化工原理课后题答案第七章辐射传热与管式加热炉

1、第七章 辐射传热与管式加热炉1.有一个炉丝温度为1120K，功率1KW的电炉。若炉丝长0.3m，直径10mm，黑度0.95，试计算炉丝的辐射效率(炉丝辐射功率与电功率之比值)。解：炉丝辐射功率：=炉丝的辐射效率=2.有一3×l×lm的热钢锭，它的95的表面暴露在外。此钢锭的黑度为0.3，它的导热系数非常高(即传热速率不受内部导热的限制)，而周围空气的温度为303K。钢的比热容和密度分别为500J/(kg.K)和7800kg/m3。假定通过支承物的导热损失忽略不计，对流热损失很小，试计算钢锭从1273K冷却至1073K的时间。(提示：热平衡Q，钢锭焓的下降速率。因T>&

2、gt;Ta，故T4-)解：分离变量，得：=5598(S)=1.55h3.厚金属板上有一个如图所示的开口空腔。若金属板具有均匀温度，且空腔壁面黑度为l，试问空腔壁面所辐射的能量经开口处进入环境的分率是多少?解：4.两块平行放置的平板，温度分别保持t1800K和t2300K，板的黑度0.8、板间距离远小于板的宽度和高度。试求板的本身辐射；板1和板2之间的辐射换热量；板1的有效辐射；板1的反射辐射；对板1的投入辐射及板2的有效辐射。解：板1的本身辐射： 板2的本身辐射： 板的有效辐射： 由 得 即解方程组得： 由 得： 或另一方法： 投入辐射： 反射辐射： 板1： 板2： 两板间的辐射换热量，即净辐

3、射量： 5.有一边长为0.5m的正方体空腔，其顶面温度恒为573K，而其余表面的温度均保持373K。假定所有表面的黑度都是0.8，试计算顶面和其它表面之间的辐射换热量。解：设顶面为表面1，其余表面为表面2，板的有效辐射：由 得 即解方程组得： 由 得 方法二：这种情况可看成一物包一物的情况，即将顶面看成其余几面所包的物体6.板1和板2平行放置且相距很近。若在它们之间插入一块黑度0.05的磨光镍片板3，试证明当0.8时，板l和板2之间无遮热板的辐射换热量为有遮热板时的27倍。证明：无遮热板的辐射换热量为有遮热板时：达到热平衡时：，即解得：/=/=27所以板l和板2之间无遮热板的辐射换热量为有遮热

4、板时的27倍。7.有一储存液氮的保温瓶，由同心圆筒构成，内层长0.5m，直径为0.2m；而外层长0.52m，直径为0.22m。瓶的颈部非常狭窄，同时中间真空层的表面用黑度为O.04的铝膜覆盖。己知液氮的沸点为126K，室内空气为294K，试计算传给氮的净辐射热。解：一物包一物：8.有一个4× 4× 4m的空腔，其中一个侧壁温度恒为523K，底面温度维持在303K，其它壁面均绝热。假定所有壁面都是黑表面，并已知垂直面间的角系数为0.2，试计算热的侧壁和底面之间的辐射换热量。解：设侧壁温度恒为523K的表面为表面1，底面为表面2，其它壁面为表面3，表面1和表面2的直接辐射换热量

5、：表面1投射到表面3，经表面反射给表面2的净辐射换热量：（= ） 9.对流室的烟气中含H2015(体)，CO27.5(体)，试求烟气的黑度和吸收率。假定对流室管束为等边三角形排列，炉管为89× 6，管心距S12dc。排间距S20.866S1。烟气的平均温度为848K，管壁温度为558K。解：由P337表7-3查得，对流室中烟气平均辐射长度为设烟气总压为1atm， ，烟气温度为848K，查P338-339图7-8，7-10，7-11，7-12，得 管壁温度TW=558K，管壁温度TW=558K，查P338-339图7-8，7-10，7-11，7-12，得0.05 10.温度为823K的

6、混合气体，在直径为200mm的圆管中流过。混合气体中含有CO2l3(体)、和H2011(体)。若管内壁温度恒为423K，黑度等于l。试计算混合气体与单位管长的辐射换热量。可认为气体总压力1.013×l05Pa。解: 设烟气总压为1atm，烟气温度为823K，查P338-339图7-8，7-10，7-11，7-12，得 管壁温度TW=558K，管壁温度TW=558K，查P338-339图7-8，7-10，7-11，7-12，得0.049 11.一个外径为100mm的钢管，通过室温为300K的大房间，已知管子外壁温度为373K，其表面黑度为0.85，空气与管壁间的自然对流放热系数为8.5

7、5W/(m2.K)、试确定辐射换热系数及单位管长的热损失。解:本题目中的辐射换热可看作是一物包一物的情况房间中空气的A2>>管子的A1, A1/ A2=0辐射换热系数单位管长的热损失：12.用热电偶测量管道中热空气流的温度，热偶读数为200, 管道内壁温度为l00，热电偶热端的黑度为0.8，由空气流至热端的对流传热膜系数为46.52W/(m2·K)，试求空气的真实温度和以热偶读数为空气温度的测量误差。解：热电偶的热端既与热空气进行对流传热，又与管内壁进行辐射换热，当热电偶的读数稳定时，上述两个热量达到平衡，即 热电偶与热空气的对流传热： 热电偶与管壁的辐射传热： 其中式中

8、下标1为热电偶，2为管壁， 误差： 如果在热电偶外加一遮热罩，可以减少测量误差。13.如果上一题中的热电偶外增加一遮热罩，其黑度为0.8。空气至热电偶热端的对流传热膜系数仍为46.52w/( m2·K)，空气至遮热罩内、外壁的对流传热膜系数为11.63W/( m2·K)。假设其它条件不变，试求以热电偶读数作为空气温度之测量误差。解：解法一（热偶的读数为200）热电偶的热端既与热空气进行对流传热，又与遮热罩进行辐射换热，当热电偶的读数稳定时，上述两个热量达到平衡，即热电偶与热空气的对流传热：热电偶与遮热罩的辐射传热： 其中式中下标1为热电偶，2为遮热罩 代入数据：整理得： （

9、1） 对遮热罩作热量衡算：空气对流传给遮热罩的热：热电偶的热端辐射给遮热罩的热： 其中式中下标1为热电偶，2为遮热罩，遮热罩辐射给管壁的热： 其中式中下标1为遮热罩，2为管壁，当达到热平衡，+ = 代入数据整理,得 (2)由(1)，(2)可解得：，=207误差：解法二：（空气温度不变为230）：热电偶与热空气的对流传热：热电偶与遮热罩的辐射传热： 其中式中下标1为热电偶，2为遮热罩， 代入数据：整理得： （1） 对遮热罩作热量衡算：空气对流传给遮热罩的热：热电偶的热端辐射给遮热罩的热： 其中式中下标1为热电偶，2为遮热罩，遮热罩辐射给管壁的热： 其中式中下标1为遮热罩，2为管壁，当达到热平衡：

10、+ = 代入数据整理,得：+ = (2)由(1)，(2)可解得：493.62K=220.47，467.19K=194.04误差：14.某燃料油相对密度0.970，含硫1.4(质量)，试求其低发热值和理论空气用量。解：燃料油的族组成： 15加热炉的燃料为重油，其组成(质量百分比)为：C84；H13；S1.5；01.5试求：(1)重油的低发热值；(2)理论空气用量；(3)过剩空气系数1.3时的实际空气用量。解：(1)(2)(3)16.已知燃料气之组成如下，试求其低发热值及理论空气用量。解：由表6-3（P217）可查得各种气体的体积低发热值： 组分H2SCO2H2N2O2CH4C2H6体积%4.20

11、.649.5911.91.428.0111.09体积低发热值kJ/Nm323384011096003571163584理论空气用量Nm3/Nm37.1402.38009.5216.66组分C2H4C3H8C3H6C4H10C4H8C5H10体积%2.129.659.404.397.250.36体积低发热值kJ/Nm3594729103486411109281113719138378理论空气用量Nm3/Nm314.2823.822.4230.9428.5635.717.如将天然气甲烷作为加热炉的燃料，试求当过剩空气系数1.25时，甲烷完全燃烧后烟气的分析组成，(体)。 解：根据燃烧反应： 由此可

12、知气完全燃烧时需要，即 实际空气用量： 如果认为烟气中只有，则有组分CH4O2N2CO2H2O燃烧前12.59.40012.9燃烧后00.59.41212.9分析组成%3.87672.8687.75215.504100干基组成%4.58786.2399.174010018.某厂实测催化原料加热炉的烟气分析组成为：O28.0(体)，CO28.0(体)，试计算其过剩空气系数。解：19.某加热炉加热原油52000kg/h，原油开始末气化，由453K加热至638K，并气化率为0.25(质量)，试求炉子的热负荷和燃料用量。原油性质：0.9097，特性因数K=11.8，燃料：Ql41.88MJ/kg燃料。

13、 热损失： =0.03；烟气出对流室温度比原油入炉温度高140K，过剩空气系数为1.30。解：有图表集查得 烟气温度=140+453=593K 查P364图7-8得 20.某加热炉加热原油148000kg/h，原油由460K加热至633K，并气化26.1(质)，对流室过热蒸汽管的热负荷为1.105MW，炉子的热效率为0.78，燃料的低发热值为41.9lMJ/kg燃料，试求炉子的热负荷和燃料用量。原油性质： 0.9082，特性因数K12。解：有图表集查得 21.由20根102×6mm，长10m的管子排成双排管，管心距Sl为管外径的二倍，管排一面受辐射，一面受反射。试求；(1)管排总的当

14、量冷平面；(2)第一排管总的当量冷平面；(3)第二排管总的当量冷平面?(4)第一排管接受直接辐射的当量冷平面；(5)第二排管接收直接辐射的当量冷平面。解：20根管呈双排错列，则管排的冷平面面积： 角系数由P224图6-25可查得各种情况下的角系数： 管排总的当量冷平面面积： 由查图6-25中A线，得角系数 第一排管的当量冷平面面积： 由查图6-25中c线，得角系数 第二排管的当量冷平面面积： 由查图6-25中E线，得角系数 第一排管接受直接辐射的当量冷平面面积： 由查图6-25中D线，得角系数 第二排管接受直接辐射的当量冷平面面积： 由查图6-25中F线，得角系数 22.其炼油厂常压加热炉辐射

15、室内，除沿炉壁装有152×l0，有效管长为11.15m的管子76根外(单排管，管心距为304mm)，沿径向还装有呈十字交叉的管子44根(见图)，其中8根为219×12，其余为152×10，管心距都是管外径的2倍。试计算辐射室总的有效辐射面积(不包括遮蔽管)。解：对其中1/4部分计算其Aef：沿径向部分对贴壁排列的管子：（B线）沿径向排列的管子：（D线）23.已知一圆筒炉辐射室的尺寸如下：炉膛直径5518mm，高12.68m，辐射管为152× 8，管心距304mm，有效长度为12m，共计52根，两路并联，单排排列。对流室最下一排管仍为152× 8

16、，管心距304mm，计8根，管有效长2748mm。如油品出对流室的温度为290，出辐射室的温度为370，气化率0.3(质)。油品的流量为102.5t/h，=0.8832，K12。燃料气密度为1.3kg/Nm3，用量为l070Nm3/h，燃料低发热值为51.29MJ/Nm3。试求当过剩空气系数1.3时，此炉能否完成加热任务。解：辐射室的热负荷： 其中： e=0.3 当量冷平面面积： 辐射管： 查图6-25中B线由得 遮蔽管： 有效辐射面积与当量冷平面面积之比： 炉膛总面积： 有效反射面面积： 反射面与辐射面面积的比值：烟气黑度： 已知空气过剩系数，由图6-26（P225）查得 的分压： 由表6-4（P225）查得烟气的平均辐射长度： 由于烟气温度未知，因此需要先假设一个烟气温度。 设,查图6-27（P226）得烟气黑度为总辐射交换因素F： 由图6-28（P227），根据， 可查得F=0.603辐射室热平衡： 根据 ，其中热损失 烟气带走的热量损失：由图6-23（P219）中， 可查得 辐射室的热效率： 辐射段总吸热量： 辐射室烟气出口温度： 已知原料辐射室温度为290，出辐射室温度为370 则管壁温度可估算为 根据图6-24（P223），取的曲线 在图