第四章传热习题答案(10页).doc

-第四章传热习题答案-第 9 页第四章 传热习题答案4-1一炉壁由三层不同材料组成，第一层为耐火砖，导热系数为1.7 W/(m·)，允许最高温度为1450，第二层为绝热砖，导热系数为0.35 W/(m·)，允许最高温度为1100，第三层为铁板，导热系数为40.7W/(m·)，其厚度为6mm，炉壁内表面温度为1350，外表面温度为220。在稳定状态下通过炉壁的热通量为4652 W/m2，试问各层应该多厚时才能使壁的总厚度最小？ 解：当绝热材料达到最高允许温度时，总壁厚为最小因第二层绝热砖已达到最高温度，故第一层耐火砖的厚度不可再小，所以现在所得总厚为其最小厚度：4-2一根直径为60mm×3mm的铝铜合金钢管，导热系数为45 W/(m·)。用30mm厚的软木包扎，其外又用30mm厚的保温灰包扎作为绝热层。现测得钢管内壁面温度为-110，绝热层外表面温度10)。解：两层互换位置后，热损失为解：单位面积上的热损失4-4在外径为140mm的蒸汽管道外包扎一层厚度为50mm的保温层，以减少热损失。蒸汽管外壁温度为180。保温层材料的导热系数与温度t的关系为=0.1+0.0002t(t的单位为，的单位为W(m·)。若要求每米管长热损失造成的蒸汽冷凝量控制在9.86·10-5kg/(m·s)，试求保温层外侧面温度。解：查附录有180蒸汽的汽化热为2019.3kJ/kg，据蒸汽冷凝量有式中代入上式，解得4-5有直径为38mm×2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的导热系数=1.163 W/（m·)。试计算水垢的热阻是黄铜热阻的多少倍？黄铜的导热系数=110 W/（m·)。解：因为，所以可以用算术平均半径计算导热面积。管长用L表示时，黄铜管的热阻为水垢的热阻4-6冷却水在19mm×2mm，长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。水温由288K升至298K。求管壁对水的对流传热系数。解：水的平均温度查附录得20的水的物理性质水被加热时，n=0.44-7空气以4m/s的流速通过75.5mm×3.75mm的钢管，管长5m。空气入口温度为32，出口温度为68。（1）试计算空气与管壁间的对流传热系数。（2）如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？（3）若空气从管壁间得到的热量为578 W，试计算钢管内壁平均温度。解：已知（1）计算空气的平均温度查附录得空气的物理性质空气被加热n=0.4（2）空气流速增加一倍（3）若空气从管壁得到的热量为578W，计算钢管内壁平均温度用式计算钢管内壁的平均温度tw。钢管内表面积钢管内的平均温度4-8已知影响壁面与流体间自然对流传热系数的因素有：壁面的高度L，壁面与流体间的温度差t，流体的物性，即流体的密度，比热容cp，黏度，导热系数，流体的体积膨胀系数和重力加速度的乘积g。试应用量纲分析法求证其量纲与数群的关系为Nu=f(Gr·Pr)证：令写成量纲等式对M：1=c+d+e对L：0=a+b+c+d-3e+2f对：-3=-2b-c-3d-2f对T：-1=-d-f根据定律N=n-m=7-4=36个未知数，4个方程，设b、f已知，则c=-2b+fe=2ba=3b-1代入原式整理得：即4-9有160的机油以0.3m/s的速度在内径为25mm的钢管内流动，管壁温度为150。取平均温度下的物性为：=132W/（m·)，Pr=84，=4.513×10-3Pa·s，=805.89 kg/m3，壁温下的黏度w=5.518×10-3Pa·s，试求管长为2m和6m的对流传热系数各为多少？ 解：（1）L=2m（2）L=6m4-10有一套管式换热器，内管为38mm×2.5mm，外管为57mm×3mm的钢管，内管的传热管长2m。质量流量为2530kg/h的甲苯在环隙间流动，进口温度为72，出口温度为38。试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。解：甲苯的温度T1=72，T2=38，平均Tm=55甲苯在55时的物性数据查附录有：甲苯的质量流量体积流量甲苯在环隙间的流速u的计算：套管的内管外径d1=0.038m，外管内径d2=0.051m流速甲苯对内管外表面的对流传热系数的计算：套管环隙的当量直径甲苯被冷却n=0.34-11温度为90的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30。蛇管的直径为57mm× 3.5mm，弯曲半径为0.6m，试求甲苯对蛇管壁的对流传热系数。解：甲苯的定性温度为由附录查得60时甲苯的物性为 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg·)，=0.4×103 Pa·s，=0.1205，则 （湍流） 流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算对流传热系数，即式中 弯管中的对流传热系数，； 直管中的对流传热系数，； di管内径，m； R管子的弯曲半径，m。4-12常压下温度为120的甲烷以10m/s的平均速度在管壳式换热器的管间沿轴向流动。离开换热器时甲烷温度为30，换热器外壳内径为190mm，管束由37根19mm×2mm的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。（答：=62.4W(m2·)解：甲烷的定性温度为由附录查得75 °C时甲烷的物性为 0.717kg/m3，Cp1.70J/(kg·)，=1.03×105 Pa·s，=0.0300，Pr=0.367，冷却时n=0.3流动截面积润湿周边长当量直径则 4-13质量流量为1650kg/h的硝酸，在管径为80mm×2.5mm，长度为3m的水平管中流动。管外为300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到3.8×104W的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。解：据已知，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为，取，估算壁温tw300kPa（绝对压力）时，水蒸气饱和温度ts=133.3，用式估算先假设tw=128，定性温度为膜温冷凝水膜的物性参数查附录有934kg/m3，=2.16×104 Pa·s，=6.86×10-1ts=133.3时水的汽化热r=2168×103J/kg水蒸气在水平管外冷凝时：用式计算此值大于硝酸吸收的热量，说明假设tw偏小，重新用=11600 W(m2·)估算。假设tw=129，膜温，与前面假设的膜温基本一致，故冷凝水膜的物性数据一致，只是不同则用=12200 W(m2·)验算壁温，与假设相同。4-14水在大容器内沸腾，如果绝对压力保持在P=200kPa，加热面温度保持130，试计算加热面上的热通量q。解：P=200kPa，ts=120.2，tw=130，t=tw-ts=130-120.2=9.8水沸腾时则4-15载热体的流量为1500kg/h，试计算下列过程中载热体放出或吸收的热量。（1）100的饱和水蒸气冷凝成100的水；（2）苯胺由383K降至283K；（3）常压下20的空气加热到150；（4）绝对压力为250KPa的饱和水蒸气冷凝成40的水。解：（1）水蒸气冷凝：r=2258kJ/kg（2）苯胺：放热量（3）空气加热：吸热量（4）饱和水蒸气：P=250kPa，ts=127，r=2185kJ/kg，冷凝水从ts=127降至t2=40，放热量4-16在管壳式换热器中用冷水冷却油。水在直径为l9mm×2mm的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490W(m2·)，管外油侧对流传热系数为258W(m2·)。换热器在使用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.00026m2·W，油侧污垢热阻为0.000176m2·W。管壁导热系数为45W(m·)。试求：(1)基于管外表面积的总传热系数；(2)产生污垢后热阻增加的百分数。解：热阻增加的百分数为4-17在并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15和40，油的进、出口温度分别为150和100。现因生产任务要求油的出口温度降至80，假设油和水的流量、进口温度及物性均不变，若原换热器的管长为1m。试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。设换热器的热损失可忽略。解：变化前 变化后物性数据不变时，由，故变化前后传递的热量变化由，故变化前后K不变时1.44-18重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动，两种油的初温分别为243和128；终温分别为167和157。若维持两种油的流量和初温不变，而将两流体改为逆流，试求此时流体的平均温度差及它们的终温。假设在两种流动情况下，流体的物性和总传热系数均不变化，换热器的热损失可以忽略。解：由题意得：并流时：热流体（重油）：T1=243 T2=167冷流体（原油）：t1=128 t2=157改为逆流后：热流体（重油）：T1=243 T2=？冷流体（原油）：t2=？ t1=128同理：（1）（2）又（3）由（1）（ 2）（ 3）解得t2=161.41；T2=155.4434-19某厂用0.2MPa（表压）的饱和蒸汽（冷凝热为2169KJ/Kg，温度为132.9）将环丁砜水溶液由105加热至115后送入再生塔。已知流量为200m3/h，溶液的密度为1080kg/m3，比热容为2.93KJ/(Kg·)，试求水蒸气消耗量，又设所用传热器的总传热系数为700 W(m2·)，试求所需的传热面积。解：蒸汽消耗量4-20在一管壳式换热器中，用冷水将常压下纯苯蒸气冷凝成饱和液体。苯蒸气的体积流量为1650m3h，常压下苯的沸点为80.1，汽化热为394kJ/kg。冷却水的进口温度为20，流量为36000kgh，水的平均比热容为4.18KJ(kg·)。若总传热系数Ko为450W/(m2·)，试求换热器传热面积So。假设换热器的热损失可忽略。解：苯蒸气的密度为 解出 求 苯 80.1 80.1 水 31.6 20 48.5 60.14-21一传热面积为50m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种溶液。两流体呈逆流流动。冷水的流量为33 000kgh，温度由20升至38。溶液的温度由110降至60。若换热器清洗后，在两流体的流量和进口温度不变的情况下，冷水出口温度增到45。试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。假设：(1)两种情况下，流体物性可视为不变，水的平均比热容可取为4.187kJ/(kg·)；(2)可按平壁处理，两种工况下i和o分别相同；(3)忽略管壁热阻和热损失。解：求清洗前总传热系数K求清洗后传热系数由热量衡算 清洗前两侧的总传热热阻4-22在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体的进、出口温度分别为t1=20、t2=85，T1=100、T2=70。当冷流体的流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同，换热器热损失可忽略。解：热：T1=100 T2=70 冷：t2=85 t1=20热流体放热Q 放=qmhCph（T1 - T2 ） 冷流体吸热Q 吸=qmcCpc（t1-t2）由传热Q=KStm ， Q=29.07KS冷流体流量增加一倍后：热：T1=100 T2， 冷：t2 t1=20而K，S 不变， 又，用试差法得t2=63.8；T2=59.8Q/Q=1.34 4-23一定流量的空气在蒸汽加热器中从20加热到80。空气在换热器的管内呈湍流流动。绝压为180kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20，而空气的进、出口温度不变。试问应采取什么措施才能完成任务。作出定量计算。假设管壁和污垢热阻均可忽略。（答：将饱和蒸汽压强提高到200kPa)解：绝压为180kPa的饱和水蒸气温度为116.6则原工况： （1）流量加倍后，空气进、出口温度不变： （2）（2）/（1）得：解得：。 即加热蒸汽应上升为200kPa。4-24液态氨储存于壁面镀银的双层壁容器内，两壁间距较大。外壁表面温度为20，内壁外表面温度为-180，镀银壁的黑度为0.02，试求单位面积上因辐射而损失的冷量。解：按一物体被包住处理：=1和370，在它们中间放一个两面的黑度皆为0.05的辐射遮热板，试计算：（1）没有辐射遮热板时，单位面积的传热量为多少？（2）有辐射遮热板时，单位面积的传热量？（3）辐射遮热板的温度？ 解：（1）（2）（3）稳定状态下：