南工大化工原理第四章習(xí)習(xí)題解答

1、第四章習(xí)題1）用平板法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其主要部件為被測材料構(gòu)成的平板，其一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷水將熱量移走，同時板的兩側(cè)用熱電偶測量其表面溫度。設(shè)平板的導(dǎo)熱面積為，厚度為。測量數(shù)據(jù)如下：電熱器材料的表面溫度 安培數(shù)A伏特數(shù)V高溫面低溫面14011530020010050試求：該材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)。如該材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為線性：，則0和a值為多少2）通過三層平壁熱傳導(dǎo)中，若測得各面的溫度t1、t2、t3和t4分別為500、400、200和100，試求合平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好。3）某燃燒爐的平壁由耐火磚、絕熱磚和普通磚三種砌成，它們的導(dǎo)熱系數(shù)分別為(m)， W/(m

2、)和0。92 W/(m)，耐火磚和絕熱轉(zhuǎn)厚度都是，普通磚厚度為。已知爐內(nèi)壁溫為1000，外壁溫度為55，設(shè)各層磚間接觸良好，求每平方米爐壁散熱速率。4）在外徑100mm的蒸汽管道外包絕熱層。絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)，已知蒸汽管外壁150，要求絕熱層外壁溫度在50以下，且每米管長的熱損失不應(yīng)超過150W/m，試求絕熱層厚度。5）38的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。 50第一層是mm厚的氧化鋅粉，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)。若管內(nèi)壁溫度為180，石棉層外表面溫度為35，試求每米管長的熱損失及兩保溫層界面處的溫度解：r0

3、= = ，r1=19mm = mr2= r1d1= = mr3= r2d2= = ml0= 45 W/(m)W/m即t2= 6）通過空心球壁導(dǎo)熱的熱流量Q的計算式為：，其中，A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外表面積，試推導(dǎo)此式。7）有一外徑為150mm的鋼管，為減少熱損失，今在管外包以兩層絕熱層。已知兩種絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)之比1，兩層絕熱層厚度相等皆為30mm。試問應(yīng)把哪一種材料包在里層時，管壁熱損失小。設(shè)兩種情況下兩絕熱層的總溫差不變。8）試用因次分析法推導(dǎo)壁面和流體間強(qiáng)制對流給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。已知為下列變量的函數(shù)：。式中、CP、分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)、等壓熱容、密度、粘度，u為流體流速，l為傳

4、熱設(shè)備定型尺寸。9）水流過60的鋼管，由20被加熱至60。已知，水流速為s，試求水對管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。10）空氣流過362mm的蛇管，流速為15m/s，從120降至20，空氣壓強(qiáng)4105Pa（絕壓）。已知蛇管的曲率半徑為400mm，試求空氣對管壁的給熱系數(shù)?？諝獾拿芏瓤砂蠢硐霘怏w計算，其余物性可按常壓處理。11）苯流過一套管換熱器的環(huán)隙，自20升至80，該換熱器的內(nèi)管規(guī)格為19，外管規(guī)格為383mm。苯的流量為1800kg/h。試求苯對內(nèi)管壁的給熱系數(shù)。12）冷凍鹽水（25%的氯化鈣溶液）從25、長度為3m的管內(nèi)流過，流速為s，溫度自-5升至15。假設(shè)管壁平均溫度為20，試計算管壁與流體之間的

5、平均對流給熱系數(shù)。已知定性溫度下冷凍鹽水的物性數(shù)據(jù)如下：密度為1230kg/m3，粘度為410-3Pas，導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)，比熱為(kg)。壁溫下的粘度為10-3Pas。解：d = 2 = m50u = s2000層流100= W/(m2)13）室內(nèi)分別水平放置兩根長度相同，表面溫度相同的蒸汽管，由于自然對流兩管都向周圍散失熱量，已知小管的，大管直徑為小管的8倍，試求兩管散失熱量的比值為多少解：小管GrPr = 108b = 1/3又因Grd03，故大管GrPr108則14）某烘房用水蒸汽通過管內(nèi)對外散熱以烘干濕紗布。已知水蒸汽絕壓為，設(shè)管外壁溫度等于蒸汽溫度現(xiàn)室溫及濕紗布溫度均為20，

6、試作如下計算：使用一根2m長、外徑50mm水煤氣管，管子豎直放于水平放置單位時間散熱量為多少若管子水平放置，試對比直徑25mm和50mm水煤氣管的單位時間單位面積散熱之比。（管外只考慮自然對流給熱）。15）油罐中裝有水平蒸汽管以加熱管內(nèi)重油，重油溫度為20，蒸汽管外壁溫為120，在定性溫度下重油物性數(shù)據(jù)如下：密度為900kg/m3，比熱103J/(kg)，導(dǎo)熱系數(shù)為(m)，運(yùn)動粘度為210-6m2/s，體積膨脹系數(shù)為310-4l/，管外徑為68mm，試計算蒸汽對重油的傳熱速度W/m2。16）有一雙程列管換熱器，煤油走殼程，其溫度由230降至120，流量為25000kg/h，內(nèi)有25的鋼管70根

7、，每根管長6m，管中心距為32mm，正方形排列。用圓缺型擋板（切去高度為直徑的25%），試求煤油的給熱系數(shù)。已知定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)為：比熱為103J/(kg)，密度為710 kg/m3，粘度為10-4Pas，導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)。擋板間距，殼體內(nèi)徑。17）飽和溫度為100的水蒸汽在長為，外徑為38mm的豎直圓管外冷凝。管外壁溫度為92。試求每小時蒸汽冷凝量。又若將管子水平放置每小時蒸汽冷凝量又為多少。18）由25、225根長2米的管子按正方形直列組成的換熱器，用105Pa的飽和蒸汽加熱某液體，換熱器水平放置。管外壁溫度為88，試求蒸汽冷凝量。19）設(shè)有A、B兩平行固體平面，溫度分別為T

8、A和TB（TATB）。為減少輻射散熱，在這兩平面間設(shè)置n片很薄的平行遮熱板，設(shè)A所有平面的表面積相同，黑度相等，平板間距很小，試證明設(shè)置遮熱板后A平面的散熱速率為不裝遮熱板時的倍。20）用熱電偶測量管內(nèi)空氣溫度，測得熱電偶溫度為420，熱電偶黑度為，空氣對熱電偶的給熱系數(shù)為35 W/(m)，管內(nèi)壁溫度為300，試求空氣溫度。21）外徑為60mm的管子，其外包有20mm厚的絕熱層，絕熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)為 W/(m)，管外壁溫度為350，外界溫度為15，試計算絕熱層外壁溫度。若欲使絕熱層外壁溫度再下降5，絕熱層厚度再增加多少。22）設(shè)計一燃燒爐，擬用三層磚，即耐火磚、絕熱磚和普通磚。耐火磚和普通磚的

9、厚度為和。三種磚的系數(shù)分別為 W/(m)、 W/(m)和 W/(m)，已知耐火磚內(nèi)側(cè)為1000，外壁溫度為35。試問絕熱磚厚度至少為多少才能保證絕熱磚溫度不超過940，普通磚不超過138。23）為保證原油管道的輸送，在管外設(shè)置蒸汽夾。對一段管路來說，設(shè)原油的給熱系數(shù)為420 W/(m)，水蒸氣冷凝給熱系數(shù)為104W/(m)。管子規(guī)格為352mm鋼管。試分別計算Ki和K0，并計算各項熱阻占總熱阻的分率。24）某列管換熱器，用飽和水蒸汽加熱某溶液，溶液在管內(nèi)呈湍流。已知蒸汽冷凝給熱系數(shù)為104W/(m)，單管程溶液給熱系數(shù)為400W/(m)，管壁導(dǎo)熱及污垢熱阻忽略不計，試求傳熱系數(shù)。若把單管程改為

10、雙管程，其它條件不變，此時總傳熱系數(shù)又為多少25）一列管換熱器，管子規(guī)格為25，管內(nèi)流體的對流給熱系數(shù)為100 W/(m)，管外流體的對流給熱系數(shù)為2000 W/(m)，已知兩流體均為湍流流動，管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻均為 m/W。試求：傳熱系數(shù)K及各部分熱阻的分配；若管內(nèi)流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化若管外流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化解：Ri= R0= /W鋼管l= 45W/(m)m= 1/(W/m2)K0= W/(m2)熱阻分配：污垢：管外：管內(nèi)：管壁：，= m2/WW/( m2)，= m2/WW/( m2)31)120飽和水蒸汽將空氣從20加熱至80，空氣流量104kg/h?，F(xiàn)有單程

11、列管換熱器，f25鋼管300根，管長3m，a0= 104W/(m2)，污垢及管壁熱阻不計。問此換熱器能否滿足要求。解：50空氣，r= m3，Cp= (kg)，l= (m)m= 10-5Pas，Pr = m/s10000W/(m2)a0aiKi=ai= W/(m2)Q = WcCpcDt =60 = 201 kJ/sDtm=Q = KiAiDtm即201103= Ai= m2又，Ai= npdiL即 = 300pL = m3 m滿足要求32）某單殼程單管程列管換熱器，用105Pa飽和水蒸汽加熱空氣，水蒸汽走殼程，其給熱系數(shù)為105W/(m)，空氣走管內(nèi)，進(jìn)口溫度20，要求出口溫度達(dá)110，空氣在

12、管內(nèi)流速為10m/s。管子規(guī)格為25的鋼管，管數(shù)共269根。試求換熱器的管長。若將該換熱器改為單殼程雙管程，總管數(shù)減至254根。水蒸汽溫度不變，空氣的質(zhì)量流量及進(jìn)口溫度不變，設(shè)各物性數(shù)據(jù)不變，換熱器的管長亦不變，試求空氣的出口溫度。33）一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進(jìn)口溫度分別為155和20。已知逆流操作時，柴油出口溫度50，原油出口60，若采用并流操作，兩種油的流量、物性數(shù)據(jù)、初溫和傳熱系數(shù)皆與逆流時相同，試問并流時柴油可冷卻到多少溫度34）一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為55和115。并流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為75和95。試問逆流操作時，冷、熱流體的出口

13、溫度分別為多少假定流體物性數(shù)據(jù)與傳熱系數(shù)均為常量。35）一列管換熱器，管外用105Pa的飽和水蒸汽加熱空氣，使空氣溫度從20加熱到80，流量為20000kg/h，現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)變化，如空氣流量增加50%，進(jìn)、出口溫度仍維持不變，問在原換熱器中采用什么方法可完成新的生產(chǎn)任務(wù)36）在一單管程列管式換熱器中，將2000kg/h的空氣從20加熱到80，空氣在鋼質(zhì)列管內(nèi)作湍流流動，管外用飽和水蒸汽加熱。列管總數(shù)為200根，長度為6m，管子規(guī)格為383mm。現(xiàn)因生產(chǎn)要求需要設(shè)計一臺新?lián)Q熱器，其空氣處理量保持不變，但管數(shù)改為400根，管子規(guī)格改為19，操作條件不變，試求此新?lián)Q熱器的管子長度為多少米37）在單程

14、列管換熱器內(nèi)，用120的飽和水蒸汽將列管內(nèi)的水從30加熱到60，水流經(jīng)換熱器允許的壓降為。列管直徑為25，長為6m，換熱器的熱負(fù)荷為2500kW。試計算：列管換熱器的列管數(shù)；基于管子外表面積的傳熱系數(shù)K。假設(shè)：列管為光滑管，摩擦系數(shù)可按柏拉修斯方程計算，。解：(1)45時水：r= 990kg/m3,Cp= 103J/(kg)，l= 10-2W/(m)m= 10-5Pas，Pr = u = s設(shè)管壁及污垢熱阻可略a0aiKi=ai對一根管，= 104W又，即104= 103p6= 103W/(m2)(2)取n為64根。38）有一立式單管程列管換熱器，其規(guī)格如下：管徑25，管長3m，管數(shù)30根?，F(xiàn)

15、用該換熱器冷凝冷卻CS2飽和蒸汽，從飽和溫度46冷卻到10。CS2走管外，其流量為250kg/h，冷凝潛熱為356kJ/kg，液體CS2的比熱為(kg)。水走管內(nèi)與CS2呈逆流流動，冷卻誰進(jìn)出溫度分別為5和30。已知CS2冷凝和冷卻時傳熱系數(shù)（以外表面積計）分別為和。問此換熱器是否合用解：kJ/s設(shè)換熱器上部為蒸汽冷凝段,以下標(biāo)“1”表示,下部為冷卻段,以“2”表示則kJ/sT1=46kJ/st2=30Q1Q2T2=10設(shè)冷水Cp為常量，則上下兩段分界處t3：t3t1=5即t3= 于是：m2m2A = A1A2= = (以外表面積計)現(xiàn)有換熱器A= npd0L = 30p3 = m2A故能適用。39）現(xiàn)有兩臺規(guī)格完全一樣的列管換熱器，其中一臺每小時可以將一定量氣體自80冷卻到60，冷卻水溫度自20升到30，氣體在管內(nèi)與冷卻水呈逆流流動，已知總傳熱系數(shù)（以內(nèi)表面積為基準(zhǔn)）Ki為40 W/(m)?，F(xiàn)將兩臺換熱器并聯(lián)使用，忽略管壁熱阻、垢層熱阻、熱損失及因空氣出口溫度變化所引起的物性變化。試求：并聯(lián)使用時總傳熱系數(shù)；并聯(lián)使用時每個換熱器的氣體出口溫度；若兩換熱器串聯(lián)使用，其氣體出口溫度又為多少（冷卻水進(jìn)出每個換熱