第二章作业答案

1 第二章第二章 传传 热热 2 2 平壁炉的炉壁由厚 120mm 的耐火砖和厚 240mm 的普通砖砌成 测得炉壁内 外 温度分别为 800 和 120 为减少热损失 又在炉壁外加一石棉保温层 其厚 60mm 导 热系数为 0 2 W m 1 1 之后测得三种材质界面温度依次为 800 680 410 和 60 1 问加石棉后热损失减少多少 2 求耐火砖和普通砖的导热系数 解 定常传热 在传热路径上 传热速率处处相等 任两层接触面同一个温度 说明接触良好 无接触热阻 2 3 3 3 1167 2 0 06 0 60410 mW b t q 1167 12 0 680800 11 1 1 b t q CmW 1 1 167 1 12 0 680800 1167 同理 CmW 1 2 037 1 24 0 410680 1167 加石棉前的热损失 2 2034 037 1 24 0 167 1 12 0 120800 mWq 6 42 2034 11672034 q qq 2 3 冷藏室的墙壁由两层厚 15mm 的杉木板之间夹一层软木板构成 杉木板和软木板 的导热系数分别为 0 107 W m 1 1和 0 040 W m 1 1 冷藏室内外壁分别为 12 和 21 若要求墙壁传热量不大于 10 W m 2 试计算墙壁中软木板的最小厚度及软木板的热阻占总 热阻的分数 解 04 0 2804 0 33 04 0107 0 015 0 2 12 21 10 min 2 min 2 max bb q b2 0 1208m 121mm 5 91 04 0 1208 0 2804 0 04 0 1208 0 2 4 外径为 100mm 的蒸汽管外包有一层厚 50mm 0 06W m 1 1的绝热材料 问再 包多厚的石棉层 0 1W m 1 1 才能使保温层内 外温度分别为 170 和 30 时 热损失不大于 60 W m 1 解 60 10 0 ln 1 0 1 05 0 10 0 ln 06 0 1 30170 2 ln 1 ln 1 2 3 2 3 21 2 1 03 r r r r r tt l Q r3 0 136m 136mm 2 石棉层厚为 136 100 36mm 2 5 蒸汽管外包扎两层厚度相同的绝热层 外层的平均直径为内层的 2 倍 导热系数 为内层的 2 倍 若两层互换位置 其他条件不变 问每米管长热损失改变多少 哪种材料 放内层好 解 设外层平均直径 dm 2 内层平均直径 dm 1 dm 2 2 dm 1 2 2 1 1 1 1 11 12 21 1 4 5 22 b ldt ld b ld b t s b s b t Q m mmmm 两种材料互换位置 1 1 1 11 11 12 2 22 b ldt ld b ld b t s b s b t Q m mmmm 25 1 4 5 l Q l Q 互换位置后热损失减少 说明在其他条件相同时 将导热系数小的材料放在内层 好 2 12 若石油精馏的原料预热器是套管换热器 重油与原油并流流动 重油进 出口 温度分别为 243 C 和 167 C 原油进 出口温度分别为 128 C 和 157 C 现改为逆流操作 冷 热流体的初温和流量不变 由计算结果讨论其传热推动力和终温的变化情况 假设流 体的物性和总传热系数不变 并忽略热损失 解 并流 Ctm 43 157167 128243 ln 157167 128243 12 21 ttcqTTcqtKSQ cpcmhphmm 逆流 1 2 21 ttcqTTcqtKSQ cpcmhphmm 1 1 2 12 21 21 tt tt TT TT t t m m 1 2 21 1221 1 2 21 1221 tTtT ttTT ttTT ttTT t t m m 1 2 1 2 47 128157 167243 43 tttttm 又 1 2 1 2 1 2 21 1 2 21 lnln t t tt tT tT tTtT tm 093 1 43 47 ln 2 1 t t 98 2 2 1 t t 3 即 2 98 2 1 2 21 tTtT 128 98 2 243 2 2 Tt 由 1 式得 3 128 128157 243 167243 2 2 tT 2 和 3 联立解得 Ct 4 161 2 CT 4 155 2 C tT tT tTtT tm 5 49 128 4 155 4 161243 ln 128 4 155 4 161243 ln 1 2 21 1 2 21 可见 tm 逆 tm 并 逆流传热推动力大 提高了原油的出口温度 降低了重油的出 口温度 热量得到充分利用 2 13 在传热面积为 6m2的逆流换热器中 流量为每小时 1900kg 的正丁醇由 90 C 冷 却至 50 C cp 2 98 103 J kg 1 1 冷却介质为 18 C 水 总传热系数为 230 W m 2 1 试求冷却水的 t2和每小时的消耗量 解 1 求冷却水出口温度 定性温度 70 C 90 50 2 m tkSQ WTTcqQ hphm 43 21 1029 6 5090 1098 2 3600 1900 C KS Q tm 6 45 6230 1029 6 4 C t t tm 6 45 1850 90 ln 1850 90 2 2 解得 t2 27 5 C 2 冷却水消耗量 131 3 4 12 1069 5 58 1 18 5 27 10187 4 1029 6 hkgskg ttc Q q cp cm 2 14 在逆流换热器中 用 20 C 的水将 1 5kg s 1的苯由 80 C 冷却到 30 C 换热器列 管直径为 25 2 5mm 水走管内 水侧和苯侧的传热系数分别为 0 85kW m 2 C 1和 1 7 kW m 2 C 1 管壁的导热系数为 45 W m 1 C 1 忽略污垢热阻 若水的出口温度为 50 C 试求换热器的传热面积 S0及冷却水的消耗量 qm c 操作条件下水的 cp 4 174 103 J kg 1 1 苯的 cp 1 90 103 J kg 1 1 解 WTTqQ hm 53 21 10425 1 3080 109 15 1 Ctm 2 18 2030 5080 ln 2030 5080 CmW d d d db K iim 2 00 0 472 20 25 1700 1 5 22 25 45 0025 0 1700 1 1 11 1 4 2 5 0 59 16 2 18472 10425 1 m tK Q S m 冷却水消耗量 1 3 5 12 14 1 2050 10174 4 10425 1 skg ttc Q q cp cm 2 15 20 2 026 103Pa 的空气在套管换热器内管被加热到 85 内管直径 57 3 5mm 长 3m 当空气流量为每小时 55m3时 求空气对管壁的传热系数 空气物性 0 时 1 293kg m 3 50 时 cp 1 017 103 J kg 1 1 2 826 10 2 W m 1 1 1 96 10 5Pa s Pr 0 968 解 定性温度 52 5 近似取 50 空气的物性 20 85 2 3 186 22 50273 273 293 1 mkg 1 2 785 7 05 0 4 3600 55 smu 湍流 4 5 1034 4 1096 1 186 2 785 705 0 Re 124 08 04 2 7 57 986 0 1034 4 025 0 10826 2 023 0 CmW 60 不必校正120 05 0 3 d L 2 16 在列管换热器内 用冷水冷却甲烷气 120 的常压甲烷气以 10m s 1平均流速 在壳程沿轴向流动 出口温度 30 水在管程流动 其传热系数为 0 85kW m 2 C 1 换热 器外壳内径为 190mm 管束由 37 根 19 2mm 的钢管组成 忽略管壁及污垢热阻 求总传 热系数 已知 75 C 下甲烷的 1 15 10 5Pa s 0 0407 W m 1 1 cp 2 5 103 J kg 1 1 解 定性温度 75 甲烷的物性 120 30 2 1 115 10 5Pa s 0 0407 W m 1 1 cp 2 5 103 J kg 1 1 3 2 56 0 75273 314 8 1610013 1 mkg RT PM 壳程当量直径 dD dD dnD dnD de 37 37 44 4 22 22 m0255 0 019 03719 0 019 0 3719 0 22 4 5 10242 1 1015 1 56 0 100255 0 Re ude 5 706 0 0407 0 10115 1 105 2 Pr 53 p c 3 08 043 08 0 0 706 0 10242 1 0255 0 0407 0 023 0 PrRe023 0 e d 12 3 62 smW 0175 0 015 0 019 0 1085 0 1 3 62 1111 3 0 i o i d d K 12 01 57 CmWK 2 19 工艺上要求将绝对压强为 11206kPa 温度为 95 流量为 180kg h 1的过热氨 气冷却并冷凝至饱和温度 30 的液态氨 现采用 15 的水为冷却剂在换热器中逆流操作 测得水的出口温度为 27 试计算水的用量及两流体间的平均温度差 已知 95 氨蒸气的 焓为 1647kJ kg 1 30 氨蒸气的焓为 1467 kJ kg 1 30 液氨的焓为 323 kJ kg 1 忽略热损 失 20 的水 cp 4183 J kg 1 1 解 该传热过程应分为冷却段和冷凝段 过热氨蒸气冷却至饱和温度的放热速率为 WQ900010 14671647 3600 180 3 30 氨蒸气冷凝过程放出的热为 WQ5720010 3231467 3600 180 3 水吸收的总热量 Q Q1 Q2 9000 57200 66200W 水的定性温度 21 近似取 cp 4183 J kg 1 1 27 15 2 水的流量 1 12 319 1 1527 4183 66200 sk ttc Q q p cm 冷凝段 57200 1 319 4183 t 15 t 25 4 Ctm 8 8 4 2530 1530 ln 4 2530 1530 冷却段 Ctm 17 24 4 2530 2795 ln 4 2530 2795 2 20 室内装有两根等长的简易水平暖气管 管内通以饱和蒸汽 暖气通过自然对 流向室内供暖 设大管直径为小管直径的 4 倍 小管的 Gr Pr 109 且两管间无相互影响 试求两管的供暖比值 并讨论顶层楼房另加粗直管暖气的作用 T2 T1 t1 t2 冷却段 冷凝段 t 6 解 对于自然对流 p c tdg Gr 2 23 Pr 两管子所处条件相同 式中只有管径不同 D 4d 其他参数相同 3 1 Pr 13 0 Gr d 两管的 相同 K 相同 1 1 1 3 1 3 1 3 3 dd DD 小 大 Q KS tm 4 dL DL S S Q Q 小 大 小 大 顶层楼房散热面大 加粗直管暖气 加大供热量 2 23 在套管换热器内以压强为 294kPa 的饱和蒸汽冷凝将内管中 1 4kg s 1流量的氯苯 从 35 加热到 75 现因故氯苯流率减小至 0 4kg s 1 仍要求进 出口温度不变 若仍用 原换热器操作 应采取什么措施 以计算结果回答 已知换热器内管为 38 2mm 铜管 氯苯在两种情况下均为湍流 设其物性常数不变 蒸汽冷凝传热系数比氯苯传热系数大得 多 忽略污垢热阻 饱和蒸汽 T 110 pV 143 3kPa T 120 pV 198 6kPa T 133 pV 294 0kPa 解 原工况 Q qm ccp c t2 t1 KS tm 1 qm c减小 使 氯苯减小 K 减小 Q 减小 则应使饱和蒸汽压降低 以降低饱和 蒸汽温度 保持氯苯出口温度不变 Ctm 26 76 75133 35133 ln 75