食工习题解(传热)

1、 第四章习题部分答案4-2 燃烧炉的平面壁是由一层耐火砖与一层普通砖所砌成，两层的厚度均为100mm，操作稳定后测得耐火砖内壁表面温度为700，普通砖外壁表面温度为130，已知耐火砖的导热系数l1为0.93W/(mK)，普通砖的导热系数l2为0.58W/(mK)，问耐火砖与普通砖的接触面的温度是多少？解： 4-3 某蒸汽管道外包有两层热导率不同而厚度相同的保温层。设外层的平均直径（按对数平均值计）为内层的2倍，其热导率也为内层的2倍。若将两保温层对调，其它条件不变，问每米管长的热损失将改变多少？解：设外层平均直径为dm2，内层平均直径为dm1，则：dm2=2dm1且 l2=2l1 由导热速率方

2、程知： 保温材料互换位置后，单位管长热损失量增加，说明为了减小热损失，热导率小的材料放在内层较适宜。 4-4 某蒸汽管道的外径为219mm，外表面温度为120。管道外包一层厚100mm的保温层，保温层表面温度为30。保温材料的热导率可用：l=0.52+0.0008t表示。试求：（1）单位长度管长的热损失；（2）若按平均温度计算热导率，求保温层内的温度分布。解：（1）Q=-2prLldt/dr r1=0.1095 m，t1=120，r2=0.2095m，t2=30。 分离变量积分得： (Q/L)(ln0.2095-ln0.1095)=23.14(0.52120+0.00041202)-(0.52

3、30+0.0004302) Q/L=505.3W/m （2）tm=(120+30)/2=75 lm=0.52+0.000875=0.58W/(m.K) ln(r2/r1)=ln(0.2095/0.1095)=0.6488 Q/L=2p(t1-t2)lm/ln(r2/r1)=23.14(120-30)0.58/0.6488=505.3W/m 23.14(120-t)0.58/ln(r/0.1095)=505.3W/m t=-138.7lnr-186.8从本题可得出：l作为变量与l看作在一定温度范围内的平均值（即常数）计算的传热速率（导热速率或热损失）大致相等。因此在工程上计算传热速率时一般将l看

4、作常数。4-5水以1.5 m/s的流速在长为3 m，直径为f27mm2.5mm的管内从20被加热到40。试求水与管壁之间的对流传热系数。如果将水的流速提高到2.2m/s，并近似假设水的热力性质不变，水与管壁之间的对流传热系数大约又是多少？解：（1）tm=30 l=0.6171W/(m.K)，r=995.7kg/m3，cp=4.174kJ/(kg.K)，m=0.8012mPa.s Re=dubr/m=0.0221.5995.7/0.0008012=41011104 Pr=cpm/l=4.174103 0.801210-3/0.6171=5.42 Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.0234

5、10110.85.420.4=221.6 a=Nul/d=221.60.6171/0.022=6217W/(m2.K) （2）a=(2.2/1.5)0.8a=8446W/(m2.K)4-6 在套管换热器中将水从25加热至80，水在内管中流动，水与管壁间的对流传热系数为2000W/(m2.K)。若改为加热相同流量的大豆油，试求对流传热系数。设两种情况下流体均呈湍流流动，两流体在定性温度下的物性： 流体 r /kgm-3 m /mPa.s cp/kJkg-1K-1 l/Wm-1K-1 水 1000 0.54 4.17 0.65 豆油 892 7.2 2.01 0.15解： a油=0.027(l1/

6、d)(dur1/m1)0.8(cp1m1/l1)0.33(m1/mw)0.14 a水=0.023(l2/d)(dur2/m2)0.8(cp2m2/l2)0.4 d、u不变，两种情况下a之比为： a油/a水=(0.027/0.023)(l1/l2)(r1m2/m1r2)0.8(cp1m1/l1)0.33(m1/mw)0.14(cp2m2/l2)-0.4 =1.174(15/65)8920.54/(10007.2)0.8(2.017.2/0.15)0.331.05(4.170.54)-0.4 =1.1740.2310.11494.5171.050.608=0.08986 a油=20000.0898

7、6=179.7W/(m2.K) 4-13 在果汁预热器中，参加换热的热水进口温度为98，出口温度为75。果汁的进口温度为5，出口温度为65。求两种流体顺流和逆流时的平均温度差，并将两者作比较。解：（1）逆流时 Dt1=T1-t2=98-65=33 Dt2=T2-t1=75-5=70 Dtm=(Dt1-Dt2)/ln(Dt1/Dt2)=(33-70)/ln(33/70)=49.20 （2）顺流时 Dt1=T1-t1=98-5=93 Dt2=T2-t2=75-65=10 Dtm=(93-10)/ln(Dt1/Dt2)=37.224-15某列管式换热器的传热面积为60m2（近似认为换热管的内外表面积

8、相等），用80的饱和水蒸汽每小时将60吨的糖汁从25升温到50，若糖汁的比热容cp为4.0kJ/(kg.K)，问：换热器的总传热系数是多少？若运行了一段时间之后，管程壁面上产生了污垢，使总传热系数下降为500W/(m2.K)，问这时污垢的热阻Rf=b/的数值是多少？ 解：（1） K=Q/SDtm=1.667106/(6041.24)=673.5W/(m2.K) （2）Rf=b/l=1/K-1/K=1/500-1/673.5=5.15210-4m2.K/W4-16牛奶在f32mm3.5mm的不锈钢管中流过，外面用蒸汽加热。不锈钢的热导率为17.5W/(m.K)，管内牛奶的对流传热系数为500W/

9、(m2.K)，管外蒸汽的表面传热系数为8000W/(m2.K)。试求总热阻和传热系数K。如管内有0.5mm的有机污垢层，其导热系数为1.5W/(m.K)，求热阻增加的百分数。解：以管外壁为基准，总阻力： 1/Ko=do/aidi+bdo/ldm+1/ao=32/(50025)+0.003532/(17.528.5)+1/8000=0.00291m2K/W 总传热系数 Ko=343.7W/(m2.K)若管内有0.5mm的有机垢层，则污垢热阻为：Rf=0.0005/1.51/Ko=1/Ko+0.000532/(1.525)=0.003336m2K/W热阻增加的百分数为：(0.003336-0.00

10、291)/0.00291=14.64% 或：0.000532/(1.525)/0.00291=14.64%4-17一列管换热器由40根f25mm2.5mm的管子组成。用饱和蒸汽加热糖汁，溶液在管内流动，已知蒸汽冷凝的对流传热系数为10000W/(m2.K)，管内糖汁的对流传热系数为2000W/(m2.K)，忽略管壁及污垢热阻，求基于外表面的传热系数。若采取措施使：（1）冷凝对流传热系数增加20%；（2）管内糖汁对流传热系数增加20%。求两种情况下总传热系数分别增加多少？解： Ko=1379 W/(m2.K) （1）当冷凝表面传热系数增加20%，即ao=12000W/(m2.K)， Ko=141

11、2W/(m2.K) (Ko-Ko)/Ko=(1412-1379)/1379100%=2.39 % （2）管内糖汁表面传热系数增加20%，即ai=2400 W/(m2.K)， Ko= 1611W/m2K (Ko-Ko)/Ko=(1611-1379)/1379100%=16.82 % 由计算可知，增加热阻较大侧流体的a，能有效地提高Ko。4-18 一单程列管换热器由25根f19mm2mm，长4 m的管子组成。温度为120的饱和蒸汽在壳侧冷凝（冷凝液为饱和液体），以加热管内的植物油，将油从20加热至85，若换热器的传热负荷为125kW，蒸汽冷凝对流传热系数为10000W/(m2.K)，油侧垢层热阻为

12、0.0005m2.K/W，管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略，试求管内油侧对流传热系数。若将油的流速加倍，此时换热器的总传热系数为原来的1.75倍，油的物性不变，试求油的出口温度。解：（1）Dt1=120-20=100 Dt2=120-85=35 Si=25p0.0154=4.71m2 Ki=Q/SiDtm=125000/(4.7161.92)=428.6W/(m2.K) 解得 ai=570W/(m2.K) （2）Ki=1.75Ki=1.75428.6=750 W/(m2.K)， Wc=2Wc Q=Wccpc(t2-t1)=2Wccpc(t2-20) Q =Wccpc(t2-t1)=Wccpc(85-20)=125000W Wccpc=125000/(85-20)=125000/65 Q=KiSiDtm 联立和： 100/(120-t2)=2.5 t2=80.1 注：本题宜用内表面作基准 4-21 水在列管式换热器的管内被加热，设Re104。若忽略物性变化，试估算下列情况下对流传热系数a的变化：（1）管径不变，流量加倍；（2）管径减为原来的一半，流量不变；（3）管径、流量均不变，管程数加倍。解：因为Re104，则 a=0.023(dur/m)0.8(cpm/l)0