第四章傳熱習題答案

1、第四章 傳熱習題答案4-1一爐壁由三層不同材料組成，第一層為耐火磚，導熱系數(shù)為1.7 W/(m·)，允許最高溫度為1450，第二層為絕熱磚，導熱系數(shù)為0.35 W/(m·)，允許最高溫度為1100，第三層為鐵板，導熱系數(shù)為40.7W/(m·)，其厚度為6mm，爐壁內表面溫度為1350，外表面溫度為220。在穩(wěn)定狀態(tài)下通過爐壁的熱通量為4652 W/m2，試問各層應該多厚時才能使壁的總厚度最?。?解：當絕熱材料達到最高允許溫度時，總壁厚為最小 ，因第二層絕熱磚已達到最高溫度，故第一層耐火磚的厚度不可再小，所以現(xiàn)在所得總厚為其最小厚度：4-2一根直徑為60mm

2、5;3mm的鋁銅合金鋼管，導熱系數(shù)為45 W/(m·)。用30mm厚的軟木包扎，其外又用30mm厚的保溫灰包扎作為絕熱層。現(xiàn)測得鋼管內壁面溫度為-110，絕熱層外表面溫度10。求每米管每小時散失的冷量。如將兩層絕熱材料位置互換，假設互換后管內壁溫度及最外保溫層表面溫度不變，則傳熱量為多少？已知軟木和保溫灰的導熱系數(shù)分別為0.043和0.07W/（m·)。解：兩層互換位置后，熱損失為4-3一爐壁面由225mm厚的耐火磚，120mm厚的絕熱轉及225mm厚的建筑轉所組成。其內側壁溫1200K，外側壁溫為330K，如果其導熱系數(shù)分別為1.4、0.2和0.7 W/(m·K

3、)，試求單位壁面上的熱損失及接觸面上的溫度。解：單位面積上的熱損失4-4在外徑為140mm的蒸汽管道外包扎一層厚度為50mm的保溫層，以減少熱損失。蒸汽管外壁溫度為180。保溫層材料的導熱系數(shù)與溫度t的關系為=0.1+0.0002t(t的單位為，的單位為W(m·)。若要求每米管長熱損失造成的蒸汽冷凝量控制在9.86·10-5kg/(m·s)，試求保溫層外側面溫度。解：查附錄有180蒸汽的汽化熱為2019.3kJ/kg，據(jù)蒸汽冷凝量有式中代入上式，解得4-5有直徑為38mm×2mm的黃銅冷卻管，假如管內生成厚度為1mm的水垢，水垢的導熱系數(shù)=1.163 W

4、/（m·)。試計算水垢的熱阻是黃銅熱阻的多少倍？黃銅的導熱系數(shù)=110 W/（m·)。解：因為，所以可以用算術平均半徑計算導熱面積。管長用L表示時，黃銅管的熱阻為水垢的熱阻4-6冷卻水在19mm×2mm，長為2m的鋼管中以1m/s的流速通過。水溫由288K升至298K。求管壁對水的對流傳熱系數(shù)。解：水的平均溫度查附錄得20的水的物理性質水被加熱時，n=0.44-7空氣以4m/s的流速通過75.5mm×3.75mm的鋼管，管長5m?？諝馊肟跍囟葹?2，出口溫度為68。（1）試計算空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)。（2）如空氣流速增加一倍，其他條件均不變，對流傳熱

5、系數(shù)又為多少？（3）若空氣從管壁間得到的熱量為578 W，試計算鋼管內壁平均溫度。解：已知（1）計算空氣的平均溫度查附錄得空氣的物理性質空氣被加熱n=0.4（2）空氣流速增加一倍（3）若空氣從管壁得到的熱量為578W，計算鋼管內壁平均溫度用式計算鋼管內壁的平均溫度tw。鋼管內表面積鋼管內的平均溫度4-8已知影響壁面與流體間自然對流傳熱系數(shù)的因素有：壁面的高度L，壁面與流體間的溫度差t，流體的物性，即流體的密度，比熱容cp，黏度，導熱系數(shù)，流體的體積膨脹系數(shù)和重力加速度的乘積g。試應用量綱分析法求證其量綱與數(shù)群的關系為Nu=f(Gr·Pr)證：令寫成量綱等式對M：1=c+d+e對L：0

6、=a+b+c+d-3e+2f對：-3=-2b-c-3d-2f對T：-1=-d-f根據(jù)定律N=n-m=7-4=36個未知數(shù)，4個方程，設b、f已知，則c=-2b+fe=2ba=3b-1代入原式整理得：即4-9有160的機油以0.3m/s的速度在內徑為25mm的鋼管內流動，管壁溫度為150。取平均溫度下的物性為：=132W/（m·)，Pr=84，=4.513×10-3Pa·s，=805.89 kg/m3，壁溫下的黏度w=5.518×10-3Pa·s，試求管長為2m和6m的對流傳熱系數(shù)各為多少？ 解：（1）L=2m（2）L=6m4-10有一套管式換熱

7、器，內管為38mm×2.5mm，外管為57mm×3mm的鋼管，內管的傳熱管長2m。質量流量為2530kg/h的甲苯在環(huán)隙間流動，進口溫度為72，出口溫度為38。試求甲苯對內管外表面的對流傳熱系數(shù)。解：甲苯的溫度T1=72，T2=38，平均Tm=55甲苯在55時的物性數(shù)據(jù)查附錄有：甲苯的質量流量體積流量甲苯在環(huán)隙間的流速u的計算：套管的內管外徑d1=0.038m，外管內徑d2=0.051m流速甲苯對內管外表面的對流傳熱系數(shù)的計算：套管環(huán)隙的當量直徑甲苯被冷卻n=0.34-11溫度為90的甲苯以1500kg/h的流量通過蛇管而被冷卻至30。蛇管的直徑為57mm× 3.

8、5mm，彎曲半徑為0.6m，試求甲苯對蛇管壁的對流傳熱系數(shù)。解：甲苯的定性溫度為 由附錄查得60時甲苯的物性為 830 kg/m3，Cp1840 J/(kg·)，=0.4×103 Pa·s，=0.1205，則 （湍流） 流體在彎管內流動時，由于受離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內的大，此時可用下式計算對流傳熱系數(shù)，即 式中 彎管中的對流傳熱系數(shù)，； 直管中的對流傳熱系數(shù)，； di管內徑，m； R管子的彎曲半徑，m。 4-12常壓下溫度為120的甲烷以10m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸向流動。離開換熱器時甲烷溫度為30，換熱器外殼內

9、徑為190mm，管束由37根19mm×2mm的鋼管組成，試求甲烷對管壁的對流傳熱系數(shù)。（答：=62.4W(m2·)解：甲烷的定性溫度為 由附錄查得75 °C時甲烷的物性為 0.717kg/m3，Cp1.70J/(kg·)，=1.03×105 Pa·s，=0.0300，Pr=0.367，冷卻時n=0.3流動截面積潤濕周邊長當量直徑則 4-13質量流量為1650kg/h的硝酸，在管徑為80mm×2.5mm，長度為3m的水平管中流動。管外為300kPa（絕對壓力）的飽和水蒸氣冷凝，使硝酸得到3.8×104W的熱量。試求水

10、蒸氣在水平管外冷凝時的對流傳熱系數(shù)。解：據(jù)已知，飽和水蒸氣冷凝傳給硝酸的熱量為，取，估算壁溫tw300kPa（絕對壓力）時，水蒸氣飽和溫度ts=133.3，用式估算先假設tw=128，定性溫度為膜溫冷凝水膜的物性參數(shù)查附錄有934kg/m3，=2.16×104 Pa·s，=6.86×10-1ts=133.3時水的汽化熱r=2168×103J/kg水蒸氣在水平管外冷凝時：用式計算此值大于硝酸吸收的熱量，說明假設tw偏小，重新用=11600 W(m2·)估算。假設tw=129，膜溫，與前面假設的膜溫基本一致，故冷凝水膜的物性數(shù)據(jù)一致，只是不同則用=

11、12200 W(m2·)驗算壁溫，與假設相同。4-14水在大容器內沸騰，如果絕對壓力保持在P=200kPa，加熱面溫度保持130，試計算加熱面上的熱通量q。解：P=200kPa，ts=120.2，tw=130，t=tw-ts=130-120.2=9.8水沸騰時則4-15載熱體的流量為1500kg/h，試計算下列過程中載熱體放出或吸收的熱量。（1）100的飽和水蒸氣冷凝成100的水；（2）苯胺由383K降至283K；（3）常壓下20的空氣加熱到150；（4）絕對壓力為250KPa的飽和水蒸氣冷凝成40的水。解：（1）水蒸氣冷凝：r=2258kJ/kg（2）苯胺：放熱量（3）空氣加熱：吸

12、熱量（4）飽和水蒸氣：P=250kPa，ts=127，r=2185kJ/kg，冷凝水從ts=127降至t2=40，放熱量4-16在管殼式換熱器中用冷水冷卻油。水在直徑為l9mm×2mm的列管內流動。已知管內水側對流傳熱系數(shù)為3490W(m2·)，管外油側對流傳熱系數(shù)為258W(m2·)。換熱器在使用一段時間后，管壁兩側均有污垢形成，水側污垢熱阻為0.00026m2·W，油側污垢熱阻為0.000176m2·W。管壁導熱系數(shù)為45W(m·)。試求：(1)基于管外表面積的總傳熱系數(shù)；(2)產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分數(shù)。解： 熱阻增加的百分數(shù)為

13、4-17在并流換熱器中，用水冷卻油。水的進、出口溫度分別為15和40，油的進、出口溫度分別為150和100?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務要求油的出口溫度降至80，假設油和水的流量、進口溫度及物性均不變，若原換熱器的管長為1m。試求此換熱器的管長增至若干米才能滿足要求。設換熱器的熱損失可忽略。解：變化前 變化后物性數(shù)據(jù)不變時，由，故變化前后傳遞的熱量變化由，故變化前后K不變時1.44-18重油和原油在單程套管換熱器中呈并流流動，兩種油的初溫分別為243和128；終溫分別為167和157。若維持兩種油的流量和初溫不變，而將兩流體改為逆流，試求此時流體的平均溫度差及它們的終溫。假設在兩種流動情況下，流體的物性和總傳

14、熱系數(shù)均不變化，換熱器的熱損失可以忽略。解：由題意得：并流時：熱流體（重油）：T1=243 T2=167冷流體（原油）：t1=128 t2=157改為逆流后：熱流體（重油）：T1=243 T2=？冷流體（原油）：t2=？ t1=128同理：（1）（2）又（3）由（1）（ 2）（ 3）解得t2=161.41；T2=155.443 4-19某廠用0.2MPa（表壓）的飽和蒸汽（冷凝熱為2169KJ/Kg，溫度為132.9）將環(huán)丁砜水溶液由105加熱至115后送入再生塔。已知流量為200m3/h，溶液的密度為1080kg/m3，比熱容為2.93KJ/(Kg·)，試求水蒸氣消耗量，又設所用傳

15、熱器的總傳熱系數(shù)為700 W(m2·)，試求所需的傳熱面積。解：蒸汽消耗量4-20在一管殼式換熱器中，用冷水將常壓下純苯蒸氣冷凝成飽和液體。苯蒸氣的體積流量為1650m3h，常壓下苯的沸點為80.1，汽化熱為394kJ/kg。冷卻水的進口溫度為20，流量為36000kgh，水的平均比熱容為4.18KJ(kg·)。若總傳熱系數(shù)Ko為450W/(m2·)，試求換熱器傳熱面積So。假設換熱器的熱損失可忽略。解：苯蒸氣的密度為 解出 求 苯 80.1 80.1 水 31.6 20 48.5 60.14-21一傳熱面積為50m2的單程管殼式換熱器中，用水冷卻某種溶液。兩流體

16、呈逆流流動。冷水的流量為33 000kgh，溫度由20升至38。溶液的溫度由110降至60。若換熱器清洗后，在兩流體的流量和進口溫度不變的情況下，冷水出口溫度增到45。試估算換熱器清洗前傳熱面兩側的總污垢熱阻。假設：(1)兩種情況下，流體物性可視為不變，水的平均比熱容可取為4.187kJ/(kg·)；(2)可按平壁處理，兩種工況下i和o分別相同；(3)忽略管壁熱阻和熱損失。解：求清洗前總傳熱系數(shù)K 求清洗后傳熱系數(shù)由熱量衡算 清洗前兩側的總傳熱熱阻 4-22在一逆流套管換熱器中，冷、熱流體進行熱交換。兩流體的進、出口溫度分別為t1=20、t2=85，T1=100、T2=70。當冷流體

17、的流量增加一倍時，試求兩流體的出口溫度和傳熱量的變化情況。假設兩種情況下總傳熱系數(shù)可視為相同，換熱器熱損失可忽略。解：熱：T1=100 T2=70 冷：t2=85 t1=20熱流體放熱Q 放=qmhCph（T1 - T2 ） 冷流體吸熱Q 吸=qmcCpc（t1-t2）由傳熱Q=KStm ， Q=29.07KS冷流體流量增加一倍后：熱：T1=100 T2， 冷：t2 t1=20而K，S 不變， 又，用試差法得t2=63.8；T2=59.8Q/Q=1.34 4-23一定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20加熱到80?？諝庠趽Q熱器的管內呈湍流流動。絕壓為180kPa的飽和水蒸氣在管外冷凝。現(xiàn)因生產(chǎn)要求空氣流量增加20，而空氣的進、出口溫度不變。試問應采取什么措施才能完成任務。作出定量計算。假設管壁和污垢熱阻均可忽略。（答：將飽和蒸汽壓強提高到200kPa)解：絕壓為180kPa的飽和水蒸氣溫度為116.6則原工況： （1）流量加倍后，空氣進、出口溫度不變：