化工原理答案第四章传热Word文件下载.docx
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130Co
(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qo
q(t1t2)
匹(1000940)274W/m2
0.23
绝热砖层厚度b2的计算
q2(t2t3)
b2
0.151
b2(940130)0.446m
274
习题4-4附图
每块绝热砖的厚度为0.23m,取两块绝热砖的厚度为
tb0.2320.46m。
(2)计算普通砖层的外侧壁温t4
先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度ts
t3t2徑940匕一土105.3C
20.151
t3小于130C,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
3
qE(t314)
t4t3坐105.32740.2434.6C
30.93
【4-5】有直径为38mm2mm的黄铜冷却管,假如管内生成厚度为
1mm的水垢,水
垢的热导率入=1.163W/(m•C)。
试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍[黄铜的热导率
入=110W/(m・q)
_38
解因322,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
bb
1Am11dm1L
0.002
0.036L
b>
2Am2
2dm2L
0.001
1.1630.033L
习题4-5附图
忠1.1630.033516倍
艮同0.002
1100.036
【4-6】某工厂用170mm
5mm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0.065W/(mK);
第二层为厚
30mm的石棉灰,其热导率为
0.21W/(mK)。
管内壁温度为300C,保温层外表面温度为
40°
CO管路长50m。
试求该管路的散热量。
230叱
gill
F
7
&
呎03m
F:
F08%TI
r弍I|5ti
岭=CMSm
2(tlt4)
1r21r3
In-In3
iri2「2
3「3
2(30040)
18511151145
InInIn
45800.065850.21115
284W/m
4
Qqj284501.4210W
14.2kW
【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t/C的变化关系为0.0330.00023tW/(mK)。
水蒸气管路外表面温度为150C,希望保
温层外表面温度不超过50C,且每米管路的热量损失不超过160W/m。
试确定所需保温层
厚度。
解保温层厚度以b表示
2rdt
dr
-J£
2(0.0330.00023t)rdtdr
r2dr
ql
「1r
.r
qIIn2
20(0.0330.00023t)dt
t1
0.033(t1t2)
0.00232
(t1
已知t150C,t250C,q160W/m
r0.054m,r2r1b0.054b
160
22
0.0663.14(15050)0.000233.14(15050)
In1
0.054
In1丄20^45
0.054160
解得保温层厚度为
b0.0133m13.3mm
保温层厚度应不小于13.3mm
对流传热
【4-8】冷却水在19mm2mm,长为
2m的钢管中以1m/s的流速通过。
水温由15C升
至25C。
求管壁对水的对流传热系数。
d0.015m,I2m,u1m/s,匕
15C,t2
25C
水的平均温度
查得20C时水的密度998.2kg/m3
,黏度
1.004103Pas,热导率入=59.9X10
l2
W/(m•C),普朗特数Pr7.02。
-一
d0.015
du0.0151998.2…心Re31.4910
1.00410
13360
雷诺数
湍流
对流传热系数的计算,水被加热,
Pr的指数n
0.4
08
0-023dRe.
Pr0"
0.023整
0.015
40804
(1.4910).(7.02).
=4367W/(m
2•C)
【4-9】空气以
4m/s的流速通过
75.5mm3.75mm的钢管,管长5m。
空气入口温度为
32C,出口温度为
68C。
(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
578W,钢管
内壁的平均温度为多少。
解已知u4m/s,
d0.068m,l
5m,t1
32C,t268C
(1)对流传热系数
计算
空气的平均温度
3268tm
查得空气在
50C时的物性数据
1.093kg
Pr0.698,
5
1.9610Pas,
2。
。
2.8310W/(mC),Cp1.005kJ/(kgC)
空气被加热,Pr的指数n04
Re竝0.068410931.52104湍流
1.96105
对流传热系数
60
0.023—Re08Pr0'
d
2
2.8310
0.023-
0.068
(1.52
104)08
(0.698)0.418.4W/(m2C)
(2)空气流速增加一倍,对流传热系数
08u'
.
184
2°
32W/(m°
C)
578W,计算钢管内壁平均温度
用式Q(twtm)计算钢管内壁的平均温度tw。
已知空气进出口平均温度
tm50C
在第
(1)项中已计算出对流传热系数
18.4W/(m2
钢管内表面积为
Adl
0.0685
1.07m2
钢管内壁平均温度
twtw
QA50
578
18.41.07
79.4C
【4-10】温度为10C、压力为
101.3kPa的空气,
以10m/s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
30C。
列管式换热器的外壳内径为
190mm,其中装
有37根的19mm2mm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
101.3kPa,温度
110C,t230C,
‘1030
tm2
20C
查得空气在20C的物性数据为:
密度
1.128kg/m3,比热容Cp1.005103J/(kgC),
热导率2.76102W/(m
C),黏度
1.91105Pas,普朗特数Pr0.699,空气被加热,Pr
的指数n0.4
空气流动的截面积
一0.192370.0192
当量直径
湿润周边
(0.19370019)
4-(0.19370.019)
—400255
(0.19370.019)
已知空气的流速
u10m/s
d70.0255
78.460
'
e
雷诺数Re哙普
104湍流
=0.023_Re。
8pr0.4002327610
de'
0.0255
(1.51104)0.80.6990.4
47.5W/(m2°
【4-11】有一套管式换热器,内管为
38mm2.5mm,外管为57mm3mm的钢管,内管
的传热管长为2m。
质量流量为2530kg/h的甲苯在环隙中流动,进口温度为
72C,出口温
度为38C。
试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。
甲苯的温度T72C,T238C,平均温度Tm
723855C
甲苯在55C的物性数据有:
830kg/m3,比热容
Cp1.8310J/(kgC),热导率
入=0.128W/(m•C),黏度4.3104Pas
甲苯的质量流量qm12530kg/h
体积流量
qvi
甲苯在环隙中的流速
u计算
套管的内管外径di
0.038m,外管内径d20.051m,
305
流速u
36004(°
.。
512°
.°
38
0.933m/s
甲苯对内管外表面的对流传热系数
套管环隙的当量直径
ded2
2)
di
0.0510.0380.013m
Red^U
0.0130.933830
4.310
2.34104
Pr
Cp
1.83103
4.3
104
0.128
6.15
甲苯被冷却n0.3
0803
0.023Re.Pr.
de
0.12840.80.3
0.0232.341046.15
0.013
1222W/(m2C)
【4-12】甲苯在一蛇管冷却器中由70C冷却到30C,蛇管由45mm2.5mm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
3m3/h,试求甲苯对钢管内表面的
对流传热系数。
解甲苯的温度「70C,T2=30C
7030
平均温度Tm50C
甲苯在50C时的物性数据为:
密度836kg/m3,黏度4.4104Pas,热导率
0.129W4mC),比热容Cp1.7710J/(kgC)
甲苯在3根并联蛇管中的流速U计算
体积流量qv3m3/h,蛇管内径d0.04m,
流速
u
d2
3/3600
0.221m/s
30.785(0.04)2
duRe
0.040221836
=1.68
4.4104
普朗特数
cpPr
1.77104.4
10
6.04
0.129
弯管效应校正系数
R
11.77-
11.770041.24
0.3
甲苯被冷却n
0.0230.129(1.68104)0'
86.040.31.24379W/(m•C)
0.04
【4-13】质量流量为1650kg/h的硝酸,在管径为80mm2.5mm、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3.8104W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tw?
水蒸气冷凝的值一般为5000~15000W/(mC)
按题意,饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为Q3.8104W
取1000W/(mC),估算壁温度tw
300kPa(绝对压力)时,水蒸气的饱和温度ts133.3C。
用式QA(tstw)估算壁温度
Q133.3
竺104128C
100000.083
先假设tw128C
定性温度为膜温
tstw
133.3128
131C
冷凝水膜的物性参数
934kg/m3
2.16104Pas,
6.86101W/(mC)
ts133.3C时水的比汽化热
r216810J/kg
水蒸气在水平管外冷凝的值计算
23
0.725一g_-
dot
0.725
93429.81(6.86101)2168103
Q115580.083
133.312846164W
此Q值大于硝酸吸收的热量,说明假设的
tw偏小。
重新用
11558W^m2C)估算tw。
tA
tsA
133.3
3810
=129C
115580.083
假设tw129C
膜温
ttstw
133・3129131C
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
ttstw133.3129
4.3不同。
值计算
0.72593429-81(6-86101)32168103
2.16104
0.08(1333129)
11216MmC)
用11216W/(m2
3810
.129C
112160.083
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p200kPa,加热面温度保持130C,
试计算加热面上的热流密度
p200kPa,t
•s
120.2C,tw130C
ts130120.29.8C
水沸腾的对流传热系数
0.123t2.33p0.5
Q4522
qAt1J2109.81J10W/m110kW/m
两流体间传热过程的计算
【4-15】载热体的流量为1500kg/h,试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。
(1)100C的饱和水蒸气冷凝成100C的水;
(2)苯胺由383K降温至283K;
(3)比热容为
3.77kJ/(kgK)的NaOH水溶液从290K加热到370K;
(4)常压下20C的空气加热到150°
C;
⑸绝对压力为250kPa的饱和水蒸气,冷凝冷却成40C的水。
1500
3600
kg/s
(1)水蒸气冷凝
比汽化热
放热量
Q
1500qmr
⑵苯胺
平均温度Tm
比热容
cp
qmCpTT2
(3)NaOH水溶液比热容
吸热量
r2258kJ/kg
2258941kW
383283
333K
2.19kJ/(kg
K)
1500c“
=219
383
283
913
kW
Cp3.77kJ/
kgK
377
370
290
126
20150
85C
(4)空气加热平均温度tm
比热容Cp1.009kJ/kgC
卄rr=1500
吸热量QqmCpt2t1=1.0091502054.7kW
p3600
⑸饱和水蒸气p250kPa,饱和温度
127.2C,比汽化热r2185kJ/kg,
冷凝水从
127.2C降至t240平均温度
tm
127.240
83.6C
Cp4.196kJ/kgC
Qqm[rCp(tst2)]
150021854.196127.2401063kW
355K冷却到300K,冷却水由15C
3.5m3/h,试求冷却水的出口温度。
Cpi
解硝基苯流量
1.58kJ/kgK
2000kg/h,平均温度
TT1T2
Im
355300
2-^-=327%比热容
硝基苯的放热量
QqmiCpiTiT2
(1)冷却水用量计算
比热容Cp2
4.179kJ/
(2)用水量
qv2
用水量增大,
2000
158
48.3kW
平均温度tm
kgC,密度
qm2
t1t2=15
2—
997kg/m3
3525C
4833600
Cp2(t2t1)4.179(3515)
2080kg/h
qv2亚
2.09m3/h
3.5m/h时,求t2?
水出口温度
t2应降低。
先假设水的比热容及密度不变。
从上面的计算式可
【4-16】用冷却水使流量为2000kg/h的硝基苯从
升到35C,试求冷却水用量。
若将冷却水的流量增加到
知qv2与t2t1成反比,故
t215
竺芒,t226.9C
3.53515
假设t226.9C
t2t1
..3
查得水的比热容Cp4.182kJ/kgC,密度998kg/m
计算t2
Cp2qm2Cp2qv2
48・3360026.9C
4.1823.5998
与假设相符。
【4-17】在一换热器中,用水使苯从
80C冷却到50C,水从15C升到35C。
试分别
计算并流操作及逆流操作时的平均温度差。
解⑴并流操作
苯T80CT50C
水t15Ct235C
t__65C1;
15C
虫并
In
6515
65
In—
15
34.1C
(2)逆流操作
苯T80CT>
50C
t,/t245/352
t;
35Ct,15C水
"
t,__45C"
__35C
△t逆
4535
-2-
【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
20C,出口温度为50C。
油进口温度为120C,出口温度为60C。
试计算两种流体的传热
平均温度差。
解属于折流
602040C,tjt270/402
△逆
△1
△t2
70
40
55C
T
T2
120
t2
50
20
30
P
100
查得温差校正系数
0.91
薔1205070C,
/NWC
宙(
门TC
tmtm逆0.915550C
【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为80m^h的苯胺从80C加热
到100C。
苯胺在平均温度下的密度为955kg/m3,比热容为2.31kJ/(kgC)。
试计算:
(1)
水蒸气用量(kg/h);
(2)当总传热系数为800W/(m2°
C)时所需传热面积。
解
(1)水的比汽化热r2168kJ/kg,苯胺体积流量qv280m3/h,
苯胺吸收的热量为
Qqv2Cpt2ti809552.3110310080
96
3.5310J/h3.5310kJ/h
9.8105W
6
水蒸气用量qm1Q3.53101628kg/h
r2168
(2)计算传热面积A
已知K800W/(m2C),水蒸气的p300kPa,t133.3C。
水蒸气133.3C133.3C
苯胺
80C
100C
△m
t53.3C
t233.3C
少生53.333.3
__22
43.3C
9.8105
80043.3
28.3m
【4-20】有一套管式换热器,内管为180mm10mm的钢管,内管中有质量流量为
3000kg/h的热水,从90C冷却到60C。
环隙中冷却水从20C升到50C。
总传热系数
K2000W/(m2C)。
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qm2计算