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化工原理课后习题答案第4章传热习题解答

化工原理课后习题答案第4章传热习题解答习 题1. 如附图所示。

某工业炉的炉壁由耐火砖λ1=1.3W/(m·K )、绝热层λ2=0.18W/(m·K )及普通砖λ3=0.93W/(m·K )三层组成。

炉膛壁内壁温度1100o C ,普通砖层厚12cm ,其外表面温度为50 o C 。

通过炉壁的热损失为1200W/m 2,绝热材料的耐热温度为900 o C 。

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。

已知:λ1=1.3W/m·K ,λ2=0.18W/m·K ,λ3=0.93W/m·K ,T 1=1100 o C ,T 2=900 o C ,T 4=50o C ,3δ=12cm ,q =1200W/m 2,Rc =0求: 1δ=?2δ=? 解: ∵δλT q ∆=∴1δ=m q T T 22.0120090011003.1211=-⨯=-λ又∵33224234332322λδλδδλδλ+-=-=-=T T T T T T q ∴W K m q T T /579.093.012.01200509002334222⋅=--=--=λδλδ得:∴m 10.018.0579.0579.022=⨯==λδ习题1附图 习题2附图2. 如附图所示。

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t 2=300 o C ,t 3=50 o C 。

求内壁温度t 1。

设炉壁由单层均质材料组成。

已知:T 2=300o C ,T 3=50o C求: T 1=?解: ∵δλδλ31323T T T Tq -=-=∴T 1-T 3=3(T 2-T 3)T 1=2(T 2-T 3)+T 3=3×(300-50)+50=800 o C3. 直径为Ø60×3mm 的钢管用30mm 厚的软木包扎,其外又用100mm 厚的保温灰包扎,以作为绝热层。

现测得钢管外壁面温度为–110o C ,绝热层外表面温度10o C 。

已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07 W/(m·o C ),试求每米管长的冷量损失量。

解:圆筒壁的导热速率方程为()23212131ln 1ln 12r r r r t t L Q λλπ+-=其中 r 1=30mm ,r 2=60mm ,r 3=160mm所以 ()2560160ln 07.013060ln 043.01101002-=+--=πLQ W/m 负号表示由外界向系统内传热,即为冷量损失量。

4. 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层,设外层的平均直径为内层的两倍。

其导热系数也为内层的两倍。

若将二层材料互换位置,假定其它条件不变,试问每米管长的热损失将改变多少?说明在本题情况下,哪一种材料包扎在内层较为合适?解:设外层平均直径为d m,2,内层平均直径为d m,1,则d m,2= 2d m,1 且 λ2=2λ1由导热速率方程知11111122114522λππλπλλλb L d t L d b L d b t S b S b tQ m m m m m ⨯⨯∆=+∆=+∆=两层互换位置后11111122λππλπλb L d t L d b L d b tQ m m m ⨯∆=+∆=' 所以25.145=='='q q Q Q 即 q q 25.1='互换位置后,单位管长热损失量增加,说明在本题情况下,导热系数小的材料放在内层较适宜。

5. 在长为3m ,内径为53mm 的管内加热苯溶液。

苯的质量流速为172kg/(s·m 2)。

苯在定性温度下的物性数据:μ=0.49mPa·s ;λ=0.14 W/(m·K );c p =1.8kJ/(kg·o C )。

试求苯对管壁的对流传热系数。

已知:L =3m ,d =53mm ,G=172 kg/(s·m 2),被加热苯物性,μ=0.49mPa·s ,λ=0.14 W/(m·K );c p =1.8kJ/(kg·o C )求: α解: Re =431086.11049.0172053.0⨯=⨯⨯=-μdG> 4103.614.01049.0108.1Pr 33=⨯⨯⨯==-λμp c >0.76.56053.03==d L >40 故可用N u =0.023Re 0.8Pr 0.4公式4.08.044.08.03.6)1086.1(053.014.0023.0Pr Re 023.0⨯⨯⨯⨯==d λα=330W/m 2·o C 6. 在常压下用列管换热器将空气由200 o C 冷却至120 o C ,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 ,内径Ø25×2.5mm 钢管38根。

求空气对管壁的对流传热系数。

已知:T 1=200 o C ,T 2=120 o C ,空气q m =3kg/s 走管外壳程,D=260mm ,n =38,d =25mm 求: α解: 空气平均温度C T T t m ︒=+=+=1602120200221查160 o C 空气:ρ=0.815kg/m 3,μ=2.45×10-5Pa·s ,Pr =0.682,λ=0.0364W/m·Km nd D nd D d n D d n D S A de 036.0025.03826.0025.03826.0)44(44222222=⨯+⨯-=+-=+-⨯==ππππs m kg A q G m ⋅=⨯-⨯==222/1.87)025.03826.0(785.03331029.11045.21.87036.0Re ⨯=⨯⨯==-μdeG >104 K m W d ⋅=⨯⨯⨯⨯==24.08.034.08.0/254682.0)1029.1(036.00364.0023.0Pr Re 023.0λα7. 油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油,重油的平均温度t m =20o C ,蒸汽管外壁温度t w =120o C ,管外径为60mm 。

已知在定性温度70 o C 下重油的物性数据:ρ=900kg/m 3;c p =1.88kJ/(kg·o C );λ=0.174 W/(m·o C );运动黏度ν=2×10-3m 2/s ;β=3×10-41/ o C 。

试问蒸汽对重油的热传递速率为多少,(单位为kW/m 2 )?已知:水平管加热外部重油,d =60mm ,t m =20o C ,t w =120o C ,70o C 下,ρ=900kg/m 3; c p =1.88kJ/(kg·o C );λ=0.174 W/(m·o C ),ν=2×10-3m 2/s ;β=3×10-4/ o C 。

求: q=?解: 属大容积自然对流,9.15)102(06.0)20120(81.9103233423=⨯⨯-⨯⨯⨯=∆=--νβtd g Gr4331094.1174.09001021088.1Pr ⨯=⨯⨯⨯⨯===-λρλμv c c p p 541009.31094.19.15Pr ⨯=⨯⨯=Gr查教材可得:A =0.54,b =0.25C m W Gr d A b ︒=⨯⨯⨯==225.05/9.36)1009.3(060.0174.054.0Pr)(λα 23/1069.3)20120(9.36)(m W t t q m w ⨯=-⨯=-=α8. 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。

试问两管路单位时间、单位面积的热损失比值为多少?解:∵3Pr d Gr ∝⋅ ∴129323211101010Pr)()(Pr)(=⨯=⋅=⋅Gr d d Gr查表6-5,两者均在3区域,A=0.135,31=b ∵bGr d q Pr)(1⋅∝ ∴1)1010(10]Pr)(Pr)([3191213121122121=⨯=⋅⋅==-Gr Gr d d q q αα9. 饱和温度为100o C 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 o C ,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?已知:t s =100o C ,t w =96 o C ,L =3m ,d =0.03m求: (1)W 竖放;(2)W 水平解: 查100o C ,水,r =2258kJ/kgC t t t ws m ︒=+=+=982961002 查98 o C ,水,ρ=960kg/m 3,μ=0.290cp ,λ=0.682W/m·K(1) 设凝液为层流,则竖放时K m W t L gr ⋅⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⋅⋅=234132/1042.713.1μλρα验5441022581029.0431042.744Re 333=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=-r t L μα<2000计算有效s kg r t d L r Q q m /1072.3102258403.014.331042.7333-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆==πα (2) 水平放,仍设层流02.203.0364.064.04141=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛='d L αα ∴K m W ⋅⨯=⨯⨯='243/1050.11042.702.2α∵α∞m q ∴skg q q m m /1051.71072.302.233--⨯=⨯⨯='='αα 验5.341029.031051.744Re 33=⨯⨯⨯⨯=⋅'=--μL q m <2000计算有效10. 在列管式换热器中用冷水冷却油。

水的直径为Ø19×2mm 的列管内流动。

已知管内水侧对流传热系数为3490 W/(m 2·o C ),管外油侧对流传热系数为258 W/(m 2·o C )。

换热器在使用一段时间后,管壁两侧均有污垢形成,水侧污垢热阻为0.00026m 2·o C/ W ,油侧污垢热阻为0.000176 m 2·o C/ W 。

管壁导热系数λ为45 W/(m 2·o C ),试求:(1)基于管外表面积的总传热系数;(2)产生污垢后热阻增加的百分数。

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