第五章傳習(xí)題熱答案教學(xué)文案

1、(05)第五章傳習(xí)題熱答案第五章傳熱.用平板法測(cè)定固體的導(dǎo)熱系數(shù)，在平板一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻器冷卻，同時(shí)在板兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其表面溫度，若所測(cè)固體的表面積為0.02m2,厚度為0.02m,實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流表讀數(shù)為0.5A,伏特表讀數(shù)為100V,兩側(cè)表面溫度分別為200c和50C,試求該材料的導(dǎo)熱系數(shù)。解：傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)后電熱器的加熱速率應(yīng)與固體的散熱(導(dǎo)熱)速率相等，即式中QIV0.5100W50W2S0.02m2,ti200Ct250C,L0.02m將上述數(shù)據(jù)代入，可得QLSti t250 0.020.02 200 50W m C 0.333W. m C.某平壁燃燒爐由一層400mm厚的耐

2、火磚和一層200mm厚的絕緣磚砌成，操作穩(wěn)定后，測(cè)得爐的內(nèi)表面溫度為1500C,外表面溫度為100C,試求導(dǎo)熱的熱通量及兩磚間的界面溫度。設(shè)兩磚接觸良好，已知耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)為10.80.0006t,絕緣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為20.30.0003t,W/(mC)。兩式中的t可分別取為各層材料的平均溫度。解：此為兩層平壁的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過各層平壁截面的傳熱速率相等，即QQ2Q(5-32)或QeJt22sLA(5-32a)0b21500t式用i0.80.0006t0.80.00061.250.0003t2100t20.30.0003t0.30.00030.3150.00015t2代入晨龍得15

3、00 t(1.25 0.0003t)- 0.4t 100(0.315 0.00015t) 0.2解之得t t2 977 C1 1.25 0.00031.25 0.0003 977 W m C 1.543W m Ct1 t1bi1.5431500 977. 2W m0.42017W m23.外徑為159 mm的鋼管，其外依次包扎 A、B兩層保溫材料，A層保溫材料的厚度為50 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(m G), B層保溫材料的厚度為100 mm, 導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W /(m G),設(shè)A的內(nèi)層溫度和B的外層溫度分別為170 C和 40 C,試求每米管長(zhǎng)的熱損失；若將兩層材料互換并假設(shè)溫度不

4、變，每米管長(zhǎng)的 熱損失又為多少？解:Q. Lt1t21 , r211r3In - In 2 1r12 2r22 3.14 170 401 , 159 2 501 , 159 2 50 100In - In0.11591.0159 100W. m150 W. mA、B兩層互換位置后，熱損失為t1 t221 nr3 In 一22 3.14 170 401159 2 50 1159 2 50 100In In1.01590.1159 100131.5W m4.直徑為57mm3.5mm的鋼管用40mm厚的軟木包扎，其外又包扎100mm厚的保溫灰作為絕熱層。現(xiàn)測(cè)得鋼管外壁面溫度為120C,絕熱層外表面溫

5、度為10C。軟木和保溫灰的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043W/(mC)和0.07W/(mC),試求每米管長(zhǎng)的冷損失量。解：此為兩層圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，則QL27ttit211r21 3In In 112r22 3.14120 10W m10.0285 0.0410.0285 0.04 0.1一 In In0.0430.02850.070.0285 0.0424.53Wm5.在某管殼式換熱器中用冷水冷卻熱空氣。換熱管為25 mmK 2.5 mm的鋼管，其導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m- C)o冷卻水在管程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為2 600 W/(m2 .c),熱空氣在殼程流動(dòng)，其對(duì)流傳熱系數(shù)為52 W/(m 2

6、 .C )。試求基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K,以及各分熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。設(shè)污垢熱阻可忽略。解：由Ko1 b dododmidi查得鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45W m2 C2.5mm do25 mmdi25 2 2.5 mm 20mmdm25 20 mm222.5mmKo10.0025 0.0250.025W m2 C 50.6W m2 C1f o1KoK100% Kdo/idi 100% K 100%50.6 0.025, 八,100% 2.4%2600 0.0252450.022526000.02殼程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為50.6100%100%97.3%52管程對(duì)流傳熱熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)

7、為管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為bdKdm100%0.00250.02550.6,100%450.02250.3%6.在一傳熱面積為40m2的平板式換熱器中，用水冷卻某種溶液，兩流體呈逆流流動(dòng)。冷卻水的流量為30000kg/h,其溫度由22C升高到36C。溶液溫度由115C降至55C。若換熱器清洗后，在冷、熱流體流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水的出口溫度升至40C,試估算換熱器在清洗前壁面兩側(cè)的總污垢熱阻。假設(shè)：(1)兩種情況下，冷、熱流體的物性可視為不變，水的平均比熱容為4.174kJ/(kgG);(2)兩種情況下，i、。分別相同；(3)忽略壁面熱阻和熱損失。解：求清洗前總傳熱系數(shù)K11536

8、5522八C,11536ln552252.7CQ300004KWmCStm36004052.7231Wm2C求清洗后傳熱系數(shù)K由熱量衡算WC,h(IT2)WcCp,c(t2tjWC,h(IT2)WcCp,c(t2tjT2TiWCCpc-。2WhCp,ht)TiT-Tt23115115554022C37.9Ct2t13622tm1154037.922八C,11540ln37.92238.1C300004.1741034022.2KWmC36004038.1410.8W.m2C清洗前兩側(cè)的總傳熱熱阻1111c0cRSm2CW1.9103m2CWKK231410.87.在一

9、傳熱面積為25m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種有機(jī)溶液。冷卻水的流量為28000kg/h,其溫度由25C升至38C,平均比熱容為4.17kJ/(kg6)。有機(jī)溶液的溫度由110C降至65C,平均比熱容為1.72kJ/(kgC)。兩流體在換熱器中呈逆流流動(dòng)。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算該換熱器的總傳熱系數(shù)并計(jì)算該有機(jī)溶液的處理量。解：Cp,c4.17kJ/(kgC)QWcCp,c(t2ti)翳 4.17 10338 25 W 4.22105W求tm有機(jī)物11065水38-25t 7240tm72 407F ln 4054.4 CWh4.22 10525 54.4C 310.3W m2cp

10、h TiKT21.724.22 105103 110 65kg s 5.452 kg s 1.963 104 kg h8.在一單程管殼式換熱器中,用水冷卻某種有機(jī)溶劑。冷卻水的流量為10 000 kg/h ,其初始溫度為30 C,平均比熱容為4.174 kJ/ (kg -C)。有機(jī)溶劑的流量為14 000 kg/h ,溫度由180 C降至120 C ,平均比熱容為1.72 kJ/ ( kg ：C )。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)為500W/(m2 ：C),試分別計(jì)算逆流和并流時(shí)換熱器所需的傳熱面積,設(shè)換熱器的熱損失和污垢熱阻可以忽略。解：QWcph Ti T214000 1.72 180120 kJ

11、h1.4448 106 kJ h 401.3kW冷卻水的出口溫度為t2WcCpct161.4448 10 C30C 64.61 C10000 4.174逆流時(shí)tm18064.6112030ln*18064.611203025.39C102.2C,115.39ln90327.854 m401.3102K tmm500102.2并流時(shí)tm120 64.61180 3094.61-cccC94.97C55.39ln150QKim28.452m2401.31032m50094.979.在一單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知苯蒸汽的體積流量為1600m3/h,常壓下苯的沸點(diǎn)

12、為80.1C,氣化熱為394kJ/kg。冷卻水的入口溫度為20C,流量為35000kg/h,水的平均比熱容為4.17kJ/（kg總傳熱系數(shù)為450W/（m2：C）。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試計(jì)算所需的傳熱面積。解：苯蒸氣的密度為PMRT1 780.08206 273 80.1kg m3 2.692kg. m3Wh16002.692kg.h4307.2kg.hQWh4307.2394kJh1.697106kJh4.71105WQWcCp,4tj3500036004.17 103(t220)4.71 105解出 t2 31.6 C求t m苯80.1 80.1水31.620*-t 48.560.1t

13、m60.1 48.5 仆kCln48.554.1 C4.71 1052m450 54.1219.3m210.在一單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，水在殼程內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口溫度為30 C,出口溫度為65 Co油在管程流動(dòng)，進(jìn)口溫度為 120 Co出口溫度為75 C,試求其傳熱平均溫度差。解：先求逆流時(shí)平均溫度差油 120 75水6530t5545tmln上55 45 C49.8 Ct145計(jì)算P及R65 30120 300.389查圖5-11(a)得120 7565 301.286tmA0.875Attm0.87549.8C43.6C11.某生產(chǎn)過程中需用冷卻水將油從105C冷卻至70C。已知油的流量

14、為6000kg/h,水的初溫為22C,流量為2000kg/h?，F(xiàn)有一傳熱面積為10m2的套管式換熱器，問在下列兩種流動(dòng)型式下，換熱器能否滿足要求：(1)兩流體呈逆流流動(dòng)；(2)兩流體呈并流流動(dòng)。設(shè)換熱器的總傳熱系數(shù)在兩種情況下相同，為300W/(m2；C)；油的平均比熱容為1.9kJ/(kgC),水的平均比熱容為4.17kJ/(kgC”熱損失可忽略。解：本題采用NTU法計(jì)算(1)逆流時(shí)WhCph600036002.9103 WC 3166.7 W. C2000WcCpc 36004.17103 W.C 2316.7 W CCminCR 丁J max2316.73166.70.732(NTU )

15、minKS 300 10Cmin2316.71.295查圖得0.622QCm(T1t1)0.6222316.7105522W1.19610WT2T1WhCph1051196105.C67.2C70C能滿足要求3166.7(2)并流時(shí)Cr0.732(NTU)min1.295查圖得0.5265Q0.5262316.710522W1.01110W5T2105-C73.1C70C不能滿足要求3166.712.在一單程管殼式換熱器中，管外熱水被管內(nèi)冷水所冷卻。已知換熱器的傳熱面積為m2,總傳熱系數(shù)為1400W/(m2.c)；熱水的初溫為100C,流量為5000kg/h；冷水的初溫為20C,流量為1000

16、0kg/h。試計(jì)算熱水和冷水的出口溫度及傳熱量。設(shè)水的平均比熱容為4.18kJ/(kgC)；熱損失可忽略不計(jì)。5000解：WhcDh4.18h ph 3600103 W C 5806W C10000WcCpc4.1836003.10 W C 11611W CCrJ嗎0.5Cmax11611KA(NTU)minCmin14005d1.215805.6查圖得0.575傳熱量QCmin(It)0.5755805.610020W2.67105WT1T2100T2100200.575解出Crt2 t1T1T2t2 20100 540.5解出 t243 C54C13.水以1.5m/s的流速在長(zhǎng)為3m、直徑

17、為25mm2.5mm的管內(nèi)由20c加熱至40C,試求水與管壁之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：水的定性溫度為,匕tb22040cc.tfC30C22由附錄六查得30C時(shí)水的物性為p=995.7kg/m3,k80.07M05Pas,Q0.6176W/(mC),Pr=5.42則Red0.021.5995.73.73104(湍流)80.0710515060di0.02RePr及上值均在式5-59a的應(yīng)用范圍內(nèi)，故可采用式5-76a近似計(jì)算di水被加熱，取n=0.4,于是得0.023Re0.8Pr0.40.0230.61763.731040.85.420.4Wm2C6345Wm2Cdi0.0214.溫度為90C

18、的甲苯以1500kg/h的流量流過直徑為57mm3.5mm,彎曲半徑為0.6m的蛇管換熱器而被冷卻至30C,試求甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為,tb1tb29030cctfC60C22由附錄查得60C時(shí)甲苯的物性為p= 830 kg/m3, Cp= 1840 J/(kg C),p0.4X0 3Pas, =0.1205W/(m C),Pr31840 0.4 106 11則UbRew兀2ZdidiUb0.120515003600 830m s-0.0520.256 m s40.05 0.256 8303265390.4 10 3(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

19、流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(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(11.77冬)R式中一彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2C);一直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2C);di管內(nèi)徑，m；R一管子的彎曲半徑，m。0.023 Re0,8 Pr0,4di0.1205080.023 26539.300.05“ “ di”1 1.77 -395.51R6.11f. m2 C 395.5W m2 C0.05221.77 W m C 35.6W m C 0.615.壓力為101.3 kPa,溫度為20 C的空氣以60 m3/h的流量流過直徑為57mm 3,5mm ,長(zhǎng)度為3 m的套管換熱器管內(nèi)而被加

20、熱至 80 c ,試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度為. tb1tb220 800tf C 50 C22由附錄五查得50 C時(shí)空氣的物性為p= 1.093 kg/m3, Cp = 1005 J/(kg C),尸1.96 30 5 Pas,在0.0283W/(m C) , Pr=0.698則 Ubw60.m s 8.50 m s兀 23,142di23600 0.052 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 44ReA *9言詈23679.5 (湍流)0.023Re0.8Pr0.4di0.0230.028323679.380.6980.

21、4Wm2C35.6Wm2C0.0516.常壓空氣在裝有圓缺形擋板的列管換熱器殼程流過。已知管子尺寸為38mm3mm,正方形排列，中心距為51mm,擋板距離為1.45m,換熱器外殼內(nèi)徑為2.8m,空氣流量為4104m3/h,平均溫度為140C,試求空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：由附錄五查得140C時(shí)空氣的物性為p=0.854kg/m3,Cp=1013J/(kgC),=2.37M05Pas,在0.0349W/(mC),Pr=0.694采用凱恩（Kern）法，即(5-63)(5-63a) TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 0.5

22、513Nu0.36RePrwdeU、0.5513,、0.140.36()Pr()dew傳熱當(dāng)量直徑de可根據(jù)管子排列情況進(jìn)行計(jì)算。管子為正方形排列，則224(tdo)4de禮式中t相鄰兩管的中心距,m；Do管外徑，m代入t和do得/ It 24 t dode J44 0.0512-0.03824八m 0.049mo 0.038式5-63及式5-63a中的流速u可根據(jù)流體流過管間最大截面積 A計(jì)算，即AzD(1式中z一兩擋板間的距離,m；D一換熱器的外殼內(nèi)徑,代入z、D、t和do得d0zD 1 1.45t2.80.0380.0511.03m2V4104-ms10.74msA36001.03上述式

23、中的w對(duì)氣體可取為1.0。0.36(du-)0.55Pr13()0.14dew0.360.0490.550.03490.049 10.74 0.8542.37 10 50.68413 W m2 C50.8W. m2 C17.將長(zhǎng)和寬均為0.4m的垂直平板置于常壓的飽和水蒸氣中，板面溫度為98C,試計(jì)算平板與蒸汽之間的傳熱速率及蒸汽冷凝速率。解：水的定性溫度為+twtsat98100tfC99C22由附錄六查得99C時(shí)水的物性為p=958.5kg/m3,Cp=4220J/(kgC),428.41104 5.2 10 2693.3 18000.3 10 3Pas,；=0.683W/(mC),Pr=

24、1.762由附錄八查得100C時(shí)飽和蒸氣的物性為r2258kJ/kg,v0.597kg/m對(duì)于此類問題，由于流型未知，故需迭代求解。首先假定冷凝液膜為層流，由式5-135得314vgrm1.13Ltsattw1.13958.5 958.5 0.59乙 9.81 2258 103 0.68331.468 104 W.28.41 10 5 0.4 100 982m C1 4W. m2 C核算冷凝液流型，由對(duì)流傳熱速率方程計(jì)算傳熱速率，即QStsattw1.4681040.40.4210098W93952W冷凝液的質(zhì)量流率為Q939522.w-3kgs4.1610kg.sr2258103單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕

25、周邊上的凝液質(zhì)量流率為24.161022.kgs5.210kg.ms則Ref20.4故假定冷凝液膜為層流是正確的o18.常壓水蒸氣在一25mm2.5mm,長(zhǎng)為3m,水平放置的鋼管外冷凝。鋼管外壁的溫度為96C,試計(jì)算水蒸氣冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。若此鋼管改為垂直放置，其對(duì)流傳熱系數(shù)又為多少？由此說明工業(yè)上的冷凝器應(yīng)如何放置?解：由附錄查得，常壓水蒸氣的溫度為100C。定性溫度tfC98c由附錄查得在98c下，水的物性為:960.78kg/m3;0.6822W/m2C；r2261.08kJ/kg;29.03105Pas水平放置23140.725r-gLt _ 30.725 2261.08 1023

26、960.782 9.81 0.68223529.03 10 50.025 4W.m2 C17530W.m2垂直放置23rg1.13gLt2261.081.13 m2 C103960.7829.810.682235W29.03105347427Wm2C通過上述計(jì)算可知，工業(yè)上的冷凝器應(yīng)水平放置。19.兩平行的大平板，在空氣中相距10mm,一平板的黑度為0.1,溫度為400K;另一平板的黑度為0.05,溫度為300Ko若將第一板加涂層，使其黑度為0.025,試計(jì)算由此引起的傳熱通量改變的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)兩板間對(duì)流傳熱可以忽略。解：第一板加涂層前因是兩平行的大平板，則C12C012105.6720-W.

27、 m2 K40.196W/ m2 K4 ;于是Ql2 SC1 2100T2面0.1964001004300100W. m234.22W m2第一板加涂層后CC0C1 2 A A 111125.6740 20 1W. m2 K40.096W.K4Q12.S C1 24T11004T21000.09640011003001004W. m216.82 W. m2空氣導(dǎo)熱的熱通量t1 t227 127tmC77 C ,查得77 C時(shí)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.03W.mQ 2 s bt1 t20.030.01400 300 W m2 300W m2加涂層前后傳熱通量減少的百分率為Q1 2 SQ1 2 SQ12

28、 sQ12 S34.22 16.8234.22 300100%5.2%20.用壓力為300kPa（絕對(duì)壓力）的飽和水蒸氣將20c的水預(yù)熱至80C,水在25mm2.5mm水平放置的鋼管內(nèi)以0.6m/s的速度流過。設(shè)水蒸氣冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)為5000W/（m2：C）,水側(cè)的污垢熱阻為6M0-4m2-C/W,蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計(jì)，試求（1）換熱器的總傳熱系數(shù)；（2）設(shè)操作半年后，由于水垢積累，換熱能力下降，出口水溫只能升至70C,試求此時(shí)的總傳熱系數(shù)及水側(cè)的污垢熱阻。解：查附錄得，300kPa的飽和水蒸氣溫度為133.3C水的定性溫度為(1) tm 十80 20 50 C2在50c下，水的物理性質(zhì)如下:64.78 10 2 W/ m C ；988.1kg/m3；=54.94 10-5 Pas;Cp 4.174kJ kg CRediu0.02 0.6 988.154.94 10-5_42158