傳熱習題解答

1、第三章習題解答3-29 平壁爐爐壁由兩種材料構成。內(nèi)層為130mm厚的某種耐火材料，外層為250mm厚的某種普通建筑材料。此條件下測得爐內(nèi)壁溫度為820，外壁溫度為115。為減少熱損失，在普通建筑材料外面又包一層厚度為50mm的石棉，其導熱系數(shù)為0.22W/m×。包石棉后測得的各層溫度為：爐內(nèi)壁820、耐火材料與普通建筑材料交界面為690，普通建筑材料與石棉交界面為415，石棉層外側為80。問包石棉層前后單位傳熱面積的熱損失分別為多少？解：加增石棉前后各界面處的溫度符號如本題附圖所示。習題3-29附圖導熱過程達到定態(tài)時，加增石棉后熱損失等于通過石棉的導熱速率由此可求耐火材料和普通材料

2、的導熱系數(shù)：加增石棉前熱損失速率：3-30 如附圖所示，爐壁由絕熱磚A和普通磚B組成。已知絕熱磚導熱系數(shù)lA=0.25W/m×K，其厚度為210mm；普通磚導熱系數(shù)lB =0.75W/m×K。當絕熱磚放在里層時，各處溫度如下：t1未知，t2=210, t3=60, tb=15。其中t1指內(nèi)壁溫度，tb指外界大氣溫度。外壁與大氣的對流傳熱系數(shù)為a10W/m×K。（1）求此時單位面積爐壁的熱損失和溫度t1；（2）如將兩種磚的位置互換，假定互換前后t1、tb及a均保持不變，求此時的單位面積熱損失及t2和t3。解（）m2習題3-30附圖（）利用互換前的數(shù)據(jù)將的厚度求出：m

3、互換后，m23-31 在外徑為120mm的蒸汽管道外面包兩層不同材料的保溫層。包在里面的保溫層厚度為60mm,兩層保溫材料的體積相等。已知管內(nèi)蒸汽溫度為160，對流傳熱系數(shù)為10000W/m2×K；保溫層外大氣溫度為28，保溫層外表面與大氣的自然對流傳熱系數(shù)為16 W/m2×K。兩種保溫材料的導熱系數(shù)分別為0.06 W/m×K和0.25W/m×K。鋼管管壁熱阻忽略不計。求（1）導熱系數(shù)較小的材料放在里層，該管道每米管長的熱損失為多少？此時兩保溫層表面處的溫度各是多少？（2）導熱系數(shù)較大的材料放在里層，該管道每米管長的熱損失為多少？此時兩保溫層表面的溫度各

4、是多少？解：r1=60mm，r2=120mm。因兩層保溫材料體積相等，mm（1）導熱系數(shù)小的材料放在里層：由可得管壁溫度：由可得內(nèi)保溫層外壁溫度：由 可得外保溫層外壁溫度：（2）在以上計算中，將l1和l2位置互換，可得導熱系數(shù)較大材料放在里層的計算結果：Q/l=105.9W/m；t2=159.98，t3=113.21；t4=34.73-32 水在一定流量下流過某套管換熱器的內(nèi)管，溫度可從20升至80，此時測得其對流傳熱系數(shù)為1000W/m2×。試求同樣體積流量的苯通過換熱器內(nèi)管時的對流傳熱系數(shù)為多少？已知兩種情況下流動皆為湍流，苯進、出口的平均溫度為60。解： 由查得水物性：，。查得

5、時，苯的物性：，3-33 用實驗來研究污垢對傳熱的影響。采用f28×1mm的銅管，水在管內(nèi)流動，水蒸汽在管外冷凝?？倐鳠嵯禂?shù)K在很寬的流速范圍內(nèi)可用如下方程表示：對于清潔管：對于結垢的管：其中為水與管壁間對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式，單位是W/(m2×K)，u為水的流速，m/s。試求污垢熱阻和蒸汽冷凝傳熱系數(shù)。（換熱管壁很薄，可近似按平壁處理。且銅的導熱系數(shù)很大，管壁熱阻忽略不計）解：銅管值很大，所以管壁熱阻可忽略。又因為管壁很薄，可近似按平壁計算K值：由可知，得管子結垢后：顯然由于 所以 3-34 某套管式換熱器由f48×3mm和f25×2.5mm的鋼管制成。

6、兩種流體分別在環(huán)隙和內(nèi)管中流動，分別測得對流傳熱系數(shù)為a1和a2。若兩流體流量保持不變并忽略出口溫度變化對物性的影響，且兩種流體的流動總保持湍流，試求將內(nèi)管改為f32×2.5mm的管子后兩側的對流傳熱系數(shù)分別變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦?。解：因為管?nèi)及管外均為湍流，所以式中，將內(nèi)管改為f32×2.5mm后，則 即管內(nèi)對流傳熱系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?.583倍。環(huán)隙流速與環(huán)隙流通截面積成反比，即即管外（環(huán)隙）對流傳熱系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?.57倍3-35 某套管換熱器由f57×3.5mm的內(nèi)管和f89×4.5mm的外管構成（均為鋼制） ，甲醇以5000kg/h的流量在內(nèi)管

7、流動，溫度由60降至30，其與內(nèi)管管壁的對流傳熱系數(shù)為1500 W/ m2×。冷卻水在環(huán)隙流動，其進、出口溫度分別為20和35。甲醇和冷卻水逆流流動，忽略熱損失和污垢熱阻。試求（1）冷卻水用量（kg/h）；（2）所需要套管長度。甲醇物性數(shù)據(jù)：cp1=2.6kJ/kg×K；水的物性數(shù)據(jù)：cp2=4.18kJ/kg×K；r2=996.3kg/m3；l2=0.603W/m×K；m2=0.845×10-3Pa×s換熱管管材導熱系數(shù)l=45W/m×K。解：（1）冷卻水用量由熱量衡算式求得：（2）對數(shù)平均傳熱溫差環(huán)隙當量直徑：水在環(huán)隙內(nèi)

8、流速：水的對流傳熱系數(shù)：總傳熱系數(shù)：所需要傳熱面積所需套管長度3-36 一列管換熱器由f25×2.5mm的換熱管組成，總傳熱面積為3m2。需要在此換熱器中用初溫為12的水將某油品由205冷卻至105，且水走管內(nèi)。已知水和油的質(zhì)量流量分別為1100 kg/h和1250kg/h，比熱分別為4.18kJ/kg×和2.0kJ/kg×，對流傳熱系數(shù)分別為1800W/ m2×和260 W/ m2×。兩流體逆流流動，忽略管壁和污垢熱阻。（1）計算說明該換熱器是否合用？（2）在夏季，當水的初溫達到28時，該換熱器是否仍然合用？（假設傳熱系數(shù)不變）。解：（1）該

9、換熱器熱負荷：W冷卻水的出口溫度為：；<A=3m2，所以該換熱器合用（2）夏季水的初溫達到28，則> A=3m2，所以夏季時該換熱器不合用。3-37 一列管冷凝器，換熱管規(guī)格為f25×2.5mm，其有效長度為3.0m。水以0.65m/s的流速在管內(nèi)流過，其溫度由20升至40。流量為4600kg/h、溫度為75的飽和有機蒸汽在殼程冷凝為同溫度的液體后排出，冷凝潛熱為310kJ/kg。已知蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為820 W/ m2×，水側污垢熱阻為0.0007m2×K/W。蒸汽側污垢熱阻和管壁熱阻忽略不計。試核算該換熱器中換熱管的總根數(shù)及管程數(shù)。解：定性溫度下水

10、的物性如下：cp2=4.17kJ/kg×K，r2=995.7kg/m3，l2=0.618W/m×K，m2=0.801×10-3Pa×s冷凝放熱量則冷卻水用量每程的管數(shù)可由水的總流量和每管中水的流速求出：，取為ni=24根每管程的傳熱面積為： W/ m2×； W/ m2×m2管程數(shù)取管程數(shù)N=4總管數(shù)：n=N ni=96根3-38 某套管換熱器由f25×2.5mm的內(nèi)管和f48×3mm的外管構成，長2m。管間通入120的飽和水蒸汽加熱管內(nèi)空氣，使空氣溫度由25升至85。已知空氣質(zhì)量流量為48kgh，換熱器外界環(huán)境溫度

11、為20。求（）該換熱器空氣側的對流傳熱系數(shù)；（）加熱蒸汽的用量?？諝獗葻崛p=1.0kJ/kg×K。外管外壁與周圍環(huán)境的對流傳熱系數(shù)可按下式計算：W/m2×K其中：tW外管壁溫，；ta周圍環(huán)境溫度。飽和蒸汽冷凝潛熱取為r=2232kJ/kg。（提示：蒸汽冷凝傳熱系數(shù)遠大于管內(nèi)空氣強制對流和環(huán)境中空氣自然對流傳熱系數(shù)）解：（1）空氣的對流傳熱系數(shù)遠小于蒸汽冷凝之值，所以Ka空氣。；所以 （2）蒸汽冷凝傳熱系數(shù)遠高于外管外壁與周圍大氣的對流傳熱系數(shù)，所以通過外管外壁的熱損失速率：則蒸汽耗量為：3-39 116的飽和水蒸汽在一單管程列管式換熱器的殼程冷凝，一定流量的空氣在管程湍

12、流流動，其溫度由20升至80。設總傳熱系數(shù)近似等于空氣對流傳熱系數(shù)。（1）操作中若空氣流量增加20%，為保持空氣出口溫度不變，問加熱蒸汽溫度應提高至多少度？（2）若采用一雙管程的換熱器，其換熱管管徑和總管數(shù)與原換熱器相同，則為完成相同的換熱任務，所需要換熱管長度為原換熱器的多少倍？忽略氣體溫度變化對其物性的影響。解：（1），且保持空氣出口溫度不變，所以，解此式得T=118.1（2）原工況：改為雙管程，完成相同的換熱任務，Q= Q, Dtm=Dtm。而u=2u管程湍流：由可得：，即所需換熱管長度為原來的0.574倍。3-40 在某四管程的列管式換熱器中，采用120的飽和水蒸汽加熱初溫為20的某種

13、溶液。溶液走管程，流量為70000kg/h，在定性溫度下其物性為：粘度3.0×10-3Pa·s，比熱1.8kJ/kg·K，導熱系數(shù)0.16W/m·K。溶液側污垢熱阻估計為6×10-4 m2·/ W，蒸汽冷傳熱系數(shù)為10000 W/m2·，管壁熱阻忽略不計。換熱器的有關數(shù)據(jù)為：換熱管直徑，管數(shù)120，換熱管長6米。試求溶液的出口溫度。解：四管程，每一程的流通截面積：溶液在管內(nèi)流動的雷諾數(shù)：普朗特準數(shù)：管程對流傳熱系數(shù)：W/m2×K總傳熱系數(shù) m2·/ W W/m2×K總傳熱面積：飽和蒸汽加熱，由式

14、（3-22）：即解得：3-41 有一蒸汽冷凝器，蒸汽在其殼程中冷凝傳熱系數(shù)為10000W/m2×K，冷卻水在其管程中的對流傳熱系數(shù)為1000W/m2×K。已測得冷卻水進、出口溫度分別為t1=30、t2=35。現(xiàn)將冷卻水流量增加一倍，問蒸汽冷凝量將增加多少？已知蒸汽在飽和溫度100下冷凝，且水在管程中流動均達到湍流。（忽略污垢熱阻和管壁熱阻）解：由于汽化潛熱r為定值，所以原工況：忽略壁阻、垢阻，近似按平壁計算：新工況：，得：。由于水量加倍， 應降低，設新工況下為，則，式中：， ，即 解得 蒸汽冷凝量增大64%3-42 用套管換熱器每小時冷凝甲苯蒸汽1000kg，冷凝溫度為11

15、0，冷凝潛熱為363 kJ/kg，冷凝傳熱系數(shù)×。換熱器的內(nèi)管尺寸為，外管尺寸為，有效長度為5m。冷卻水初溫為16，以3000kg/h的流量進入內(nèi)管，其比熱為4.174kJ/kg×，粘度為1.11cP，密度為995kg/m3。忽略管壁熱阻、污垢熱阻及熱損失。求：（1）冷卻水出口溫度；（2）管內(nèi)水的對流傳熱系數(shù)；（3）若將內(nèi)管改為的鋼管，長度不變，冷卻水的流量及進口溫度不變，問蒸汽冷凝量變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦?？解：?）由熱平衡方程式 可得 （2）由 可得由 可得 ×由 可得m2×K/W=1907×（3）原管：湍流現(xiàn)管：，湍流；=(m2×K/

16、W)=1952由=得： 又由熱平衡：，即冷凝量為原來的1.1倍。3-43 一單殼程雙管程列管式換熱器中，用130的飽和水蒸汽將36000kg/h的乙醇水溶液從25加熱到80。列管換熱器由90根，長3m的鋼管管束組成，乙醇水溶液走管程，飽和水蒸汽走殼程。已知鋼的導熱系數(shù)為45W/m·K，乙醇水溶液在定性溫度下的密度為880kg/m3，粘度為1.2×10-3Pa·s，比熱為4.02kJ/kg·K，導熱系數(shù)為0.42W/m·K，水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為10000W/m2·K，忽略污垢熱阻及熱損失。試問：（1）此換熱器能否完成任務？（2）若乙醇

17、水溶液流量增加20%，而溶液進口溫度、飽和水蒸汽壓力不變的條件下，仍用原換熱器，乙醇水溶液的出口溫度變?yōu)槎嗌?？（乙醇水溶液的物性可視為不變）解：?）, , 湍流, 在0.7160之間， 所以可用下式：×所以 K =1420 W/m2·K， 所以能完成任務（2） （1） W/m2·，K=1586W/m2·K將均代回（1）式得：得 3-44 兩臺完全相同的單管程列管式換熱器，用水蒸汽在殼程冷凝以加熱管程內(nèi)的空氣。若加熱蒸汽壓力相同，空氣進、出口溫度t1和t2也分別相同，問（1）將兩臺換熱器串聯(lián)操作及并聯(lián)操作（見本題附圖），哪種方案生產(chǎn)能力大，相差多少倍？（

18、并聯(lián)時空氣均勻分配于兩換熱器中）；（2）由以上求出的生產(chǎn)能力之比，計算兩方案由于流動阻力引起的總壓降比為多大（注：蒸汽冷凝傳熱系數(shù)遠大于空氣的對流傳熱系數(shù)；不計換熱器進、出口及聯(lián)接管線所引起的壓降；空氣在換熱管內(nèi)流動均按湍流考慮；直管摩擦阻力系數(shù)用柏拉修斯方程計算）習題3-43附圖(1) 以下標“1”表示串聯(lián)，下標“2”表示并聯(lián)，qm1、qm2分別指串聯(lián)與并聯(lián)時空氣的質(zhì)量流量在公式中，兩種情況下，(式中分別表示串聯(lián)與并聯(lián)時，管內(nèi)空氣側的值) (*)由 可得：，代入(*)式，解得：，所以，從提高生產(chǎn)能力看，串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)。(2) ，式中：由（1）已知：，結論：盡管從傳熱的角度看，串聯(lián)有利于提高生產(chǎn)

19、能力，但輸送消耗的能量太大，所以在生產(chǎn)上若要提高生產(chǎn)能力，常采用并聯(lián)方案。3-45 在單管程逆流列管式換熱器中用水冷卻空氣。水和空氣的進口溫度分別為25及115。在換熱器使用的初期，水和空氣的出口溫度分別為48和42；使用一年后，由于污垢熱阻的影響，在水的流量和入口溫度不變的情況下，其出口溫度降至40。不計熱損失。求（1）空氣出口溫度變?yōu)槎嗌?？?）總傳熱系數(shù)變?yōu)樵瓉淼亩嗌俦?；?）若使水流量增大一倍，而空氣流量及兩流體入口溫度都保持不變，則兩流體的出口溫度變?yōu)槎嗌伲浚ㄌ崾荆核膶α鱾鳠嵯禂?shù)遠大于空氣）解：（1），解得：（2）；（3）所以（因水的傳熱系數(shù)遠大于空氣，所以可近似認為水的流量對總傳

20、熱系數(shù)沒有影響，）該式與熱平衡方程聯(lián)立求解：可得：；3-46 在列管式換熱器中用飽和水蒸汽來預熱某股料液。料液走管內(nèi)，其入口溫度為295K，料液比熱為4.0kJ/kg.K，密度為1100kg/m3；飽和蒸汽在管外冷凝，其冷凝溫度395K。當料液流量為，其出口溫度為375K；當料液流量為時，其出口溫度為370K。假定料液在管內(nèi)流動達到湍流，蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為3.4kW/m2×K，且保持不變，忽略管壁熱阻和污垢熱阻。試求該換熱器的傳熱面積。解：；/，K，K代入式可求得兩種工況下總傳熱系數(shù)之比：考慮及與對流傳熱系數(shù)的關系以及對流傳熱系數(shù)與流量的關系：式仍有兩個未知數(shù)，即與，但它們之間有一定的關系：，即將式代入式消去可得：