化工答案第六章傳熱

第六章傳熱習(xí)題熱傳導(dǎo)6-1.如圖所示，某工業(yè)爐的爐壁由耐火磚λ1=1.3W/(m·K)、絕熱層λ2=0.18W/(m·K)及普通磚λ3=0.93W/(m·K)三層組成。爐膛壁內(nèi)壁溫度1100℃，普通磚層厚12cm,其外表面溫度為50℃。通過爐壁的熱損失為1200W/m2,絕熱材料的耐熱溫度為900℃。求耐火磚層的最小厚度及此時絕熱層厚度。設(shè)各層間接觸良好，接觸熱阻可以忽略。解：℃6-2.如圖所示，為測量爐壁內(nèi)壁的溫度，在爐外壁及距外壁1/3厚度處設(shè)置熱電偶，測得t2=300℃,t3=50℃。求內(nèi)壁溫度t1。設(shè)爐壁由單層均質(zhì)材料組成。解：℃6-3.某火爐通過金屬平壁傳熱使另一側(cè)的液體蒸發(fā)，單位面積的蒸發(fā)速率為0.048kg/（m2·s），與液體交界的金屬壁的溫度為110℃。時間久后，液體一側(cè)的壁面上形成一層2mm厚的污垢，污垢導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.65W/(m·K)。設(shè)垢層與液面交界處的溫度仍為110℃，且蒸發(fā)速率需維持不變，求與垢層交界處的金屬壁面的溫度。液體的汽化熱r=2000kJ/kg。解：℃6-4.為減少熱損失，在外徑Φ150mm的飽和蒸汽管道外復(fù)蓋保溫層。已知保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.103+0.000198t(式中t為℃)，蒸汽管外壁溫度為180℃，要求保溫層外壁溫度不超過50℃,每米管道由于熱損失而造成蒸汽冷凝的量控制在1×10-4kg/(m·s)以下，問保溫層厚度應(yīng)為多少？解：查180℃水蒸汽W/(m﹒℃)*6-5.如圖所示，用定態(tài)平壁導(dǎo)熱以測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。將待測材料制成厚δ、直徑120mm的圓形平板，置于冷、熱兩表面之間。熱側(cè)表面用電熱器維持表面溫度t1=200℃。冷側(cè)表面用水夾套冷卻，使表面溫度維持在t2=80℃。電加熱器的功率為40.0W。由于安裝不當(dāng)，待測材料的兩邊各有一層0.1mm的靜止氣2層λ氣=0.030W/(m·K)，使測得的材料熱導(dǎo)率λ′與真實值λ不同。不計熱損失，求測量的相對誤差，即(λ′-λ)/λ。解：*6-6.通過中空球壁導(dǎo)熱的熱流量Q可寫成形式。試證：(式中A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外表面積。)解：定態(tài)傳熱Q為恒值*6-7.有一蒸汽管外徑25mm，管外包以兩層保溫材料，每層厚均為25mm。外層與內(nèi)層保溫材料的熱導(dǎo)率之比（2）將管子水平放置，特征尺寸為直徑。W/(m2·K)傳熱過程計算6-18.熱氣體在套管換熱器中用冷水冷卻，內(nèi)管為Φ25×2.5mm鋼管，熱導(dǎo)率為45W/(m·K)。冷水在管內(nèi)湍流流動，給熱系數(shù)α1=2000W/(m2·K)。熱氣在環(huán)隙中湍流流動，α2=50W/(m2·K)。不計垢層熱阻，試求：(1)管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)；(2)內(nèi)管中冷水流速提高一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍，總傳熱系數(shù)有何變化？解：(1)以外表面為基準(zhǔn)：m2·K/WW/(m2·K)m2·K/W管壁熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)：(2)內(nèi)管中冷水流速提高一倍，W/(m2·K)W/(m2·K)總傳熱系數(shù)變化很小。(3)環(huán)隙中熱氣體流速提高一倍，W/(m2·K)W/(m2·K)總傳熱系數(shù)變化很大。提高K值，應(yīng)提高較小的α值。6-19.Φ68×4mm的無縫鋼管，內(nèi)通過0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽。管外包30mm厚的保溫層λ=0.080W/(m·K)，該管設(shè)置于溫度為20℃的大氣中，已知管內(nèi)壁與蒸汽的給熱系數(shù)α1=5000W/(m2·K)，保溫層外表面與大氣的給熱系數(shù)α2=10W/(m2·K)。求蒸汽流經(jīng)每米管長的冷凝量及保溫層外表面的溫度。解：忽略管壁熱阻，以保溫層外表面為基準(zhǔn)：W/(m2·K)查0.2MPa(表壓)的飽和蒸汽，溫度T=134℃，r=2168.3kJ/kgW/m℃6-20.外徑1.2m的球形貯罐內(nèi)放-196℃的液氮，罐外覆以λ=0.02W/(m·K)的絕熱材料以減少向大氣的冷量損失。保溫層外壁的溫度不低于28℃，以免露水凝結(jié)。大氣溫度為32℃，大氣與保溫層外壁的給熱系數(shù)為12W/(m2·K)，罐內(nèi)液氮對壁的給熱熱阻以及罐壁的熱阻均可忽略，計算絕熱材料應(yīng)有的厚度。注：球壁導(dǎo)熱公式參見題6。解：，絕熱材料應(yīng)有的厚度。6-21.用不同的水流速度對某列管式冷凝器作了兩次試驗，第一次冷凝器是新的，第二次冷凝器已使用過一段時期之后。試驗結(jié)果如表所示。試驗次數(shù)第一次第二次流速m/s1.02.01.0傳熱系數(shù)KW/(m2·℃)120018601100表中傳熱系數(shù)均以外表面為基準(zhǔn)。管子尺寸為Φ28×2.5mm，熱導(dǎo)率為45W/(m·℃)。水在管內(nèi)流動是高度湍流，飽和蒸汽在管外冷凝。兩次實驗條件相同。試求：(1)第一次試驗中，管外給熱系數(shù)α1，以及當(dāng)水速為2m/s時管內(nèi)給熱系數(shù)α2；(2)試分析在相同的水流速下，兩次實驗的傳熱系數(shù)數(shù)值不同的原因，并得出定量計算的結(jié)果。解：(1)W/(m2·K)W/(m2·K)W/(m2·K)(2)m2·K/W*6-22.一內(nèi)徑為0.34m的空心球形鋼殼容器，其內(nèi)壁表面溫度為38℃，外壁外面用100℃熱水加熱。鋼殼的熱導(dǎo)率為45W/(m·℃)，熱水對外壁的給熱系數(shù)α=500W/(m2·℃)，試計算鋼殼厚度是多少mm時傳熱速率達(dá)最大值？最大傳熱速率為多少？解：傳熱速率達(dá)最大時，R最小。對R求導(dǎo)數(shù)：取導(dǎo)數(shù)mW6-23.某列管冷凝器內(nèi)流冷卻水，管外為有機蒸汽冷凝。在新使用時冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為20℃與30℃。使用一段時期后，在冷卻水進(jìn)口溫度與流量相同的條件下，冷卻水出口溫度降為26℃。求此時的垢層熱阻。已知換熱器的傳熱面為16.5m2，有機蒸汽的冷凝溫度80℃，冷卻水流量為2.5kg/s。解：定性溫度：℃，cp1=4.179kJ/(kg·℃)℃W/(m2·℃)℃W/(m2·℃)m2·℃/W6-24.某列管式加熱器由多根Φ25×2.5mm的鋼管所組成，將苯由20℃加熱到55℃，苯在管中流動，其流量為每小時15噸，流速為0.5m/s。加熱劑為130℃的飽和水蒸汽，在管外冷凝。苯的比熱cp=1.76kJ/(kg·℃)，密度為858kg/m3。已知加熱器的傳熱系數(shù)為700W/(m2·℃)，試求此加熱器所需管數(shù)n及單管長度l。解：一根鋼管中流量：kg/s℃m*6-25.某氣體混合物(比熱及熱導(dǎo)率均未知)以90kg/h的流量流過套管換熱器的內(nèi)管，氣體的溫度由38℃被加熱到138℃。內(nèi)管內(nèi)徑為53mm，外管內(nèi)徑為78mm，壁厚均為2.5mm，管外為蒸汽冷凝使管內(nèi)壁溫度維持在150℃。已知混合氣體粘度為0.027mPa·s，其普朗特數(shù)Pr=1，試求套管換熱器的管長。解：*6-26.如圖所示，傳熱面相等的兩臺換熱器,用冷水將油從138℃冷卻至93℃，冷水進(jìn)入第一換熱器的流量為2.5kg/s，溫度t1=25℃，出口t2=50℃。將此股水流中抽出0.62kg/s水移作它用，余下的水進(jìn)入第二個換熱器，冷水出口t3=65℃。設(shè)兩個換熱器的傳熱系數(shù)均為450W/(m2·℃)，油的比熱cp=2.1kJ/(kg·℃)。求兩換熱器的傳熱面積，及油的流量。解：第一換熱器，定性溫度為37.5℃，cp21=4.174kJ/(kg·℃)第二個換熱器，定性溫度為57.5℃，cp22=4.177kJ/(kg·℃)kg/s傳熱面相等（1）（2）聯(lián)立（1）、（2），℃，℃。kg/s，kg/s換熱器的傳熱面積m2油的流量kg/s*6-27.用一單程列管換熱器以冷凝1.5kg/s的有機蒸汽，蒸汽在管外冷凝的熱阻可以忽略，冷凝溫度60℃，汽化熱為395kJ/kg。管束有n根Φ25×2.5mm的鋼管組成，管內(nèi)通入t1=25℃的河水作冷卻劑,不計垢層及管壁熱阻,試計算：(1)冷卻水用量(選擇冷水出口溫度)；(2)管數(shù)n與管長L(水在管內(nèi)的流速可取1m/s左右)；(3)若保持上述計算所得的總管數(shù)不變，將上述換熱器制成雙管程投入使用，冷卻水流量及進(jìn)口溫度仍維持設(shè)計值，求操作時有機蒸汽的冷凝量。解：(1)定性溫度℃，30-50℃，cp2=4.174kJ/(kg·K)。t2℃30333538404345qm2kg/s28.3917.7414.2010.929.467.897.09(2)冷水出口溫度取40℃，kg/s，定性溫度℃，ρ=995.1kg/m3；μ=0.764mPa·s；λ=0.6131W/(m·K)。W/(m2·K)(3)雙管程，n=31/2=16，流量不變，流速增加一倍。W/(m2·K)℃kg/s傳熱操作型計算6-28.某冷凝器傳熱面積為20m2，用來冷凝100℃的飽和水蒸汽。冷液進(jìn)口溫度為40℃，流量0.917kg/s，比熱為4000J/(kg·℃)。換熱器的傳熱系數(shù)K=125W/(m2·℃)，求水蒸汽冷凝量。解：100℃的飽和水蒸汽，r=2258.4kJ/kg?！鎘g/s6-29.有一套管換熱器，內(nèi)管為Φ19×3mm，管長為2m，管隙的油與管內(nèi)的水的流向相反。油的流量為270kg/h,進(jìn)口溫度為100℃，水的流量為360kg/h，入口溫度為10℃。若忽略熱損失，且知以管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)K=374W/(m2·℃)，油的比熱cp=1.88kJ/(kg·℃)，試求油和水的出口溫度分別為多少?解：水的定性溫度取10℃，cp2=4.191kJ/(kg·℃)℃℃水的定性溫度℃，cp2=4.188kJ/(kg·℃)，與10℃水的cp2=4.191kJ/(kg·℃)相差很小，計算有效。6-30.某列管換熱器用110℃飽和蒸汽加熱甲苯，可使甲苯由30℃加熱至100℃。今甲苯流量增加50%，試求：(1)甲苯出口溫度；(2)在不變動設(shè)備條件下，采用何種措施以使甲苯出口溫度仍維持100℃？作定量計算。解：(1)℃(2)A.提高飽和蒸汽的溫度（加壓）℃B.提高飽和蒸汽冷凝量，增加50%。*6-31.某套管換熱器有傳熱面積0.4m2，油在內(nèi)管從75℃被冷卻至65℃。冷卻水在環(huán)隙中逆流流動，從30℃加熱至45℃，給熱系數(shù)α2=4000W/(m2·℃)。內(nèi)管直徑φ25mm，管壁較薄，熱阻可略去不計。求該換熱器能冷卻的最大油量。已知油在平均溫度下的物性為λ=0.56W/(m·℃)；μ=1.8mPa·s；cp=2070J/(kg·℃)。解：℃*6-32.今有一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為40℃和100℃。已知并流操作時冷流體出口溫度為60℃，熱流體為80℃。試問逆流操作時熱流體、冷流體的出口溫度各為多少？設(shè)傳熱系數(shù)Ｋ均為定值。解：并流操作時：逆流操作時：℃℃*6-33.由A、B兩臺換熱器組成的換熱系統(tǒng)中，冷與熱流體的流向及流量等均如圖所示。已知：A、B兩臺換熱器的傳熱面積，傳熱系數(shù)均相等。冷流體流量等量分配。且T1=150℃，T2=40℃；t1=30℃，t2=90℃。試求：溫度T，ta、tb的值分別為多少?解：（1）（2）（3）聯(lián)立（1）（2）（3）℃，℃，℃換熱器6-36.今欲于下列各列管換熱器中，將某種溶液從20℃加熱到50℃。加熱劑進(jìn)口溫度為100℃，出口溫度為60℃。試求各種情況下的平均溫差。(1)單殼程，四管程；(2)雙殼程，四管程。解：逆流操作時：℃(1)單殼程，四管程查圖（P230），℃(2)雙殼程，四管程。查圖（P230），℃6-37.有一列管換熱器，煤油走殼程。其溫度由230℃降至120℃，流量為28700kg/h。殼內(nèi)徑為560mm，內(nèi)有Φ25×2.5mm的鋼管70根，每根長6m，管中心距為32mm，三角形排列。用圓缺形擋板(切去高度為直徑的25%)，擋板間距為300mm。試求煤油的給熱系數(shù)。已知定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)如下：Cp=2.60kJ/(kg·℃)，ρ=710kg/m3，μ=0.32mPa·s，λ=0.13W/(m·K)。解：6-38.有一單殼程雙管程列管換熱器，管外用120℃飽和蒸汽加熱，常壓干空氣以12m/s的流速在管內(nèi)流過，管徑為Φ38×2.5mm，總管數(shù)為200根，已知空氣進(jìn)口溫度為26℃，要求空