第二章作业答案

1、第二章传热2-2平壁炉的炉壁由厚 120mm的耐火砖和厚240mm的普通科砌成。测得炉壁内、外温度分别为800c和120C。为减少热损失，又在炉壁外加一石棉保温层，其厚 60mm,导热 系数为0.2 W-m-1 ：c-1,之后测得三种材质界面温度依次为 800C、680C、410c和60Co（1）问加石棉后热损失减少多少？（2）求耐火醇和普通科的导热系数。解：定常传热，在传热路径上，传热速率处处相等；任两层接触面同一个温度，说明接触良好，无接触热阻-t3 q F410 -600.06=1167W m-0.2射1 qF800 -680 =11670.1211671,0.12 =1.1 6 7 m

2、- C800 -6808同理 ，2 = 11670.24 =1.0 3W mC680 -410加石棉前的热损失800 -1200.120.241.167 1.037=2034W m 2/q -qq2034 -1167 .42.6%20342-3冷藏室的墙壁由两层厚 15mm的杉木板之间夹一层软木板构成，杉木板和软木板的导热系数分别为0.107 W m-1 ：C-1和0.040 W m-1 ；C-1。冷藏室内外壁分别为-12C和21C,若要求墙壁传热量不大于10 W-m-2,试计算墙壁中软木板的最小厚度及软木板的热阻占总热阻的分数。解：n 1021 -(-12)33qmaxI00.015b2.

3、minb2.min20.28040.1070.040.04b2 = 0.1208m 121mm0.12080.040.28040.12080.04= 91.5%2-4外径为100mm的蒸汽管外包有一层厚 50mm , Z=0.06W m-1 -1的绝热材料，问再 包多厚的石棉层（履0.1W -m-1 .c -1）,才能使保温层内、外温度分别为 170c和30c时，热 损失不大于60 W m-1o解:Q 2 二 & -t) 2 二(170-30)l 1, r21. r31 .0.101.%In In InIn 11220.060.050.10.10r3 = 0.136m = 136mm石棉层厚为

4、 136- 100 =36mm2-5蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层，外层的平均直径为内层的 2倍，导热系数为内层的2倍。若两层互换位置，其他条件不变，问每米管长热损失改变多少？哪种材料放内层好?解：设外层平均直径dm,2,内层平均直径dm,1dm,2 = 2 d m,1-2 = 2 1Q：tb+11sm,11 2sm,2tbb+，1 二dm,1l 2,1二 2dm,1l两种材料互换位置Q/. ：tb . b12 sm,2,-1sm,1tbb2 i 二dm,1l1 二 2dm,1lLt 二dm,1lbQ/lQl解：并流(243 -128)-(167-157).43CQ = KS t逆流Q/ =

5、KS：t243-128ln 167 -157= qm,hcp,h(T1-12)= qm,ccp,c (t2- t1)=qm,hcp,h(T1一丁2)= qm,cCp,c (t2- t1)tmTi -T2t2 -t1-tt二 tm437Ti -t；t2 -t1(Ti E) -9-tj _ (Ti -T2) -(t2 -t1)(Ti -t；) -(t2 -3) 一-t2)-(T； -3)(243 -167) -(157 -128)47(1)飞2 -.*(Ti -t2) -(T； -L)5 二二1.254互换位置后热损失减少。 说明在其他条件相同时， 将导热系数小的材料放在内层好。2-12若石油精储

6、的原料预热器是套管换热器，重油与原油并流流动，重油进、出口 温度分别为243 C和167七，原油进、出口温度分别为128七和157七。现改为逆流操作,假设流体冷、热流体的初温和流量不变。由计算结果讨论其传热推动力和终温的变化情况。 的物性和总传热系数不变，并忽略热损失。4T2 -t1ln47=1.093即Ti -t243 =2.98(T2/ -t1)t/ =2.98二 t2243 -t2 =2.98 (T2/ -128)(2)(3)=49.5 C由(1)式得 243 -167 _157-128 243 _丁2/t2 -128_(T1 -t2) -(T2/ -t1)2)和(3)联立解得 t； =

7、161.4 CT； =155.4 C(243 -161.4) -(155.4 -128)243 -161.4In 155.4 -128可见，&m,逆A&m,并逆流传热推动力大，提高了原油的出口温度，降低了重油的出口 温度，热量得到充分利用。2-13在传热面积为6m2的逆流换热器中，流量为每小时 1900kg的正丁醇由90七冷 却至50C, Cp = 2.98M103 Jk g-1 ：C-1。冷却介质为18七水，总传热系数为 230 W - m-2 -C -1 o 试求冷却水的t2和每小时的消耗量。解：(1)求冷却水出口温度定性温度90+502=70 CQ = kS. ：tmC190034Q =

8、qmhCph(T| -T2)2.98 1 03 (90 - 50)= 6.29 1 04W3600_ _4tm= 45.6 CQ 629 10KS - 230 6(90 -t2) -(50 -18)In 50-18= 45.6 C解得t2 = 27.5 C(2)冷却水消耗量q m,cQ _6.29 104二： -3Cp,c(t2 t)4.187父10 (27.518)=1.58kg s=5.69 103kg h2-14在逆流换热器中，用 20七的水将1.5kg s-1的苯由80七冷却到30七。换热器列 管直径为025M2.5mm。水走管内，水侧和苯侧的传热系数分别为0.85kW- m-2七-1

9、和1.7kW m-2 七-1,管壁的导热系数为45 W m-1 .七-1,忽略污垢热阻。若水的出口温度为 50七。试求换热器的传热面积 S。及冷却水的消耗量 qm,c。操作条件下水的Cp = 4.174X103 J kg-1 -C-1, 苯白勺 Cp = 1.90 M103 J kg-1 ：C -1o解：Q=qm,h(T1 T2)=1.5M1.9M103M(8030)=1.425M105Wtm= 18.2 C(80 -50) -(30-20)1 80 -50 In30 -20二 472W m2251 0.0025 25 f-, -T T ,17004522.5 1700 20S0 =QK-=t

10、m1.4 25 1 054 7 2 1 82=1 65 9m2冷却水消耗量qm,cCp,c(t2 -t1 )_ 51.425 1054.174 103(50 -20)=1.14kg s2-1520C、2.026x103Pa的空气在套管换热器内管被加热到85 Co内管直径057M3.5mm,长3m,当空气流量为每小时 55m3时，求空气对管壁的传热系数（空气物性：0 c 时 P= 1.293kg m 3； 50 c 时 Cp= 1.017 父103 J kg-1 C -1 ,九二2.826父10-2 W m-1 ：C-1, 0 = 1.96义 105Pa s, Pr = 0.968）。解：定性温

11、度 =20y85 = 52.5 C,近似取50c空气的物性=1.293273273 502 2.186kg m-55- =7.785m s2Re0.05 7.785 2.1861.96 10-一 一 4= 4.34 10（湍流）u 二JI3600 0.0542.826 1024 0804-. 二0.023 (4.34 104)0.8 (0.986) =57.7W m/ C0.025L 3上=一一=12 0 60 不必校正2-16在列管换热器内, 壳程沿轴向流动，出口温度 外壳内径为190mm。管束由d 0.05用冷水冷却甲烷气，120c的常压甲烷气以10m s-1平均流速在30 C,水在管程流

12、动，其传热系数为0.85kW m-2虫C-1。换热器37根019M2mm的钢管组成，忽略管壁及污垢热阻，求总传热系数。已知 75 七下甲烷的 N = 1.15x10-5pa s, x = 0.0407 W m-1 ；C-1,Cp = 2.5父103 Jk g-1 -1。120 + 30解：定性温度 =2一 = 75 C,甲烷的物性：=1.115M10-5Pa s,九=0.0407 W m-1 C-1, Cp = 2.5父103 J kg-1C-1：=PMRT21.013 102 16=0.56kg m8.314 (273 75)壳程当量直径Redeu P-n-d24D 37d_ 2_20.19

13、 -37 0.0190.19 37 0.019= 0.0255 m0.0255 10 0.561.15 104= 1.242 104p”叱 J5 103 1.115 1050.0407= 0.7061 0 =0.023 de_ 0.8 _ 0.3-0.0407一4、0.80.3Re Pr =0.023(1.242 10 )(0.706)0.0255=62.3W m-1s-dodi 62.3 0.85 100.0193 - =0.01750.01521K =57.01W m2 C2-19 工艺上要求将绝对压强为11206kPa、温度为95C、流量为180kg h-1的过热氨气冷却并冷凝至饱和温度

14、30c的液态氨。现采用 15c的水为冷却剂在换热器中逆流操作。测得水的出口温度为 27 Co试计算水的用量及两流体间的平均温度差。已知95c氨蒸气的燃为1647kJkg-1, 30c氨蒸气的烙为1467 kJ kg-1, 30c液氨的烙为323 kJ kg-1,忽略热损失,1 -120c的水 cp = 4183 J kg- C。解：该传热过程应分为冷却段和冷凝段。过热氨蒸气冷却至饱和温度的放热速率为Q = 18_ (1647 -1467) 103 =9000W360030 c氨蒸气冷凝过程放出的热为Q =80- (1467 -323) 103 =57200W3600水吸收的总热量Q = Qi

15、+ Q2 = 9000 + 57200 = 66200W水的定性温度27 + 15=21 C近似取Cp =水的流量qm,c66200冷凝段冷却段Cp(t2 -tl)4183 (27 -15)=1.319k s57200 = 1.319 4183 (t/-15) t/ = 25.4 Ctm二(30-15) - (30 - 25.4),30 -15in30-25.4(95-27) -(30 -25.4)=8.8 Cin受卫30 -25.4= 24.17 C2-20室内装有两根等长的简易水平暖气管， 管内通以饱和蒸汽，暖气通过自然对流 向室内供暖。设大管直径为小管直径的 4倍。小管的(Gr Pr)1

16、09,且两管间无相互影响，试 求两管的供暖比值，并讨论顶层楼房另加粗直管暖气的作用。解：对于自然对流 Gr Pr工g td3：2 Cp2两管子所处条件相同，式中只有管径不同（ D = 4d）,其他参数相同a =0.13+（Gr Pr）：3 d=（1/D）m（d3）： =1两管的3相同，K相同 11口小（1/d）M（d3）3Q = KS tmQ大 S大DL ,4Q小 S小 二dL顶层楼房散热面大，加粗直管暖气，加大供热量。2-23 在套管换热器内以压强为294kPa的饱和蒸汽冷凝将内管中1.4kg s-1流量的氯苯从35c加热到75C,现因故氯苯流率减小至0.4kg s-1,仍要求进、出口温度不

17、变，若仍用原换热器操作，应采取什么措施，以计算结果回答。已知换热器内管为038x2mm铜管，氯苯在两种情况下均为湍流，设其物性常数不变，蒸汽冷凝传热系数比氯苯传热系数大得多， 忽略污垢热阻（饱和蒸汽 T = 110 C, Pv = 143.3kPa； T = 120 C, pV = 198.6kPa； T = 133 C,Pv = 294.0kPa)。解：原工况：Q = qm,cCp,c(t2 - tl) = KS&m(1)qm,c减小，使a氯苯减小，K减小，Q减小，则应使饱和蒸汽压降低，以降低饱和蒸 汽温度，保持氯苯出口温度不变。(133 -35) -(133 -75)133 -35ln133 -75= 76.26 C新