化工原理答案传热

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1、料。已平壁外力、o试热传导【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/(mC)、厚度为300mm的绝热材测得绝热层外表面温度为30C,另测得距加热器表面250mm处的温度为75C，如习题4-1附图所求加热器平壁外表面温度。解t275C,t330C计算加热器平壁外表面温度ti，0.16W/(mC)ti7575300.250.050.160.16ti450.2575300C0.05【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。软木的热导率入=0.043W/(mC)。若外表面温度为28C，内表面温度为3C,试计算单位表面积的冷量损失。解已知t13

2、C,t228C,=0.043W4mC),b0.03m，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F-I4OV-.带;1!-002m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280C和100C,试计算该材料的热导率解根据已知做图热传导的热量QIV2.8140392WQb3920.02A(tit2)0.02(280100)【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率入=1.05W/(mC)，厚度b

3、230mm;绝热砖层，热导率入=0.151W/(mC);普通砖层，热导率入=0.93W/(m-C)。耐火砖层内侧壁面温度为1000C，绝热砖的耐热温度为940C，普通砖的耐热温度为130C。(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(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小于130C，符合要求。通过普通砖层的热传导

4、，计算普通砖层的外侧壁温【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/(mC)。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-C)o解因382，32阻为水垢的热阻为因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管的热0.0011.1630.033LR垢0.0011.1630.0330.0021100.03651.6倍【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/(mK)；第二层为厚30mm的石棉灰，其热导率

5、为0.21W/(mK)。管内壁温度为300C，保温层外表面温度为40Co管路长50mo试求该管路的散热量。【4-7】水蒸气管路外径为其表面包一层超细玻璃棉毡保温，率随温度t/c的变化关系为0.0330.00023tW/(mK)。水蒸气管路108mm,其热导外表面温度为150C，希望保温层外表面温度不超过超过160W/m。试确定所需保温层厚度。50C,且每米管路的热量损失不解保温层厚度以b表示已知h150C,t250C,q160W/m解得保温层厚度为保温层厚度应不小于13.3mm【4-8】冷却水在19mm2mm,长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。水温由对流传热15C升至25C。求管壁对水的对

6、流传热系数。d0.015m,l2m,u1m/s,115C,t225C水的平均温度tmj20C22查得20C时水的密度998.2kg/m3,黏度1.004103Pas,热导率入=59.9X10-2W/(m-C)，普朗特数Pr7.02。丄丄13360d0.015雷诺数Re吒0.0151警1.49104湍流1.00410对流传热系数的计算，水被加热，Pr的指数n0.4=4367W/(m空气流速增加一倍，对流传热系数为C)【4-9】空气以4n)/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

7、，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,l5m,b32C,t268C(1) 对流传热系数计算空气的平均温度tm3-6850C2查得空气在50C时的物性数据1.093kg/m3，Pr0.698，空气被加热，Pr的指数n04雷诺数Re虹.684呼31.52104湍流1.96105对流传热系数0.023-Re0.8Pr04d用式QA(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218.4W/(m2C)钢管内表面积为Adl0.068251,07m

8、钢管内壁平均温度QA50花冷794C【4-10】温度为10C、压力为101.3kPa的空气，以iom/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h10C,t230C，空气的平均温度t,匚20C2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/(mC)，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

9、一0.192370.01924湿润周边(0.19370.019)当量直径51.9110雷诺数Re虬=.0255.10-1.128=1.51104湍流对流传热系数【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TiT2mT72C,T238C，平均温度Tm甘务竺55C入=0.128W/(mC)，黏度4.3104Pas甲苯的质量流量qm12530kg/h体积流量3qv1qm1/2530/8303.05m/h甲苯在环隙

10、中的流速u计算套管的内管外径0.038m，外管内径d20.051m，流速u3.050.933m/s甲苯在55C的物性数据有:密度导率223600才(0.0510.038)830kg/m3，比热容Cp1.83103j/(kgC),热deu0.0130.9338304浊庐Re-42.3410湍流4.310甲苯被冷却n0.3【4-12】甲苯在蛇管冷却器中由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T70C,T2=30C平均温度7030Tm二一50C甲苯在50C时的物性数据为：密度

11、836kg/m3，黏度4.4104Pas，热导率0.129W/(mC)，比热容Cp1.77103j/(kgC)甲苯在3根并联蛇管中的流速u计算体积流量qv3/h，蛇官内径d0.04m，流速qv3/36000221.u20.221m/sd?30.785(0.04)34雷诺数du0.040.218364Re4=1.6810湍流.410普朗特数Cp1.771034.4104Prp6.040.129弯管效应校正系数R11.77R1M詈24对流传热系数计算甲苯被冷却n0.30.0230149（168104）0.86.040.31.24379W/（m2C）【4-13】质量流量为1650kg/h的硝酸，在管

12、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50001500CW/（mC）按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为Q3.8104W取1000W4mC），估算壁温度tw300kPa（绝对压力）时，水蒸气的饱和温度ts1333C。用式QA（tsh）估算壁温度tw先假设tw128C定性温度为膜温t133.3128131C22冷凝水膜的物性参数934kg/m3ts133.3应

13、时水的比汽化热r2168103J/kg水蒸气在水平管外冷凝的值计算用式QA(tstw)计算Q值此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。假设tw129C膜温133.31292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，只是式中的ttstw133.31294.3不同。值计算用11216W/(m2C)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p200kPa,保持130C，试计算加热面上的热流密度q。解p200kPa,ts120.2C,tw130C计算加热面温度水沸腾的对流传热系数计算加热面上的热流密度q两流体间传热

14、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150C;(5)绝对压力为250kPa的饱和水蒸气，冷凝冷却成40C的水。1500qm翫MS(1)水蒸气冷凝比汽化热r2258kJ/kg放热量1500Q%36002258941kW(2)苯胺平均温度383283333K2比热容Cp2.19kJ/(kgK)放热量cp1500=I=2.19383360028391.

15、3kW(3)NaOH水溶液比热容Cp3.77kJ/kg吸热量mCpTiTa15003.773703600290126kW(4)空气加热平均温度tm和比热容Cp1.009kJ/kgC吸热量QqmCpt2ti=15001.0091502054.7kWp3600(5)饱和水蒸气p250kPa，饱和温度ts1272C，比汽化热r2185kJ/kg,冷凝水从ts127.2C降至t240CC，平均温度tm127.；4083.6C比热容Cp4.196kJ/kgC放热量QqmrCp(tst【4-16】用冷却水使流量为2000kg/h的硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15C升到35C，试求冷却水用量。若

16、将冷却水的流量增加到3.5m3/h，试求冷却水的出口温度。解硝基苯流量qm12000kg/h，平均温度几号2-55300=327.5K,比热容Cp11.58kJ/kgK硝基苯的放热量Qqm1Cp1T1T2冷却水用量计算平均温度tm丄丄=空兰25C22比热容Cp24.179kJ/kgC，密度997kg/m3(1) 用水量qv23.5/h时，求t2?用水量增大，水出口温度t2应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可知qv2与t2t1成反比，故假设t226.9C水的平均温度tt2t1tm226.915查得水的比热容，密度998kg/m3QCp2qv2与假设相符。【4-17】在一换热器中，

17、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(1)并流操作Cp4.182kJ/kgC计算t2t2Cp2qm2苯T80CT250C水115Ct235C(2)逆流操作苯T180CT250Ct245/352t235C115C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【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为80m3?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

18、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/(m2C)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,苯胺吸收的热量为水蒸气用量qm1Q3.53101628kg/hr2168计算传热面积A已知K800W/(m2C),水蒸气的p300kPa,t1333C。水蒸气133.3C133.3C苯胺80C100Ct153.3Ct233.3C【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K20

19、00W/(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计算热水平均温度TiT29060Tm75C,Cp14.191kJ/(kgC)冷水平均温度t1t22050tm-235C,Cp24.174kJ/(kgC)22p热量衡算(2)并流热水Ti90CT260C冷水PSt50Ct210C传热面积8Q37710/3600,172000308(3)逆流热水T90CT260C8传热面积37710/36002.-1.31m200040【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2

20、0t/h的乙二醇从353K冷却到313K,设总传热系数为i2oow/(m2K),试计算所需传热面积。乙二醇的平均温度Tm353313333K，比热容Cp12.6103J/kgp1乙二醇放出热量qmlCp1(T1T2)从水的物理性质数据表上可知,水在3050C范围内，比热容Cp4174j/(kgK)。冷水的平均温度ttLm293309.6=301.3K2tm接近30C，所假设的Cp2可以逆流平均温度差tm逆计算折流的平均温度差tm计算传热面积KAtm5.78105120025.119.2m2【4-22】有一外径为100mm的水蒸气管，水蒸气温度为160C。为了减少热量损失，在管外包覆厚度各为25

21、mm的A、B两层绝热材料保温层，A与B的热导率分别为0.15与0.05W/(mK)。试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温度为20C，保温层外表面对周围空气的对流(包括热辐射)传热系数15W/(m2C)。保温层内表面温度在两种情况下都等于水蒸气温度。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1Kbd3bcb1dm12dm2单位长度的热损失为qQKd3tit2(1) 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80C，出口温度为50C。

22、水在环隙流动，进口温度为15C，出口温度为30C。水与甲苯逆流流动，传热面积为2.5m2。问所测得的总传热系数为多大？解甲苯qm15000kg/h,T80C，T250C，80503Tm65C,cp11.8610J/(kgK)热负荷Q50001.861038050=77.5103W3600【4-24】在一套管换热器中，内管中流体的对流传热系数1200W/(m2K)，内管外侧流体的对流传热系数2350W/(m2K)。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

23、阻及污垢热阻可不计。解已知口,200W/(m2K),2350W/(m2K)u23u2,KK1741271270.37增加37%0.8U2U208,23503.843W/m2KKKK1621271270.276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57mm3mm,外管为114mm4mm。内管中有流量为4000kg/h的苯被加热，进口温度为50C，出口温度为80C。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104W/(m2K)。已知内管的内表面污垢热阻为0.0004m2K/W，管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。试计算：(1)加热水

24、蒸气用量；(2)管壁对苯的对流传热系数；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)。50C,t280C,平均温度tm5080265C,Cp21840J/(kgK)qm24000kg/h热负荷Qqm2Cp2(t2t1)40001840(8050)61330W3600(1)水蒸气用量qm1(2)苯的对流传热系数Redu0.0510.6548320.38107.3104湍流苯被加热n0.4(3)管长l以管内表面积A1为基准(4)水蒸气绝对压力p140kPa时

25、，苯的出口温度t2。p140kPa时，T1092C【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5000kg/h的氯化苯从30C加热到70C，氯化苯在内管中流动。因某种原因，氯化苯的流量减小到2500kg/h，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p200kPa,T120.2C氯化苯的流量qm5000kg/h热负荷Q与qm成正比，Q5000氯化苯的对流传热系数与qm的

26、关系为50000.8氯化苯的流量减小到qm2500kg/h，总传热系数K,K压力p143.3kPa【4-27】欲将体积流量为3000m3?h(标准状况p101.325kPa,T273.15K)的常压空气，用绝对压力为200kPa的饱和水蒸气加热，空气从10C加热到90C。现有一列管式换热器，其规格如下：钢管直径25mm2.5mm，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10000W/(m2K)。空气的平均温度t1t2tm10902-50C空气的物性参数31.093kg/m，619.610Pas空气

27、流量22.8310W/mKcp1.005103J/kgK，Pr0.6983000293884kg/h22.4热负荷QqmCpt2t!38841.00510390一10867104W3600水蒸气p200kPa,T120.2C平均温度差t,Tt,120.210110.2C空气流速qv23600dn4355423600壬(0.02)27111-6m/sRedu0.0211.61.09312910419.6106.湍流已有换热器的传热面积为Adin0.021.627127.2m2够用【4-28】有一钢制套管式换热器，质量流量为2000kg/h的苯在内管中，从80C冷却到50C。冷却水在环隙中从15C

28、升到35C。已知苯对管壁的对流传热系数为600W/(m2K),管壁对水的对流传热系数为1000W/(m2K)。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的计算已知口,600W/m2K,21000W/m2K苯T80C,E=50C,Tm805065C2热负荷Qqm1Cp1T1T2(1) 冷却水消耗量qm2(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20m的列

29、管式换热器中，壳程用110C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2.5?104kg/h，比热容为4kJ/(kg?K)换热器初始使用时可将溶液由20C加热至80C。(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75C，试求污垢热阻值；(2)若要使溶液出口温度仍维持在80C，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:t2t,Am-VflnTt2802054.6C,11020In11080此操作条件下的总传热系数:KQAAtqm2Cp2t2t1AAtm2500040008020/36001526W/(m2?K)2054.6(1)使

30、用一年后,溶液出口温度下降至75C，此时的对数平均温差为tmt2t1,Tt1lnTt258.2C,11020ln11075总传热系数Qqm2Cp2t2AzTmAAtm2500040007520/36001313W/(m2?K)2058.2污垢热阻K1K1313缶隔104m2?K/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80C。此时传热温差为Atqm2Cp2t?t1KAKA2500040008020/360063.5C201313Atm8020InTtiTrt；InT20T8063.5由此解得T118.2C【4-30】有一单管程的列管式换热器，其规格如下：管

31、径为25mm2.5mm,管长为3m,管数为37根。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2的饱和蒸气，自饱和温度46C冷却到10C。CSs在管外冷凝，其流量为300kg/h，比汽化热为350kJ/kg冷却水在管内，进口温度为5C，出口温度为32C。逆流流动。已知CS2的冷凝和冷却时的总传热系数分别为K1291W/(m2K)和心174W/(m2K)(以内表面积为基准)。试问此换热器是否合适？解CS质量流量qm1300kg/h，冷凝段T46C，CS的比r350103J/kg冷凝段热负荷习题4-30附图冷却段T146C,T210C，Tm宁28C冷却段热负荷Q2qm1Cp1T1T299746102990W36

32、00冷却水t15C，t232C，tm532218.5C冷却水用量qm2QQ22920029903Cp2(t2t1)4.1910(325)0.285kg/s水在两段之间的温度t，用冷却段热负荷Q2计算。冷凝段平均温度差为4632467.54632467.5242C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m2467.5105Q1K1tm1QK2tm21n467.510516.4C观04.15卅29124.2299017416.41.05m2总传热面积AAA4.151.055.20m2现有换热器的传热面积按传热管内表面积计算Adin0.023376.97m2传热面积够用。【4-31】在一套

33、管式换热器中，用120C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3000kg/h的苯从20C加热到80C。当流量增加到4500kg/h时只能从20C加热到76C。试计算换热器的传热面积和流量为4500kg/h时的总传热系数K。计算时，水蒸气冷凝的值取用8000W/(m2K)。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qm3000kg/h时水蒸气T=120CT=120Ct120C?t280Ct1100Ct240Ctm100401001n4065.5C苯的流量qm=4500kg/h时水蒸气T=120CT=120Cti20C?t276Ct_t24

34、4CAt1004468.2C44传热速率方程苯的流速与流量的关系uqm450015uqm3000苯的对流传热系数与流速u的关系解得总传热系数K与传热管内外两侧的对流传热系数1与2的关系为21656W/mK1111.3831111.38365680002815W/mK由QKAtmqmCpt2t1求传热面积用平均温度tm2076248C查得苯的比热容31.7810J/kgK也可以由QKAtmqmCpt2t1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250C，通道壁面温度为20C。试计算辐射热损失。红砖通道的表面积

35、A24宽查得氧化钢材表面的黑度总辐射系数Ci2辐射热损失为长40.2108mi0.8，红砖的黑度20.935.671A11A221.5714.48【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0.02。外壁内表面温度为35C，内壁外表面温度为0C。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t10C，外壁内表面温度t235C，两表面镀银1=2=0.02，C125.675.6721990.02两表面积A。1,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55C，室温为25C，墙壁温度为20C。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0.9。解(1)辐射散热损失管路被大房间包围，角系数1，辐射传热面积为管路表面积Adl总辐射系数C121Cb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55C与室温25C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。4-(0.192370.0192)一400255(0.19370.019)