化工原理答案第四章傳熱.doc

第四章 傳 熱熱傳導【4-1】有一加熱器，為了減少熱損失，在加熱器的平壁外表面，包一層熱導率為0.16W/(m)、厚度為300mm的絕熱材料。已測得絕熱層外表面溫度為30，另測得距加熱器平壁外表面250mm處的溫度為75，如習題4-1附圖所示。試求加熱器平壁外表面溫度。解 計算加熱器平壁外表面溫度，習題4-1附圖 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的軟木做成的。軟木的熱導率=0.043 W/(m)。若外表面溫度為28，內(nèi)表面溫度為3，試計算單位表面積的冷量損失。解 已知，則單位表面積的冷量損失為【4-3】用平板法測定材料的熱導率，平板狀材料的一側用電熱器加熱，另一側用冷水冷卻，同時在板的兩側均用熱電偶測量其表面溫度。若所測固體的表面積為0.02m2，材料的厚度為0.02m?，F(xiàn)測得電流表的讀數(shù)為2.8A，伏特計的讀數(shù)為140V，兩側溫度分別為280和100，試計算該材料的熱導率。解 根據(jù)已知做圖熱傳導的熱量 習題4-3附圖 【4-4】燃燒爐的平壁由下列三層材料構成：耐火磚層，熱導率=1.05W/(m)，厚度；絕熱磚層，熱導率=0.151W/(m)；普通磚層，熱導率=0.93W/(m)。耐火磚層內(nèi)側壁面溫度為1000，絕熱磚的耐熱溫度為940，普通磚的耐熱溫度為130。(1) 根據(jù)磚的耐熱溫度確定磚與磚接觸面的溫度，然后計算絕熱磚層厚度。若每塊絕熱磚厚度為230mm，試確定絕熱磚層的厚度。(2) 若普通磚層厚度為240mm，試計算普通磚層外表面溫度。解 (1)確定絕熱層的厚度溫度分布如習題4-4附圖所示。通過耐火磚層的熱傳導計算熱流密度q。 習題4-4附圖絕熱磚層厚度的計算每塊絕熱磚的厚度為，取兩塊絕熱磚的厚度為。(2) 計算普通磚層的外側壁溫先核算絕熱磚層與普通磚層接觸面處的溫度小于130，符合要求。通過普通磚層的熱傳導，計算普通磚層的外側壁溫?！?-5】有直徑為的黃銅冷卻管，假如管內(nèi)生成厚度為1mm的水垢，水垢的熱導率=1.163W/(m)。試計算水垢的熱阻是黃銅管熱阻的多少倍黃銅的熱導率=110W/(m)。解 因，因算術平均半徑計算導熱面積。管長用L表示。黃銅管的熱阻為水垢的熱阻為習題4-5附圖倍【4-6】某工廠用的無縫鋼管輸送水蒸氣。為了減少沿途的熱損失，在管外包兩層絕熱材料，第一層為厚30mm的礦渣棉，其熱導率為；第二層為厚30mm的石棉灰，其熱導率為。管內(nèi)壁溫度為300，保溫層外表面溫度為40。管路長50m。試求該管路的散熱量。解 【4-7】水蒸氣管路外徑為108mm，其表面包一層超細玻璃棉氈保溫，其熱導率隨溫度的變化關系為。水蒸氣管路外表面溫度為150，希望保溫層外表面溫度不超過50，且每米管路的熱量損失不超過。試確定所需保溫層厚度。解 保溫層厚度以b表示已知解得保溫層厚度為保溫層厚度應不小于13.3mm對流傳熱【4-8】冷卻水在，長為2m的鋼管中以的流速通過。水溫由15升至25。求管壁對水的對流傳熱系數(shù)。解 水的平均溫度 查得20時水的密度，黏度，熱導率=59.910-2 W/(m)，普朗特數(shù)。雷諾數(shù) 湍流對流傳熱系數(shù)的計算，水被加熱，Pr的指數(shù) =4367 W/(m2)【4-9】空氣以的流速通過的鋼管，管長。空氣入口溫度為32，出口溫度為68。(1)試計算空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)。(2)如空氣流速增加一倍，其他條件均不變，對流傳熱系數(shù)又為多少？(3)若空氣從管壁得到的熱量為，鋼管內(nèi)壁的平均溫度為多少。解 已知(1)對流傳熱系數(shù)計算空氣的平均溫度 查得空氣在時的物性數(shù)據(jù)，空氣被加熱，Pr的指數(shù)雷諾數(shù) 湍流對流傳熱系數(shù) (2)空氣流速增加一倍，對流傳熱系數(shù)為(3)若空氣從管壁得到的熱量為，計算鋼管內(nèi)壁平均溫度用式計算鋼管內(nèi)壁的平均溫度。已知空氣進出口平均溫度 在第(1)項中已計算出對流傳熱系數(shù) 鋼管內(nèi)表面積為 鋼管內(nèi)壁平均溫度 【4-10】溫度為10、壓力為101.3kPa的空氣，以的流速在列管式換熱器管間沿管長方向流動，空氣出口溫度為30。列管式換熱器的外殼內(nèi)徑為190mm，其中裝有37根的鋼管，鋼管長度為2m。試求鋼管外表面對空氣的對流傳熱系數(shù)。解 已知空氣壓力，溫度，空氣的平均溫度 查得空氣在20的物性數(shù)據(jù)為：密度，比熱容，熱導率，黏度，普朗特數(shù)，空氣被加熱，Pr的指數(shù)空氣流動的截面積 濕潤周邊 當量直徑 已知空氣的流速 雷諾數(shù) 湍流對流傳熱系數(shù) 【4-11】有一套管式換熱器，內(nèi)管為，外管為的鋼管，內(nèi)管的傳熱管長為2m。質(zhì)量流量為的甲苯在環(huán)隙中流動，進口溫度為72，出口溫度為38。試求甲苯對內(nèi)管外表面的對流傳熱系數(shù)。解甲苯的溫度 ，平均溫度甲苯在55的物性數(shù)據(jù)有：密度，比熱容，熱導率=0.128W/(m)，黏度甲苯的質(zhì)量流量 體積流量 甲苯在環(huán)隙中的流速計算套管的內(nèi)管外徑，外管內(nèi)徑，流速 甲苯對內(nèi)管外表面的對流傳熱系數(shù)計算套管環(huán)隙的當量直徑湍流甲苯被冷卻 【4-12】 甲苯在一蛇管冷卻器中由70冷卻到30，蛇管由的鋼管3根并聯(lián)而成，蛇管的圈徑為0.6m。若甲苯的體積流量為，試求甲苯對鋼管內(nèi)表面的對流傳熱系數(shù)。 解 甲苯的溫度平均溫度 甲苯在50時的物性數(shù)據(jù)為：密度，黏度，熱導率，比熱容甲苯在3根并聯(lián)蛇管中的流速計算體積流量 ，蛇管內(nèi)徑，流速 雷諾數(shù) 湍流普朗特數(shù) 彎管效應校正系數(shù) 對流傳熱系數(shù)計算甲苯被冷卻 W/(m2)【4-13】質(zhì)量流量為1650kg/h的硝酸，在管徑為、長為3m的水平管中流過。管外為300kPa（絕對壓力）的飽和水蒸氣冷凝，使硝酸得到的熱量。試求水蒸氣在水平管外冷凝時的對流傳熱系數(shù)。解 在計算水蒸氣在水平管外冷凝的對流傳熱系數(shù)時，需要知道管外表面溫度。如何假設?水蒸氣冷凝的值一般為按題意，飽和水蒸氣冷凝傳給硝酸的熱量為取，估算壁溫度300kPa（絕對壓力）時，水蒸氣的飽和溫度。用式估算壁溫度先假設定性溫度為膜溫 冷凝水膜的物性參數(shù) 時水的比汽化熱水蒸氣在水平管外冷凝的值計算用式計算Q值此Q值大于硝酸吸收的熱量，說明假設的偏小。重新用估算。假設膜溫 與前面計算的膜溫基本一樣，故冷凝水膜的物性數(shù)據(jù)也一樣，只是計算式中的不同。值計算 用驗算壁溫與前面假設的相同?！?-14】水在大容器內(nèi)沸騰，如果絕對壓力保持在，加熱面溫度保持130，試計算加熱面上的熱流密度。解 水沸騰的對流傳熱系數(shù)計算加熱面上的熱流密度兩流體間傳熱過程的計算【4-15】載熱體的流量為，試計算下列各過程中載熱體放出或吸收的熱量。(1) 100的飽和水蒸氣冷凝成100的水；(2)苯胺由383K降溫至283K；(3)比熱容為的水溶液從290K加熱到370K； (4)常壓下20的空氣加熱到；(5)絕對壓力為250kPa的飽和水蒸氣，冷凝冷卻成40的水。解 (1) 水蒸氣冷凝 比汽化熱放熱量 (2) 苯胺平均溫度 比熱容 放熱量 (3) 水溶液 比熱容吸熱量 (4) 空氣加熱平均溫度比熱容 吸熱量 (5) 飽和水蒸氣，飽和溫度，比汽化熱，冷凝水從降至，平均溫度 比熱容 放熱量 【4-16】用冷卻水使流量為的硝基苯從355K冷卻到300K，冷卻水由15升到35，試求冷卻水用量。若將冷卻水的流量增加到，試求冷卻水的出口溫度。解 硝基苯流量，平均溫度比熱容硝基苯的放熱量 (1) 冷卻水用量計算 平均溫度比熱容，密度(2) 用水量時，求？用水量增大，水出口溫度應降低。先假設水的比熱容及密度不變。從上面的計算式可知成反比，故假設水的平均溫度 查得水的比熱容，密度計算 與假設相符。【4-17】在一換熱器中，用水使苯從80冷卻到50，水從15升到35。試分別計 算并流操作及逆流操作時的平均溫度差。解 (1)并流操作苯 水 (2) 逆流操作苯 水 【4-18】在1殼程2管程列管式換熱器中用水冷卻油，冷卻水走管內(nèi)，進口溫度為，出口溫度為50。油進口溫度為120，出口溫度為60。試計算兩種流體的傳熱平均溫度差。解屬于折流查得溫差校正系數(shù) 【4-19】用絕對壓力為300kPa的飽和水蒸氣將體積流量為的苯胺從80加熱到100。苯胺在平均溫度下的密度為，比熱容為。試計算：(1)水蒸氣用量；(2)當總傳熱系數(shù)為時所需傳熱面積。解 (1)水的比汽化熱，苯胺體積流量，苯胺吸收的熱量為 水蒸氣用量 (2) 計算傳熱面積A 已知，水蒸氣的。水蒸氣 133.3 133.3 苯胺 【4-20】有一套管式換熱器，內(nèi)管為的鋼管，內(nèi)管中有質(zhì)量流量為的熱水，從90冷卻到60。環(huán)隙中冷卻水從20升到50。總傳熱系數(shù)。試求：(1)冷卻水用量；(2)并流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積；(3)逆流流動時的平均溫度差及所需傳熱面積。解 (1)冷卻水用量計算熱水平均溫度 冷水平均溫度 熱量衡算(2) 并流熱水 冷水 傳熱面積 (3) 逆流熱水 傳熱面積 【4-21】有1殼程2管程列管式換熱器，用293K的冷水30t/h使流量為20t/h的乙二醇從353K冷卻到313K，設總傳熱系數(shù)為，試計算所需傳熱面積。解乙二醇的平均溫度，比熱容習題4-21附圖乙二醇放出熱量 從水的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)表上可知，水在范圍內(nèi)，比熱容。假設，計算冷水出口溫度。冷水的平均溫度 接近30，所假設的可以。逆流平均溫度差計算折流的平均溫度差計算傳熱面積 【4-22】有一外徑為l00mm的水蒸氣管，水蒸氣溫度為160。為了減少熱量損失，在管外包覆厚度各為25mm的A、B兩層絕熱材料保溫層，A與B的熱導率分別為與。試計算哪一種材料放在內(nèi)層好。周圍空氣溫度為20，保溫層外表面對周圍空氣的對流（包括熱輻射）傳熱系數(shù)。保溫層內(nèi)表面溫度在兩種情況下都等于水蒸氣溫度。解(1) A在內(nèi)層，B在外層。以保溫層外表面積為基準的總傳熱系數(shù)為習題4-22附圖熱量損失 單位長度的熱損失為 (2) B在內(nèi)層，A在外層，總傳熱系數(shù)為計算結果表明，熱導率小的絕熱材料放在內(nèi)層，熱損失小。【4-23】測定套管式換熱器的總傳熱系數(shù)。數(shù)據(jù)如下：甲苯在內(nèi)管中流動，質(zhì)量流量為5000kg/h，進口溫度為80，出口溫度為50。水在環(huán)隙流動，進口溫度為15，出口溫度為30。水與甲苯逆流流動，傳熱面積為。問所測得的總傳熱系數(shù)為多大？解 甲苯，, 熱負荷 【4-24】在一套管換熱器中，內(nèi)管中流體的對流傳熱系數(shù)，內(nèi)管外側流體的對流傳熱系數(shù)。已知兩種流體均在湍流條件下進行換熱。試回答下列兩個問題：(1)假設內(nèi)管中流體流速增加一倍；(2)假設內(nèi)管外側流體流速增加兩倍。其他條件不變，試問總傳熱系數(shù)增加多少？以百分數(shù)表示。管壁熱阻及污垢熱阻可不計。解 已知(1) 內(nèi)管中流體流速增加一倍， 增加37%(2) 增加27. 6%增大小者，對增大K有利?！?-25】有一套管式換熱器，內(nèi)管為，外管為。內(nèi)管中有流量為的苯被加熱，進口溫度為50，出口溫度為80。套管的環(huán)隙中有絕對壓力為200kPa的飽和水蒸氣冷凝放熱，冷凝的對流傳熱系數(shù)為。已知內(nèi)管的內(nèi)表面污垢熱阻為，管壁熱阻及管外側污垢熱阻均不計。試計算：(1)加熱水蒸氣用量；(2)管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；(3)完成上述處理量所需套管的有效長度；(4)由于某種原因，加熱水蒸氣的絕對壓力降至140kPa。這時，苯出口溫度有何變化？應為多少度（設苯的對流傳熱系數(shù)值不變，平均溫度差可用算術平均值計算）。解 苯平均溫度，熱負荷 (1) 水蒸氣用量(2) 苯的對流傳熱系數(shù)湍流苯被加熱 (3)管長 以管內(nèi)表面積A1為基準(4) 水蒸氣絕對壓力時，苯的出口溫度。時，【4-26】在一套管換熱器中，用絕對壓力為200kPa的飽和水蒸氣使流量為的氯化苯從30加熱到70，氯化苯在內(nèi)管中流動。因某種原因，氯化苯的流量減小到，但進、出口溫度欲保持不變。為此，想把水蒸氣壓力降低一些，試問水蒸氣的絕對壓力應降到多少（兩種情況下，管內(nèi)氯化苯均為湍流流動，并且其對流傳熱系數(shù)比水蒸氣冷凝的對流傳熱系數(shù)小很多。因此，水蒸氣冷凝的熱阻及管壁熱阻均可忽略不計）？解 水蒸氣絕對壓力氯化苯的流量 熱負荷成正比，氯化苯的對流傳熱系數(shù)的關系為氯化苯的流量減小到，總傳熱系數(shù) 水蒸氣溫度 壓力 【4-27】欲將體積流量為（標準狀況）的常壓空氣，用絕對壓力為200kPa的飽和水蒸氣加熱，空氣從10加熱到90。現(xiàn)有一列管式換熱器，其規(guī)格如下：鋼管直徑，管長1.6m，管數(shù)271根。如用此換熱器，使空氣在管內(nèi)流動，水蒸氣在管外冷凝，試驗算此換熱器面積是否夠用？水蒸氣冷凝時的對流傳熱系數(shù)可取為。解 空氣的平均溫度空氣的物性參數(shù) ， 空氣流量 熱負荷 水蒸氣 平均溫度差 空氣流速 湍流已有換熱器的傳熱面積為 夠用【4-28】有一鋼制套管式換熱器，質(zhì)量流量為的苯在內(nèi)管中，從80冷卻到50。冷卻水在環(huán)隙中從15升到35。已知苯對管壁的對流傳熱系數(shù)為，管壁對水的對流傳熱系數(shù)為。計算總傳熱系數(shù)時，忽略管壁熱阻，按平壁計算。試回答下列問題：(1)計算冷卻水消耗量；(2)計算并流流動時所需傳熱面積；(3)如改變?yōu)槟媪髁鲃?，其他條件相同，所需傳熱面積將有何變化？解 總傳熱系數(shù)K的計算已知苯 熱負荷 (1) 冷卻水消耗量(2) 并流的傳熱面積A(3) 逆流時的傳熱面積A逆流與并流比較，由于逆流的溫度差較大，所以傳熱面積小了一些。【4-29】 在一傳熱面積為20m2的列管式換熱器中，殼程用110的飽和水蒸汽冷凝以加熱管程中的某溶液。溶液的處理量為2.5104kg/h，比熱容為4kJ/(kgK)。換熱器初始使用時可將溶液由20加熱至80。（1）該換熱器使用一段時間后，由于溶液結垢，其出口溫度只能達到75，試求污垢熱阻值；（2）若要使溶液出口溫度仍維持在80，在不變動設備的條件下可采取何種措施？做定量計算。解：原工況條件下的對數(shù)平均溫差：此操作條件下的總傳熱系數(shù)：W/ (m2K)（1） 使用一年后，溶液出口溫度下降至75，此時的對數(shù)平均溫差為總傳熱系數(shù) W/(m2K)污垢熱阻 m2K/W（2） 在不變動設備的條件下，可通過提高加熱蒸汽的溫度使溶液出口溫度仍然維持在80。此時傳熱溫差為即 由此解得 【4-30】有一單管程的列管式換熱器，其規(guī)格如下：管徑為，管長為3m，管數(shù)為37根。今擬采用此換熱器冷凝并冷卻的飽和蒸氣，自飽和溫度46冷卻到10。在管外冷凝，其流量為，比汽化熱為。冷卻水在管內(nèi)，進口溫度為5，出口溫度為32。逆流流動。已知的冷凝和冷卻時的總傳熱系數(shù)分別為和（以內(nèi)表面積為基準）。試問此換熱器是否合適？ 習題4-30附圖解 質(zhì)量流量，冷凝段，的比汽化熱冷凝段熱負荷 冷卻段 冷卻段熱負荷 冷卻水 冷卻水用量 水在兩段之間的溫度，用冷卻段熱負荷計算。冷凝段平均溫度差為 冷卻段平均溫度差為 冷凝段傳熱面積為 冷卻段傳熱面積為 總傳熱面積 現(xiàn)有換熱器的傳熱面積按傳熱管內(nèi)表面積計算 傳熱面積夠用?！?-31】在一套管式換熱器中，用120的飽和水蒸氣在環(huán)隙中冷凝放熱，使內(nèi)管中湍流流動的流量為的苯從20加熱到80。當流量增加到時只能從20加熱到76。試計算換熱器的傳熱面積和流量為時的總傳熱系數(shù)K。計算時，水蒸氣冷凝的值取用