化工答案傳熱

1、第六章傳熱習(xí)題熱傳導(dǎo)蘢=0.18W/(m K)及普通磚 滬 0.93W/(m K)50 C。通過爐壁的熱損失為1200W/m2,絕6-1.如圖所示，某工業(yè)爐的爐壁由耐火磚 ” 1.3W/(m -K)、絕熱層 三層組成。爐膛壁內(nèi)壁溫度 1100C，普通磚層厚12cm,其外表面溫度為 熱材料的耐熱溫度為 900 C。求耐火磚層的最小厚度及此時絕熱層厚度。設(shè)各層間接觸良好，接觸熱阻可以忽略。解: q t11t2-t22t33 t3t431200 093 t30.12 36-2.如圖所示，為測量爐壁內(nèi)壁的溫度，在爐外壁及距外壁 求內(nèi)壁溫度t1 o設(shè)爐壁由單層均質(zhì)材料組成。50t3155 C解:q _

2、t1t2t2t31 2tl800 C仆 II牡1/3厚度處設(shè)置熱電偶0.65W/(mO界的K)。某火爐通過金屬平壁傳熱使另一側(cè)的液體蒸發(fā)，單位面積的蒸發(fā)速率為0.048kg/ ( m金屬壁的溫度為110C。時間久后，液體一側(cè)的壁面上形成一層2mm厚的污垢，污垢導(dǎo)熱系數(shù).設(shè)垢層與液面交界處的溫度仍為110C,且蒸發(fā)速率需維持不變，求與垢層交界處的金屬壁面的溫度。液體的汽化熱 r=2000kJ/kg。6-3.解：q0.048 200096kW/mt1405.38 C已知保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)50C，每米管道由于熱損失6-4.為減少熱損失，在外徑150mm的飽和蒸汽管道外復(fù)蓋保溫層。Q0.103+0.0

3、00198t(式中t為C )，蒸汽管外壁溫度為180 C,要求保溫層外壁溫度不超過而造成蒸汽冷凝的量控制在1X 10-4kg/(m - s)以下，問保溫層厚度應(yīng)為多少？解：查 180C水蒸汽 r 2019.3kJ/kg0.1030.0001981805020.126 W/(m-C )*6-5.如圖所示，用定態(tài)平壁導(dǎo)熱以測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。將待測材料制成厚3、直徑120mm的圓形平板，置于冷、熱兩表面之間。熱側(cè)表面用電熱器維持表面溫度t1=200 C。冷側(cè)表面用水夾套冷卻，使表面溫度維持在t2 =80 C。電加熱器的功率為 40.0W。由于安裝不當，待測材料的兩邊各有一層0.1mm的靜止氣2層入

4、氣=0.030W/(m - K)，使測得的材料熱導(dǎo)率入與真實值 入不同。不計熱損失，求測量的相對誤差，即(入-?)/AA t1 t2解：Qt1 t21 Q*6-6.通過中空球壁導(dǎo)熱的熱流量Q可寫成Q t一 形式。試證： 珞.AA2 (式中A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外表面積。)解：qdtdrQdr4 r2dt定態(tài)傳熱Q為恒值*6-7.有一蒸汽管外徑25mm，管外包以兩層保溫材料，每層厚均為25mm。外層與內(nèi)層保溫材料的熱導(dǎo)率之比為2.1 5，此時的熱損失為 Q。今將內(nèi)、外兩層材料互換位置，且設(shè)管外壁與外層保溫層外表面的溫度均不變,則熱損失為Q 。求Q /Q,說明何種材料放在里層為好。解：互換前：

5、Q丄4丄沁1 r12 r2互換后：丄I n空2 r11 r2依據(jù)計算可知熱導(dǎo)率小的材料在里層熱損失小。 對流給熱6-8.據(jù)如下：在長為3m,尸0.49mPa 172kg/(s m2)。苯在定性溫度下的物性數(shù) Cp=1.8kJ/(kg C )。試求苯對管壁的給熱系數(shù)。內(nèi)徑為53mm的管內(nèi)加熱苯溶液。苯的質(zhì)量流速為 s；啟0.14W/(m K);解:Reud172 0.0533-0.49 101.86104加熱苯溶液，b=0.40.140.05340.80 41.86 1046.3330.31 W/(m2 K)O.O23&R0.8Pr0.40.0236-9.在常壓下用列管換熱器將空氣由200C冷卻

6、至120C,空氣以3kg/s的流量在管外殼體中平行于管束流動。換熱器外殼的內(nèi)徑為 260mm，內(nèi)有 25x 2.5mm鋼管38根。求空氣對管壁的給熱系數(shù)。200 120160 C,查常壓下160C物性數(shù)據(jù)，2-2K3.637 x 10 W/(m T1 T2解：空氣定性溫度為：Tm2-5p =0.815 kg/m 3;尸2.45 x 10 pa s； G 五A 0.2620.0252 384空氣由200 C冷卻至120C, b=0.387.15 kg/(s m2)2o.。23嚴8p0.3 o.。23 晉證129 1056-10.油罐中裝有水平蒸汽管以加熱罐內(nèi)重油，重油的平均溫度 60mm。已知在

7、定性溫度 70 C下重油的物性數(shù)據(jù)如下： 度v2 x 10-3 m2 /s, 3=3 x 10-4 K-1。試問蒸汽對重油的熱傳遞速率解：大容積自然對流：nu AGrprb查表得：A=0.54;b=0.25K)；0.8cp=1.017kJ/(kg K) ; Pr=0.6820.6820.3252.56 W/(m2 K)p=900kg/m 3;W/m2為多少tm=20 C,蒸汽管外壁溫度 tw=120 C,管外徑為Cp=1.88kJ/(kg C )； Q0.174W/(m C )。運動粘0.5401743.08 105 02536.890.06W/(m 2 C )q tw tm 36.89120

8、203689 W/m2已知大管的直徑為6-11.室內(nèi)水平放置兩根表面溫度相同的蒸汽管，由于自然對流兩管都向周圍空氣散失熱量。小管直徑的10倍，小管的(Gr Pr)=109。試問兩管道單位時間、單位面積的熱損失比值為多少？解：大容積自然對流：Nu AGrR b依據(jù)大管和小管 Gr Pr查表：A=0.135; b=1/3冷凝給熱6-12.飽和溫度為100C的水蒸氣在長 3m、外徑為0.03m的單根黃銅管表面上冷凝。銅管豎直放置，管外壁的 溫度維持96C，試求：(1)每小時冷凝的蒸汽量；(2)又若將管子水平放，冷凝的蒸汽量又為多少？解：(1)飽和溫度為 100C的水蒸氣，r=2258.4kJ/kg，

9、定性溫度為 98C，查水：p960kg/m3;尸0.290mPa s；C )。Q0.682W/(m 1.132 3grt1423c 9602 9.81 2258400 0.6823 1.13 0.00029 3100 967422.07 W/(m2 K)ReM7422.07 3100 962258400 0.00029543.962000，為層流。(2)將管子水平放置，特征尺寸為直徑。231 422gr9602 9.810.7250.725d t2258400 0.6823 1415058 602 K)15058.60 W/(m2 K)0.00029 0.03100 96傳熱過程計算6-18.

10、熱氣體在套管換熱器中用冷水冷卻，內(nèi)管為 流動，給熱系數(shù) a=2000W/(m阻占總熱阻的百分數(shù)；(2)內(nèi)管中冷水流速提高一倍, 熱系數(shù)有何變化？解：(1)以外表面為基準：25X 2.5mm鋼管，熱導(dǎo)率為 45W/(m K)。冷水在管內(nèi)湍流2 K)。熱氣在環(huán)隙中湍流流動，a =50W/(m 2 K)。不計垢層熱阻，試求：(1)管壁熱(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍，總傳總傳熱系數(shù)有何變化?1 d2dnd21In d 2d125200020整嚴12 4520500.0207 m2 K/ W48.31 W/(m2 K)主啟哼n互2 d12 45206.20 10m2-K/ W管壁熱阻占總熱阻的百分數(shù):

11、6.2 10 50.02070.30%(2)內(nèi)管中冷水流速提高一倍,0.81 21 20.8 20003482.20W/(m2 K)K生J診1d12 d1253482.2 2010.02525_TIn2 45205048.97 W/(m2 K)總傳熱系數(shù)變化很小。(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高倍,220.80.825087.06W/(m 2 K)K d2dod21lnP12 d1282.15 W/(m2 K)1250.025251ln2000 202 452087.06總傳熱系數(shù)變化很大。提高K值，應(yīng)提高較小的 a值。6-19.68X4mm的無縫鋼管，內(nèi)通過 0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽。管外包

12、 30mm厚的保溫層 且0.080W/(m K),該管設(shè)置于溫度為20C的大氣中，已知管內(nèi)壁與蒸汽的給熱系數(shù)a=5000W/(m2 K)，保溫層外表面與大氣的給熱系數(shù)a=10W/(m2 K)。求蒸汽流經(jīng)每米管長的冷凝量及保溫層外表面的溫度。解：忽略管壁熱阻，以保溫層外表面為基準：1d2 do d21Inidi 2 di 2128 0.128 128 1In5000 602 0.0868101.65 W /(m2 K)查0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽，溫度 T=134C, r=2168.3kJ/kgQK d2 T t 1.65 3.14 0.128 134 2075.60w/mLtw 38.8

13、C6-20.外徑1.2m的球形貯罐內(nèi)放-196 C的液氮，罐外覆以 Q0.02W/(m K)的絕熱材料以減少向大氣的冷量損失。保溫層外壁的溫度不低于28 C,以免露水凝結(jié)。大氣溫度為32 C，大氣與保溫層外壁的給熱系數(shù)為12 W/(m 2 K),罐內(nèi)液氮對壁的給熱熱阻以及罐壁的熱阻均可忽略，計算絕熱材料應(yīng)有的厚度。注：球壁導(dǎo)熱公式參見題 6。解：Q 4 2 t2 t1 4 r； t3 t22 r1r20.682m，絕熱材料應(yīng)有的厚度 0.6820.60.082m。試驗次數(shù)第一次第二次流速 m/s1.02.01.0傳熱系數(shù)K W/(m2 C )1200186011006-21.用不同的水流速度對

14、某列管式冷凝器作了兩次試驗，第一次冷凝器是新的， 第二次冷凝器已使用過一段時期之后。試驗結(jié)果如表所示。表中傳熱系數(shù)均以外表面為基準。管子尺寸為28X 2.5mm,熱導(dǎo)率為45W/(m C )。水在管內(nèi)流動是高度湍流，飽和蒸汽在管外冷凝。兩次實驗條件相同。試求：第一次試驗中，管外給熱系數(shù)a,以及當水速為 2m/s時管內(nèi)給熱系數(shù) a； (2)試分析在相同的水流速下，兩次實驗的傳熱系數(shù)數(shù)值不同的原因，并得出定量計算的結(jié)果。1d1d1 | d1解：(1)In -K2d22 d221.75 103 W/(m2 K)11.31 104 W/(m2 K)0.80.832222217503.05 10 W/(

15、m2 K)11200d12d2dn2dd2R垢7.58 10 5 m2 K/ W*6-22. 一內(nèi)徑為0.34m的空心球形鋼殼容器，其內(nèi)壁表面溫度為38C，外壁外面用 100 C熱水加熱。鋼殼的熱導(dǎo)率為45W/(m C )，熱水對外壁的給熱系數(shù) a=500 W/(m 2 C )，試計算鋼殼厚度是多少 mm時傳熱速率達最大 值？最大傳熱速率為多少？解：Q 4jr1 Tw tw 4 r； T Tw r2 r1傳熱速率達最大時， R最小。對R求導(dǎo)數(shù):取導(dǎo)數(shù)R422-322450.18m500r1180 170 10mmQmaxTtw2A_1_4 r-ir24 r22100 38124 3.14 0.

16、18 0.17 450.185000.011.13410 W6-23.某列管冷凝器內(nèi)流冷卻水，管外為有機蒸汽冷凝。在新使用時冷卻水的進、出口溫度分別為20C與30C。 使用一段時期后，在冷卻水進口溫度與流量相同的條件下，冷卻水出口溫度降為26C。求此時的垢層熱阻。已知換熱器的傳熱面為16.5m2，有機蒸汽的冷凝溫度80C，冷卻水流量為 2.5kg/s。解：定性溫度：t 20 3025 C, cp1=4.179 kJ/(kg C )2tmt1t280 2080 3055 Jqm1Cp1 t2t1A tm2.5 4.17930 2016.5 55115.12 W/(m2)2 21t280 2080

17、 26tm、1 2257 C115.12K66.54W/(m 2 C)1.73R_R垢1R垢1111 36.34 10 3 m2C / WKKKK66.54115.126-24.某列管式加熱器由多根25X 2.5mm的鋼管所組成，將苯由20C加熱到55C，苯在管中流動，其流量為每小時15噸，流速為0.5m/s。加熱劑為130C的飽和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比熱Cp=1.76kJ/(kg),密度為858kg/m3。已知加熱器的傳熱系數(shù)為700 W/(m2 J )，試求此加熱器所需管數(shù)n及單管長度I。解：一根鋼管中流量:qm單d2 u23.14 0.020.5 8580.135 kg/ st im

18、t1ln1302013055ln0130 5591.39 J,qmCp t2 t115000 1760 35l1.65 mK dn tm3600 700 3.14 0.025 31 91.39*6-25.某氣體混合物(比熱及熱導(dǎo)率均未知)以90kg/h的流量流過套管換熱器的內(nèi)管，氣體的溫度由38J被加熱到138 J。內(nèi)管內(nèi)徑為53mm，外管內(nèi)徑為78mm，壁厚均為2.5mm ,管外為蒸汽冷凝使管內(nèi)壁溫度維持在 150Co 已知混合氣體粘度為 0.027mPa s,其普朗特數(shù) Pr=1，試求套管換熱器的管長。解：Q 2A tm qm2Cp2 t?匕*6-26.如圖所示，傳熱面相等的兩臺換熱器，用

19、冷水將油從138C冷卻至93C，冷水進入第一換熱器的流量為2.5kg/s，溫度t1=25 J,出口 t2=50 J。將此股水流中抽出0.62kg/s水移作它用，余下的水進入第二個換熱器，冷水出口 t3=65J。設(shè)兩個換熱器的傳熱系數(shù)均為450 W/(m2 C ),油的比熱Cp=2.1 kJ/(kg C )。求兩換熱器的傳熱面積,及油的流量。解：第一換熱器，定性溫度為37.5 C, Cp21=4.174kJ/(kg C )第二個換熱器，定性溫度為57.5 C, Cp22=4.177 kJ/(kg C )qm22Cp22 t3t2qm21Cp21 t2 t1傳熱面相等260875 117791.4

20、2100 138 934.01 kg/s2.215 123 T24.29 In T250113 4.48 In T125(1)竺旦旦些4.01138 T1138 T2(2)聯(lián)立(1 )、(2), T1 99.7 C, T2 64.4 C。qm113.244 kg/s, qm120.762 kg/s換熱器的傳熱面積2A 2 7.25 14.5 m2油的流量4.01 kg/s*6-27.用一單程列管換熱器以冷凝1.5kg/s的有機蒸汽，蒸汽在管外冷凝的熱阻可以忽略，冷凝溫度60C,汽化熱為395kJ/kg。管束有n根25X 2.5mm的鋼管組成，管內(nèi)通入b=25C的河水作冷卻劑，不計垢層及管壁熱阻

21、，試 計算：（1）冷卻水用量（選擇冷水出口溫度）；（2）管數(shù)n與管長L（水在管內(nèi)的流速可取1m/s左右）;（3）若保持上述計算所得的總管數(shù)不變，將上述換熱器制成雙管程投入使用，冷卻水流量及進口溫度仍維持設(shè)計值，求操作時有機蒸汽 的冷凝量。32.5解：（1） Q qm1r qm2Cp2t2 t1A 坊t2 C30333538404345qm2 kg/s28.3917.7414.2010.929.467.897.09定性溫度 tm 25 C，30-50 C，cp2=4.174kJ/(kg K)。C， p=995.1kg/m3 ；廳0.764mPa s; 冷水出口溫度取40 C， qm2 9.46

22、kg/s，定性溫度tmQ0.6131W/(m K)。0 8 0 40.61314 0.80.023dRePrO023 茁 2 105.200.44.64103 W/(m2 K) 雙管程，n=31/2=16，流量不變，流速增加一倍。2.81.744.64 103 8.07 103 W/(m2 K)t246.8 Cqm1qm2Cp2 t2t19.46 4.174 46.8 253952.18 kg/s傳熱操作型計算6-28.某冷凝器傳熱面積為20m2,用來冷凝100C的飽和水蒸汽。冷液進口溫度為40C，流量0.917kg/s，比熱為4000J/（kg C ）。換熱器的傳熱系數(shù) K=125W/（m2

23、 C ）,求水蒸汽冷凝量。解：100C的飽和水蒸汽，r=2258.4kJ/kg。t269.7 Cqm2Cp2 t2 t1qm1r0.917 400069.7402258.4 10324.82 10 kg/s6-29.有一套管換熱器，內(nèi)管為 19X 3mm，管長為2m ,管隙的油與管內(nèi)的水的流向相反。油的流量為270kg/h,進口溫度為100C，水的流量為 360kg/h，入口溫度為10C。若忽略熱損失，且知以管外表面積為基準的傳熱系數(shù)K=374 W/(m2C),油的比熱Cp=l.88kJ/(kg C )，試求油和水的出口溫度分別為多少解：水的定性溫度取10C, Cp2=4.191kJ/(kg

24、C )丄2 0.260T1 bT2 76.6 Ct2 t10.336T1 T2t217.9 C水的定性溫度tm14 C, Cp2=4.188kJ/(kg C )，與10C水的Cp2=4.191kJ/(kg C )相差很小，計算有效。6-30.某列管換熱器用110C飽和蒸汽加熱甲苯，可使甲苯由30C加熱至100C。今甲苯流量增加 50%，試求:(1)甲苯出口溫度；(2)在不變動設(shè)備條件下，采用何種措施以使甲苯出口溫度仍維持100C?作定量計算。解: (1) Qqm2Cp2 t2 t1A tmt298.23 C(2) A.提高飽和蒸汽的溫度(加壓)T 112.1 CB.提高飽和蒸汽冷凝量，增加50

25、%。*6-31.某套管換熱器有傳熱面積0.4m2，油在內(nèi)管從75C被冷卻至65 C。冷卻水在環(huán)隙中逆流流動，從30 C加熱至45C，給熱系數(shù) a =4000W/(m 2 C )。內(nèi)管直徑25mm，管壁較薄，熱阻可略去不計。求該換熱器能冷卻 的最大油量。已知油在平均溫度下的物性為z=0.56W/(m C ) ； p=1.8mPa s； Cp=2070J/(kg C )。qm2Cp2 T1T2KA tm解：Q qm1Cp1 t2 t175 4565 30,7545In65 3032.44 C*6-32.今有一套管換熱器，冷、熱流體的進口溫度分別為40 C和100C。已知并流操作時冷流體出口溫度為6

26、0 C,熱流體為80 C。試問逆流操作時熱流體、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)傳熱系數(shù)K均為定值。解：并流操作時：100C80Cqm Cp1T1T210080 140C60Cqm2 Cp2t2t16040100Ct2逆流操作時：qm1Cp1壬T2t240Cqm2Cp2t2 t1T278.73 Ct261.27 C*6-33.由A、B兩臺換熱器組成的換熱系統(tǒng)中，冷與熱流體的流向及流量等均如圖所示。已知：A、B兩臺換熱器的傳熱面積，傳熱系數(shù)均相等。冷流體流量等量分配。且=150 C, T2 =40 C; t1=30 C, t2 =90 C。試求：溫度T, ta、tb的值分別為多少解:Qaqm1TCp1 tatiqm2Cp2 T1TKA tmA KAT1ta TtiInTitiT1taTtb150 ta T tbTt1T2t1T 3040