化工原理課后題答案第七章輻射傳熱與管式加熱爐

1、第七章 輻射傳熱與管式加熱爐1.有一個(gè)爐絲溫度為1120K，功率1KW的電爐。若爐絲長(zhǎng)0.3m，直徑10mm，黑度0.95，試計(jì)算爐絲的輻射效率(爐絲輻射功率與電功率之比值)。解：爐絲輻射功率：=爐絲的輻射效率=2.有一3×l×lm的熱鋼錠，它的95的表面暴露在外。此鋼錠的黑度為0.3，它的導(dǎo)熱系數(shù)非常高(即傳熱速率不受內(nèi)部導(dǎo)熱的限制)，而周?chē)諝獾臏囟葹?03K。鋼的比熱容和密度分別為500J/(kg.K)和7800kg/m3。假定通過(guò)支承物的導(dǎo)熱損失忽略不計(jì)，對(duì)流熱損失很小，試計(jì)算鋼錠從1273K冷卻至1073K的時(shí)間。(提示：熱平衡Q，鋼錠焓的下降速率。因T>&

2、gt;Ta，故T4-)解：分離變量，得：=5598(S)=1.55h3.厚金屬板上有一個(gè)如圖所示的開(kāi)口空腔。若金屬板具有均勻溫度，且空腔壁面黑度為l，試問(wèn)空腔壁面所輻射的能量經(jīng)開(kāi)口處進(jìn)入環(huán)境的分率是多少?解：4.兩塊平行放置的平板，溫度分別保持t1800K和t2300K，板的黑度0.8、板間距離遠(yuǎn)小于板的寬度和高度。試求板的本身輻射；板1和板2之間的輻射換熱量；板1的有效輻射；板1的反射輻射；對(duì)板1的投入輻射及板2的有效輻射。解：板1的本身輻射： 板2的本身輻射： 板的有效輻射： 由 得 即解方程組得： 由 得： 或另一方法： 投入輻射： 反射輻射： 板1： 板2： 兩板間的輻射換熱量，即凈輻

3、射量： 5.有一邊長(zhǎng)為0.5m的正方體空腔，其頂面溫度恒為573K，而其余表面的溫度均保持373K。假定所有表面的黑度都是0.8，試計(jì)算頂面和其它表面之間的輻射換熱量。解：設(shè)頂面為表面1，其余表面為表面2，板的有效輻射：由 得 即解方程組得： 由 得 方法二：這種情況可看成一物包一物的情況，即將頂面看成其余幾面所包的物體6.板1和板2平行放置且相距很近。若在它們之間插入一塊黑度0.05的磨光鎳片板3，試證明當(dāng)0.8時(shí)，板l和板2之間無(wú)遮熱板的輻射換熱量為有遮熱板時(shí)的27倍。證明：無(wú)遮熱板的輻射換熱量為有遮熱板時(shí)：達(dá)到熱平衡時(shí)：，即解得：/=/=27所以板l和板2之間無(wú)遮熱板的輻射換熱量為有遮熱

4、板時(shí)的27倍。7.有一儲(chǔ)存液氮的保溫瓶，由同心圓筒構(gòu)成，內(nèi)層長(zhǎng)0.5m，直徑為0.2m；而外層長(zhǎng)0.52m，直徑為0.22m。瓶的頸部非常狹窄，同時(shí)中間真空層的表面用黑度為O.04的鋁膜覆蓋。己知液氮的沸點(diǎn)為126K，室內(nèi)空氣為294K，試計(jì)算傳給氮的凈輻射熱。解：一物包一物：8.有一個(gè)4× 4× 4m的空腔，其中一個(gè)側(cè)壁溫度恒為523K，底面溫度維持在303K，其它壁面均絕熱。假定所有壁面都是黑表面，并已知垂直面間的角系數(shù)為0.2，試計(jì)算熱的側(cè)壁和底面之間的輻射換熱量。解：設(shè)側(cè)壁溫度恒為523K的表面為表面1，底面為表面2，其它壁面為表面3，表面1和表面2的直接輻射換熱量

5、：表面1投射到表面3，經(jīng)表面反射給表面2的凈輻射換熱量：（= ） 9.對(duì)流室的煙氣中含H2015(體)，CO27.5(體)，試求煙氣的黑度和吸收率。假定對(duì)流室管束為等邊三角形排列，爐管為89× 6，管心距S12dc。排間距S20.866S1。煙氣的平均溫度為848K，管壁溫度為558K。解：由P337表7-3查得，對(duì)流室中煙氣平均輻射長(zhǎng)度為設(shè)煙氣總壓為1atm， ，煙氣溫度為848K，查P338-339圖7-8，7-10，7-11，7-12，得 管壁溫度TW=558K，管壁溫度TW=558K，查P338-339圖7-8，7-10，7-11，7-12，得0.05 10.溫度為823K的

6、混合氣體，在直徑為200mm的圓管中流過(guò)。混合氣體中含有CO2l3(體)、和H2011(體)。若管內(nèi)壁溫度恒為423K，黑度等于l。試計(jì)算混合氣體與單位管長(zhǎng)的輻射換熱量。可認(rèn)為氣體總壓力1.013×l05Pa。解: 設(shè)煙氣總壓為1atm，煙氣溫度為823K，查P338-339圖7-8，7-10，7-11，7-12，得 管壁溫度TW=558K，管壁溫度TW=558K，查P338-339圖7-8，7-10，7-11，7-12，得0.049 11.一個(gè)外徑為100mm的鋼管，通過(guò)室溫為300K的大房間，已知管子外壁溫度為373K，其表面黑度為0.85，空氣與管壁間的自然對(duì)流放熱系數(shù)為8.5

7、5W/(m2.K)、試確定輻射換熱系數(shù)及單位管長(zhǎng)的熱損失。解:本題目中的輻射換熱可看作是一物包一物的情況房間中空氣的A2>>管子的A1, A1/ A2=0輻射換熱系數(shù)單位管長(zhǎng)的熱損失：12.用熱電偶測(cè)量管道中熱空氣流的溫度，熱偶讀數(shù)為200, 管道內(nèi)壁溫度為l00，熱電偶熱端的黑度為0.8，由空氣流至熱端的對(duì)流傳熱膜系數(shù)為46.52W/(m2·K)，試求空氣的真實(shí)溫度和以熱偶讀數(shù)為空氣溫度的測(cè)量誤差。解：熱電偶的熱端既與熱空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱，又與管內(nèi)壁進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)熱電偶的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，上述兩個(gè)熱量達(dá)到平衡，即 熱電偶與熱空氣的對(duì)流傳熱： 熱電偶與管壁的輻射傳熱： 其中式中

8、下標(biāo)1為熱電偶，2為管壁， 誤差： 如果在熱電偶外加一遮熱罩，可以減少測(cè)量誤差。13.如果上一題中的熱電偶外增加一遮熱罩，其黑度為0.8。空氣至熱電偶熱端的對(duì)流傳熱膜系數(shù)仍為46.52w/( m2·K)，空氣至遮熱罩內(nèi)、外壁的對(duì)流傳熱膜系數(shù)為11.63W/( m2·K)。假設(shè)其它條件不變，試求以熱電偶讀數(shù)作為空氣溫度之測(cè)量誤差。解：解法一（熱偶的讀數(shù)為200）熱電偶的熱端既與熱空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱，又與遮熱罩進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)熱電偶的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，上述兩個(gè)熱量達(dá)到平衡，即熱電偶與熱空氣的對(duì)流傳熱：熱電偶與遮熱罩的輻射傳熱： 其中式中下標(biāo)1為熱電偶，2為遮熱罩 代入數(shù)據(jù)：整理得： （

9、1） 對(duì)遮熱罩作熱量衡算：空氣對(duì)流傳給遮熱罩的熱：熱電偶的熱端輻射給遮熱罩的熱： 其中式中下標(biāo)1為熱電偶，2為遮熱罩，遮熱罩輻射給管壁的熱： 其中式中下標(biāo)1為遮熱罩，2為管壁，當(dāng)達(dá)到熱平衡，+ = 代入數(shù)據(jù)整理,得 (2)由(1)，(2)可解得：，=207誤差：解法二：（空氣溫度不變?yōu)?30）：熱電偶與熱空氣的對(duì)流傳熱：熱電偶與遮熱罩的輻射傳熱： 其中式中下標(biāo)1為熱電偶，2為遮熱罩， 代入數(shù)據(jù)：整理得： （1） 對(duì)遮熱罩作熱量衡算：空氣對(duì)流傳給遮熱罩的熱：熱電偶的熱端輻射給遮熱罩的熱： 其中式中下標(biāo)1為熱電偶，2為遮熱罩，遮熱罩輻射給管壁的熱： 其中式中下標(biāo)1為遮熱罩，2為管壁，當(dāng)達(dá)到熱平衡：

10、+ = 代入數(shù)據(jù)整理,得：+ = (2)由(1)，(2)可解得：493.62K=220.47，467.19K=194.04誤差：14.某燃料油相對(duì)密度0.970，含硫1.4(質(zhì)量)，試求其低發(fā)熱值和理論空氣用量。解：燃料油的族組成： 15加熱爐的燃料為重油，其組成(質(zhì)量百分比)為：C84；H13；S1.5；01.5試求：(1)重油的低發(fā)熱值；(2)理論空氣用量；(3)過(guò)?？諝庀禂?shù)1.3時(shí)的實(shí)際空氣用量。解：(1)(2)(3)16.已知燃料氣之組成如下，試求其低發(fā)熱值及理論空氣用量。解：由表6-3（P217）可查得各種氣體的體積低發(fā)熱值： 組分H2SCO2H2N2O2CH4C2H6體積%4.20

11、.649.5911.91.428.0111.09體積低發(fā)熱值kJ/Nm323384011096003571163584理論空氣用量Nm3/Nm37.1402.38009.5216.66組分C2H4C3H8C3H6C4H10C4H8C5H10體積%2.129.659.404.397.250.36體積低發(fā)熱值kJ/Nm3594729103486411109281113719138378理論空氣用量Nm3/Nm314.2823.822.4230.9428.5635.717.如將天然氣甲烷作為加熱爐的燃料，試求當(dāng)過(guò)剩空氣系數(shù)1.25時(shí)，甲烷完全燃燒后煙氣的分析組成，(體)。 解：根據(jù)燃燒反應(yīng)： 由此可

12、知?dú)馔耆紵龝r(shí)需要，即 實(shí)際空氣用量： 如果認(rèn)為煙氣中只有，則有組分CH4O2N2CO2H2O燃燒前12.59.40012.9燃燒后00.59.41212.9分析組成%3.87672.8687.75215.504100干基組成%4.58786.2399.174010018.某廠實(shí)測(cè)催化原料加熱爐的煙氣分析組成為：O28.0(體)，CO28.0(體)，試計(jì)算其過(guò)剩空氣系數(shù)。解：19.某加熱爐加熱原油52000kg/h，原油開(kāi)始末氣化，由453K加熱至638K，并氣化率為0.25(質(zhì)量)，試求爐子的熱負(fù)荷和燃料用量。原油性質(zhì)：0.9097，特性因數(shù)K=11.8，燃料：Ql41.88MJ/kg燃料。

13、 熱損失： =0.03；煙氣出對(duì)流室溫度比原油入爐溫度高140K，過(guò)?？諝庀禂?shù)為1.30。解：有圖表集查得 煙氣溫度=140+453=593K 查P364圖7-8得 20.某加熱爐加熱原油148000kg/h，原油由460K加熱至633K，并氣化26.1(質(zhì))，對(duì)流室過(guò)熱蒸汽管的熱負(fù)荷為1.105MW，爐子的熱效率為0.78，燃料的低發(fā)熱值為41.9lMJ/kg燃料，試求爐子的熱負(fù)荷和燃料用量。原油性質(zhì)： 0.9082，特性因數(shù)K12。解：有圖表集查得 21.由20根102×6mm，長(zhǎng)10m的管子排成雙排管，管心距Sl為管外徑的二倍，管排一面受輻射，一面受反射。試求；(1)管排總的當(dāng)

14、量冷平面；(2)第一排管總的當(dāng)量冷平面；(3)第二排管總的當(dāng)量冷平面?(4)第一排管接受直接輻射的當(dāng)量冷平面；(5)第二排管接收直接輻射的當(dāng)量冷平面。解：20根管呈雙排錯(cuò)列，則管排的冷平面面積： 角系數(shù)由P224圖6-25可查得各種情況下的角系數(shù)： 管排總的當(dāng)量冷平面面積： 由查圖6-25中A線，得角系數(shù) 第一排管的當(dāng)量冷平面面積： 由查圖6-25中c線，得角系數(shù) 第二排管的當(dāng)量冷平面面積： 由查圖6-25中E線，得角系數(shù) 第一排管接受直接輻射的當(dāng)量冷平面面積： 由查圖6-25中D線，得角系數(shù) 第二排管接受直接輻射的當(dāng)量冷平面面積： 由查圖6-25中F線，得角系數(shù) 22.其煉油廠常壓加熱爐輻射

15、室內(nèi)，除沿爐壁裝有152×l0，有效管長(zhǎng)為11.15m的管子76根外(單排管，管心距為304mm)，沿徑向還裝有呈十字交叉的管子44根(見(jiàn)圖)，其中8根為219×12，其余為152×10，管心距都是管外徑的2倍。試計(jì)算輻射室總的有效輻射面積(不包括遮蔽管)。解：對(duì)其中1/4部分計(jì)算其Aef：沿徑向部分對(duì)貼壁排列的管子：（B線）沿徑向排列的管子：（D線）23.已知一圓筒爐輻射室的尺寸如下：爐膛直徑5518mm，高12.68m，輻射管為152× 8，管心距304mm，有效長(zhǎng)度為12m，共計(jì)52根，兩路并聯(lián)，單排排列。對(duì)流室最下一排管仍為152× 8

16、，管心距304mm，計(jì)8根，管有效長(zhǎng)2748mm。如油品出對(duì)流室的溫度為290，出輻射室的溫度為370，氣化率0.3(質(zhì))。油品的流量為102.5t/h，=0.8832，K12。燃料氣密度為1.3kg/Nm3，用量為l070Nm3/h，燃料低發(fā)熱值為51.29MJ/Nm3。試求當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)1.3時(shí)，此爐能否完成加熱任務(wù)。解：輻射室的熱負(fù)荷： 其中： e=0.3 當(dāng)量冷平面面積： 輻射管： 查圖6-25中B線由得 遮蔽管： 有效輻射面積與當(dāng)量冷平面面積之比： 爐膛總面積： 有效反射面面積： 反射面與輻射面面積的比值：煙氣黑度： 已知空氣過(guò)剩系數(shù)，由圖6-26（P225）查得 的分壓： 由表6-4（P225）查得煙氣的平均輻射長(zhǎng)度： 由于煙氣溫度未知，因此需要先假設(shè)一個(gè)煙氣溫度。 設(shè),查圖6-27（P226）得煙氣黑度為總輻射交換因素F： 由圖6-28（P227），根據(jù)， 可查得F=0.603輻射室熱平衡： 根據(jù) ，其中熱損失 煙氣帶走的熱量損失：由圖6-23（P219）中， 可查得 輻射室的熱效率： 輻射段總吸熱量： 輻射室煙氣出口溫度： 已知原料輻射室溫度為290，出輻射室溫度為370 則管壁溫度可估算為 根據(jù)圖6-24（P223），取的曲線 在圖