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1100oC，普通砖层厚12cm，其外表面温度为50oC。通过炉壁的热损失为1200W/m2，绝热材料的耐热温度为900oC。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，T1＝1100oC，T2＝900oC，T4＝50oC，3δ＝12cm，q＝1200W/m2，Rc＝0求：1δ＝？2δ＝？解：∵δλTq?=∴1δ＝mqTT22.0120090011003.1211=-?=-λ又∵33224234332322λδλδδλδλ+-=-=-=TTTTTTq∴WKmqTT/579.093.012.01200509002334222?=--=--=λδλδ得：∴m10.018.0579.0579.022=?==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t2=300oC，t3=50oC。求内壁温度t1。设炉壁由单层均质材料组成。已知：T2=300oC，T3=50oC求：T1=？解：∵δλδλ31323TTTTq-=-=∴T1－T3＝3（T2－T3）T1＝2(T2－T3)+T3=3×(300-50)+50＝800oC3.直径为?60×3mm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–110oC，绝热层外表面温度10oC。已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07W/（m·oC），试求每米管长的冷量损失量。解：圆筒壁的导热速率方程为()23212131ln1ln12rrrrttLQλλπ+-=其中r1=30mm，r2=60mm，r3=160mm所以()2560160ln07.013060ln043.01101002-=+--=πLQW/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dm,2，内层平均直径为dm,1，则dm,2=2dm,1且λ2=2λ1由导热速率方程知11111122114522λππλπλλλbLdtLdbLdbtSbSbtQmmmmm???=+?=+?=两层互换位置后11111122λππλπλbLdtLdbLdbtQmmm??=+?='所以25.145=='='qqQQ即qq25.1='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·m2）。苯在定性温度下的物性数据：μ=0.49mPa·s；λ=0.14W/（m·K）；cp=1.8kJ/（kg·oC）。试求苯对管壁的对流传热系数。已知：L＝3m，d＝53mm，G=172kg/（s·m2），被加热苯物性，μ=0.49mPa·s，λ=0.14W/（m·K）；cp=1.8kJ/（kg·oC）求：α解：Re＝431086.11049.0172053.0?=??=-μdG>4103.614.01049.0108.1Pr33=???==-λμpc>0.76.56053.03==dL>40故可用Nu=0.023Re0.8Pr0.4公式4.08.044.08.03.6)1086.1(053.014.0023.0PrRe023.0????==dλα=330W/m2·oC6.在常压下用列管换热器将空气由200oC冷却至120oC，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?25×2.5mm钢管38根。求空气对管壁的对流传热系数。已知：T1=200oC，T2=120oC，空气qm＝3kg/s走管外壳程，D=260mm，n＝38，d＝25mm求：α解：空气平均温度CTTtm?=+=+=1602120200221查160oC空气：ρ＝0.815kg/m3，μ＝2.45×10-5Pa·s，Pr＝0.682，λ＝0.0364W/m·KmndDndDdnDdnDSAde036.0025.03826.0025.03826.0)44(44222222=?+?-=+-=+-?==ππππsmkgAqGm?=?-?==222/1.87)025.03826.0(785.03331029.11045.21.87036.0Re?=??==-μdeG>104KmWd?=????==24.08.034.08.0/254682.0)1029.1(036.00364.0023.0PrRe023.0λα7.油罐中装有水平蒸汽管以加热罐内重油，重油的平均温度tm=20oC，蒸汽管外壁温度tw=120oC，管外径为60mm。已知在定性温度70oC下重油的物性数据：ρ=900kg/m3；cp=1.88kJ/（kg·oC）；λ=0.174W/（m·oC）；运动黏度ν=2×10-3m2/s；β=3×10-41/oC。试问蒸汽对重油的热传递速率为多少，（单位为kW/m2）?已知：水平管加热外部重油，d＝60mm，tm=20oC，tw=120oC，70oC下，ρ=900kg/m3；cp=1.88kJ/（kg·oC）；λ=0.174W/（m·oC），ν=2×10-3m2/s；β=3×10-4/oC。求：q=?解：属大容积自然对流，9.15)102(06.0)20120(81.9103233423=??-???=?=--νβtdgGr4331094.1174.09001021088.1Pr?=????===-λρλμvccpp541009.31094.19.15Pr?=??=Gr查教材可得：A＝0.54，b＝0.25CmWGrdAb?=???==225.05/9.36)1009.3(060.0174.054.0Pr)(λα23/1069.3)20120(9.36)(mWttqmw?=-?=-=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：∵3PrdGr∝?∴129323211101010Pr)()(Pr)(=?=?=?GrddGr查表6-5，两者均在3区域，A=0.135，31=b∵bGrdqPr)(1?∝∴1)1010(10]Pr)(Pr)([3191213121122121=?=??==-GrGrddqqαα9.饱和温度为100oC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96oC，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：ts＝100oC，tw＝96oC，L＝3m，d＝0.03m求：（1）W竖放；（2）W水平解：查100oC，水，r＝2258kJ/kgCtttwsm?=+=+=982961002查98oC，水，ρ=960kg/m3，μ＝0.290cp，λ＝0.682W/m·K（1）设凝液为层流，则竖放时KmWtLgr??=?????????=234132/1042.713.1μλρα验5441022581029.0431042.744Re333=???????=?=-rtLμα2258403.014.331042.7333-?=??????=?==πα（2）水平放，仍设层流02.203.0364.064.04141=??????=?????='dLαα∴KmW??=??='243/1050.11042.702.2α∵α∞mq∴skgqqmm/1051.71072.302.233--?=??='='αα验5.3410