傳熱習(xí)題答案

第四章傳熱習(xí)題答案4-1一爐壁由三層不一樣材料構(gòu)成，第一層為耐火磚，導(dǎo)熱系數(shù)為W/(m·℃)，容許最高溫度為1450℃，第二層為絕熱磚，導(dǎo)熱系數(shù)為W/(m·℃)，容許最高溫度為1100℃，第三層為鐵板，導(dǎo)熱系數(shù)為(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4652W/m2，試問(wèn)各層應(yīng)當(dāng)多厚時(shí)才能使壁的總厚度最小解：當(dāng)絕熱材料到達(dá)最高容許溫度時(shí)，總壁厚為最小，因第二層絕熱磚已到達(dá)最高溫度，故第一層耐火磚的厚度不可再小，因此目前所得總厚為其最小厚度：4-2一根直徑為φ60mm×3mm的鋁銅合金鋼管，導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(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)分別為和（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)所構(gòu)成。其內(nèi)側(cè)壁溫1200K，外側(cè)壁溫為330K，假如其導(dǎo)熱系數(shù)分別為、和W/(m·K)，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140mm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)λ與溫度t的關(guān)系為λ=+(t的單位為℃，λ的單位為W／(m·℃))。若規(guī)定每米管長(zhǎng)熱損失導(dǎo)致的蒸汽冷凝量控制在·10-5kg/(m·s)，試求保溫層外側(cè)面溫度。解：查附錄有180℃蒸汽的汽化熱為kg，據(jù)蒸汽冷凝量有式中代入上式，解得4-5有直徑為φ38mm×2mm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)λ=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)λ=110W/（m·℃)。解：由于，因此可以用算術(shù)平均半徑計(jì)算導(dǎo)熱面積。管長(zhǎng)用L表達(dá)時(shí)，黃銅管的熱阻為水垢的熱阻4-6冷卻水在φ19mm×2mm，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=4-7空氣以4m/s的流速通過(guò)φ×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）如空氣流速增長(zhǎng)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578W，試計(jì)算鋼管內(nèi)壁平均溫度。解：已知（1）計(jì)算α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=（2）空氣流速增長(zhǎng)一倍（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)α的原因有：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ρ，比熱容cp，黏度μ，導(dǎo)熱系數(shù)λ，流體的體積膨脹系數(shù)和重力加速度的乘積βg。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(Gr·Pr)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)θ：-3=-2b-c-3d-2f對(duì)T：-1=-d-f根據(jù)π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代入原式整頓得：即4-9有160℃的機(jī)油以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：λ=132W/（m·℃)，Pr=84，μ=×10-3Pa·s，ρ=kg/m3，壁溫下的黏度μw=×10-3Pa·s，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φ38mm×，外管為φ57mm×3mm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55℃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=，外管內(nèi)徑d2=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=4-11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φ57mm×3.5mm，彎曲半徑為0.6m解：甲苯的定性溫度為由附錄查得60時(shí)甲苯的物性為ρ＝830kg/m3，Cp＝1840J/(kg·℃)，μ=×10－3Pa·s，λ=，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φ19mm×2mm的鋼管構(gòu)成，試求甲烷對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)。（答：α=／(m2·℃))解：甲烷的定性溫度為由附錄查得75C時(shí)甲烷的物性為ρ＝m3，Cp＝(kg·℃)，μ=×10－5Pa·s，λ=，Pr=，冷卻時(shí)n=流動(dòng)截面積潤(rùn)濕周圍長(zhǎng)當(dāng)量直徑則4-13質(zhì)量流量為1650kg/h的硝酸，在管徑為φ80mm×，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×104W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=℃，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ρ＝934kg/m3，μ=×10－4Pa·s，λ=×10-1ts=℃時(shí)水的汽化熱r=2168×103J/kg水蒸氣在水平管外冷凝時(shí)：用式計(jì)算此值不小于硝酸吸取的熱量，闡明假設(shè)tw偏小，重新用α=11600W／(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，只是不一樣則用α=12200W／(m2·℃)驗(yàn)算壁溫，與假設(shè)相似。4-14水在大容器內(nèi)沸騰，假如絕對(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=℃，tw=130℃，?t=tw-ts==℃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取的熱量。（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φl(shuí)9mm×2mm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0.00026m2·℃／W，油側(cè)污垢熱阻為0.000176m2·℃／W。管壁導(dǎo)熱系數(shù)λ為45W／(m·℃)。試求：(1)基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；(2)產(chǎn)生污垢后熱阻增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)。解：熱阻增長(zhǎng)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℃?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定油的出口溫度降至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規(guī)定。設(shè)換熱器的熱損失可忽視。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)4-18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。假設(shè)在兩種流動(dòng)狀況下，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視。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′=℃；T2′=℃4-19某廠用（表壓）的飽和蒸汽（冷凝熱為2169KJ/Kg，溫度為℃）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(Kg·℃)，試求水蒸氣消耗量，又設(shè)所用傳熱器的總傳熱系數(shù)為700W／(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1650m3／h，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36000kg／h，水的平均比熱容為／(kg·℃)。若總傳熱系數(shù)Ko為450W/(m2·℃)，試求換熱器傳熱面積S解：苯蒸氣的密度為解出℃求苯→水204-21一傳熱面積為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)。冷水的流量為33000kg／h，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)口溫度不變的狀況下，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)兩種狀況下，流體物性可視為不變，水的平均比熱容可取為(kg·℃)；(2)可按平壁處理，兩種工況下αi和αo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)行熱互換。兩流體的進(jìn)、出口溫度分別為t1=20℃、t2=85℃，T1=100℃、T2=70℃。當(dāng)冷流體的流量增長(zhǎng)一倍時(shí)，試求兩流體的出口溫度和傳熱量的變化狀況。假設(shè)兩種狀況下總傳熱系數(shù)可視為相似，換熱器熱損失可忽視。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=KSΔtm，∴Q=冷流體流量增長(zhǎng)一倍后：熱：T1=100℃→T2，冷：t2←t1=20℃而K，S不變，又，用試差法得t2′=℃；T2′=℃∴Q′/Q=4-23一定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20℃加熱到80℃。空氣在換熱器的管內(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)規(guī)定空氣流量增長(zhǎng)20％，而空氣的進(jìn)、出口溫度不變。試問(wèn)應(yīng)采用什么措施才能完畢任務(wù)。作出定量計(jì)算。假設(shè)管壁和污垢熱阻均可忽視。（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℃則原工況：（1）流量加倍后，空氣進(jìn)、出口溫度不變：