化工原理答案第四章传热docx.docx
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化工原理答案第四章传热docx
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t275℃,t330℃
计算加热器平壁外表面温度t1，0.16W/（m℃）
t1
75
75
30
1
45
025
75
300
0.25
0.05
t
005
.
℃
0.16
0.16
.
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=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
t13℃,
t228℃,
=0043W／m℃
）,
b
003m
，
.
（
.
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
QI
V
2.8
140
392W
Qb
392
002
习题4-3附图
.
A（t1
002280
100
t2）.
（
）
【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b
230mm；
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b2
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b2的计算
每块绝热砖的厚度为
0．23m，取两块绝热砖的厚度为
习题4-4
附图
b20.2320．46m。
（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t3
t3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
t4。
【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38
2，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
32
水垢的热阻为
0001
.
1163
0033L
..
0001
习题4-5附图
R垢
.
1163
0033
倍
.
.
516
R铜
0002
.
.
110
0036
.
【4-6】某工厂用
170mm5mm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/（m
K）；第二层为厚
30mm的石棉灰，其
热导率为
0.21W/（mK）。
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
层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度t/℃
系为0.0330.00023tW/（mK）。
水蒸气管
温度为150℃，希望保温层外表面温度不超
且每米管路的热量损失不超过160W/m。
试
表面包一
的变化关
路外表面
过50℃，
确定所需
保温层厚度。
解保温层厚度以b表示
已知t1150℃,t250℃,q160W/m
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19mm2mm，长为2m的钢管中以1m/s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
d0.015m,l
2m,
u
1m/s,t1
15℃,t225℃
水的平均温度
tm
t1
t2
1525
20
2
2
℃
查得20℃时水的密度
998.2kg/m3，黏度
1.004
103Pas
-2
，热导率λ=×10W/（m·℃），普
朗特数Pr
7.02。
l
2
133
60
0015
d
.
雷诺数
0015
1
9982
149
4
湍流
Re
du.
.
10
1004
103
.
.
对流传热系数的计算，水被加热，
Pr的指数n
0.4
=4367W/（m
2·℃）
【4-9】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）
若空气从管壁得到的热量为
578W，钢管内壁的平均温度为
多少。
解
已知u
4m/s,d
0.068m,l
5m,
t1
32℃,
t268℃
（1）
对流传热系数
计算
空气的平均温度
tm
32
68
50
2
℃
查得空气在
50℃时的物性数据
1.093kg/m3，
Pr0．698，空气被加热，
Pr的指数n
04．
雷诺数
du
0068
4
1093
15210
4
湍流
Re
.
.
196105
.
.
对流传热系数
0023
0
.8
0．4
Re
Pr
.
d
（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
578W
，计算钢管内壁平均温度
用式Q
A（tw
tm）计算钢管内壁的平均温度
tw。
已知空气进出口平均温度
tm
50
℃
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
A
dl
0.068
5
1.07m2
钢管内壁平均温度
tw
tw
Q
50
578
79.4℃
A
184
107
.
.
【4-10
】温度为10℃、压力为的空气，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
30℃。
列管式换热器的外壳内径为
190mm，其中装有
37根的19mm
2mm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t1
10℃,
t230℃，
空气的平均温度
tm
10
30
20
2
℃
查得空气在
20℃的物性数据为：
密度
1.128kg/m3，比热容
cp
1.005103J/（kg℃），热导率
2.76102W／（m℃），黏度
1.91
10
5Pa
s，普朗特数Pr
0.699，空气被加热，Pr的指数n0.4
空气流动的截面积
0192
37
00192
4
.
.
湿润周边
（0.19
37
0019．）
4
0
192
37
0
.
019
2
（.
）
当量直径
4
0.0255
de
（0.19370.019）
已知空气的流速
u10m/s
deu
0.0255
10
1128
4
雷诺数
Re
=
.
=151
10
湍流
19110
5
.
.
对流传热系数
【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
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℃
，平均温度
Tm
T1
T272
38
55
2
2
℃
甲苯在
55℃的物性数据有：
密度
830kg/m3
，比热容cp
1.83
103J/（kg℃），热导率
λ=（m·℃），黏度4.3
104Pa
s
甲苯的质量流量
qm1
2530kg/h
体积流量
qv1
qm1/
2530/830
3.05m
3/h
甲苯在环隙中的流速
u计算
套管的内管外径
d1
0．038m，外管内径
d2
0.051m
，
流速
u
3.05
0.933
m/s
（0.0512
0.0382
3600
4
）
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
ded
2
d
1
0051
0038
0013
．
．
．m
e
0013
0933
830
4
Re
du..
234
10
湍流
43
104
.
.
甲苯被冷却
n0.3
【4-12
】
甲苯在一蛇管冷却器中由
70℃冷却到
30℃，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
3
3m
/h，试求甲苯对钢管内表面的对流传热系数。
解
甲苯的温度
T1
70℃,
T2=30℃
平均温度
Tm
70
30
50℃
2
甲苯在
50℃时的物性数据为：
密度
836kg/m3，黏度
4.4104Pas，热导率
0.129W／（m℃），比热容cp
1.77
103
J/（kg
℃）
甲苯在3根并联蛇管中的流速
u计算
体积流量
qv
3m3/h，蛇管内径
d
0.04m，
流速
qV
3/
3600
0.221m/s
u
0.785
（0.04）2
2
3
3
d
4
雷诺数
du
0．04
0．221
836
=168.
4
湍流
Re
44
104
10
.
cp
3
4
177
10
44
10
普朗特数
Pr
.
.
604
0129
.
.
d
004
弯管效应校正系数
.
R
1
177
1
177
124
.
R
.
03
.
.
对流传热系数
计算
甲苯被冷却
n
0.3
0129
40.8
.
0.3
2
0023
004
168
10
）
604
124
379
W/（m
·℃）
.
（.
.
.
.
【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tw。
如何假设tw?
水蒸气冷凝的
值一般为
5000~15000W／（m
℃）
按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为
Q3.8
104W
取1000W／（m℃），估算壁温度tw
300kPa（绝对压力）时，水蒸气的饱和温度
.
ts1333℃。
用式Q
A（tstw）估算壁温度
tw
先假设tw
128
℃
定性温度为膜温
t
tstw133
.3
128
131℃
2
2
冷凝水膜的物性参数
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