传热习题解答

第三章习题解答3-29平壁炉的墙壁由两种材料制成。内层为130毫米厚的耐火材料，外层为250毫米厚的普通建筑材料。在此条件下，炉膛内壁温度为820，外壁温度为115。为了减少热量损失，在普通建筑材料的外面涂上一层50毫米厚的石棉，其导热系数为0.22瓦/米。在炉内壁涂石棉后测得的每层温度为820，耐火材料与普通建筑材料之间的界面温度为690，普通建筑材料与石棉之间的界面温度为415，石棉层外侧温度为80。石棉涂层前后单位传热面积的热损失是多少？解决方案：添加石棉前后各界面的温度符号见附图。附练习3-29当热传导过程达到稳定状态时，加入石棉后的热损失等于通过石棉的热传导率。因此，可以获得耐火材料和普通材料的热导率：添加石棉前的热损失率：3-30如图所示，炉墙由保温砖甲和普通砖乙组成，已知保温砖甲的导热系数为0.25瓦/毫卡，厚度为210毫米；普通砖的导热系数lB=0.75W瓦/毫卡，当保温砖置于内层时，各处温度如下：t1未知，t2=210，t3=60，tb=15。其中t1指内壁温度，tb指外部大气温度。外壁和大气之间的对流传热系数为a=10w/m2k。(1)计算此时单位面积炉壁的热损失和温度T1；(2)如果两块砖的位置互换，假设t1、tb和A在互换前后保持不变，计算单位面积的热损失以及此时的t2和t3。溶液(1) w/m2附练习3-30(2)用交换前的数据计算硼的厚度：M更换后，w/m23-31在外径为120毫米的蒸汽管外包裹两层不同材料的保温层，内层包裹的保温层为60毫米厚，两层保温材料的体积相同。据了解，管内蒸汽温度为160，对流换热系数为10000 w/m2k；保温层外的大气温度为28，保温层外表面与大气之间的自然对流传热系数为16 W/m2K。两种绝缘材料的导热系数分别为0.06瓦/毫卡和0.25瓦/毫卡。钢管壁的热阻可以忽略不计。找出(1)如果导热系数较小的材料放置在内层，管道每米管道长度的热损失是多少？两个绝缘层表面的温度是多少？(2)如果在内层放置导热系数较高的材料，管道每米管道长度的热损失是多少？两个绝缘层表面的温度是多少？解决方案：r1=60mm毫米，R2=120毫米因为两层绝缘材料的体积相等，毫米(1)内层放置导热系数小的材料：根据可用的管壁温度：根据内保温层外壁的有效温度：根据外保温层外壁的可用温度：(2)在上述计算中，l1和l2的位置互换，以获得将具有较高热导率的材料放置在内层上的计算结果：q/l=105.9瓦/米；t2=159.98，T3=113.21；t4=34.73-32水以一定的流量流过双管换热器的内管，温度可从20升至80，此时对流传热系数测量为1000瓦/平方米。当相同体积流量的苯通过换热器的内管时，对流传热系数是多少？已知这两种情况下的流动都是湍流，苯入口和出口的平均温度为60。解决方案：水的物理性质可以从结果中找到。发现时，苯的物理性质如下：3-33实验研究了污垢对传热的影响。使用f 281毫米铜管，水在管内流动，水蒸气在管外冷凝。总传热系数K可以3-34双管热交换器由483毫米和252.5毫米的钢管制成。两种流体分别在环形间隙和内管中流动，对流传热系数分别测量为a1和a2。如果两种流体的流速保持不变，并且出口温度变化对物理性质的影响被忽略，并且两种流体的流动总是湍流的，则尝试找出在内管被改变为f322.5mm管之后，管两侧的对流传热系数是多少倍。解决方法：因为管内外都是湍流，所以哪里，内管换成f322.5mm毫米后，然后也就是说，管内的对流传热系数是原来的0.583倍。环空速度与环空流动的横截面积成反比，即也就是说，管(环)外的对流传热系数是原来的1.57倍。3-35双管热交换器由一根573.5毫米的内管和一根894.5毫米的外管(均由钢制成)组成。甲醇以5000公斤/小时的流量流入内管，温度由60降至30，与内管壁的对流换热系数为1500瓦/平方米。冷却水在环形间隙中流动，入口和出口温度分别为20和35。甲醇和冷却水逆流流动，忽略热量损失和污垢阻力。试着找出(1)冷却水消耗(千克/小时)；(2)所需套管长度。甲醇物性数据：cp1=2.6kj/kgk。水的物性数据：cp2=4.18 kj/kgk；r2=996.3kg千克/立方米；L2=0.603 w/MK；m2=0.84510-3帕换热管的热导率l=45W/mK。解决方案：(1)通过热平衡方程获得冷却水的量：(2)对数平均传热温差环空等效直径：环空中的水的速度：水的对流传热系数；总传热系数：所需传热面积所需套管长度3-36管热交换器由f252.5mm热交换管组成，总传热面积为3m2。在该热交换器中，需要用初始温度为12的水将油品从205冷却到105，水进入管道。已知水和油的质量流量分别为1100 kg/h和1250kg/h，比热分别为4.18kJ/kg和2.0kJ/kg，对流换热系数分别为1800W/m2和260 W/m2。两种流体逆流流动，忽略了管壁和污垢的热阻。(1)计算表明换热器是否合适？(2)夏季，当水的初始温度达到28时，换热器是否仍然适用？(假设传热系数不变)。解决方案：(1)换热器热负荷：W冷却水出口温度为：；A=3m2，所以这个热交换器不适合夏天使用。3-37管束冷凝器，换热管规格为f252.5mm毫米，有效长度为3.0米。水以0.65米/秒的流速流过管子，其温度从20升至40。流速为4600千克/小时、温度为75的饱和有机蒸汽在壳程冷凝成相同温度的液体后排出，冷凝潜热为310千焦/千克。已知蒸汽的冷凝传热系数为820 W/m2，水侧污垢热阻为0.0007 m2k/w，蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻忽略不计。尝试计算热交换器的总换热管数和换热管通道数。溶液：水在定性温度下的物理性质如下：cp2=4.17kJ/kgK，r2=995.7kg/m3，l2=0.618W/mK，m2=0.80110-3Pas冷凝热释放冷却水消耗每次通过的管道数量可由总水流量和每根管道中的水流量确定：，假定ni=24每个管程的传热面积为：W/m2；W/m2m2管程数取管程数N=4，主管数n=nini=96。3-38双管热交换器由一个252.5毫米的内管和一个483毫米的外管组成，长度为2米。120饱和蒸汽加热管中的空气被引入管之间，以将空气温度从25提高到85。已知空气质量流量为48千克/小时，热交换器的环境温度为20。(1)计算换热器空气侧的对流传热系数；(2)加热蒸汽量。空气的比热为cp=1.0kJ/kgK。对流传热3-39，116的饱和水蒸气在单管程管式换热器的壳程冷凝。一定流量的空气在管侧湍流流动，其温度从20上升到80。让总传热系数近似等于空气对流传热系数。(1)如果在运行过程中空气流量增加20%，为了保持空气出口温度不变，加热蒸汽温度应升高多少？(2)如果使用双管换热器，换热管的管径和主管数与原换热器相同，完成相同的换热任务需要换热管长度的多少倍？忽略气体温度变化对其物理性质的影响。解决方法：(1)，保持出风口温度不变，所以，t=118.1，通过求解这个公式(2)原始工况：改为双管程以完成相同的热交换任务，Q=Q，Dtm=Dtm。u=2u管侧湍流：可用长度：换句话说，所需换热管的长度是原来长度的0.574倍。3-40在四管热交换器中，120的饱和蒸汽用于加热初始温度为20的溶液。溶液的流速为70000千克/小时，在定性温度下的物理性质为：粘度3.010-3帕，比热1.8千焦/千克，热导率0.16瓦/千克。溶液侧的污垢热阻估计为610-4平方米/瓦，蒸汽冷传热系数为10000瓦/平方米，管壁热阻可忽略不计。换热器的相关数据为：换热管直径，换热管数量120根，换热管长度6米。试着找出溶液的出口温度。解决方案：四根管子的横截面流通面积分别为：管内流动溶液的雷诺数；普朗特号码：管侧对流传热系数：W/m2K总传热系数m2/WW/m2K总传热面积：饱和蒸汽加热，通过公式(3-22):解决办法是：3-41有一台蒸汽冷凝器，其壳程蒸汽冷凝传热系数为10000瓦/平方米，管程冷却水对流传热系数为1000瓦/平方米。实测冷却水进出口温度分别为t1=30和t2=35。现在冷却水的流量将会翻倍。蒸汽冷凝的量会增加多少？众所周知，蒸汽在100的饱和温度下冷凝，管侧的水流达到紊流。(忽略污垢热阻和管壁热阻)解决方法：由于蒸发潜热R是一个恒定值，因此原始工作条件：忽略壁阻力和标度阻力，按平壁近似计算：新工作条件：得到：既然水量增加了一倍，就应该减少。如果设置为新的工作条件，则在公式中，那是我能理解。蒸汽冷凝增加了64%3-42甲苯蒸汽用双管换热器冷凝，冷凝温度为110，冷凝潜热为363 kJ/kg，冷凝传热系数为。换热器的内管尺寸为，外管尺寸为，有效长度为5m。冷却水初始温度为16，以3000千克/小时的流量进入内管，比热为4.174千克/千克，粘度为1.11厘泊，密度为995千克/立方米。忽略管壁热阻、污垢和热损失。(1)冷却水出口温度；(2)管道中水的对流传热系数；(3)如果内管换成相同长度、相同冷却水流量和入口温度的钢管，蒸汽冷凝量会增加多少倍？解决方案：(1)从热平衡方程，(2)从可用温度可用温度可用m2K/W=1907(3)原管：动荡当前管理：动荡；=(m2K/W)=1952By=获取：再从热平衡来看：也就是说，凝结的量是原来的1.1倍。3-43在单壳程双管换热器中，用130饱和蒸汽将36000kg/h乙醇水溶液从25加热到80。管式换热器由90个长度为3m的钢管束组成，乙醇水溶液通过管侧，饱和蒸汽通过壳侧。已知钢的热导率为45W/mK，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880千克/立方米，粘度为1.210-3帕斯卡，比热为4.02千焦/千克，热导率为0.42瓦/升(2) (1)W/m2，K=1586W/m2K公式(1)将替换为：获取温度3-44两个相同的单管程管对管换热器用于冷凝壳程中的水蒸汽，以加热管程中的空气。如果加热蒸汽压力相同，空气入口和出口温度t1和t2也分别相同，则询问(1)哪种方案具有最大的生产能力，两个热交换器的串联操作和并联操作之间的差异是多少倍(见本主题的附图)？(当并联时，空气在两个热交换器中均匀分布)；(2)根据以上得到的生产能力比，计算两种方案流动阻力引起的总压降比(注：蒸汽冷凝传热系数远大于空气对流传热系数；换热器进出口和连接管道造成的压降不计算在内。换热管中的气流被认为是湍流。直管的摩擦阻力系数由贝拉蒂乌斯方程计算练习3-43附图(1)以下标签“1”表示串联，下标“2”表示并联，qm1和qm2分别表示串联和并联的空气质量流量在公式中，有两种情况，(在公式中，当串联和并联时，分别表示管中空气侧的值)(*)可用：替换为(*)，解决方案是：因此，在提高生产能力方面，串联比并联好。(2)，其中：从(1)可知：结论：虽然从传热的角度来看串联有利于提高生产能力，但传输过程中消耗的能量太大，为了提高生产能力，通常采用并联方案。3-45单程逆流管式换热器中的带水冷却空气。水和空气的入口温度分别为25和115。换热器开始时，水和空气的出口温度分别