管国峰第三版南京工业大学化工原理第四章传热及换热器习题解答

第四章传热及换热器Page1of21第四章传热及换热器习题1）用平板法测定材料的导热系数，其主要部件为被测材料构成的平板，其一侧用电热器加热，另一侧用冷水将热量移走，同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2，厚度为0.01m。测量数据如下：电热器材料的表面温度℃安培数A伏特数V高温面低温面2.82.314011530020010050试求：①该材料的平均导热系数。②如该材料导热系数与温度的关系为线性：，则λ0和a值为多少？001825.0)/(4786.0]2/)50200(1[5878.0]2/)100300(1[6533.0)/(6206.02/)()/(5878.01153.201.0/03.0)50200()/(6533.01408.201.0/03.0)200300(/)(1][000002102201121aCmwaaCmwCmwCmwVILSttQm得）解2）通过三层平壁热传导中，若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分别为500℃、400℃、200℃和100℃，试求合平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。12112)100200()200400(21200400400500(/)(/)(/)(][3213221343232121：：：：：：：：））：（：解RRRRRRRRTTRTTRTTQ3）某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃)，0.16W/(m·℃)和0。92W/(m·℃)，耐火砖和绝热转厚度都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000℃，外壁温度为55℃，设各层砖间接触良好，求每平方米炉壁散热速率。221/81.247)]92.0/25.0()16.0/5.0()112/5.0/[)551000()//(/][mwbttSQii（（）解第四章传热及换热器Page2of214）在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08W/(m·℃)，已知蒸汽管外壁150℃，要求绝热层外壁温度在50℃以下，且每米管长的热损失不应超过150W/m，试求绝热层厚度。mmrrmmrrLnrrLnttLQ9.19509.699.69150)50/()50150(16.0)/(/)(2/][12221221壁厚为：解5）Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失，在管外保温。50第一层是mm厚的氧化锌粉，其平均导热系数为0.07W/(m·℃)；第二层是10mm厚的石棉层，其平均导热系数为0.15W/(m·℃)。若管内壁温度为180℃，石棉层外表面温度为35℃，试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度？解：①r0=16.5mm=0.0165m，r1=19mm=0.019mr2=r1＋1=0.019＋0.05=0.069mr3=r2＋2=0.069＋0.01=0.079m0=45W/(m·℃)QLttrrrrrr211123141803514519165100769191015796947103010121232()lnlnln.()ln..ln.ln.W/m②QLttrr2123232()ln即471235101579692.().lnt∴t2=41.8℃6）通过空心球壁导热的热流量Q的计算式为：，其中，A1、A2分别为球壁的内、外表面积，试推导此式。btAQrrArArArrtrrQttrrttrrdrdtrdndtdSdQmm/44,4)/(4.,;,/4)/(212211122122112积分得：积分限为：解：7）有一外径为150mm的钢管，为减少热损失，今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比1，两层绝热层厚度相等皆为30mm。第四章传热及换热器Page3of21试问应把哪一种材料包在里层时，管壁热损失小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。420.0/)/(/)/(462.0/)/(/)/(2,1135,1053075,75}/)/(/)/(/{212321222311221321223112失小。小的包在里层时，热损若大的包在里层是：设包在里层时：解：若小的rrLnrrLnrrLnrrLnmmrmmrmmrrrLnrrLntLQ8）试用因次分析法推导壁面和流体间强制对流给热系数α的准数关联式。已知α为下列变量的函数：。式中λ、CP、ρ、μ分别为流体的导热系数、等压热容、密度、粘度，u为流体流速，l为传热设备定型尺寸。bPcbaedbafedcbadcaPfedcbCLuKLbdcfdbebadbcedbadcabafedcbaTLMTMTMLLLMLMTLTMLluClUCpK)/()/(/1223132311032///////2332333223则、、设已知建立方程根据因次一次性原则，因次物理量解：9）水流过φ60×3.5mm的钢管，由20℃被加热至60℃。已知，水流速为1.8m/s，试求水对管内壁的给热系数。第四章传热及换热器Page4of21)/(662232.45.1442926338.0023.0/023.05.144292)10650.0/(2.9928.1053.0/32.4,106560.0/6338.0,/174.4,/2.992402/6020(:024.08.04.08.0330030CmwdPRudRPsPaCmWCkgkJCmKgCtireiierP查水的物性数据得：）解10）空气流过φ36×2mm的蛇管，流速为15m/s，从120℃降至20℃，空气压强4×105Pa（绝压）。已知蛇管的曲率半径为400mm，，试求空气对管壁的给热系数。空气的密度可按理想气体计算，其余物性可按常压处理。)/(6.209)400/3277.11()/(3.183/023.01048.9//07.4)34310314.8/(29104)/(/0297.0,1006.2,694.0702/)20120(02'023.08.04335050CmwCmwdPRRduRmkgRTPMCmwsPaPCtireeer得由查空气物性得：解11）苯流过一套管换热器的环隙，自20℃升至80℃，该换热器的内管规格为φ19×2.5mm，外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。试求苯对内管壁的给热系数。)/(1794/023.01078.21045.0/86011.1013.079.514.0/1045.0108.1/11.1)(/4/00058.0)8603600/(1800013.0)/(14.045.0/8.1/860502/)8020(024.08.043331230030CmwdPRRPsmddVusmVmdCmwCPaCkgJCmkgCtereerSseP查苯的物性得：解：12）冷冻盐水（25%的氯化钙溶液）从φ25×2.5mm、长度为3m的管内流过，流速为0.3m/s，温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为20℃，试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷冻盐水的物性数据如下：密度为1230kg/m3，粘度为4×10-3Pa·s，导热系数为0.57W/(m·℃)，比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为2.5×10-3Pa·s。第四章传热及换热器Page5of21解：d=0.025－0.0025×2=0.02m∴Ld3002150.50∵u=0.3m/s∴Re..du00203123041018453＜2000∴层流Pr..Cp285104100572033RePr.dLi18452000203246＞10018618618452000203425057002131313014131313014.RePr.......dLdiw=354.7W/(m2℃)13）室内分别水平放置两根长度相同，表面温度相同的蒸汽管，由于自然对流两管都向周围散失热量，已知小管的，大管直径为小管的8倍，试求两管散失热量的比值为多少？解：∵小管GrPr=108∴b=1/3又因Gr∝d03，故大管GrPr＞108则QQtdLtdLddGrdGrddd大小大大小小大大小小大大大小小小大小PrPr131322286414）某烘房用水蒸汽通过管内对外散热以烘干湿纱布。已知水蒸汽绝压为476.24kPa，设管外壁温度等于蒸汽温度现室温及湿纱布温度均为20℃，试作如下计算：①使用一根2m长、外径50mm水煤气管，管子竖直放于水平放置单位时间散热量为多少？②若管子水平放置，试对比直径25mm和50mm水煤气管的单位时间单位面积散热之比。（管外只考虑自然对流给热）。691.01013.2/986.0)/(1009.3852/)15020()153020rPsPamkgCmCt查空气物性数据：定性温度解232550//1016.2986.0/1013.2/13020150)/1(358/1)85273/(1/1vtgLGsmvCtKTr第四章传热及换热器Page6of21wttdLQwttdLQCmwCmwLPGAAPGGAbPGGwwbrrrrrrrr4.296205.013026.7)(2.388205.013051.9)()/(26.72/)1023.4(135.01009.3)/(51.905.0/66.661400(54.01009.3/)(135.0,3/1b1022.41011.654.04/11059.69.954301''03/1102'04/1210'10'5）垂直管，水平管189.1)/()/)(/(]/)/[(]/)[(//)24/125504/350252550504/150254/12550255025dddddddPGdPGttQQrrrr若管子水平放置15）油罐中装有水平蒸汽管以加热管内重油，重油温度为20℃，蒸汽管外壁温为120℃，在定性温度下重油物性数据如下：密度为900kg/m3，比热1.88×103J/(kg·℃)，导热系数为0.175W/(m·℃)，运动粘度为2×10-6m2/s，体积膨胀系数为3×10-4l/℃，管外径为68mm，试计算蒸汽对重油的传热速度W/m2。208637263423/26570)20120(7.265/)/(7.265/)(3/1135.010474.434.19175.0/1029001088.1/10313.2)102/(100068.081.9103/mwtSQCmwLPGABAPGCPvtgLGbrrrrPrr解16）有一双程列管换热器，煤油走壳程，其温度由230℃降至120℃，流量为25000kg/h，内有φ25×2.5mm的钢管70根，每根管长6m，管中心距为32mm，正方形排列。用圆缺型挡板（切去高度为直径的25%），试求煤油的给