体流速增加一倍;(2)假设内管外侧流体流速增加两倍。其她条件不变,试问总传热系数增加多少？以百分数表示。管壁热阻及污垢热阻可不计。
解 已知
(1) 内管中流体流速增加一倍,

增加37%
(2)

增加27、 6%
增大小者,对增大K有利。
【4-25】　有一套管式换热器,内管为,外管为。内管中有流量为得苯被加热,进口温度为50℃,出口温度为80℃。套管得环隙中有绝对压力为200kPa得饱与水蒸气冷凝放热,冷凝得对流传热系数为。已知内管得内表面污垢热阻为,管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。试计算:(1)加热水蒸气用量;(2)管壁对苯得对流传热系数;(3)完成上述处理量所需套管得有效长度;(4)由于某种原因,加热水蒸气得绝对压力降至140kPa。这时,苯出口温度有何变化？应为多少度(设苯得对流传热系数值不变,平均温度差可用算术平均值计算)。
解 苯平均温度,
热负荷
(1) 水蒸气用量

(2) 苯得对流传热系数

　　　湍流

苯被加热

(3)管长

以管内表面积A1为基准

(4) 水蒸气绝对压力时,苯得出口温度。
时,

【4-26】在一套管换热器中,用绝对压力为200kPa得饱与水蒸气使流量为得氯化苯从30℃加热到70℃,氯化苯在内管中流动。因某种原因,氯化苯得流量减小到,但进、出口温度欲保持不变。为此,想把水蒸气压力降低一些,试问水蒸气得绝对压力应降到多少(两种情况下,管内氯化苯均为湍流流动,并且其对流传热系数比水蒸气冷凝得对流传热系数小很多。因此,水蒸气冷凝得热阻及管壁热阻均可忽略不计)？
解 水蒸气绝对压力

氯化苯得流量
热负荷成正比,
氯化苯得对流传热系数得关系为
氯化苯得流量减小到,

总传热系数

水蒸气温度
压力
【4-27】欲将体积流量为(标准状况)得常压空气,用绝对压力为200kPa得饱与水蒸气加热,空气从10℃加热到90℃。现有一列管式换热器,其规格如下:钢管直径,管长1、6m,管数271根。如用此换热器,使空气在管内流动,水蒸气在管外冷凝,试验算此换热器面积就是否够用？水蒸气冷凝时得对流传热系数可取为。
解 空气得平均温度
空气得物性参数
,
空气流量

热负荷
水蒸气
平均温度差 　　　

空气流速
　　　湍流

已有换热器得传热面积为
够用
【4-28】有一钢制套管式换热器,质量流量为得苯在内管中,从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙中从15℃升到35℃。已知苯对管壁得对流传热系数为,管壁对水得对流传热系数为。计算总传热系数时,忽略管壁热阻,按平壁计算。试回答下列问题:(1)计算冷却水消耗量;(2)计算并流流动时所需传热面积;(3)如改变为逆流流动,其她条件相同,所需传热面积将有何变化？
解 总传热系数K得计算
已知

苯 　

热负荷

(1) 冷却水消耗量

(2) 并流得传热面积A

(3) 逆流时得传热面积A

逆流与并流比较,由于逆流得温度差较大,所以传热面积小了一些。
【4-29】 在一传热面积为20m2得列管式换热器中,壳程用110℃得饱与水蒸汽冷凝以加热管程中得某溶液。溶液得处理量为2、5´104kg/h,比热容为4kJ/(kg×K)。换热器初始使用时可将溶液由20℃加热至80℃。(1)该换热器使用一段时间后,由于溶液结垢,其出口温度只能达到75℃,试求污垢热阻值;(2)若要使溶液出口温度仍维持在80℃,在不变动设备得条件下可采取何种措施？做定量计算。
解:原工况条件下得对数平均温差:℃
此操作条件下得总传热系数:
W/ (m2×K)
（1） 使用一年后,溶液出口温度下降至75℃,此时得对数平均温差为
℃
总传热系数 W/(m2×K)
污垢热阻
m2×K/W
（2） 在不变动设备得条件下,可通过提高加热蒸汽得温度使溶液出口温度仍然维持在80℃。
此时传热温差为
℃
即
由此解得 ℃
【4-30】有一单管程得列管式换热器,其规格如下:管径为,管长为3m,管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却得饱与蒸气,自饱与温度46℃冷却到10℃。在管外冷凝,其流量为,比汽化热为。冷却水在管内,进口温度为5℃,出口温度为32℃。逆流流动。已知得冷凝与冷却时得总传热系数分别为与(以内表面积为基准)。试问此换热器就是否合适？
习题4-30附图
解 质量流量,
冷凝段,得比汽化热
冷凝段热负荷

冷却段

冷却段热负荷
冷却水

冷却水用量
水在两段之间得温度,用冷却段热负荷计算。

冷凝段平均温度差为
冷却段平均温度差为
冷凝段传热面积为
冷却段传热面积为
总传热面积
现有换热器得传热面积按传热管内表面积计算
传热面积够用。
【4-31】在一套管式换热器中,用120℃得饱与水蒸气在环隙中冷凝放热,使内管中湍流流动得流量为得苯从20℃加热到80℃。当流量增加到时只能从20℃加热到76℃。试计算换热器得传热面积与流量为时得总传热系数K。[计算时,水蒸气冷凝得值取用。可忽略管壁热阻及污垢热阻,并可当平壁处理。两种情况下苯得比热容认为相同]。
解 苯得流量 时
水蒸气 　T=120℃ 　T=120℃
苯 　　　 ®
苯得流量时
水蒸气 T=120℃ 　　T=120℃
苯 　　 ®
传热速率方程

苯得流速与流量得关系
苯得对流传热系数与流速得关系

总传热系数与传热管内外两侧得对流传热系数与得关系为

解得 　　　　　　
故 　　
由求传热面积
用平均温度,查得苯得比热容

也可以由求传热面积

热辐射
【4-32】外径为50mm、长为10m得氧化钢管敷设在截面为200mm×200mm得红砖砌得通道内,钢管外表面温度为250℃,通道壁面温度为20℃。试计算辐射热损失。
解 钢管被红砖通道包围,角系数
辐射传热面积
红砖通道得表面积宽长
查得氧化钢材表面得黑度,红砖得黑度。
总辐射系数

辐射热损失为

【4-33】 冷藏瓶由真空玻璃夹层构成,夹层中双壁表面上镀银,镀银壁面黑度。外壁内表面温度为35℃,内壁外表面温度为0℃。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁得散热量。
解 内壁外表面温度,外壁内表面温度,两表面镀银,两表面积。,
总辐射系数
每单位面积得辐射散热量

q为负值,表明热量从外壁向内壁传递。
【4-34】 水蒸气管路横穿室内,其保温层外径为70mm,外表面温度为55℃,室温为25℃,墙壁温度为20℃。试计算每米管路得辐射散热损失及对流散热损失。保温层外表面黑度。
解 (1) 辐射散热损失
管路被大房间包围,角系数,辐射传热面积为管路表面积
总辐射系数
辐射传热速率计算式为

每米管路得辐射散热损失为

(2) 对流散热损失
按大空间自然对流传热计算管路外表面温度55℃与室温25℃得平均温度

每米管路得对流散热损失为

计算结果表明辐射散热损失大于对流散热损失。