化工原理课后习题答案第4章传热习题解答

1、1. 如附图所示。某工业炉的炉璧由耐火砖Xi=1.3W/(m- K).绝热层X2=0. 18W/(m-K) 及普通砖X 3=0. 93W/ (mK)三层组成。炉膛壁壁温度11OOC,普通砖层厚12cm,其外表 面温度为501。通过炉壁的热损失为1200W/m2,绝热材料的耐热温度为900 C.求耐火砖 层的最小厚度及此时绝热层厚度。设各层间接触良好，接触热阻可以忽略。已知：Xi=1.3W/m-K, XO. 18W/mK, X 3=0. 93W/m K, TllOOX, T2 = 900C,L = 50C, 6= 12cm, q=1200W/m Rc=O： $ =心q=1.3x1100-9001

2、200=0.22m 6 _3一人_6 _ 900500.12 X 一石一 1200 093= 0579 k/W得：A =0.579Z, =0.579x0.18 = 0.10/?/J. 6 叽.E习题1附图习题2附图2. 如附图所示。为测量炉壁壁的温度，在炉外壁及距外壁1/3厚度处设置热电偶，测 得t2=300 C, t3=50 Co求壁温度4。设炉壁由单层均质材料组成。已知:T300G T3=50oC求：Ti=?解：: qTT=3 (T2-T3)Ti=2(T2-T3)+T3=3X (300-50)+50=800 C3. 直径为0 60X3mm的钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的

3、保温灰包扎， 以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为- litre,绝热层外表面温度i0Co已知软木和保 温灰的导热系数分别为0. 043和0.07 W/试求每米管长的冷量损失量。解：圆简壁的导热速率方程为0 _2兀(八一幻)L 1 1 “1 1 In + In A ri A r2其中ri=30mm, r2二60mm, r= 160mm所以Q=2.(-100-10)如L1in60. 1 in160O.(M330 0.0760负号表示由外界向系统传热，即为冷量损失量。4. 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为层 的两倍。其导热系数也为层的两倍。若将二层材料互换位置

4、，假定其它条件不变，试问每米 管长的热损失将改变多少？说明在本題情况下，哪一种材料包扎在层较为合适？解：设外层平均直径为山2,层平均直径为山，则dm2二 2dr,.且 入 2-2 入 1 由导热速率方程知Q= b A/bb1入S川几2$沁1兄 1mi L2Aj /r2d 刚L两层互换位置后所以/ = 1.25互换位置后，单位管长热损失量增加，说明在本题情况下，导热系数小的材料放在层 较适宜。5. 在长为3m,径为53mm的管加热苯溶液。苯的质量流速为172kg/ (sm)。苯在定 性温度下的物性数据:11=0. 49mPa s； X =0. 14 W/ (m K)； cp=l. 8kJ/ (k

5、g C)O 试求苯 对管壁的对流传热系数。已知：L = 3m, d = 53mm, G=172 kg/ (s m ),被加热苯物性，M =0. 49mPa s, X=0. 14 W/ (m- K)； cP=1.8kJ/ (kg* C)求：a“ n G 0.053 xl72 t解：Re= 1.86x104 104“0.49 x IO3卄誉直亠5.70.14I 3= 56.640d 0.053故可用 Nu=O. 023ReasPr *公式10k2.45x10a = 0.023-Re0 8 Pr04 =0.023xx(129xl03)08x0.6824 =254IV/m2/C d0.0367. 油罐

6、中装有水平蒸汽管以加热罐重油，重油的平均温度tF20“C,蒸汽管外壁温度 U=120C,管外径为60mm。已知在定性温度70T下重油的物性数据：p =900kg/m3； cP=l. 88kJ/ (kg-C)； X=0. 174 W/ (mC)；运动黏度 v=2X103m7s； B=3X10l/C。试问蒸汽对 重油的热传递速率为多少，(单位为kW/m2 ) ?已知:水平管加热外部重油，d = 60mm,tB=20C U=120C, 70C 下，p =900kg/m3；cP=1.88kJ/ (kg-C)； X=0. 174 W/ (m C), v =2X 10V/s； 3=3X10 7C00.00

7、48(2)产生污垢后热阻增加百分数为190.000176+0.00026 X 匕一x 100% = 11.8%0.0048 一 0.000176 + 0.00028 x ；15丿11. 热气体在套管换热器中用冷水冷却，管为0 25X2. 5mm钢管，热导率为45W/(m - K)。 冷水在管湍流流动，对流传热系数a产2000 W/ (mK)。热气在环隙中湍流流动，a 2=50 W/ (m2K).不计垢层热阻，试求：(1)管壁热阻占总热阻的百分数；(2)管中冷水流速提 高一倍。总传热系数有何变化？(3)环隙中热气体流速提高一倍，总传热系数有何变化？已知：管为 0 25X2. 5mm, A =45

8、W/ (m K),管冷水湍流 a ,=2000 W/ (m2-K)t 管 热气湍流 a 2=50 W/ (m2-K)(1) K =求：(1)管热阻分率，(2)管中冷水流速増倍，K 1 (3)管隙中冷水流速增倍，K”解:1“2 心 1! 111rat d 22a2= 48.3VV/；h2 K丄煙+吗輕+丄2000 0.022x450.0250管壁热阻 A in . = 2122 心 2x452x45，n 0.02故管壁热阻分率为號(2) Vaooif0.8= 20-8 = 2 8 x 2000 = 3.48 x 103 VV /(詰尹器+ 6.2x03+羽=49M加K K K49.0- 4&3增

9、加=-1.3%K4&3(3) a/ = 208 cr2 = 2 x50 = 87.1VV/n2ATi n nociKn = + 6.2x105+ 一= 82.W/m2 K12000 0.0287.1J Kn-K 82.1-483 “呦增加=69.9%K4&3由上可知，管壁热阻往往占分率很小，可忽略；提高K值强化传热，应在&2上着手。12. 在下列各种列管式换热器中，某种溶液在管流动并由20C加热到50Co加热介质在壳方流动，其进、出口温度分别为100C和60“C,试求下面各种情况下的平均温度差。（1）壳方和管方均为单程的换热器。设两流体呈逆流流动。（2）壳方和管方分别为单程和二程的换热器。（3

10、）壳方和管方分别为二程和四程的换热器。解：（1）由对数平均温度差知40“ _山2-_(100-50)(60-20)_仇化(2)也1 = 1.3350 - 20p=no =0.375100 20查温度差校正系数图，得0.9,所以/川=池皿=0.9x44.8 = 403 C（3）由R、P值查二壳程的温度差校正系数图，得仏 a 0.98所以=（ptn = 0.98 x 44.8 = 43.9* C13. 在逆流换热器中，用初温为20C的水将1.25kg/s的液体比热容为1.9kJ/ (kg“C)、密度为850kg/m3,由80C冷却到30C。换热器的列管直径为0 25X2. 5mm,水 走管方。水侧

11、和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW/ (m2C)和1.70kW/ (m2C),污 垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50C,试求换热器的传热面积。解：由传热速率方程知So=fc其中Q = W/rcp/z(T, -T2) = 1.25 x 1.9(80-30)= 119 kw仏=1,0一50)-g-20)十2 匕10In-/K =!=1。一 1h1厶一 10.002525I25+ + + +x+ + 勺2 血j心 17004522.585020=一1一=472W/ 缶0 0.00212所以=-19x10 =13.9m2472x18.214. 在并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分

12、别为15 C和40 C,油的进、 出口温度分别为150 C和100C。现因生产任务要求油的出口温度降至80 C,假设油和水 的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为lm,试求此换热器的管长增至若干 米才能满足要求。设换热器的热损失可忽略。解：平均温度差为耳严(150-驚)0-40)=92航ln-60由热量衡算得_ t2-t _ 40-15 _05WcCpc 一 7 _T? 一 150 100 _，当油的出口温度降至80“C时，由热量衡算得“叫切(150-80)=叱.(-15)解得 z/=50 C；=(150-15)-(80-50)=7() 一 /1A/ 2 / 而 ；=(243-128

13、)-(167-157)= 43.，cIn 10In兰所以 =x-LA/ / A/ 43in卸討。93l = e,O93=2.98（243-/2）= 2.98（7； -128）t2 =-2.98（7； -128）+243（b）243 - 167 _ 157 128243-T2 /2 -128t2 =0.38（243-7； ）+128（c）联立式b和式c解得12=161. 3 CTh 155.4 七所以 汕=耳7 =-.3）-（155.4-国=49 ?弋1.09316.在一传热面积为50m”的单程列管换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33000kg/h,温度由20（升至38

14、弋。溶液的温度由110（降至60*Co若换热器淸洗后，在两流体的流量和进口温度下，冷水出口温度増到45 C。试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。假设:（1）两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热容可取为 4. 187 kJ/ （kg C）； （2）可按平壁处理，两种工况下a匚和a 分别相同；（3）忽略管壁热阻和热损失。解：先求淸洗前总传热系数K,（110-38）-（60-20）= 54化60-203600 x50x 54.4再求淸洗后总传热系数由热量衡算求溶液出口温度，即 =，10-（45-20）= 4-6t= 38.6C(110 - 45)-(40.6 - 20)t 110-45

15、In40.6 一 2033000x487xl0(45 - 20)3600x50x38.6传热面两侧总污垢热阻分别为12541111(b)=+ =Kfq 497式a减式b,得Eg= 1.925x10-3m2 C/W17.在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160 C的饱和蒸汽在壳程冷凝(排出时为饱和液体)，原料油在管程流动，并由2CTC加热到106G列管换热器尺寸为:列管直径为0 19X2mmt管长为4m,共有25根管子。若换热器的传热量为125kW.蒸气冷凝传 热系数为7000W/ (m2 - C),油侧污垢热阻可取为0. 0005 m2 - C /W,管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可

16、忽略，试求管油侧对流传热系数。又若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍，试求 油的出口温度。假设油的物性不变。解：(1)管油侧a i：A/2(160 - 20)-(160-106)In/丁=90 C160-1061.25xlO525xx0.015x4x90 = 295W (m * 即 丄=丄 + 0.0005 + -一295%7000x19解得 a i=360 W/ (m2C)(2)油的出口温度“:新条件下的物理量用表示。由热量衡算得0 = 2叫,（-20）而0 =眩,106 20） = 1.25 xlO5WS=1450W/ 缶七）所以 。=2900（/2一

17、20）（a）由总传热速率方程得,（160 - 20）-（160-厂）Qf = Kj SiSim =1.75x295x25龙x0.015x4x Inr160 Sfi 20=2433 x（b）4.942 - lnl 160-/2 I联合式a和式b,得In 160-厂卜 4.103I： Q100 C18. 在一逆流套管换热器中，冷、热流进行热交换。两流体的进、出口温度分别为t（=20 C、b=85 C, T,= 100 C. T2=70 Co当冷流体的流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和 传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同，换热器热损失可忽略。解：原工况下：由热量衡算得由传热速率

18、方程得Whcph(TT2)=KS（人-匚）-亿-厶）=KS(b)将式3代入式b,得肌加一儿 85-20=2 17叱 7-1100-70(c)新工况下:1 _叽二丁2 一“(d)由式c和式d,得I WiS一 2叱1 *57=-0.093(e)原工况下:l2 Z185-20100-20= 0.81100-85/1-1.09 1一 70-20 1-2.172 = 091 或7；=130-1匚*厶由热疑衡算得7； _ 為)=20 + 1.09( 100 _ 右 J = 129 _ 1.09丁2联合式e和式f,得I； =63.8，C, T； =59.8C两种情况下传热量之比：Q _ 叱5（刁 _r2 ）_ 100-59.8Q = Plt-T2） = 100-70用NTU-e法,计算如下。%W=，0-70=0.4685-20查图，得NTU=2. 23新工况下：叱5%2W c飞；92 （冷流体仍为最小值流体）KS 2.23, r= 1.22W”2查图，得=0.54,即/ 2 /1 / 2 一 2。-/J = 100 - 0.92(63.2-20)=_ 石 _/ _100_20 所以I； =0.54x80 + 20 = 63.2C60.3 C两种计算方法结果相近，误差是由读图引起的NTU法简便，宜用于估算，