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1、第六章习题热传导1. 某工业炉的炉壁由耐火砖 1 = 1.3W/(m K)、绝热层 2 = 0.18W/(m K)及普通砖 3 = 0.93W/(m K)三层组成。炉膛壁内壁温度 1100, 普通砖层厚 12cm, 其外表面温度为 50。通过炉壁的热损失为 1200W/m 2, 绝热材料的耐热温度为 900。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。习题 1 附图习题 2 附图2. 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 =300, t 3=50。求内壁温度 t1。设炉壁由单层均质材料组成。3. 某火炉通过金属平壁
2、传热使另一侧的液体蒸发, 单位面积的蒸发速率为 0.048kg/(m 2s), 与液体交界的金属壁的温度为 110。时间久后 , 液体一侧的壁面上形成一层 2mm 厚的污垢 , 污垢导热系数 =0.65W/(m K) 。设垢层与液面交界处的温度仍为110, 且蒸发速率需维持不变 , 求与垢层交界处的金属壁面的温度。 液体的汽化热=2000kJ/kg。4. 为减少热损失 , 在外径 150mm 的饱和蒸汽管道外复盖保温层。已知保温材料的导热系数 =0.103+0.000198t( 式中 t为 ), 蒸汽管外壁温度为 180, 要求保温层外壁温度不超过50 ,每米管道由于热损失而造成蒸汽冷凝的量控
3、制在110-4kg/(m s)以下 , 问保温层厚度应为多少?*5. 用定态平壁导热以测定材料的导热系数。将待测材料制成厚、直径120mm 的圆形平板 , 置于冷、热两表面之间。热侧表面用电热器维持表面温度t1=200。冷侧表面用水夹套冷却, 使表面温度维持在 t2=80。电加热器的功率为40.0W 。由于安装不当 , 待测材料的两边各有一层0.1mm 的静止气层 气 = 0.030W/(m K), 使测得的材料导热系数与真实值不同。不计热损失, 求测量的相对误差, 即 ( -)/ 。习题 5 附图习题 6 附图*6. 通过中空球壁导热的热流量Q 可写成如下的形式? tQ =/(Am )试证：
4、Am =A1 ?A2259式中 A 1、 A 2 分别为球壁的内、外表面积。*7.有一蒸汽管外径 25mm,管外包以两层保温材料, 每层厚均为 25mm。外层与内层保温材料的导热系数之比为2 /1 =5,此时的热损失为 Q。今将内、外两层材料互换位置, 且设管外壁与外层保温层外表面的温度均不变, 则热损失为 Q。求 Q/Q, 说明何种材料放在里层为好。对流给热8. 在长为 3m, 内径为 53mm 的管内加热苯溶液。苯的质量流速为172kg/(sm2) 。苯在定性温度下的物性数据如下： =0.49mPa s;=0.14W/(m K);Cp=1.8kJ/(kg )。试求苯对管壁的给热系数。9.
5、在常压下用列管换热器将空气由200冷却至120 , 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, 内有 25 2.5mm 钢管 38 根。求空气对管壁的给热系数。10. 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=20 , 蒸汽管外壁温度 tw=120 , 管外径为 60mm。已知在定性温度 70下重油的物性数据如下：=900kg/m 3;Cp=1.88kJ/(kg );=0.174W/(m )。运动粘度 =2 10-3 m2/s, =3 10-4 1/。试问蒸汽对重油的热传递速率W/m 2 为多少 ?11. 室内水平放置两根表面温
6、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 (Gr Pr)=109。试问两管道单位时间、单位面积的热损失比值为多少?冷凝给热12. 饱和温度为 100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96 , 试求每小时冷凝的蒸汽量。又若将管子水平放 , 冷凝的蒸汽量又为多少 ?热辐射13. 用热电偶温度计测量管道中的气体温度。温度计读数为300 , 黑度为 0.3。气体与热电偶间的给热系数为60W/(m 2K), 管壁温度为 230。求气体的真实温度。若要减少测温误差, 应采用哪些措施?
7、14. 功率为 1kW 的封闭式电炉 , 表面积为 0.05m2, 表面黑度 0.90。电炉置于温度为 20的室内 , 炉壁与室内空气的自然对流给热系数为 10W/(m 2 K) 。求炉外壁温度。15. 盛水 2.3kg 的热水瓶 , 瓶胆由两层玻璃壁组成 ,其间抽空以免空气对流和传导散热。玻璃壁镀银 , 黑度 0.02。壁面面积为 0.12 m2, 外壁温度 20, 内壁温度 99。问水温下降 1需要多少时间 ? 设瓶塞处的热损失可以忽略。*16.两平行平板的温度分别为 t1=400 、t2 =150,黑度分别为 1 =0.65, 2=0.90 。今在两板之间插入第3 块平行平板 ,该板厚度
8、极小 , 两侧面 (A 、 B 面) 温度均一但黑度不同。当A 面朝板 1, 达到定态后板 3 的平衡温度为 327。 当 B 面朝板1, 达到定态后板 3 的温度为 277。设各板之间距离很小, 求板 3 的 A 、 B 两面的黑度 A、 B 各为多少 ?习题 16 附图习题 17 附图*17. 试证明在定态传热过程中 , 两高、低温 (TA T B)的固体平行平面间装置 n 片很薄的平行遮热板时 (如图示 ), 传热量减少到原来不安装遮热板时的 1/(n+1) 倍。设所有平面的表面积、黑度均相等，平板之间的距离很小。260传热过程计算18. 热气体在套管换热器中用冷水冷却 , 内管为 25
9、 2.5mm 钢管 , 导热系数为 45W/(m K) 。冷水在管内湍流流动 , 给热系数 1 =2000W/(m 2K) 。热气在环隙中湍流流动, 2=50W/(m 2 K) 。不计垢层热阻, 试求(1) 管壁热阻占总热阻的百分数；(2) 内管中冷水流速提高一倍 , 总传热系数有何变化 ?(3) 环隙中热气体流速提高一倍 , 总传热系数有何变化 ?19. 68 4mm 的无缝钢管， 内通过 0.2MPa( 表)的饱和蒸汽。 管外包 30mm 厚的保温层 =0.080W/(m K), 该管设置于温度为 20 的大气中 , 已知管内壁与蒸汽的给热系数 1 =5000W/(m 2 K), 保温层外
10、表面与大气的给热系数 2=10W/(m 2 K) 。求蒸汽流经每米管长的冷凝量及保温层外表面的温度。20. 外径 1.2m 的球形贮罐内放 -196的液氮 , 罐外覆以 =0.02W/(m K) 的绝热材料以减少向大气的冷量损失。保温层外壁的温度不低于28 , 以免露水凝结。大气温度为32 , 大气与保温层外壁的给热系数为12 W/(m 2 K), 罐内液氮对壁的给热热阻以及罐壁的热阻均可忽略, 计算绝热材料应有的厚度。注 : 球壁导热公式参见题 6。21. 用不同的水流速度对某列管式冷凝器作了两次试验 , 第一次冷凝器是新的 , 第二次冷凝器已使用过一段时期之后。试验结果如表所示：试验次 数
11、第一次第二次流速m/s2 )1.02.01.0传热系数 KW/(m120018601100上表中传热系数均以外表面为基准。管子尺寸为 28 2.5mm, 导热系数为 45W/(m 2 ) 。水在管内流动是高度湍流 , 饱和蒸汽在管外冷凝。两次实验条件相同。试求：(1) 第一次试验中 , 管外给热系数 1 , 以及当水速为 2m/s 时管内给热系数 2；(2) 试分析在相同的水流速下 , 两次实验的传热系数数值不同的原因, 并得出定量计算的结果。*22.一内径为0.34m 的空心球形钢壳容器, 其内壁表面温度为38, 外壁外面用100热水加热。钢壳的导热系数为45W/(m 2), 热水对外壁的给
12、热系数=500 W/(m 2 ), 试计算钢壳厚度是多少mm 时传热速率达最大值? 最大传热速率为多少 ?23. 某列管冷凝器内流冷却水, 管外为有机蒸汽冷凝。在新使用时冷却水的进、出口温度分别为20与 30。使用一段时期后 , 在冷却水进口温度与流量相同的条件下 , 冷却水出口温度降为 26。求此时的垢层热阻。 已知换热器的传热面为 16.5m2, 有机蒸汽的冷凝温度 80, 冷却水流量为 2.5kg/s。24. 某列管式加热器由多根 25 2.5mm 的钢管所组成 , 将苯由 20加热到 55, 苯在管中流动 , 其流量为每小时 15吨 , 流速为 0.5m/s。加热剂为 130的饱和水蒸
13、汽 , 在管外冷凝。苯的比热 CP=1.76kJ/(kg ), 密度为 858kg/m 3。已知加热器的传热系数为 700 W/(m 2 ), 试求此加热器所需管数 n 及单管长度 l。*25. 某气体混合物 (比热及导热系数均未知 )以 90kg/h 的流量流过套管换热器的内管, 气体的温度由 38被加热到 138。内管内径为 53mm, 外管内径为 78mm, 壁厚均为 2.5mm, 管外为蒸汽冷凝使管内壁温度维持在150。已知混合气体粘度为 0.027mPa s, 其普朗特数 Pr=1, 试求套管换热器的管长。*26. 传热面相等的两台换热器, 用冷水将油从 138冷却至 93 , 冷水
14、进入第一换热器的流量为2.5kg/s, 温度 t1=25 ,出口 t2 =50。将此股水流中抽出0.62kg/s 水移作它用 , 余下的水进入第二个换热器, 冷水出口 t3=65。设两个换热器的传热系数均为 450 W/(m 2 ),油的比热 CP=2.1 kJ/(kg )。求两换热器的传热面积, 及油的流量。习题 26 附图261*27.用一单程列管换热器以冷凝1.5kg/s 的有机蒸汽, 蒸汽在管外冷凝的热阻可以忽略, 冷凝温度60 , 汽化热为395kJ/kg。管束有 n 根 252.5mm 的钢管组成 , 管内通入t1 =25的河水作冷却剂, 不计垢层及管壁热阻, 试计算：(1) 冷却
15、水用量 (选择冷水出口温度 ) ；(2)管数 n 与管长 L( 水在管内的流速可取1m/s 左右 )；(3)若保持上述计算所得的总管数不变,将上述换热器制成双管程投入使用, 冷却水流量及进口温度仍维持设计值, 求操作时有机蒸汽的冷凝量。传热操作型计算28. 某冷凝器传热面积为20m2, 用来冷凝 100 的饱和水蒸汽。冷液进口温度为40 , 流量0.917kg/s,比热为4000J/(kg )。换热器的传热系数K=125W/(m 2 ), 求水蒸汽冷凝量。29. 有一套管换热器 , 内管为 19 3mm, 管长为 2m, 管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为 270kg/h,进口温度为 1
16、00 , 水的流量为 360kg/h,入口温度为10。若忽略热损失 , 且知以管外表面积为基准的传热系数K=374 W/(m 2),油的比热 CP=1.88kJ/(kg ), 试求油和水的出口温度分别为多少?30. 某列管换热器用 110饱和蒸汽加热甲苯 , 可使甲苯由 30加热至 100。今甲苯流量增加 50%, 试求：(1) 甲苯出口温度；(2) 在不变动设备条件下 , 采用何种措施以使甲苯出口温度仍维持100? 作定量计算。*31.某套管换热器有传热面积0.4m2, 油在内管从 75被冷却至 65。冷却水在环隙中逆流流动, 从 30加热至 45 ,给热系数 2 =4000W/(m 2 )
17、 。内管直径 25mm, 管壁较薄 , 热阻可略去不计。求该换热器能冷却的最大油量。已知油在平均温度下的物性为=0.56W/(m )； =1.8mPa s ；Cp=2070J/(kg ) 。*32. 今有一套管换热器 , 冷、热流体的进口温度分别为 40和 100。已知并流操作时冷流体出口温度为60, 热流体为 80。试问逆流操作时热流体、冷流体的出口温度各为多少？设传热系数均为定值。*33.由 A 、B 两台换热器组成的换热系统中 , 冷与热流体的流向及流量等均如图所示。已知： A 、B 两台换热器的传热面积, 传热系数均相等。冷流体流量等量分配。且T 1 =150 ,T2 =40；t 1
18、=30,t 2 =90。试求：温度T, t a、tb 的值分别为多少?习题 33附图习题 35附图非定态传热34. 某带搅拌器的夹套加热釜中盛有 G kg 的油品 , 用 120的饱和水蒸汽将油品自 25加热到 110需要时间为 1 , 今将加热时间延长一倍 , 试问最终的油温等于多少 ?设传热面积A 及传热系数K 均给定且为常数, 釜内油温各处均一。35. 如图所示的浸沉式蛇管换热器中, 蛇管内流的是水, 用以冷却槽中的液体。已知槽中盛放6000kg 的某种液体 , 其比热为 4.6kJ/(kg K), 从 100开始冷却。冷却水的最初温度为20, 用水量为1500kg/h 。换热面积为6
19、m 2。设传热系数为230 W/(m 2 )不变 , 且不考虑液体向空气的散热量, 槽内液体温度均一。试求该液体冷却至60所需的时间。262换热器36. 今欲于下列各列管换热器中 , 将某种溶液从 20加热到 50。加热剂进口温度为 100 , 出口温度为 60。试求各种情况下的平均温差。(1) 单壳程 , 四管程 ;(2) 双壳程 , 四管程。37. 有一列管换热器 , 煤油走壳程。 其温度由 230降至 120 , 流量为 28700kg/h。壳内径为 560mm, 内有 252.5mm的钢管 70 根 , 每根长 6m, 管中心距为32mm, 三角形排列。 用圆缺形挡板 (切去高度为直径
20、的25%), 挡板间距为300mm 。试求煤油的给热系数。已知定性温度下煤油的物性数据如下：Cp =2.60kJ/(kg )=710kg/m 3 =0.32mPas =0.13W/(m K)38. 有一单壳程双管程列管换热器 , 管外用 120饱和蒸汽加热 , 常压干空气以 12m/s 的流速在管内流过 , 管径为 38 2.5mm, 总管数为 200 根, 已知空气进口温度为 26, 要求空气出口温度为 86, 试求 :(1) 该换热器的管长应为多少 ?(2) 若气体处理量、 进口温度、 管长均保持不变 , 而将管径增大为 542mm, 总管数减少 20%, 此时的出口温度为多少? (不计出
21、口温度变化对物性影响 , 忽略热损失 )。39. 试设计一列管式冷凝器, 用水来冷凝常压下的乙醇蒸汽。乙醇的流量为3000kg/h, 冷水进口温度为30, 出口温度为 40。在常压下乙醇的饱和温度为78, 汽化潜热为925kJ/kg。乙醇蒸汽冷凝给热系数估计为1660 W/(m 2 )。设计内容 :： (1) 程数、总管数、管长；(2) 管子在花板上排列；(3) 壳体内径。第六章思考题1. 传热过程有哪三种基本方式 ?2. 传热按机理分为哪几种 ?3. 物体的导热系数与哪些主要因素有关?4. 流动对传热的贡献主要表现在哪儿 ?5.自然对流中的加热面与冷却面的位置应如何放才有利于充分传热?6.液
22、体沸腾的必要条件有哪两个 ?7. 工业沸腾装置应在什么沸腾状态下操作? 为什么 ?8. 沸腾给热的强化可以从哪两个方面着手?9. 蒸汽冷凝时为什么要定期排放不凝性气体?10. 为什么低温时热辐射往往可以忽略 , 而高温时热辐射则往往成为主要的传热方式?11. 影响辐射传热的主要因素有哪些 ?12. 为什么有相变时的对流给热系数大于无相变时的对流给热系数？13. 有两把外形相同的茶壶，一把为陶瓷的，一把为银制的。将刚烧开的水同时充满两壶。实测发现，陶壶内的水温下降比银壶中的快，这是为什么？14. 若串联传热过程中存在某个控制步骤, 其含义是什么 ?15. 传热基本方程中 , 推导得出对数平均推动力的前提条件有哪些?16. 一列管换热器，油走管程并达到充分湍流。用 133的饱和蒸汽可将油从 40加热至 80。若现欲增加 50%的油处理量，有人建议采用并联或串联同样一台换热器的方法，以保持油的出口温度不低于80，这个方案是否可行？26317. 为什么一般情况下 , 逆流总是优于并流 ? 并流适用于哪些情况 ?18. 解决非定态换热器问题的基本方程是哪几个?19. 在换热器设计计算时，为什么要限制大于0.8 ？264