第四章傳熱習(xí)題答案

1、第四章 傳熱習(xí)題答案4-1一爐壁由三層不同材料組成，第一層為耐火磚，導(dǎo)熱系數(shù)為1.7 W/(m)，允許最高溫度為1450，第二層為絕熱磚，導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/(m)，允許最高溫度為1100，第三層為鐵板，導(dǎo)熱系數(shù)為40.7W/(m)，其厚度為6mm，爐壁內(nèi)表面溫度為1350，外表面溫度為220。在穩(wěn)定狀態(tài)下通過(guò)爐壁的熱通量為4652 W/m2，試問(wèn)各層應(yīng)該多厚時(shí)才能使壁的總厚度最?。?解：當(dāng)絕熱材料達(dá)到最高允許溫度時(shí)，總壁厚為最小 ，因第二層絕熱磚已達(dá)到最高溫度，故第一層耐火磚的厚度不可再小，所以現(xiàn)在所得總厚為其最小厚度：4-2一根直徑為60mm3mm的鋁銅合金鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(

2、m)。用30mm厚的軟木包扎，其外又用30mm厚的保溫灰包扎作為絕熱層?，F(xiàn)測(cè)得鋼管內(nèi)壁面溫度為-110，絕熱層外表面溫度10。求每米管每小時(shí)散失的冷量。如將兩層絕熱材料位置互換，假設(shè)互換后管內(nèi)壁溫度及最外保溫層表面溫度不變，則傳熱量為多少？已知軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043和0.07W/（m)。解：兩層互換位置后，熱損失為4-3一爐壁面由225mm厚的耐火磚，120mm厚的絕熱轉(zhuǎn)及225mm厚的建筑轉(zhuǎn)所組成。其內(nèi)側(cè)壁溫1200K，外側(cè)壁溫為330K，如果其導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.4、0.2和0.7 W/(mK)，試求單位壁面上的熱損失及接觸面上的溫度。解：?jiǎn)挝幻娣e上的熱損失4-4在外徑為14

3、0mm的蒸汽管道外包扎一層厚度為50mm的保溫層，以減少熱損失。蒸汽管外壁溫度為180。保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度t的關(guān)系為=0.1+0.0002t(t的單位為，的單位為W(m)。若要求每米管長(zhǎng)熱損失造成的蒸汽冷凝量控制在9.8610-5kg/(ms)，試求保溫層外側(cè)面溫度。解：查附錄有180蒸汽的汽化熱為2019.3kJ/kg，據(jù)蒸汽冷凝量有式中代入上式，解得4-5有直徑為38mm2mm的黃銅冷卻管，假如管內(nèi)生成厚度為1mm的水垢，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)=1.163 W/（m)。試計(jì)算水垢的熱阻是黃銅熱阻的多少倍？黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)=110 W/（m)。解：因?yàn)?，所以可以用算術(shù)平均半徑計(jì)算導(dǎo)熱面積。管長(zhǎng)

4、用L表示時(shí)，黃銅管的熱阻為水垢的熱阻4-6冷卻水在19mm2mm，長(zhǎng)為2m的鋼管中以1m/s的流速通過(guò)。水溫由288K升至298K。求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的平均溫度查附錄得20的水的物理性質(zhì)水被加熱時(shí)，n=0.44-7空氣以4m/s的流速通過(guò)75.5mm3.75mm的鋼管，管長(zhǎng)5m?？諝馊肟跍囟葹?2，出口溫度為68。（1）試計(jì)算空氣與管壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)。（2）如空氣流速增加一倍，其他條件均不變，對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？（3）若空氣從管壁間得到的熱量為578 W，試計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度。解：已知（1）計(jì)算空氣的平均溫度查附錄得空氣的物理性質(zhì)空氣被加熱n=0.4（2）空氣流速增加一倍（

5、3）若空氣從管壁得到的熱量為578W，計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度用式計(jì)算鋼管內(nèi)壁的平均溫度tw。鋼管內(nèi)表面積鋼管內(nèi)的平均溫度4-8已知影響壁面與流體間自然對(duì)流傳熱系數(shù)的因素有：壁面的高度L，壁面與流體間的溫度差t，流體的物性，即流體的密度，比熱容cp，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)，流體的體積膨脹系數(shù)和重力加速度的乘積g。試應(yīng)用量綱分析法求證其量綱與數(shù)群的關(guān)系為Nu=f(GrPr)證：令寫成量綱等式對(duì)M：1=c+d+e對(duì)L：0=a+b+c+d-3e+2f對(duì)：-3=-2b-c-3d-2f對(duì)T：-1=-d-f根據(jù)定律N=n-m=7-4=36個(gè)未知數(shù)，4個(gè)方程，設(shè)b、f已知，則c=-2b+fe=2ba=3b-1代入原式整

6、理得：即4-9有160的機(jī)油以0.3m/s的速度在內(nèi)徑為25mm的鋼管內(nèi)流動(dòng)，管壁溫度為150。取平均溫度下的物性為：=132W/（m)，Pr=84，=4.51310-3Pas，=805.89 kg/m3，壁溫下的黏度w=5.51810-3Pas，試求管長(zhǎng)為2m和6m的對(duì)流傳熱系數(shù)各為多少？ 解：（1）L=2m（2）L=6m4-10有一套管式換熱器，內(nèi)管為38mm2.5mm，外管為57mm3mm的鋼管，內(nèi)管的傳熱管長(zhǎng)2m。質(zhì)量流量為2530kg/h的甲苯在環(huán)隙間流動(dòng)，進(jìn)口溫度為72，出口溫度為38。試求甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的溫度T1=72，T2=38，平均Tm=55甲苯在5

7、5時(shí)的物性數(shù)據(jù)查附錄有：甲苯的質(zhì)量流量體積流量甲苯在環(huán)隙間的流速u的計(jì)算：套管的內(nèi)管外徑d1=0.038m，外管內(nèi)徑d2=0.051m流速甲苯對(duì)內(nèi)管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算：套管環(huán)隙的當(dāng)量直徑甲苯被冷卻n=0.34-11溫度為90的甲苯以1500kg/h的流量通過(guò)蛇管而被冷卻至30。蛇管的直徑為57mm 3.5mm，彎曲半徑為0.6m，試求甲苯對(duì)蛇管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為 由附錄查得60時(shí)甲苯的物性為 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg)，=0.4103 Pas，=0.1205，則 （湍流） 流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系

8、數(shù)較直管內(nèi)的大，此時(shí)可用下式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，即 式中 彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，； 直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，； di管內(nèi)徑，m； R管子的彎曲半徑，m。 4-12常壓下溫度為120的甲烷以10m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸向流動(dòng)。離開換熱器時(shí)甲烷溫度為30，換熱器外殼內(nèi)徑為190mm，管束由37根19mm2mm的鋼管組成，試求甲烷對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)。（答：=62.4W(m2)解：甲烷的定性溫度為 由附錄查得75 C時(shí)甲烷的物性為 0.717kg/m3，Cp1.70J/(kg)，=1.03105 Pas，=0.0300，Pr=0.367，冷卻時(shí)n=0.3流動(dòng)截面積潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)當(dāng)量直徑則 4

9、-13質(zhì)量流量為1650kg/h的硝酸，在管徑為80mm2.5mm，長(zhǎng)度為3m的水平管中流動(dòng)。管外為300kPa（絕對(duì)壓力）的飽和水蒸氣冷凝，使硝酸得到3.8104W的熱量。試求水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：據(jù)已知，飽和水蒸氣冷凝傳給硝酸的熱量為，取，估算壁溫tw300kPa（絕對(duì)壓力）時(shí)，水蒸氣飽和溫度ts=133.3，用式估算先假設(shè)tw=128，定性溫度為膜溫冷凝水膜的物性參數(shù)查附錄有934kg/m3，=2.16104 Pas，=6.8610-1ts=133.3時(shí)水的汽化熱r=2168103J/kg水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)：用式計(jì)算此值大于硝酸吸收的熱量，說(shuō)明假設(shè)tw偏小，重新用

10、=11600 W(m2)估算。假設(shè)tw=129，膜溫，與前面假設(shè)的膜溫基本一致，故冷凝水膜的物性數(shù)據(jù)一致，只是不同則用=12200 W(m2)驗(yàn)算壁溫，與假設(shè)相同。4-14水在大容器內(nèi)沸騰，如果絕對(duì)壓力保持在P=200kPa，加熱面溫度保持130，試計(jì)算加熱面上的熱通量q。解：P=200kPa，ts=120.2，tw=130，t=tw-ts=130-120.2=9.8水沸騰時(shí)則4-15載熱體的流量為1500kg/h，試計(jì)算下列過(guò)程中載熱體放出或吸收的熱量。（1）100的飽和水蒸氣冷凝成100的水；（2）苯胺由383K降至283K；（3）常壓下20的空氣加熱到150；（4）絕對(duì)壓力為250KPa

11、的飽和水蒸氣冷凝成40的水。解：（1）水蒸氣冷凝：r=2258kJ/kg（2）苯胺：放熱量（3）空氣加熱：吸熱量（4）飽和水蒸氣：P=250kPa，ts=127，r=2185kJ/kg，冷凝水從ts=127降至t2=40，放熱量4-16在管殼式換熱器中用冷水冷卻油。水在直徑為l9mm2mm的列管內(nèi)流動(dòng)。已知管內(nèi)水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為3490W(m2)，管外油側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)為258W(m2)。換熱器在使用一段時(shí)間后，管壁兩側(cè)均有污垢形成，水側(cè)污垢熱阻為0.00026m2W，油側(cè)污垢熱阻為0.000176m2W。管壁導(dǎo)熱系數(shù)為45W(m)。試求：(1)基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；(2)產(chǎn)生污垢后熱阻增

12、加的百分?jǐn)?shù)。解： 熱阻增加的百分?jǐn)?shù)為4-17在并流換熱器中，用水冷卻油。水的進(jìn)、出口溫度分別為15和40，油的進(jìn)、出口溫度分別為150和100。現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求油的出口溫度降至80，假設(shè)油和水的流量、進(jìn)口溫度及物性均不變，若原換熱器的管長(zhǎng)為1m。試求此換熱器的管長(zhǎng)增至若干米才能滿足要求。設(shè)換熱器的熱損失可忽略。解：變化前 變化后物性數(shù)據(jù)不變時(shí)，由，故變化前后傳遞的熱量變化由，故變化前后K不變時(shí)1.44-18重油和原油在單程套管換熱器中呈并流流動(dòng)，兩種油的初溫分別為243和128；終溫分別為167和157。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時(shí)流體的平均溫度差及它們的終溫。假

13、設(shè)在兩種流動(dòng)情況下，流體的物性和總傳熱系數(shù)均不變化，換熱器的熱損失可以忽略。解：由題意得：并流時(shí)：熱流體（重油）：T1=243 T2=167冷流體（原油）：t1=128 t2=157改為逆流后：熱流體（重油）：T1=243 T2=？冷流體（原油）：t2=？ t1=128同理：（1）（2）又（3）由（1）（ 2）（ 3）解得t2=161.41；T2=155.443 4-19某廠用0.2MPa（表壓）的飽和蒸汽（冷凝熱為2169KJ/Kg，溫度為132.9）將環(huán)丁砜水溶液由105加熱至115后送入再生塔。已知流量為200m3/h，溶液的密度為1080kg/m3，比熱容為2.93KJ/(Kg)，試求

14、水蒸氣消耗量，又設(shè)所用傳熱器的總傳熱系數(shù)為700 W(m2)，試求所需的傳熱面積。解：蒸汽消耗量4-20在一管殼式換熱器中，用冷水將常壓下純苯蒸氣冷凝成飽和液體。苯蒸氣的體積流量為1650m3h，常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1，汽化熱為394kJ/kg。冷卻水的進(jìn)口溫度為20，流量為36000kgh，水的平均比熱容為4.18KJ(kg)。若總傳熱系數(shù)Ko為450W/(m2)，試求換熱器傳熱面積So。假設(shè)換熱器的熱損失可忽略。解：苯蒸氣的密度為 解出 求 苯 80.1 80.1 水 31.6 20 48.5 60.14-21一傳熱面積為50m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種溶液。兩流體呈逆流流動(dòng)。

15、冷水的流量為33 000kgh，溫度由20升至38。溶液的溫度由110降至60。若換熱器清洗后，在兩流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷水出口溫度增到45。試估算換熱器清洗前傳熱面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：(1)兩種情況下，流體物性可視為不變，水的平均比熱容可取為4.187kJ/(kg)；(2)可按平壁處理，兩種工況下i和o分別相同；(3)忽略管壁熱阻和熱損失。解：求清洗前總傳熱系數(shù)K 求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算 清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻 4-22在一逆流套管換熱器中，冷、熱流體進(jìn)行熱交換。兩流體的進(jìn)、出口溫度分別為t1=20、t2=85，T1=100、T2=70。當(dāng)冷流體的流量增加一倍時(shí)，試求兩

16、流體的出口溫度和傳熱量的變化情況。假設(shè)兩種情況下總傳熱系數(shù)可視為相同，換熱器熱損失可忽略。解：熱：T1=100 T2=70 冷：t2=85 t1=20熱流體放熱Q 放=qmhCph（T1 - T2 ） 冷流體吸熱Q 吸=qmcCpc（t1-t2）由傳熱Q=KStm ， Q=29.07KS冷流體流量增加一倍后：熱：T1=100 T2， 冷：t2 t1=20而K，S 不變， 又，用試差法得t2=63.8；T2=59.8Q/Q=1.34 4-23一定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20加熱到80?？諝庠趽Q熱器的管內(nèi)呈湍流流動(dòng)。絕壓為180kPa的飽和水蒸氣在管外冷凝?，F(xiàn)因生產(chǎn)要求空氣流量增加20，而空氣的進(jìn)、出口溫度不變。試問(wèn)應(yīng)采取什么措施才能完成任務(wù)。作出定量計(jì)算。假設(shè)管壁和污垢熱阻均可忽略。（答：將飽和蒸汽壓強(qiáng)提高到200kPa)解：絕壓為180kPa的飽和水蒸氣溫度為116.6則原工況： （1）流量加倍后，空氣進(jìn)、出口溫度不變： （2）（2）/（1）得：解得：。