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1、第三章 传热1.燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖，外层为230mm厚的绝缘砖。若炉的内表面温度t1为1400，外表面温度t3为100。试求导热的热通量及两砖间的界面温度。设两层砖接触良好，已知耐火砖的导热系数为10.9+0.0007t，绝缘砖的导热系数为20.3+0.0003t。两式中t可分别取为各层材料的平均温度，单位为，单位为W(m)。1、解：热通量q及界面温度t2 由：又 已知： mm mm代入联立解之得：代入q式得（）答： q1689W，t29492.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
2、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适合?解：相同：平均直径： 有每米管长的热损失q更换材料以前，每米管长热损失q 即： q=1.25q故原保温好。3.设计一燃烧炉，拟用三层砖，即耐火砖、绝热砖和普通砖。耐火砖和普通砖的厚度为0.5m和0.25m。三种砖的系数分别为1.02 W/(m)、0.14 W/(m)和0.92 W/(m)，已知耐火砖内侧为1000，外壁温度为35。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖温度不超过940，普通砖不超过138。若t1=138C 解得b2=0.250m答： b2=0.25m 4. 某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热
3、砖和普通砖三种砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m)，0.16 W/(m)和0。92 W/(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。答： Q/S=247.81W/m25. 在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08 W/(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。答： r2-r1=19.9mm 6. 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10
4、0，试求合平壁层热阻之比，假定各层壁面间接触良好。答： R1R2R3=1217. 在一石油热裂装置中，所得热裂物的温度为300。今拟设计一换热器，用来预热石油，它的温度t进25，拟预热到t出180，热裂物的终温T出不得低于200，试分别计算热裂物与石油在换热器中采用逆流与并流时的平均温差tm 。解：T进=300，T出=200，t进=25，t出=180在逆流时：由于：2所以用算术均值也能满足工程要求： 在并流时：答：逆流：tm=146 ，并流：tm=97.5 8.直径为573.5 mm钢管用40mm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-120，绝热
5、层外表面温度为10。软木和保温灰的导热系数分别为0.043W/(m.)和0.07 W/(m.)，试求每米管长的冷量损失量。解：本题为双层圆筒壁的导热问题，每米管长的冷损失量可用下式求得，即：其中：1=28.5mm 2=68.5mm 3=168.5mm 1=0.043（） 2=0.07（）负号表示由外界向系统内传递热量，即冷损失量答： q/L=-24.53 W/m9. 96%的硫酸在套管换热器中从90冷却至30。硫酸在直径为252.5mm、长度为3m的内管中流过，流率为800kgh。已知在管内壁平均温度下流体的黏度为9.3厘泊。试求硫酸对管壁的传热膜系数i 。解：硫酸的定性温度在定性温度下硫酸的
6、物性常数为：比热1.6103 J/(kg)导热系数W/(m)黏度厘泊密度kg/m3 /s（层流）由于管子很细，液体黏度较大，故可忽略自然对流的影响，可用下式计算：W/(m2)答：i=245W/（m2）10. 98的硫酸以0.6m/s的流速在套管换热器的环隙间流动。 硫酸的平均温度为70，内管外壁的平均温度为60。换热器内管直径为252.5mm，外管直径是513mm。试求：单位传热面积的传热速率。 解：将对流传热速率方程式加以整理，可求算单位传热面积的传热速率，即在定性温度70下硫酸的物性常数为：密度kg/m3比热1.58 kJ/(kg)导热系数W/(m)黏度厘泊查得壁温60下硫酸黏度厘泊以d1
7、及d2分别代表内管外径和外管内径，则当量直径de为m （过渡区）先求湍流时的对流传热膜系数t，即W/(m2)过渡流时对流传热膜系数为 式中 W/(m2)于是得到 W/m2答： q=7220W/m211. 一套管换热器，用热柴油加热原油，热柴油与原油进口温度分别为155和20。已知逆流操作时，柴油出口温度50，原油出口60，若采用并流操作，两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同，试问并流时柴油可冷却到多少温度？答： T2=64.712.在并流换热器中，用水冷却油。水的进、出口温度分别为15和40，油的进、出口温度分别为150和100现因生产任务要求油的出口温度降至80，假设油和水的
8、流量、进口温度及物性均不变，原换热器的管长为lm，试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。设换热器的热损失可忽略。 原： 现： 水1540 15t油150100 15080 现要求油出口为80 解： 现：同理：L1=1m L2=1.86m 答：L=1.85m 13.在逆流换热器中，用初温为20的水将1.25kgs的液体(比热容为1.9kJkg、密度为850kgm3)，由80冷却到30换热器的列管直径为252.5mm，水走管方。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85kW(m2)和1.70kW(m2)，污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于50，试求换热器的传热面积。解：热负荷： Q=W1cp
9、1（T1T2）=1.251.9103（8030）=1.2105W传热温度差：tm=(t2t1)/ln(t2/t1) =(8050)(3020)/ln(30/10) =18.2总传热系数： m2/W解得：Ko=485.44W/(m2)，有：S=Q/（Kotm）=13.9m2 答： S。13.9m214.在列管式换热器中用冷水冷却油。水在直径为192mm的列管内流动。已知管内水侧对流传热系数为3490W(m2)，管外油侧对流传热系数为258W(m2)。换热器在使用一段时间后，管壁两侧均有污垢形成，水侧污垢热阻为0.000 26m2W，油侧污垢热阻为0.000 176m2W。管壁导热系数为45W(m
10、)，试求：（1）基于管外表面积的总传热系数；（2）产生污垢后热阻增加的百分数。解:1、基于管子外表面积的总传热系数KO：W(m2)2、产生垢淀后热阻增加的百分数答： (1)Ko208W(m2)；(2)11815. 竖直蒸汽管，管径l00mm，管长3.5m，管外壁温度110，若周围空气温度为30，试计算单位时间内散失于周围空气中的热量。解：定性温度下，空气的物理性质为：=2.9210-3 -1 =0.02963W/(m) =/=2.00210-5m2/s Pr=0.701Gr= GrPr=2.3310110.701=1.631011 W/m2Q=At=6.240.13.5（110-30）= 54
11、8W 答： Q=548W16. 一套管换热器，冷、热流体的进口温度分别为55和115。并流操作时，冷、热流体的出口温度分别为75和95。试问逆流操作时，冷、热流体的出口温度分别为多少？假定流体物性数据与传热系数均为常量。答：T2=93.7 t2=76.317. 以三种不同的水流速度对某台列管式换热器进行试验。第一次试验在新购进时，第二次试验在使用了一段时间之后。试验时水在管内流动，且为湍流，管外为饱和水蒸气冷凝。管子直径为252.5mm的钢管。两次计算结果如下 第一次 第二次水流速度，ms 1 15 3 1 15 3基于外表面的总传热系数，W(m2) 2115 26G0 3740 1770 2
12、125 2740试计算： 1.第一次试验中蒸汽冷凝的膜系数， 2.在同一水流速度下，两次试验中总传热系数不同的原因。热阻相差的百分数为若干。解：第一次试验时没有垢层生成，则可用下面方法求得蒸汽冷凝的膜系数0。以下标1、1.5及3分别代表三种不同流速下的情况。 （a）及 （b）在两次试验中管壁热阻及凝液膜层的热阻恒定不变，故上二式相减得或解得 （c）因为水在管内是湍流，所以与 存在如下关系代入式c，得解得 W/（m2）于是 W/（m2）同样方法可得到W/（m2）将所得的代入式a，并取管壁的导热系数为45W/（m），则解得 W/（m2）若用，分别计算，所得均相同。所以，在第一次试验条件下，蒸汽冷凝
13、膜系数为15900W/（m2）。2、在同一水流速度下，两次试验中总传热系数不同是由于在管壁表面上产生垢淀所致。以上标“，”示第二次试验，取流速1m/S为例，两次热阻相差百分数为同样可求得流速为1.5m/s及3.0m/s两次热阻相差百分数分别为25.2%及36.5%。由计算结果可看出，流速越高，垢层热阻的影响越显著。答：（1）=15900W/（m2），（2）19.5% 18. 每小时500kg的常压苯蒸气，用直立管壳式换热器加以冷凝，并冷却至30，冷却介质为20的冷水，冷却水的出口温度不超过45，冷、热流体呈逆流流动。已知苯蒸气的冷凝温度为80，汽化潜热为390kJkg，平均比热容为186kJ(kgK)，并估算出冷凝段的传热系数为500W(m2K)，冷却段的传热系数为100W(m2K)，试求所需要的传热面积及冷却水用量为多少?若采用并流方式所需的最小冷却水用量
