化工答案第六章传热

第六章传热习题 热传导 6-1. 如图所示，某工业炉的炉壁由耐火砖1= 1.3W/(mK)、绝热层2 = 0.18W/(mK)及普通砖3= 0.93W/(mK)三层组成。炉膛壁内壁温度1100，普通砖层厚12cm, 其外表面温度为50。通过炉壁的热损失为1200W/m2, 绝热材料的耐热温度为900。求耐火砖层的最小厚度及此时绝热层厚度。 设各层间接触良好，接触热阻可以忽略。 解： 6-2. 如图所示，为测量炉壁内壁的温度，在炉外壁及距外壁 1/3 厚度处设置热电偶，测得 t2=300, t3 =50。求内壁温度 t1 。设炉壁由单层均质材料组成。解： 6-3. 某火炉通过金属平壁传热使另一侧的液体蒸发，（m2s），与液体交界的金属壁的温度为110。时间久后，液体一侧的壁面上形成一层2mm厚的污垢，污垢导热系数=0.65W/(mK)。 设垢层与液面交界处的温度仍为110，且蒸发速率需维持不变，求与垢层交界处的金属壁面的温度。液体的汽化热r=2000kJ/kg。 解： 6-4. 为减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管道外复盖保温层。已知保温材料的导热系数t(式中t为)，蒸汽管外壁温度为 180，要求保温层外壁温度不超过 50,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控制在 110-4kg/(ms)以下，问保温层厚度应为多少？解：查180水蒸汽W/(m) *6-5. 如图所示，用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚、直径120mm的圆形平板，置于冷、热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度t1=200。冷侧表面用水夹套冷却，使表面温度维持在t2 =80。电加热器的功率为40.0W。 由于安装不当，2层气= 0.030W/(mK)，使测得的材料热导率与真实值不同。不计热损失，求测量的相对误差，即(-)/ 。 解： *6-6. 通过中空球壁导热的热流量Q可写成形式。 试证：(式中A1、A2 分别为球壁的内、外表面积。) 解： 定态传热Q为恒值*6-7. 有一蒸汽管外径25mm，管外包以两层保温材料，每层厚均为25mm。外层与内层保温材料的热导率之比为，此时的热损失为Q。今将内、外两层材料互换位置，且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变，则热损失为Q。求Q/Q，说明何种材料放在里层为好。解：互换前： 互换后：依据计算可知热导率小的材料在里层热损失小。 对流给热 6-8. 在长为3m，内径为53mm的管内加热苯溶液。苯的质量流速为172kg/(sm2)。苯在定性温度下的物性数据如下：s；=0.14W/(mK)；Cp=1.8kJ/(kg)。试求苯对管壁的给热系数。解：加热苯溶液，b W/(m2K)6-9. 在常压下用列管换热器将空气由200冷却至120，空气以3kg/s的流量在管外壳体中平行于管束流动。换热器外壳的内径为260mm，内有252.5mm钢管38根。求空气对管壁的给热系数。解：空气定性温度为：，查常压下160物性数据，= kg/m3；=2.4510-5Pas；710-2W/(mK)；cp=1.017kJ/(kgK)；Pr kg/(sm2)空气由200冷却至120，bW/(m2K)6-10. 油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油，重油的平均温度tm=20，蒸汽管外壁温度tw=120，管外径为60mm。已知在定性温度70下重油的物性数据如下：=900kg/m3；cp=1.88kJ/(kg)；=0.174W/(m)。运动粘度=210-3 m2 /s, =310-4 K-1。试问蒸汽对重油的热传递速率W/m2为多少?解：大容积自然对流：查表得：A=0.54；b W/(m2) W/m26-11. 室内水平放置两根表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围空气散失热量。已知大管的直径为小管直径的10倍，小管的(GrPr)=109。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少？解：大容积自然对流：两管直径不同，与特征尺寸管径有关，依据大管和小管GrPr查表：A=0.135；b=1/3 冷凝给热 6-12. 饱和温度为100的水蒸气在长3m、外径为0.03m 的单根黄铜管表面上冷凝。铜管竖直放置，管外壁的温度维持96，试求：（1）每小时冷凝的蒸汽量；（2）又若将管子水平放,冷凝的蒸汽量又为多少？ 解：（1）饱和温度为100的水蒸气，r=2258.4kJ/kg，定性温度为98，查水：=960kg/m3；=s；=0.682W/(m)。 W/(m2K)，为层流。（2）将管子水平放置，特征尺寸为直径。 W/(m2K) 传热过程计算 6-18. 热气体在套管换热器中用冷水冷却，内管为25，热导率为45W/(mK)。冷水在管内湍流流动，给热系数1=2000W/(m2K)。热气在环隙中湍流流动，2 =50W/(m2K)。不计垢层热阻，试求：(1)管壁热阻占总热阻的百分数；(2) 内管中冷水流速提高一倍，总传热系数有何变化？(3)环隙中热气体流速提高一倍，总传热系数有何变化？解：(1) 以外表面为基准： m2K/ W W/(m2K) m2K/ W管壁热阻占总热阻的百分数：(2) 内管中冷水流速提高一倍， W/(m2K) W/(m2K)总传热系数变化很小。(3)环隙中热气体流速提高一倍， W/(m2K) W/(m2K)总传热系数变化很大。提高K值，应提高较小的值。6-19. 684mm的无缝钢管，内通过0.2MPa(表压)的饱和蒸汽。管外包30mm厚的保温层=0.080W/(mK)，该管设置于温度为 20的大气中，已知管内壁与蒸汽的给热系数1=5000W/(m2K)，保温层外表面与大气的给热系数2=10W/(m2K)。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。解：忽略管壁热阻，以保温层外表面为基准： W /(m2K) 查0.2MPa(表压)的饱和蒸汽，温度T=134，rW/m 6-的液氮，罐外覆以=0.02W/(mK)的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28 ，以免露水凝结。大气温度为32，大气与保温层外壁的给热系数为12 W/(m2K)， 罐内液氮对壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略，计算绝热材料应有的厚度。 注：球壁导热公式参见题6。 解：，绝热材料应有的厚度。6-21. 用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验，第一次冷凝器是新的，第二次冷凝器已使用过一段时期之后。试验结果如表所示。试验次数第一次第二次流速 m/s传热系数 K W/(m2)120018601100表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为28，热导率为45W/(m )。水在管内流动是高度湍流，饱和蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求：(1)第一次试验中，管外给热系数1，以及当水速为2m/s时管内给热系数2；(2)试分析在相同的水流速下，两次实验的传热系数数值不同的原因，并得出定量计算的结果。解：(1) W/(m2K) W/(m2K) W/(m2K)(2) m2K/ W*6-22. 一内径为 0.34m 的空心球形钢壳容器，其内壁表面温度为38，外壁外面用 100热水加热。钢壳的热导率为45W/(m)，热水对外壁的给热系数=500 W/(m2)，试计算钢壳厚度是多少mm时传热速率达最大值？最大传热速率为多少？解：传热速率达最大时，R最小。对R求导数：取导数 m W6-23. 某列管冷凝器内流冷却水，管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为20与30。使用一段时期后，在冷却水进口温度与流量相同的条件下，冷却水出口温度降为26。求此时的垢层热阻。已知换热器的传热面为2，有机蒸汽的冷凝温度80，冷却水流量为2.5kg/s。解：定性温度：，cp1 kJ/(kg) W/(m2) W/(m2) m2/ W6-24. 某列管式加热器由多根25，将苯由20加热到55，苯在管中流动，其流量为每小时15吨，。加热剂为 130的饱和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比热cp=1.76kJ/(kg)，密度为858kg/m3。已知加热器的传热系数为700 W/(m2)，试求此加热器所需管数n及单管长度l。 解：一根钢管中流量： kg/ s m*6-25. 某气体混合物(比热及热导率均未知)以90kg/h的流量流过套管换热器的内管，气体的温度由38被加热到138。内管内径为53mm，外管内径为78mm，管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在150s，其普朗特数Pr=1，试求套管换热器的管长。 解： *6-26. 如图所示，传热面相等的两台换热器, 用冷水将油从138冷却至 93，温度t1=25，出口t2=50，余下的水进入第二个换热器，冷水出口t3=65。设两个换热器的传热系数均为450 W/(m2)，油的比热cp=2.1 kJ/(kg)。求两换热器的传热面积，及油的流量。，cp21=kJ/(kg)第二个换热器，cp22= kJ/(kg) kg/s传热面相等 （1） （2）联立（1）、（2），。 kg/s， kg/s 换热器的传热面积 m2油的流量 kg/s*6-27. ，蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略，冷凝温度 60，汽化热为395kJ/kg。管束有n根25，管内通入t1=25的河水作冷却剂, 不计垢层及管壁热阻, 试计算：(1)冷却水用量(选择冷水出口温度)；(2)管数n与管长 L(水在管内的流速可取1m/s左右)；(3)若保持上述计算所得的总管数不变，将上述换热器制成双管程投入使用，冷却水流量及进口温度仍维持设计值，求操作时有机蒸汽的冷凝量。 解：(1) 定性温度，30-50，cp2=4.174kJ/(kgK)。t2 30333538404345qm2 kg/s(2) 冷水出口温度取40， kg/s ，定性温度，=9kg/m3；s；=0.6131W/(mK)。 W/(m2K)(3) 双管程，n=31/2=16，流量不变，流速增加一倍。W/(m2K) kg/s 传热操作型计算 6-28. 某冷凝器传热面积为 20m2，用来冷凝 100的饱和水蒸汽。冷液进口温度为 40，比热为4000J/(kg)。换热器的传热系数K=125W/(m2)，求水蒸汽冷凝量。 解：100的饱和水蒸汽，r=2258.4kJ/kg。 kg/s6-29. 有一套管换热器，内管为193mm，管长为2m，管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为270kg/h, 进口温度为100，水的流量为360kg/h，入口温度为10。若忽略热损失，且知以管外表面积为基准的传热系数K=374 W/(m2)，油的比热cp=1.88kJ/(kg)，试求油和水的出口温度分别为多少? 解：水的定性温度取10，cp2=4.191kJ/(kg) 水的定性温度，cp2=4.188kJ/(kg)，与10水的cp2=4.191kJ/(kg)相差很小，计算有效。6-30. 某列管换热器用110饱和蒸汽加热甲苯，可使甲苯由30加热至100。今甲苯流量增加50%，试求： (1) 甲苯出口温度；(2) 在不变动设备条件下，采用何种措施以使甲苯出口温度仍维持100？作定量计算。解：(1) (2) A. 提高饱和蒸汽的温度（加压）B. 提高饱和蒸汽冷凝量，增加50%。 *6-2，油在内管从75被冷却至65。冷却水在环隙中逆流流动，从30加热至 45，给热系数2 =4000W/(m2 )。内管直径25mm，管壁较薄，热阻可略去不计。求该换热器能冷却的最大油量。 已知油在平均温度下的物性为=0.56W/(m)；s；cp=2070J/(kg)。 解：*6-32. 今有一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为40和100。已知并流操作时冷流体出口温度为60，热流体为80。试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数均为定值。 解：并流操作时： 逆流操作时： *6-33. 由A、B两台换热器组成的换热系统中，冷与热流体的流向及流量等均如图所示。已知：A、B两台换热器的传热面积，传热系数均相等。冷流体流量等量分配。且T1=150，T2 =40；t1=30，t2 =90。试求：温度T，ta、tb 的值分别为多少? 解： （1） （2） （3）联立（1）（2）（3）， 换热器 6-36. 今欲于下列各列管换热器中，将某种溶液从20加热到50。加热剂进口温度为100，出口温度为60。试求各种情况下的平均温差。 (1) 单壳程，四管程；(2) 双壳程，四管程。解：逆流操作时：(1) 单壳程，四管程查图（P230），(2) 双壳程，四管程。查图（P230），6-37. 有一列管换热器，煤油走壳程。其温度由230降至120，流量为28700kg/h。壳内径为560mm，内有25，每根长6m，管中心距为32mm，三角形排列。用圆缺形挡板(切去高度为直径的25%)，挡板间距为300mm。试求煤油的给热系数。 已知定性温度下煤油的物性数据如下：Cp=2.60kJ/(kg)，=710kg/m3，=0.32mPas，=0.13W/(mK)。 解：6-38. 有一单壳程双管程列管换热器，管外用 120饱和蒸汽加热，常压干空气以 12m/s 的流速在管内流过，管径为382.5mm，总管数为200根，已知空气进口温度为26，要求空气出口温度为86，试求： (1) 该换热器的管长应为多少? (2) 若气体处理量、进口温度、管长均保持不变，而将管径增大为542mm，总管数减少 20%，此时的出口温度为多少? (不计出口温度变化对物性影响，忽略热损失)。解：6-39. 试设计一列管式冷凝器，用水来冷凝常压下的乙醇蒸汽。乙醇的流量为 3000kg/h，冷水进口温度为 30，出口温度为40。在常压下乙醇的饱和温度为78，汽化潜热为925kJ/kg。乙醇蒸汽冷凝给热系数估计为1660 W/(m)。设计内容:：(1)程数、总管数、管长；(2)管子在花板上排列；(3)壳体内径。解：