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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,在加热器的平壁外表面,包一层热导率为0.16W/(m·℃)、厚度为300mm的绝热材料。
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处的温度为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,其保冷壁是由30mm厚的软木做成的。
软木的热导率λ=0.043W/(m·℃)。
若外表面温度为28℃,内表面温度为3℃,试计算单位表面积的冷量损失。
解已知,
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280℃和100℃,试计算该材料的热导率。
解根据已知做图
热传导的热量
【4-4】燃烧炉的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℃,绝热砖的耐热温度为940℃,普通砖的耐热温度为130℃。
(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
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。
绝热砖层厚度的计算
每块绝热砖的厚度为,取两块绝热砖的厚度为。
(2)计算普通砖层的外侧壁温
先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度
小于130℃,符合要求。
通过普通砖层的热传导,计算普通砖层的外侧壁温。
【4-5】有直径为的黄铜冷却管,假如管内生成厚度为1mm的水垢,水垢的热导率λ=1.163W/(m·℃)。
试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍[黄铜的热导率λ=110W/(m·℃)]。
解因,因算术平均半径计算导热面积。
管长用L表示。
黄铜管的热阻为
水垢的热阻为
倍
【4-6】某工厂用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;第二层为厚30mm的石棉灰,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。
试求该管路的散热量。
解
【4-7】水蒸气管路外径为108mm,其表面包一层超细玻璃棉毡保温,其热导率随温度的变化关系为。
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℃,且每米管路的热量损失不超过。
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的钢管中以的流速通过。
水温由15℃升至25℃。
求管壁对水的对流传热系数。
解
水的平均温度
查得20℃时水的密度,黏度,热导率λ=59.9×10-2W/(m·℃),普朗特数。
雷诺数湍流
对流传热系数的计算,水被加热,Pr的指数
=4367W/(m2·℃)
【4-9】空气以的流速通过的钢管,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的对流传热系数。
(2)如空气流速增加一倍,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,钢管内壁的平均温度为多少。
解已知
(1)对流传热系数计算
空气的平均温度
查得空气在时的物性数据,
,空气被加热,Pr的指数
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)若空气从管壁得到的热量为,计算钢管内壁平均温度
用式计算钢管内壁的平均温度。
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的空气,以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30℃。
列管式换热器的外壳内径为190mm,其中装有37根的钢管,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,温度,
空气的平均温度
查得空气在20℃的物性数据为:
密度,比热容,热导率,黏度,普朗特数,空气被加热,Pr的指数
空气流动的截面积
湿润周边
当量直径
已知空气的流速
雷诺数湍流
对流传热系数
【4-11】有一套管式换热器,内管为,外管为的钢管,内管的传热管长为2m。
质量流量为的甲苯在环隙中流动,进口温度为72℃,出口温度为38℃。
试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。
解
甲苯的温度,平均温度
甲苯在55℃的物性数据有:
密度,比热容,热导率λ=0.128W/(m·℃),黏度
甲苯的质量流量
体积流量
甲苯在环隙中的流速计算
套管的内管外径,外管内径,
流速
甲苯对内管外表面的对流传热系数计算
套管环隙的当量直径
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,试求甲苯对钢管内表面的对流传热系数。
解甲苯的温度
平均温度
甲苯在50℃时的物性数据为:
密度,黏度,热导率,比热容
甲苯在3根并联蛇管中的流速计算
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的硝酸,在管径为、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。
如何假设
水蒸气冷凝的值一般为
按题意,饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为
取,估算壁温度
300kPa(绝对压力)时,水蒸气的饱和温度。
用式估算壁温度
先假设℃
定性温度为膜温
冷凝水膜的物性参数
℃时水的比汽化热
水蒸气在水平管外冷凝的值计算
用式计算Q值
此Q值大于硝酸吸收的热量,说明假设的偏小。
重新用估算。
假设
膜温
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,只是计算式中的不同。
值计算
用验算壁温
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,加热面温度保持130℃,试计算加热面上的热流密度。
解
水沸腾的对流传热系数计算
加热面上的热流密度
两流体间传热过程的计算
【4-15】载热体的流量为,试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。
(1)100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水;
(2)苯胺由383K降温至283K;(3)比热容为的水溶液从290K加热到370K;(4)常压下20℃的空气加热到;(5)绝对压力为250kPa的饱和水蒸气,冷凝冷却成40℃的水。
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)饱和水蒸气,饱和温度,比汽化热,
冷凝水从降至℃,平均温度
比热容
放热量
【4-16】用冷却水使流量为的硝基苯从355K冷却到300K,冷却水由15℃升到35℃,试求冷却水用量。
若将冷却水的流量增加到,试求冷却水的出口温度。
解硝基苯流量,平均温度比热容
硝基苯的放热量
(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。
先假设水的比热容及密度不变。
从上面的计算式可知成反比,故
假设
水的平均温度
查得水的比热容,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的平均温度差。
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℃。
试计算两种流体的传热平均温度差。
解 属于折流
查得温差校正系数
【4-19】用绝对压力为300kPa的饱和水蒸气将体积流量为的苯胺从80℃加热到100℃。
苯胺在平均温度下的密度为,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)水的比汽化热,苯胺体积流量,
苯胺吸收的热量为
水蒸气用量
(2)计算传热面积A已知,水蒸气的。
水蒸气133.3℃133.3℃
苯胺
【4-20】有一套管式换热器,内管为的钢管,内管中有质量流量为的热水,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)冷却水用量计算
热水平均温度
冷水平均温度
热量衡算
(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的冷水30t/h使流量为20t/h的乙二醇从353K冷却到313K,设总传热系数为,试计算所需传热面积。
解
乙二醇的平均温度,
比热容
乙二醇放出热量
从水的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。
冷水的平均温度
接近30℃,所假设的可以。
逆流平均温度差计算
折流的平均温度差计算
传热面积
【4-22】 有一外径为l00mm的水蒸气管,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的A、B两层绝热材料保温层,A与B的热导率分别为与。
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的对流(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的总传热系数为
热量损失
单位长度的热损失为
(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。
问所测得的总传热系数为多大?
解甲苯,
热负荷
【4-24】在一套管换热器中,内管中流体的对流传热系数,内管外侧流体的对流传热系数。
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。
内管中有流量为的苯被加热,进口温度为50℃,出口温度为80℃。
套管的环隙中有绝对压
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