化工原理答案 第四章 传热

第四章 传 热

热传导

【4-1】有一加热器,为了减少热损失,在加热器得平壁外表面,包一层热导率为0、16W/(m·℃)、厚度为300mm 得绝热材料。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 处得温度为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,其保冷壁就是由30mm 厚得软木做成得。软木得热导率λ=0、043 W/(m·℃)。若外表面温度为28℃,内

表面温度为3℃,试计算单位表面积得冷量损失。

解 已知,

则单位表面积得冷量损失为

【4-3】用平板法测定材料得热导率,平板状材料得一侧用电热器加热,另一侧用冷水冷却,同时在板得两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体得表面积为0、02m 2,材料得厚度为0、02m 。现测得电流表得读数为2、8A,伏特计得读数为140V,两侧温度分别为280℃与100℃,试计算该材料得热导率。

解 根据已知做图 热传导得热量

【4-4】燃烧炉得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℃,绝热砖得耐热温度为940℃,普通砖得耐热温度为130℃。

(1) 根据砖得耐热温度确定砖与砖接触面得温度,然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm,试确定绝热砖层得厚度。

(2) 若普通砖层厚度为240mm,试计算普通砖层外表面温度。

解 (1)确定绝热层得厚度

温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层得热传

习题4-1附图

习题4-3附图

导计算热流密度q 。

绝热砖层厚度得计算

每块绝热砖得厚度为,取两块绝热砖得厚度为。 (2) 计算普通砖层得外侧壁温

先核算绝热砖层与普通砖层接触面处得温度

小于130℃,符合要求。

通过普通砖层得热传导,计算普通砖层得外侧壁温。

【4-5】有直径为得黄铜冷却管,假如管内生成厚度为1mm 得水垢,水垢得热导率λ=1、163W/(m·℃)。试计算水垢得热阻就是黄铜管热阻得多少倍[黄铜得热导率λ=110W/(m·℃)]。

解 因,因算术平均半径计算导热面积。管长用L 表示。黄铜管得热阻为

水垢得热阻为

倍

【4-6】某工厂用得无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途得热损失,在管外包两层绝热材料,第一层为厚30mm 得矿渣棉,其热导率为;第二层为厚30mm 得石棉灰,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 。试求该管路得

散热量。

解

【4-7】水蒸气管路外径为108mm,其表

面

习题4-4附图

习题4-5附图

包一层超细玻璃棉毡保温,其热导率随温度得变化关系为。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℃,且每米管路得热量损失不超过。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 得钢管中以得流速通过。水温由15℃升至25℃。求管壁对水得对流传热系数。

解

水得平均温度

查得20℃时水得密度,黏度,热导率λ=59、9×10-2 W/(m·℃),普朗特数。 雷诺数 湍流

对流传热系数得计算,水被加热,Pr 得指数

=4367 W/(m 2·℃)

【4-9】空气以得流速通过得钢管,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得对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍,其她条件均不变,对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到得热量为,钢管内壁得平均温度为多少。

解 已知

(1)对流传热系数计算 空气得平均温度 查得空气在时得物性数据,

.,./(),./()p Pa s W m c kJ kg μλ--=??=??=?5219610 28310 1005℃℃

,空气被加热,Pr 得指数 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)若空气从管壁得到得热量为,计算钢管内壁平均温度

用式计算钢管内壁得平均温度。

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得空气,以得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℃。列管式换热器得外壳内径为190mm,其中装有37根得钢管,钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气得对流传热系数。

解已知空气压力,温度,

空气得平均温度

查得空气在20℃得物性数据为:密度,比热容,热导率,黏度,普朗特数,空气被加热,Pr得指数

空气流动得截面积

湿润周边

当量直径

已知空气得流速

雷诺数湍流

对流传热系数

【4-11】有一套管式换热器,内管为,外管为得钢管,内管得传热管长为2m。质量流量为得甲苯在环隙中流动,进口温度为72℃,出口温度为38℃。试求甲苯对内管外表面得对流传热系数。

解

甲苯得温度,平均温度

甲苯在55℃得物性数据有:密度,比热容,热导率λ=0、128W/(m·℃),黏度

甲苯得质量流量

体积流量

甲苯在环隙中得流速计算

套管得内管外径,外管内径,

流速

甲苯对内管外表面得对流传热系数计算

套管环隙得当量直径

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℃,蛇管由得钢管3根并联而成,蛇管得圈径为0、6m。若甲苯得体积流量为,试求甲苯对钢管内表面得对流传热系数。

解甲苯得温度

平均温度

甲苯在50℃时得物性数据为:密度,黏度,热导率,比热容

甲苯在3根并联蛇管中得流速计算

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得硝酸,在管径为、长为3m得水平管中流过。管外为300kPa(绝对压力)得饱与水蒸气冷凝,使硝酸得到得热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时得对流传热系数。

解在计算水蒸气在水平管外冷凝得对流传热系数时,需要知道管外表面温度。

如何假设?

水蒸气冷凝得值一般为

按题意,饱与水蒸气冷凝传给硝酸得热量为

取,估算壁温度

300kPa(绝对压力)时,水蒸气得饱与温度。

用式估算壁温度

先假设℃

定性温度为膜温

冷凝水膜得物性参数

℃时水得比汽化热

水蒸气在水平管外冷凝得值计算

用式计算Q值

此Q值大于硝酸吸收得热量,说明假设得偏小。

重新用估算。

假设

膜温

与前面计算得膜温基本一样,故冷凝水膜得物性数据也一样,只就是计算式中得不同。

值计算

用验算壁温

与前面假设得相同。

【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℃,试计算加热面上得热流密度。

解

水沸腾得对流传热系数计算

加热面上得热流密度

两流体间传热过程得计算

【4-15】载热体得流量为,试计算下列各过程中载热体放出或吸收得热量。(1) 100℃得饱与水蒸气冷凝成100℃得水;(2)苯胺由383K降温至283K;(3)比热容为得水溶液从290K加

热到370K; (4)常压下20℃得空气加热到;(5)绝对压力为250kPa得饱与水蒸气,冷凝冷却成40℃得水。

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) 饱与水蒸气,饱与温度,比汽化热,

冷凝水从降至℃,平均温度

比热容

放热量

【4-16】用冷却水使流量为得硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15℃升到35℃,试求冷却水用量。若将冷却水得流量增加到,试求冷却水得出口温度。

解硝基苯流量,平均温度比热容

硝基苯得放热量

(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。先假设水得比热容及密度不变。从上面得计算式可知成反比,故

假设

水得平均温度

查得水得比热容,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得平均温度差。

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℃。试计算两种流体得传热平均温度差。

解属于折流

查得温差校正系数

【4-19】用绝对压力为300kPa得饱与水蒸气将体积流量为得苯胺从80℃加热到100℃。苯胺在平均温度下得密度为,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)水得比汽化热,苯胺体积流量,

苯胺吸收得热量为

水蒸气用量

(2) 计算传热面积A 已知,水蒸气得。

水蒸气133、3℃133、3℃

苯胺

【4-20】有一套管式换热器,内管为得钢管,内管中有质量流量为得热水,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)并流流动时得平均温度差及所需传热面积;(3)逆流流动时得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

()()...338241741050203000419110906037710 ／m q J h ???-=???-=?

(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 得冷水30t/h 使流量为20t/h 得乙二醇从353K 冷却到313K,设总传热系数为,试计算所需传热面积。

解

乙二醇得平均温度, 比热容

乙二醇放出热量

从水得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。

冷水得平均温度 接近30℃,所假设得可以。 逆流平均温度差计算

折流得平均温度差计算

习题4-21附图

传热面积

【4-22】有一外径为l00mm得水蒸气管,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得A、B两层绝热材料保温层,A与B得热导率分别为与。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

面对周围空气得对流(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得总

传热系数为

习题4-22附图热量损失

单位长度得热损失为

(2) B在内层,A在外层,总传热系数为

计算结果表明,热导率小得绝热材料放在内层,热损失小。

【4-23】测定套管式换热器得总传热系数。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。问所测得得总传热系数为多大？

解甲苯,

,

热负荷

【4-24】在一套管换热器中,内管中流体得对流传热系数,内管外侧流体得对流传热系数。

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。其她条件不变,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。内管中有流量为得苯被加热,进口温度为50℃,出口温度为80℃。套管得环隙中有绝对压力为200kPa 得饱与水蒸气冷凝放热,冷凝得对流传热系数为。已知内管得内表面污垢热阻为,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)管壁对苯得对流传热系数;(3)完成上述处理量所需套管得有效长度;(4)由于某种原因,加热水蒸气得绝对压力降至140kPa 。这时,苯出口温度有何变化？应为多少度(设苯得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) 苯得对流传热系数

湍流

苯被加热

(3)管长

以管内表面积A 1为基准

/() (211141)

22

11

621 1100511

1000048930057

10d K W m K d R d αα=

=

=?++++

(4) 水蒸气绝对压力时,苯得出口温度。

时,

【4-26】在一套管换热器中,用绝对压力为200kPa得饱与水蒸气使流量为得氯化苯从30℃加热到70℃,氯化苯在内管中流动。因某种原因,氯化苯得流量减小到,但进、出口温度欲保持不变。为此,想把水蒸气压力降低一些,试问水蒸气得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得对流传热系数小很多。因此,水蒸气冷凝得热阻及管壁热阻均可忽略不计)？

解水蒸气绝对压力

氯化苯得流量

热负荷成正比,

氯化苯得对流传热系数得关系为

氯化苯得流量减小到,

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)得常压空气,用绝对压力为200kPa得饱与水蒸气加热,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就是否够用？水蒸气冷凝时得对流传热系数可取为。

解空气得平均温度

空气得物性参数

,

空气流量

热负荷

水蒸气

平均温度差

空气流速

湍流

已有换热器得传热面积为

够用

【4-28】有一钢制套管式换热器,质量流量为得苯在内管中,从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙中从15℃升到35℃。已知苯对管壁得对流传热系数为,管壁对水得对流传热系数为。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,其她条件相同,所需传热面积将有何变化？

解总传热系数K得计算

已知

苯

热负荷

(1) 冷却水消耗量

(2) 并流得传热面积A

(3) 逆流时得传热面积A

逆流与并流比较,由于逆流得温度差较大,所以传热面积小了一些。

【4-29】在一传热面积为20m2得列管式换热器中,壳程用110℃得饱与水蒸汽冷凝以加热管

程中得某溶液。溶液得处理量为2、5?104kg/h,比热容为4kJ/(kg?K)。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℃,在不变动设备得条件下可采取何种措施？做定量计算。

解:原工况条件下得对数平均温差:℃

此操作条件下得总传热系数:

W/ (m2?K)

（1）使用一年后,溶液出口温度下降至75℃,此时得对数平均温差为

℃

总传热系数W/(m2?K)

污垢热阻

m2?K/W

（2）在不变动设备得条件下,可通过提高加热蒸汽得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】有一单管程得列管式换热器,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得饱与蒸气,自饱与温度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。已知得冷凝与冷却时得总传热系数分别为与(以内表面积为基准)。试问此换热器就是否合适？

解质量流量,

冷凝段,得比汽化热

冷凝段热负荷

冷却段

冷却段热负荷

习题4-30附图冷却水

冷却水用量

水在两段之间得温度,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

现有换热器得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℃得饱与水蒸气在环隙中冷凝放热,使内管中湍流流动得流量为得苯从20℃加热到80℃。当流量增加到时只能从20℃加热到76℃。试计算换热器得传热面积与流量为时得总传热系数K。[计算时,水蒸气冷凝得值取用。可忽略管壁热阻及污垢热阻,并可当平壁处理。两种情况下苯得比热容认为相同]。

解苯得流量时

水蒸气T=120℃T=120℃

苯→

苯得流量时

水蒸气T=120℃T=120℃

苯→

传热速率方程

苯得流速与流量得关系

苯得对流传热系数与流速得关系

总传热系数与传热管内外两侧得对流传热系数与得关系为

解得

故

由求传热面积

用平均温度,查得苯得比热容

也可以由求传热面积

热辐射

【4-32】外径为50mm、长为10m得氧化钢管敷设在截面为200mm×200mm得红砖砌得通道内,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

红砖通道得表面积宽长

查得氧化钢材表面得黑度,红砖得黑度。

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得散热量。

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

每单位面积得辐射散热量

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℃。试计算每米管路得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

每米管路得辐射散热损失为

(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℃得平均温度

每米管路得对流散热损失为

计算结果表明辐射散热损失大于对流散热损失。