化工基础学习知识原理规范标准答案第四章传热.doc

.\ 第四章 传 热 热传导 【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为0.16W/(m℃)、厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为30℃，另测得距加热器平壁外表面250mm处的温度为75℃，如习题4-1附图所示。试求加热器平壁外表面温度。 解 计算加热器平壁外表面温度， 习题4-1附图 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率λ=0.043 W/(m℃)。若外表面温度为28℃，内表面温度为3℃，试计算单位表面积的冷量损失。 解 已知， 则单位表面积的冷量损失为 【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m2，材料的厚度为0.02m。现测得电流表的读数为2.8A，伏特计的读数为140V，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。 解 根据已知做图 热传导的热量 习题4-3附图 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m℃)，厚度；绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m℃)。 耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。 (1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm，试确定绝热砖层的厚度。 (2) 若普通砖层厚度为240mm，试计算普通砖层外表面温度。 解 (1)确定绝热层的厚度 温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度q。 习题4-4附图 绝热砖层厚度的计算 每块绝热砖的厚度为，取两块绝热砖的厚度为。 (2) 计算普通砖层的外侧壁温 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度 小于130℃，符合要求。 通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温。 【4-5】有直径为的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率λ=1.163W/(m℃)。试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍[黄铜的热导率λ=110W/(m℃)]。 解 因，因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管的热阻为 水垢的热阻为 习题4-5附图 倍 【4-6】某工厂用的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率为。管内壁温度为300℃，保温层外表面温度为40℃。管路长50m。试求该管路的散热量。 解 【4-7】水蒸气管路外径为108mm，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度的变化关系为。水蒸气管路外表面温度为150℃，希望保温层外表面温度不超过50℃，且每米管路的热量损失不超过。试确定所需保温层厚度。 解 保温层厚度以b表示 已知 解得保温层厚度为 保温层厚度应不小于13.3mm 对流传热 【4-8】冷却水在，长为2m的钢管中以的流速通过。水温由15℃升至25℃。求管壁对水的对流传热系数。 解 水的平均温度 查得20℃时水的密度，黏度，热导率λ=59.910-2 W/(m℃)，普朗特数。 雷诺数 湍流 对流传热系数的计算，水被加热，Pr的指数 =4367 W/(m2℃) 【4-9】空气以的流速通过的钢管，管长。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)若空气从管壁得到的热量为，钢管内壁的平均温度为多少。 解 已知 (1)对流传热系数计算 空气的平均温度 查得空气在时的物性数据， ，空气被加热，Pr的指数 雷诺数 　湍流 对流传热系数 　 (2)空气流速增加一倍，对流传热系数为 (3)若空气从管壁得到的热量为，计算钢管内壁平均温度 用式计算钢管内壁的平均温度。 已知空气进出口平均温度 在第(1)项中已计算出对流传热系数 钢管内表面积为 钢管内壁平均温度 【4-10】温度为10℃、压力为101.3kPa的空气，以的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动，空气出口温度为30℃。列管式换热器的外壳内径为190mm，其中装有37根的钢管，钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气的对流传热系数。 解 已知空气压力，温度， 空气的平均温度 查得空气在20℃的物性数据为：密度，比热容，热导率，黏度，普朗特数，空气被加热，Pr的指数 空气流动的截面积 湿润周边 当量直径 　　　 已知空气的流速 雷诺数 湍流 对流传热系数 【4-11】有一套管式换热器，内管为，外管为的钢管，内管的传热管长为2m。质量流量为的甲苯在环隙中流动，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 ，平均温度 甲苯在55℃的物性数据有：密度，比热容，热导率λ=0.128W/(m℃)，黏度 甲苯的质量流量 体积流量 甲苯在环隙中的流速计算 套管的内管外径，外管内径， 流速 甲苯对内管外表面的对流传热系数计算 套管环隙的当量直径　　 　湍流 甲苯被冷却 【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由70℃冷却到30℃，蛇管由的钢管3根并联而成，蛇管的圈径为0.6m。若甲苯的体积流量为，试求甲苯对钢管内表面的对流传热系数。 解 甲苯的温度 平均温度 甲苯在50℃时的物性数据为：密度，黏度，热导率，比热容 甲苯在3根并联蛇管中的流速计算 体积流量 ，蛇管内径， 流速 　　　　 雷诺数 　 湍流 普朗特数　　 弯管效应校正系数 对流传热系数计算 甲苯被冷却 　　　　　　 W/(m2℃) 【4-13】质量流量为1650kg/h的硝酸，在管径为、长为3m的水平管中流过。管外为300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。 解 在计算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数时，需要知道管外表面温度。 如何假设? 水蒸气冷凝的值一般为 按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为 取，估算壁温度 300kPa（绝对压力）时，水蒸气的饱和温度。 用式估算壁温度 先假设℃ 定性温度为膜温 冷凝水膜的物性参数 ℃时水的比汽化热　 水蒸气在水平管外冷凝的值计算 用式计算Q值 此Q值大于硝酸吸收的热量，说明假设的偏小。 重新用估算。 假设 膜温 　　　　　　　　 与前面计算的膜温基本一样，故冷凝水膜的物性数据也一样，只是计算式中的不同。 值计算 　　　　　　　 用验算壁温 与前面假设的相同。 【4-14】水在大容器内沸腾，如果绝对压力保持在，加热面温度保持130℃，试计算加热面上的热流密度。 解 水沸腾的对流传热系数计算 加热面上的热流密度 两流体间传热过程的计算 【4-15】载热体的流量为，试计算下列各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降温至283K；(3)比热容为的水溶液从290K加热到370K； (4)常压下20℃的空气加热到；(5)绝对压力为250kPa的饱和水蒸气，冷凝冷却成40℃的水。 解 (1) 水蒸气冷凝 比汽化热 放热量 (2) 苯胺　　平均温度 比热容 　　　　　 放热量 (3) 水溶液 比热容 吸热量 (4) 空气加热平均温度 比热容 吸热量 (5) 饱和水蒸气，饱和温度，比汽化热， 冷凝水从降至℃，平均温度 比热容 放热量 【4-16】用冷却水使流量为的硝基苯从355K冷却到300K，冷却水由15℃升到35℃，试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到，试求冷却水的出口温度。 解 硝基苯流量，平均温度比热容 硝基苯的放热量 (1) 冷却水用量计算 平均温度 比热容，密度 (2) 用水量时，求？ 用水量增大，水出口温度应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可知成反比，故 假设 水的平均温度 查得水的比热容，密度 计算 与假设相符。 【4-17】在一换热器中，用水使苯从80℃冷却到50℃，水从15℃升到35℃。试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。 解 (1)并流操作 苯 水 (2) 逆流操作 苯 水 　　 【4-18】　在1壳程2管程列管式换热器中用水冷却油，冷却水走管内，进口温度为，出口温度为50℃。油进口温度为120℃，出口温度为60℃。试计算两种流体的传热平均温度差。 解　属于折流 查得温差校正系数 【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为的苯胺从80℃加热到100℃。苯胺在平均温度下的密度为，比热容为。试计算：(1)水蒸气用量；(2)当总传热系数为时所需传热面积。 解 (1)水的比汽化热，苯胺体积流量， 苯胺吸收的热量为 水蒸气用量 (2) 计算传热面积A 已知，水蒸气的。 水蒸气 133.3℃ 133.3℃ 苯胺 【4-20】有一套管式换热器，内管为的钢管，内管中有质量流量为的热水，从90℃冷却到60℃。环隙中冷却水从20℃升到50℃。总传热系数。试求：(1)冷却水用量；(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积；(3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。 解 (1)冷却水用量计算 热水平均温度 冷水平均温度 热量衡算 (2) 并流 热水 　冷水 传热面积 (3) 逆流 热水 　 　　 传热面积 【4-21】　有1壳程2管程列管式换热器，用293K的冷水30t/h使流量为20t/h的乙二醇从353K冷却到313K，设总传热系数为，试计算所需传热面积。 解 乙二醇的平均温度， 比热容 习题4-21附图 乙二醇放出热量 从水的物理性质数据表上可知，水在范围内，比热容。假设，计算冷水出口温度。 冷水的平均温度 接近30℃，所假设的可以。 逆流平均温度差计算 折流的平均温度差计算 传热面积 　　　　　　　 【4-22】　有一外径为l00mm的水蒸气管，水蒸气温度为160℃。为了减少热量损失，在管外包覆厚度各为25mm的A、B两层绝热材料保温层，A与B的热导率分别为与。试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温度为20℃，保温层外表面对周围空气的对流（包括热辐射）传热系数。保温层内表面温度在两种情况下都等于水蒸气温度。 解 (1) A在内层，B在外层。以保温层外表面积为基准的总传热系数为 习题4-22附图 热量损失 单位长度的热损失为 (2) B在内层，A在外层，总传热系数为 计算结果表明，热导率小的绝热材料放在内层，热损失小。 【4-23】测定套管式换热器的总传热系数。数据如下：甲苯在内管中流动，质量流量为5000kg/h，进口温度为80℃，出口温度为50℃。水在环隙流动，进口温度为15℃，出口温度为30℃。水与甲苯逆流流动，传热面积为。问所测得的总传热系数为多大？ 解 甲苯， , 热负荷 【4-24】在一套管换热器中，内管中流体的对流传热系数，内管外侧流体的对流传热系数。已知两种流体均在湍流条件下进行换热。试回答下列两个问题：(1)假设内管中流体流速增加一倍；(2)假设内管外侧流体流速增加两倍。其他条件不变，试问总传热系数增加多少？以百分数表示。管壁热阻及污垢热阻可不计。 解 已知 (1) 内管中流体流速增加一倍， 增加37% (2) 增加27. 6% 增大小者，对增大K有利。 【4-25】　有一套管式换热器，内管为，外管为。内管中有流量为的苯被加热，进口温度为50℃，出口温度为80℃。套管的环隙中有绝对压力为200kPa的饱和水蒸气冷凝放热，冷凝的对流传热系数为。已知内管的内表面污垢热阻为，管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。试计算：(1)加热水蒸气用量；(2)管壁对苯的对流传热系数；(3)完成上述处理量所需套管的有效长度；(4)由于某种原因，加热水蒸气的绝对压力降至140kPa。这时，苯出口温度有何变化？应为多少度（设苯的对流传热系数值不变，平均温度差可用算术平均值计算）。 解 苯平均温度， 热负荷 (1) 水蒸气用量 (2) 苯的对流传热系数 　　　湍流 苯被加热 　 (3)管长 以管内表面积A1为基准 (4) 水蒸气绝对压力时，苯的出口温度。 时， 　 【4-26】在一套管换热器中，用绝对压力为200kPa的饱和水蒸气使流量为的氯化苯从30℃加热到70℃，氯化苯在内管中流动。因某种原因，氯化苯的流量减小到，但进、出口温度欲保持不变。为此，想把水蒸气压力降低一些，试问水蒸气的绝对压力应降到多少（两种情况下，管内氯化苯均为湍流流动，并且其对流传热系数比水蒸气冷凝的对流传热系数小很多。因此，水蒸气冷凝的热阻及管壁热阻均可忽略不计）？ 解 水蒸气绝对压力 氯化苯的流量 热负荷成正比， 氯化苯的对流传热系数的关系为 氯化苯的流量减小到， 总传热系数 水蒸气温度 压力 【4-27】欲将体积流量为（标准状况）的常压空气，用绝对压力为200kPa的饱和水蒸气加热，空气从10℃加热到90℃。现有一列管式换热器，其规格如下：钢管直径，管长1.6m，管数271根。如用此换热器，使空气在管内流动，水蒸气在管外冷凝，试验算此换热器面积是否够用？水蒸气冷凝时的对流传热系数可取为。 解 空气的平均温度 空气的物性参数 ， 空气流量 热负荷 水蒸气 平均温度差 　　　 空气流速 　　　湍流 已有换热器的传热面积为 够用 【4-28】有一钢制套管式换热器，质量流量为的苯在内管中，从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙中从15℃升到35℃。已知苯对管壁的对流传热系数为，管壁对水的对流传热系数为。计算总传热系数时，忽略管壁热阻，按平壁计算。试回答下列问题：(1)计算冷却水消耗量；(2)计算并流流动时所需传热面积；(3)如改变为逆流流动，其他条件相同，所需传热面积将有何变化？ 解 总传热系数K的计算 已知 苯 　 热负荷 (1) 冷却水消耗量 (2) 并流的传热面积A (3) 逆流时的传热面积A 逆流与并流比较，由于逆流的温度差较大，所以传热面积小了一些。 【4-29】 在一传热面积为20m2的列管式换热器中，壳程用110℃的饱和水蒸汽冷凝以加热管程中的某溶液。溶液的处理量为2.5104kg/h，比热容为4kJ/(kgK)。换热器初始使用时可将溶液由20℃加热至80℃。（1）该换热器使用一段时间后，由于溶液结垢，其出口温度只能达到75℃，试求污垢热阻值；（2）若要使溶液出口温度仍维持在80℃，在不变动设备的条件下可采取何种措施？做定量计算。 解：原工况条件下的对数平均温差：℃ 此操作条件下的总传热系数： W/ (m2K) （1） 使用一年后，溶液出口温度下降至75℃，此时的对数平均温差为 ℃ 总传热系数 W/(m2K) 污垢热阻 m2K/W （2） 在不变动设备的条件下，可通过提高加热蒸汽的温度使溶液出口温度仍然维持在80℃。 此时传热温差为 ℃ 即 由此解得 ℃ 【4-30】有一单管程的列管式换热器，其规格如下：管径为，管长为3m，管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却的饱和蒸气，自饱和温度46℃冷却到10℃。在管外冷凝，其流量为，比汽化热为。冷却水在管内，进口温度为5℃，出口温度为32℃。逆流流动。已知的冷凝和冷却时的总传热系数分别为和（以内表面积为基准）。试问此换热器是否合适？ 习题4-30附图 解 质量流量， 冷凝段，的比汽化热 冷凝段热负荷 冷却段 冷却段热负荷 冷却水 冷却水用量 水在两段之间的温度，用冷却段热负荷计算。 冷凝段平均温度差为 冷却段平均温度差为 冷凝段传热面积为 冷却段传热面积为 总传热面积 现有换热器的传热面积按传热管内表面积计算 传热面积够用。 【4-31】在一套管式换热器中，用120℃的饱和水蒸气在环隙中冷凝放热，使内管中湍流流动的流量为的苯从20℃加热到80℃。当流量增加到时只能从20℃加热到76℃。试计算换热器的传热面积和流量为时的总传热系数K。[计算时，水蒸气冷凝的值取用。可忽略管壁热阻及污垢热阻，并可当平壁处理。两种情况下苯的比热容认为相同]。 解 苯的流量 时 水蒸气 　T=120℃ 　T=120℃ 苯 　　　 苯的流量时 水蒸气 T=120℃ 　　T=120℃ 苯 　　 传热速率方程 苯的流速与流量的关系 苯的对流传热系数与流速的关系 总传热系数与传热管内外两侧的对流传热系数与的关系为 解得 　　　　　　 故 　　 由求传热面积 用平均温度，查得苯的比热容 也可以由求传热面积 热辐射 【4-32】外径为50mm、长为10m的氧化钢管敷设在截面为200mm200mm的红砖砌的通道内，钢管外表面温度为250℃，通道壁面温度为20℃。试计算辐射热损失。 解 钢管被红砖通道包围，角系数 辐射传热面积 红砖通道的表面积宽长 查得氧化钢材表面的黑度，红砖的黑度。 总辐射系数 辐射热损失为 【4-33】 冷藏瓶由真空玻璃夹层构成，夹层中双壁表面上镀银，镀银壁面黑度。外壁内表面温度为35℃，内壁外表面温度为0℃。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。 解 内壁外表面温度，外壁内表面温度，两表面镀银，两表面积。, 总辐射系数 每单位面积的辐射散热量 q为负值，表明热量从外壁向内壁传递。 【4-34】 水蒸气管路横穿室内，其保温层外径为70mm，外表面温度为55℃，室温为25℃，墙壁温度为20℃。试计算每米管路的辐射散热损失及对流散热损失。保温层外表面黑度。 解 (1) 辐射散热损失 管路被大房间包围，角系数，辐射传热面积为管路表面积 总辐射系数 辐射传热速率计算式为 每米管路的辐射散热损失为 (2) 对流散热损失 按大空间自然对流传热计算管路外表面温度55℃与室温25℃的平均温度 每米管路的对流散热损失为 计算结果表明辐射散热损失大于对流散热损失。