化工答案第六章傳熱教材

1、0 9312心麗5。155 C屮4訃一6-2.如圖所示，為測量爐壁內(nèi)壁的溫度，在爐外壁及距外壁1/3厚度處設(shè)置熱電偶，測得t2=300C , t3 =50Co第六章傳熱習(xí)題熱傳導(dǎo)6-1.如圖所示，某工業(yè)爐的爐壁由耐火磚 乃=1.3W/(m -K)、絕熱層 h = 0.18W/(m K)及普通磚 h= 0.93W/(m K) 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 50C。通過爐壁的熱損失為 1200W/m2,絕 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 = 1 ft? = t? f 上3

2、= t3 f t4胡-2- 31 312001100 -900y = 0.22m0 181200900 -155、2 = 0.11m62解:-0.048 2000=96kW/mq 二一右-t296000 -0.652 10t1 -110求內(nèi)壁溫度t1。設(shè)爐壁由單層均質(zhì)材料組成。解：q 二一匕t2 二一 t2 t31 1- - 2 1 -300 300-501 =800C6-3.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/ ( m2 - s),與液體交界的金屬壁的溫度為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)；=0.65W/(m

3、- K)。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。右=405.38 C6-4.為減少熱損失，在外徑150mm的飽和蒸汽管道外復(fù)蓋保溫層。已知保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù) Q0.103+0.000198t(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50C，每米管道由于熱損失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/kgq =1 10，2019.3 1000=201.93W/m180 +50 =0.12

4、6W/（mC ）In Jri2，, ti -t?QI2丨匕一t22丨右“2Q 二.r2. ri +6InIn riri|n 75+5 _ 2 漢3.14決 0.126 漢（1805075 一201.93、.=49.82mm*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S、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(dāng)，待測材料的兩邊各有一層0.1mm的靜止氣2層入氣=0.030W/(m K)，使測得的材料熱導(dǎo)率入與真實(shí)值 入

5、不同。不計(jì)熱損失，求測量的相對誤差，即(入-?)/7 A解：Q 二一A t1 t2d0.122 200-80-=40.0339m2 K/W”40q _ A t1 22氣： _ A t1 t2/.氣/.6 5_2、：氣2氣2 0.1 10_ _ 、 -1 _ -1 -氣十氣0.03= -19.67%60.0339rrn F扎:.2 氣 :.=+ rt F nn/./ .氣/.*6-6.通過中空球壁導(dǎo)熱的熱流量Q可寫成Q=一-形式。6 Am )試證:Am 二,A2（式中A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外表面積。解:dtQdrdr二一 dt定態(tài)傳熱Q為恒值Q r2 drridt4 二 r22：t*6-7.

6、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-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:2:ktQ4= 1.29 105互換后:1,r21,r3In In QiA2aQ一1,r21,r3Q In In 2 12丄In電ln112In戈丄I nr1 1r25 InIn37.512.537.512.5In5 In62.537.562.537.5= 1.64依據(jù)計(jì)算可知熱導(dǎo)率小的材料在里層熱損失小。PrCP、18。0.49

7、 101.3Z0.141_d300053=56.640對流給熱6-8.據(jù)如下：在長為3m,內(nèi)徑為53mm的管內(nèi)加熱苯溶液。苯的質(zhì)量流速為172kg/(s m )。苯在疋性溫度下的物性數(shù)廳0.49mPa s；啟0.14W/(m K) ; Cp=1.8kJ/(kgC)。試求苯對管壁的給熱系數(shù)。解:廠Pud172 7.053“4Re31.86 10J0.49 10Nu =O.O23R0.8pb加熱苯溶液，b=0.4丸 08040. 14#4 0.80 42=0.023 Re. Pr. =0.0231.86 106.3 . =330.31 W/(m2 K)d0.0536-9.在常壓下用列管換熱器將空氣

8、由200C冷卻至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)。解：空氣定性溫度為：Tm二1衛(wèi)二200 120 =160 C,查常壓下160C物性數(shù)據(jù)，2 23-5-2P =0.815 kg/m ;尸2.45 X 10 Pa s；且3.637 X 10 W/(m K) ; Cp=1.017kJ/(kg K) ; Pr=0.682de：d2n2 2D -d nD dn込瞠二 0.0362m0.26 0.025 38287.15 kg/(s m )0.262 -0.0252 38Re =：Ude

9、87.15 0.03622.45 10空氣由200 C冷卻至120C, b=0.30 8 0 33. 637 ： 10“5 0.8o 320.023deRePr 023過10.妙10 0 2682. =252.5如K)6-10.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tm=20C,蒸汽管外壁溫度 tw=120C,管外徑為360mm。已知在定性溫度 70C下重油的物性數(shù)據(jù)如下：p=900kg/m ； Cp=i.88kJ/(kg)； Q0.174W/(mC )。運(yùn)動粘度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W/m2為多少？3 10，9.

10、81120-200.063Gr-15.89解：大容積自然對流：Nu =AGrPr b3 22 10Cp- 1880 2 10 9000.174= 1.94 1042258400 0.00029GrPr =15.89 1.94 104 =3.08 105查表得：A=0.54; b=0.25九b0 1745 0.252二 A GrP =0.543.08 105=36.89 W/(m2 C )l0.06q -tw -tm = 36.89 120 -20 = 3689 W/m26-11.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。已知大管的直徑為小管直徑的10倍，小管的

11、(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二AGrPr b兩管直徑不同，與特征尺寸管徑有關(guān),Gr 二 d3GrPr 大二 GP 小 10 = 10依據(jù)大管和小管 Gr Pr查表:A=0.135; b=1/3：大厶:小(GrPr 大 jGfr小丿1011冷凝給熱6-12.飽和溫度為溫度維持96 C，試求:100C的水蒸氣在長(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，定性溫度為 98C，查水：Q0.682W/(m C )。3m、外徑為0.03m的單

12、根黃銅管表面上冷凝。銅管豎直放置，管外壁的3p=960kg/m ;尸0.290mPa s；(P2g慶乜，4= 1.13/23彳960 氏 9.81 疋 22584000.682 I丿、0.00029 漢 3 漢(10096 ) 丿、=1.13二 7422.072|八W/(m K)A GP小6、rJRe 4 二 47422.073100 -96 = 543.96 ： 2000 ,為層流。Q = ,L：d ts tw i=qmrqmw _ 7422.7 3 314 0.03 100 _96 ,.71 pfg/s =13.37kg/hr2258400(2)將管子水平放置，特征尺寸為直徑?！?3 十4

13、p gm加丿 77250.725”234960 x 9.81x2258400x0.6820.00029x0.03漢(100 96 )丿2= 15058.60 W/(m K)ReMg =4 15058.6 OR 100 -96 .02000H2258400 0.00029aLnd(ts tw )qm 二r= 7.54 10kg/s = 27.13kg/h15058.60 3 3.14 0.03100 -962258400傳熱過程計(jì)算6-18.熱氣體在套管換熱器中用冷水冷卻，內(nèi)管為25X 2.5mm鋼管，熱導(dǎo)率為45W/(m K)。冷水在管內(nèi)湍流流動，給熱系數(shù)a=2000W/(m 2 K)。熱氣在

14、環(huán)隙中湍流流動，a =50W/(m 2 K)。不計(jì)垢層熱阻，試求：管壁熱(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍，總傳阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)；(2)內(nèi)管中冷水流速提高一倍，總傳熱系數(shù)有何變化? 熱系數(shù)有何變化？解：(1)以外表面為基準(zhǔn)：K : 1d1 2d1：225曾口遼丄2000 202 452050二 0.0207 m2K/ WK =48.31 W/(m2 K)dod20.025,InIn2d12 452520= 6.20 10,m2 K/ W管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)：6.2 100.30%0.02070 80 8 21魚魚n匹丄:1d1 2d1 ：2 內(nèi)管中冷水流速提高一倍，2I = 2 .2000二

15、348220 W/(m2 K)2= 48.97 W/(m K)1250.02525_1In3482.2 202 452050K -K 48.97 -48.311.37% K48.31總傳熱系數(shù)變化很小。(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍,:2 二 20.8 ： 2 二 20.8 50 二 87.06 W/(m2 K)d1：21250.025, 251In2000 202 452087.06= 82.15 W/(m2 K)K -KK82.15 -48.3148.31-70.0%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

16、。管外包 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(zhǔn)：3d2 . d；d2 .1.：;1d12 d1.：s21 2 =1.65 W /(m K) 128 0.128 128 1+In +5000 602 0.086810查0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽，溫度 T=134C, r=2168.3kJ/kgQL=K 二 d2T-t =1.65 3.14 0.1281

17、34 - 20 =75.60W/m卩二 2753 =3/9 10%/ m s = 0.126kg/ m h：2 二 d2tw-t =10 3.14 0.128 tw-20 =75.60tw = 38.8 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(jì)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 =九(t2)=4兀r22a (t3 _t2

18、 )2 一10.62 0.60.0228 196 =1232 -28 r2r2 = 0.682m，絕熱材料應(yīng)有的厚度 0.682 - 0.6 = 0.082m。試驗(yàn)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某列管式冷凝器作了兩次試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果如表所示。表中傳熱系數(shù)均以外表面為基準(zhǔn)。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(shí)驗(yàn)條件相同。試求：第一次試驗(yàn)中，管外給熱系數(shù)a,以及當(dāng)水速為 2m

19、/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(shí)驗(yàn)的傳熱系數(shù)數(shù)值不同的原因，并得出定量計(jì)算的結(jié)果。解: (1)丄二乩蟲丄K Ldz 2、 d2：11280.028,281In120023：22 4523:=20.82221 28 0.028 281In1860 23 2 . ： 2 2 45 23：2 =1.75 103 W/(m2 K) ：廠1.31 104 W/(m2 K)22-.22-2 =2s 1750 =3.05 103 W/(m2 K)1200:2d2吐dn也丄2 - d2: j11100d11d2：2d2、11廠R垢 1100 1200R垢=7.58 10“ m2

20、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(jì)算鋼殼厚度是多少 mm時傳熱速率達(dá)最大 值？最大傳熱速率為多少？解：q =乞些.Tw -tw =4二rj T -Tw 2 一1T tw4 二吋24 二 r2 ：T -twR傳熱速率達(dá)最大時，R最小。對R求導(dǎo)數(shù):4珥訂2九 4兀取導(dǎo)數(shù)14 二21 222、2 45500=0.18 mQmaxT _tw2 -1 . 14 前r24 二 r22：2r2 :、二 DA = 180170 = 10mm100 -3810.01丄1+2 I3.14 605020C衛(wèi)口0歸坐胡52tm逆i00 -6050 -20= i.330 7375100 -20（1）單殼程，四管程查圖