化工原理(管国锋主编 第三版)课后习题答案4 传热及换热

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1、第4章 传热及换热器1）用平板法测定材料的导热系数，其主要部件为被测材料构成的平板，其一侧用电热器加热，另一侧用冷水将热量移走，同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2，厚度为0.01m。测量数据如下：电热器材料的表面温度 安培数 A伏特数 V高温面低温面2.82.314011530020010050试求：该材料的平均导热系数。如该材料导热系数与温度的关系为线性：，则0和a值为多少？ 2）通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分别为500、400、200和100，试求合平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。3）某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普

2、通砖三种砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m)，0.16 W/(m)和0。92 W/(m)，耐火砖和绝热转厚度都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000，外壁温度为55，设各层砖间接触良好，求每平方米炉壁散热速率。4）在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08 W/(m)，已知蒸汽管外壁150，要求绝热层外壁温度在50以下，且每米管长的热损失不应超过150W/m，试求绝热层厚度。5）382.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。 50第一层是mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07 W/(m)；第二层是10mm厚的石棉层，其平均导热系

3、数为0.15 W/(m)。若管内壁温度为180，石棉层外表面温度为35，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？解：r0 = 16.5mm = 0.0165m ，r1 =19mm = 0.019 mr2 = r1d1 = 0.0190.05 = 0.069 mr3 = r2d2 = 0.0690.01 = 0.079 ml0 = 45 W/(m)W/m 即 t2 = 41.8 6）通过空心球壁导热的热流量Q的计算式为：，其中，A1、A2分别为球壁的内、外表面积，试推导此式。7）有一外径为150mm的钢管，为减少热损失，今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比1，两层绝热层厚度

4、相等皆为30mm。试问应把哪一种材料包在里层时，管壁热损失小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。8）试用因次分析法推导壁面和流体间强制对流给热系数的准数关联式。已知为下列变量的函数：。式中、CP、分别为流体的导热系数、等压热容、密度、粘度，u为流体流速，l为传热设备定型尺寸。9）水流过603.5mm的钢管，由20被加热至60。已知，水流速为1.8m/s，试求水对管内壁的给热系数。10）空气流过362mm的蛇管，流速为15m/s，从120降至20，空气压强4105Pa（绝压）。已知蛇管的曲率半径为400mm，试求空气对管壁的给热系数。空气的密度可按理想气体计算，其余物性可按常压处理。11）苯流过

5、一套管换热器的环隙，自20升至80，该换热器的内管规格为192.5mm，外管规格为383mm。苯的流量为1800kg/h。试求苯对内管壁的给热系数。12）冷冻盐水（25%的氯化钙溶液）从252.5mm、长度为3m的管内流过，流速为0.3m/s，温度自-5升至15。假设管壁平均温度为20，试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷冻盐水的物性数据如下：密度为1230kg/m3，粘度为410-3Pas，导热系数为0.57 W/(m)，比热为2.85kJ/(kg)。壁温下的粘度为2.510-3Pas。解：d = 0.0250.00252 = 0.02 m 50 u = 0.3m/s 2

6、000 层流100= 354.7 W/(m2)13）室内分别水平放置两根长度相同，表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围散失热量，已知小管的，大管直径为小管的8倍，试求两管散失热量的比值为多少？解：小管GrPr = 108 b = 1/3 又因 Grd03，故大管GrPr 108则 14）某烘房用水蒸汽通过管内对外散热以烘干湿纱布。已知水蒸汽绝压为476.24kPa，设管外壁温度等于蒸汽温度现室温及湿纱布温度均为20，试作如下计算：使用一根2m长、外径50mm水煤气管，管子竖直放于水平放置单位时间散热量为多少？若管子水平放置，试对比直径25mm和50mm水煤气管的单位时间单位面积散热之

7、比。（管外只考虑自然对流给热）。15）油罐中装有水平蒸汽管以加热管内重油，重油温度为20，蒸汽管外壁温为120，在定性温度下重油物性数据如下：密度为900kg/m3，比热1.88103J/(kg)，导热系数为0.175W/(m)，运动粘度为210-6m2/s，体积膨胀系数为310-4 l/，管外径为68mm，试计算蒸汽对重油的传热速度W/m2。16）有一双程列管换热器，煤油走壳程，其温度由230降至120，流量为25000kg/h，内有252.5mm的钢管70根，每根管长6m，管中心距为32mm，正方形排列。用圆缺型挡板（切去高度为直径的25%），试求煤油的给热系数。已知定性温度下煤油的物性数

8、据为：比热为2.6103J/(kg)，密度为710 kg/m3，粘度为3.210-4Pas，导热系数为0.131 W/(m)。挡板间距，壳体内径。17）饱和温度为100的水蒸汽在长为2.5m，外径为38mm的竖直圆管外冷凝。管外壁温度为92。试求每小时蒸汽冷凝量。又若将管子水平放置每小时蒸汽冷凝量又为多少。18）由252.5mm、225根长2米的管子按正方形直列组成的换热器，用1.5105Pa的饱和蒸汽加热某液体，换热器水平放置。管外壁温度为88，试求蒸汽冷凝量。19）设有A、B两平行固体平面，温度分别为TA和TB（TATB）。为减少辐射散热，在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板，设A所有平面

9、的表面积相同，黑度相等，平板间距很小，试证明设置遮热板后A平面的散热速率为不装遮热板时的倍。20）用热电偶测量管内空气温度，测得热电偶温度为420，热电偶黑度为0.6，空气对热电偶的给热系数为35 W/(m)，管内壁温度为300，试求空气温度。21）外径为60mm的管子，其外包有20mm厚的绝热层，绝热层材料导热系数为0.1 W/(m)，管外壁温度为350，外界温度为15，试计算绝热层外壁温度。若欲使绝热层外壁温度再下降5，绝热层厚度再增加多少。22）设计一燃烧炉，拟用三层砖，即耐火砖、绝热砖和普通砖。耐火砖和普通砖的厚度为0.5m和0.25m。三种砖的系数分别为1.02 W/(m)、0.14

10、 W/(m)和0.92 W/(m)，已知耐火砖内侧为1000，外壁温度为35。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖温度不超过940，普通砖不超过138。23）为保证原油管道的输送，在管外设置蒸汽夹。对一段管路来说，设原油的给热系数为420 W/(m)，水蒸气冷凝给热系数为104 W/(m)。管子规格为352mm钢管。试分别计算Ki和K0，并计算各项热阻占总热阻的分率。24）某列管换热器，用饱和水蒸汽加热某溶液，溶液在管内呈湍流。已知蒸汽冷凝给热系数为104 W/(m)，单管程溶液给热系数为400W/(m)，管壁导热及污垢热阻忽略不计，试求传热系数。若把单管程改为双管程，其它条件不变，此时总传

11、热系数又为多少？25）一列管换热器，管子规格为252.5mm，管内流体的对流给热系数为100 W/(m)，管外流体的对流给热系数为2000 W/(m)，已知两流体均为湍流流动，管内外两侧污垢热阻均为0.0018 m/W。试求：传热系数K及各部分热阻的分配；若管内流体流量提高一倍，传热系数有何变化？若管外流体流量提高一倍，传热系数有何变化？解：Ri = R0 = 0.00118m2/W 钢管l = 45W/(m) m = 0.01542 1/(W/m2)K0 = 64.84 W/(m2)热阻分配：污垢：管外：管内：管壁： ， ， = 0.01010 m2/W W/( m2) ， = 0.0152

12、1 m2/W W/( m2) 31) 120饱和水蒸汽将空气从20加热至80，空气流量1.20104kg/h。现有单程列管换热器，f252.5mm钢管300根，管长3m，a0 = 104W/(m2)，污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。解：50空气，r = 1.093kg/m3，Cp = 1.005kJ/(kg)，l = 0.02824W/(m) m = 1.9610-5 Pas ，Pr = 0.698 m/s10000W/(m2)a0ai Ki = ai = 124.5 W/(m2)Q = WcCpcDt = 1.00560 = 201 kJ/sDtm = Q = KiAiDtm 即

13、 201103 = 124.5Ai65.5 Ai = 24.6 m2又，Ai = npdiL 即 24.6 = 300p0.020L L = 1.31 m3 m 满足要求32）某单壳程单管程列管换热器，用1.8105Pa饱和水蒸汽加热空气，水蒸汽走壳程，其给热系数为105 W/(m)，空气走管内，进口温度20，要求出口温度达110，空气在管内流速为10m/s。管子规格为252.5mm的钢管，管数共269根。试求换热器的管长。若将该换热器改为单壳程双管程，总管数减至254根。水蒸汽温度不变，空气的质量流量及进口温度不变，设各物性数据不变，换热器的管长亦不变，试求空气的出口温度。33）一套管换热器

14、，用热柴油加热原油，热柴油与原油进口温度分别为155和20。已知逆流操作时，柴油出口温度50，原油出口60，若采用并流操作，两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同，试问并流时柴油可冷却到多少温度？34）一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为55和115。并流操作时，冷、热流体的出口温度分别为75和95。试问逆流操作时，冷、热流体的出口温度分别为多少？假定流体物性数据与传热系数均为常量。35）一列管换热器，管外用2.0105Pa的饱和水蒸汽加热空气，使空气温度从20加热到80，流量为20000kg/h，现因生产任务变化，如空气流量增加50%，进、出口温度仍维持不变，问在原换热器中

15、采用什么方法可完成新的生产任务？36）在一单管程列管式换热器中，将2000kg/h的空气从20加热到80，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为200根，长度为6m，管子规格为383mm。现因生产要求需要设计一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为400根，管子规格改为191.5mm，操作条件不变，试求此新换热器的管子长度为多少米？37）在单程列管换热器内，用120的饱和水蒸汽将列管内的水从30加热到60，水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为252.5mm，长为6m，换热器的热负荷为2500kW。试计算：列管换热器的列管数；基于管子外表面积的传热系数K。假

16、设：列管为光滑管，摩擦系数可按柏拉修斯方程计算，。解：(1)45时水：r = 990kg/m3 ,Cp = 4.174103 J/(kg)，l = 64.0310-2W/(m)m = 60.1210-5Pas ，Pr = 3.925 u = 1.00m/s 设管壁及污垢热阻可略a0ai Ki = ai 对一根管， = 3.895104 W又，即 3.895104 = 5.23103p0.02673.99 = 1.117103 W/(m2)(2) 取n为64根。38）有一立式单管程列管换热器，其规格如下：管径252.5mm，管长3m，管数30根。现用该换热器冷凝冷却CS2饱和蒸汽，从饱和温度46

17、冷却到10。CS2走管外，其流量为250kg/h，冷凝潜热为356kJ/kg，液体CS2的比热为1.05kJ/(kg)。水走管内与CS2呈逆流流动，冷却谁进出温度分别为5和30。已知CS2冷凝和冷却时传热系数（以外表面积计）分别为和。问此换热器是否合用？解： kJ/s设换热器上部为蒸汽冷凝段,以下标“1”表示,下部为冷却段,以“2”表示则 kJ/s T1=46 kJ/s t2=30 Q1 Q2 T2=10 设冷水Cp为常量，则上下两段分界处t3： t3 t1=5 即 t3 = 7.4 于是：m2 m2A = A1A2 = 4.141.37 = 5.51m2(以外表面积计)现有换热器A= npd

18、0L = 30p0.0253 = 7.07 m2 A 故能适用。39）现有两台规格完全一样的列管换热器，其中一台每小时可以将一定量气体自80冷却到60，冷却水温度自20升到30，气体在管内与冷却水呈逆流流动，已知总传热系数（以内表面积为基准）Ki为40 W/(m)。现将两台换热器并联使用，忽略管壁热阻、垢层热阻、热损失及因空气出口温度变化所引起的物性变化。试求：并联使用时总传热系数；并联使用时每个换热器的气体出口温度；若两换热器串联使用，其气体出口温度又为多少（冷却水进出每个换热器的温度不变）？解：单台：WhCph(T1T2) = WcCpc(t2t1)WhCph(T1T2) = KiAiDtm，二台并联：W/(m2)即又 由、式联立，解得 T2= 57.6，t2= 31.2二台串联：即: 又： 、式联立，解得：T2=48.2 ， t2 = 35.940）拟设计一台列管换热器，20kg/s的某油品走壳程，温度自160降至115，热量用于加热28kg/s的原油。原油进口温度为25，两种油的密度均为870kg/m3。其他物性数据如下：名称CP kJ/(kg) Pas W/(m)原油油品1.992.202.910-35.210-30.1360.119解：(略)