化工答案传热

1、第六章传热习题热传导江=0.18W/(m K)及普通醇 沁=0.93W/(m - K)50 Co通过炉壁的热损失为1200W/m2,绝6-1.如图所示，某工业炉的炉壁由耐火砖 如1.3W/(m K)、绝热层 三层组成。炉膛壁内壁温度 1100C,普通砖层厚12cm,其外表面温度为 热材料的耐热温度为 900o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。解：q t11t2-t22t31200 093 t350t3155 C6-2.如图所示，为测量炉壁内壁的温度，在炉外壁及距外壁 求内壁温度t1。设炉壁由单层均质材料组成。解:q t1t2 12 t312t1800 c

2、6-3.某火炉通过金属平壁传热使另一侧的液体蒸发，单位面积的蒸发速率为1/3厚度处设置热电偶0.048kg/ (加=0.65W/(mo界的K)。金属壁的温度为110C。时间久后，液体一侧的壁面上形成一层2mm厚的污垢，污垢导热系数设垢层与液面交界处的温度仍为110C,且蒸发速率需维持不变，求与垢层交界处的金属壁面的温度。液体的汽化热 r=2000kJ/kg。解:q 0.048 2000 96kW/m 2ti405.38 C6-4.为减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管道外复盖保温层。在0.103+0.000198t(式中t为C),蒸汽管外壁温度为180C,要求保温层外壁温度不超过已知保温材

3、料的导热系数50C,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在ixi0-4kg/(m s)以下,问保温层厚度应为多少?解：查180 c水蒸汽r2019.3kJ/kg0.103 0.000198180 500.126 W/(m. C )2*6-5.如图所示，用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚于冷、热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度 电加热器的功率为 40.0W。由于安装不当，待测材料的两边各有一层0.1mm与真实值 入不同。不计热损失，求测量的相对误差，即t1=200 Co冷侧表面用水夹套冷却,直径120mm的圆形平板，置使表面温度维持在t2 =80 C。的静止气2层入

4、气=0.030W/(m K),使测得的材料热导率入(入-N a解：Q t1A t1t2*6-6.通过中空球壁导热的热流量Q可写成Q-形式。试证：Am，AA2 (式中Ai、A2分别为球壁的内、外表面积。)解：q QAdtdrQdr4 r2dt定态传热Q为恒值*6-7.有一蒸汽管外径25mm,管外包以两层保温材料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的热导率之比为2/ 1 5,此时的热损失为 Q。今将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变, 则热损失为Q。求Q /Q,说明何种材料放在里层为好。解：互换前：QLn巨1122Ln生U1r12r2互换后：Inr2 2r1Ln包

5、1r2依据计算可知热导率小的材料在里层热损失小。对流给热6-8.据如下：在长为3m, 斤0.49mPa -内径为53mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为s； =0.14W/(m K);解:172 0.05330.49 101.86172kg/(s m2)。苯在定性温度下的物性数CP=1.8kJ/(kg C )。试求苯对管壁的给热系数。1040.023-R0.8Pr0.4 0.0230.140.053加热苯溶液，b=0.44 0.80 41.86 1046.3330.31 W/(m2 . K)6-9.在常压下用列管换热器将空气由200c冷却至120 C,空气以3kg/s的流量在管外壳体中平行于管

6、束流动。换热器外壳的内径为 260mm,内有 25X2.5mm钢管38根。求空气对管壁的给热系数。解：空气定性温度为： TmT1T2200 120160 c,查常压下160 c物性数据,p =0.815 kg/m 3;GqmA斤2.45X 10-5Pa- s；32F3.637X 10-2W/(m -87.15 kg/(s m2)K)；cp=1.017kJ/(kg - K) ; Pr=0.6820.262 0.0252 384空气由200 c冷却至120C, b=0.320.023R0.8Pr0.3 0.023 3 1.29 1050.8de0.03620.6820.3 252.56W/(m K

7、)6-10.油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油，重油的平均温度60mm o已知在定性温度 70 c下重油的物性数据如下：年900kg/m 3;tm=20 C,蒸汽管外壁温度tw=120 C,管外径为Cp=1.88kJ/(kg C)；在0.174W/(m C)。运动粘度产2X10-3 m2 /s, p=3X10-4 K-1。试问蒸汽对重油的热传递速率W/m2为多少解：大容积自然对流：Nu AGrFb查表得：A=0.54; b=0.25A- GrFr b 0.54 l0.1745 0.253.08 1036.890.06W/(m 2 . C )q tw tm 36.89120 203689 W/m

8、26-11.室内水平放置两根表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径的10倍，小管的(Gr- Pr)=109。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少？解：大容积自然对流：Nu AGrPr b两管直径不同，与特征尺寸管径有关，Gr d3依据大管和小管 Gr-Pr查表：A=0.135; b=1/3冷凝给热6-12.饱和温度为100c的水蒸气在长 3m、外径为0.03m的单根黄铜管表面上冷凝。铜管竖直放置，管外壁的 温度维持96C,试求：（1）每小时冷凝的蒸汽量；（2）又若将管子水平放，冷凝的蒸汽量又为多少？解：（1）饱和温度为 100c的水蒸气，

9、r=2258.4kJ/kg,定性温度为 98C,查水：4960kg/m3;后0.290mPa s；F0.682W/(m C )。1.132gr2 3 1 4一9602 9.81 2258400 0.68231.13 0.00029 3 100 967422.07 W/(m2 K)4 L t 4 7422.07 3 100 96ReMr2258400 0.00029543.96 2000,为层流。（2）将管子水平放置，特征尺寸为直径。23 140.725 gr 0.725d t239609.81 2258400 0.6820.00029 0.03 100 9615058.60 W/(m2 K)传

10、热过程计算6-18.热气体在套管换热器中用冷水冷却，内管为25X2.5mm钢管，热导率为45W/（m K）。冷水在管内湍流流动，给热系数 oi=2000W/（m 2 K）。热气在环隙中湍流流动，02 =50W/（m2。K）。不计垢层热阻，试求：（1）管壁热阻占总热阻的百分数；（2）内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？解：（1）以外表面为基准：1 d2d2 , d21 一ln K &2 d1250.025, 251ln0.0207 m2 - k/ w2000 20 2 45 20 50K 48.31 w/(m2 K)d21nd咙至ln

11、2 45 206.20 10 5 m2 K/ W管壁热阻占总热阻的百分数:6.2 10 50.30%0.0207（2）内管中冷水流速提高一倍,0.812120.8 20003482.20W/(m2 - K)1d2 d21d21 ln 一一 1d12 d12253482.2 20以型ln空工2 45 20 5048.97 W/(m2 K)总传热系数变化很小。（3）环隙中热气体流速提高一倍,0.80.82222250 87.06 W/(m2 , K)K 1d2d2 , d21ln 二一d2 d21250.025, 25 f-ln -2000 20 2 45 20 87.0682.15 W/(m2

12、- K)总传热系数变化很大。提高 K值，应提高较小的“值。6-19.68X4mm的无缝钢管，内通过 0.2MPa（表压）的饱和蒸汽。管外包 30mm厚的保温层 F0.080W/（m - K）,该管设置于温度为 20c的大气中，已知管内壁与蒸汽的给热系数%=5000W/(m2 K),保温层外表面与大气的给热系数o2=10W/(m2 K)。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。1d2 d21d21ln idi2di 21.65 W /(m2 K)解：忽略管壁热阻，以保温层外表面为基准：1280.128 , 1281ln5000 60 2 0.086810查0.2MPa(表压)的饱和蒸汽，

13、温度 T=134C, r=2168.3kJ/kgQ K d2Tt 1.65 3.14 0.128 134 2075.60w/mLtw 38.8 C6-20.外径1.2m的球形贮罐内放-196C的液氮，罐外覆以 在0.02W/(m K)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28 C,以免露水凝结。大气温度为32C,大气与保温层外壁的给热系数为12 W/(m2-K),罐内液氮对壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略，计算绝热材料应有的厚度。球：球壁导热公式参见题6。.4 “22解：Q U t2 t14 r2 t3 t2212 0.682m ,绝热材料应有的厚度 0.682 0.6 0

14、.082m。解:1 d12d2d1 . d1In 2d2(2)1.7520.811200103 W/(m220.817503.057.5811.31 104 W/(m2 - K)103 W/(m 2 - K)d12d210 5d11d21m2 - K/ W*6-22. 一内径为0.34m的空心球形钢壳容器，其内壁表面温度为38 C,外壁外面用热导率为45W/(m C),热水对外壁的给热系数“二500 W/(m 2 C ),试计算钢壳厚度是多少值？最大传热速率为多少？100 c热水加热。钢壳的mm时传热速率达最大解：Q412212 F FTwt w4 r2TTw6-21.用不同的水流速度对某列管

15、式冷凝器作了两次试验，第一次冷凝器是新的，第二次冷凝器已使用过一段时期之后。试验结果如表所示。试验次数第一次第二次流速 m/s1.02.01.0传热系数K W/(m2 - C )120018601100表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为28X2.5mm,热导率为45W/(m C)。水在管内流动是高度湍流，饱和蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求：(1)第一次试验中，管外给热系数内，以及当水速为 2m/s时管内给热系数 知(2)试分析在相同的水流速下，两次实验的传热系数数值不同的原因，并得出定量计算的结果。传热速率达最大时， R最小。对R求导数:3222-2 455000.18mr2 1

16、 180 170 10mmQmaxT tw2 1 _1_4124 r22100 3810.0114 3,14 0.18 0.17 45 0.18500-41.13 10 W6-23.某列管冷凝器内流冷却水，管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为20 c与30 Co使用一段时期后，在冷却水进口温度与流量相同的条件下，冷却水出口温度降为热器的传热面为16.5m2,有机蒸汽的冷凝温度80 C,冷却水流量为 2.5kg/s。26 Co求此时的垢层热阻。已知换解：定性温度：ttm20 30280 2025 c, cp1=4.179 kJ/(kg C )80 30 55 c2tm6-24

17、.qm1Cp1 t2t1A /t12115.121.73-R垢 K2.5 4,179 30 2016.5 55t280 2080 26266.54W/(m 2 C115.12 W/(m 2 -57 cK 66.541115.12某列管式加热器由多根25X2.5mm的钢管所组成，将苯由C)6.34 10 320 c加热到55 C,苯在管中流动，其流量为取导数R解：一根钢管中流量：qm单d2 u4一-2一 一3.14 0.020.5 85840.135 kg/ s每小时15吨，流速为0.5m/s。加热剂为130c的饱和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比热Cp=1.76kJ/(kg C ),密度为858kg

18、/m3。已知加热器的传热系数为700 W/(m 2 C ),试求此加热器所需管数n及单管长度l。tm91.39 C130 20130 55 130 20In130 55IqmC 15000 1760 35 1.65mK dn tm 3600 700 3.14 0.025 31 91.39*6-25.某气体混合物(比热及热导率均未知)以90kg/h的流量流过套管换热器的内管，气体的温度由38c被加热到138C。内管内径为53mm ,外管内径为78mm,壁厚均为2.5mm,管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在 150C。 已知混合气体粘度为 0.027mPa s,其普朗特数 Pr=1，试求套管换热器的

19、管长。解：Q2AtmQm2cp2 t2t1*6-26.如图所示，传热面相等的两台换热器，用冷水将油从138c冷却至93 C,冷水进入第一换热器的流量为2.5kg/s,温度t1=25C,出口 t2=50C。将此股水流中抽出0.62kg/s水移作它用，余下的水进入第二个换热器，冷水出口 t3=65C。设两个换热器的传热系数均为450 W/(m2 ),油的比热Cp=2.1 kJ/(kg C)。求两换热器的传热面积,及油的流量。解：第一换热器，定性温度为37.5 C, Cp21=4.174kJ/(kg - C )第二个换热器，定性温度为 57.5 C, Cp22=4.177 kJ/(kg - C )q

20、m1qm22cp22 t3 t2qm21cp21 t2t1260875 117791.4CpiT 加2100138 934.01 kg/s传热面相等2.215 123 T24.29 ln T2 50113 T14.48 ln T125(1)124.23138 T156.09” 4.01138 T2(2)联立（1）、(2), T199.7 C, T264.4 C。qm113.244 kg/s, qm120.762kg/s换热器的传热面积 2A 2 7.2514.5 m2油的流量qm14.01 kg/s*6-27.用一单程列管换热器以冷凝1.5kg/s的有机蒸汽，蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略，冷凝

21、温度60 C,汽化热为395kJ/kg。管束有n根25X 2.5mm的钢管组成，管内通入t1=25C的河水作冷却剂，不计垢层及管壁热阻，试 计算：（1）冷却水用量（选择冷水出口温度）；（2）管数n与管长L（水在管内的流速可取 1m/s左右）；（3）若保持上述计算 所得的总管数不变，将上述换热器制成双管程投入使用，冷却水流量及进口温度仍维持设计值，求操作时有机蒸汽 的冷凝量。32.5解：(1) Q qm1rqm2cp2 t2 t1 A 第t2 C30333538404345qm2 kg/s28.3917.7414.2010.929.467.897.09（2）冷水出口温度取40 C,qm2 9.4

22、6 kg/s ,定性温度tm定性温度 tm25 C, 30-50 C, cp2=4.174kJ/(kg K)。C,年995.1kg/m3； p0.764mPa - s；在0.6131W/(m - K)。08 040.61314 0.80.023 R0Pr0.023-2.60 104d0.025.200.44.64103 W/(m2 - K) 双管程，n=31/2=16,流量不变，流速增加一倍。20.81.744.64 103 8.07 103W/(m2 K)t2 46.8 Cqm1qm2cp2 t2 t19.46 4.174 46.8 253952.18 kg/s传热操作型计算6-28.某冷凝

23、器传热面积为20m2,用来冷凝100c的饱和水蒸汽。冷液进口温度为40 C,流量0.917kg/s,比热为4000J/（kg C ）。换热器的传热系数 K=125W/（m2 C ）,求水蒸汽冷凝量。解:100 c的饱和水蒸汽,r=2258.4kJ/kg。t269.7 Cqm1qm2cp2 t2t10.917 400069.7 40 “23 4.82 10 kg/s2258.4 1036-29.有一套管换热器，内管为 19X3mm,管长为2m,管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为270kg/h,进口温度为100C,水的流量为360kg/h,入口温度为10C。若忽略热损失，且知以管外表面积为基

24、准的传热系数解：水的定性温度取K=374 W/(m C),油的比热Cp=1.88kJ/(kg C ),试求油和水的出口温度分别为多少10 C, Cp2=4.191kJ/(kg C )T2 0.260T1 t1T276.6 Ct2 t10.336T1 T217.9 C水的定TIe温度tm14 C,Cp2=4.188kJ/(kg C),与 10c水的 cp2=4.191kJ/(kg C )相差很小，计算有效。6-30.某列管换热器用110c饱和蒸汽加热甲苯，可使甲苯由 30c加热至100C。今甲苯流量增加 50%,试求:100 C?作定量计算。(1)甲苯出口温度；(2)在不变动设备条件下，采用何种

25、措施以使甲苯出口温度仍维持解: Qqm2cp2 t2t1 A tmt298.23 C(2)TB.斛：Qqm1cp1 t2t1qm2cp2 T1 T2KA tmtmt2T2 LlnT21175 4565 3032 44 c 75 45ln 65 30*6-32.今有一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为40 c和100C。已知并流操作时冷流体出口温度为60 C,热流体为80Co试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数K均为定值。解：并流操作时：100c40C80C60Cqm1Cp1q T2qm2cp 2t2 t1100 80 d 160 40一公,100C 逆流操作时：T2

26、40Cqm1Cp1qm2cp2工T2t2t1T2 78.73Ct2 61.27 C*6-33.由A、B两台换热器组成的换热系统中，冷与热流体的流向及流量等均如图所示。已知:A、B两台换热器的传热面积，传热系数均相等。冷流体流量等量分配。且T, ta、tb的值分别为多少T1=150 C, T2 =40 C; t1=30C, t2 =90C。试求：温度A.提高饱和蒸汽的温度(加压)112.1 c提高饱和蒸汽冷凝量，增加 50%。*6-31.某套管换热器有传热面积0.4m2,油在内管从75c被冷却至65 Co冷却水在环隙中逆流流动，从 30 C加热至45C,给热系数 先=4000W/(m 2 C)。内管直径(f)25mm ,管壁较薄，热阻可略去不计。求该换热器能冷却 的最大油量。已知油在平均温度下的物性为z=0.56W/(m C)； p=1.8mPa s； Cp=2070J/(kg C)。解:Qaqm1cpi tatiqm2 cp2TiTKA tmA KATitaTtiFTTi ta T tbT ti T2 tita 30 i50 Ttb 30 T 40t2