化工原理答案传热.docx

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化工原理答案传热

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（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，

【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=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

【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=（m·℃），厚度；绝热砖层，热导率λ=（m·℃）；普通砖层，热导率λ=（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。

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=（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

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=×10-2W/（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

=4367W/（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=（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

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

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