化工原理王志魁第五版习题解答：第四章 传热

第四章

传热

【热传导】

【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为0.02m 2，材料的厚度为0.02m 。现测得电流表的读数为2.8A ，伏特计的读数为140V ，两侧温度分别为280℃和100℃，试计算该材料的热导率。

解

根据已知做图

热传导的热量

.28140392Q I V W =⋅=⨯=()12A

Q t t b

λ=

-.().()

12392002

002280100Qb A t t λ⨯=

=

--()

./218W m =⋅℃【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率λ=1.05W/(m·℃)，厚度230b mm =；绝热砖层，热导率λ=0.151W/(m·℃)；普通砖层，热导率λ=0.93W/(m·℃)。

耐火砖层内侧壁面温度为1000℃，绝热砖的耐热温度为940℃，普通砖的耐热温度为130℃。(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。

(2)若普通砖层厚度为240mm ，试计算普通砖层外表面温度。解

(1)确定绝热层的厚度2

b 温度分布如习题4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算

热流密度q 。

()1

121

q t t b λ=-.()/.W m =

-=2

105

1000940274 023

绝热砖层厚度2b 的计算

()2

232

q t t b λ=-.().b m =

-=20151

9401300446 274

每块绝热砖的厚度为023m ．，取两块绝热砖的厚度为.20232046b m =⨯=．。

(2)计算普通砖层的外侧壁温4

t 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度3

t (2)

322

274046

94010530151

qb t t λ⨯=-

=-

=℃

习题4-3附图

习题4-4附图

3t 小于130℃，符合要求。

通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温4t 。

()3

343

q t t b λ=

- (3)

433

274024

1053346093

qb t t λ⨯=-

=-

=℃

【4-7】水蒸气管路外径为108mm ，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度/℃t 的变化关系为../()0033000023t W m K λ=+⋅。水蒸气管路外表面温度为150℃，希望保温层外表面温度不超过50℃，且每米管路的热量损失不超过/160W m 。试确定所需保温层厚度。

解

保温层厚度以b 表示

(..)220033000023l dt dt q r t r dr dr

λππ=-=-+(..)2

21

1

20033000023r t l r t dr

q t dt

r

π=-+⎰⎰.ln

.())222

1212100023200332l r q t t t t r π⎡

⎤=-+-⎢⎥⎣⎦

已知/12150℃,50 160t t q W m

===℃,,.1210．0540054r m r r b b

==+=+..()..()

ln .220066314150500000233141505016010054b ⨯⨯-+⨯⨯-=

⎛

⎫+ ⎪⎝⎭

..ln .2073144510054160b +⎛

⎫+=

⎪⎝⎭

解得保温层厚度为

..00133133b m mm

==保温层厚度应不小于13.3mm

【对流传热】

【4-9】空气以4m s ／的流速通过..755375mm mm φ⨯的钢管，管长5m 。空气入口温度为32℃，出口温度为68℃。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到的热量为578W ，钢管内壁的平均温度为多少。

解

已知/,.,,,124 0068 5 32 68℃

u m s d m l m t t =====℃(1)对流传热系数α计算空气的平均温度

3268

502

m t +=

=℃查得空气在50℃时的物性数据./31093kg m ρ=，

.,./(),./()

p Pa s W m c kJ kg μλ--=⨯⋅=⨯⋅=⋅5219610 28310 1005℃℃

Pr 0698=．，空气被加热，Pr 的指数04

n =．雷诺数

..Re ..4

5

006841093

1521019610

du ρ

μ

-⨯⨯=

=

=⨯⨯湍流

..5735600068

l d ==>对流传热系数

. .Re Pr 0804

0023d

λα

=．....(.)(.)./()

.W m α-⨯=⨯⨯⨯⨯=⋅2

408042283100023152100698184 0068

℃(2)空气流速增加一倍，对流传热系数'α为

..''./()

u W m u αα⎛⎫⎛⎫

==⨯=⋅ ⎪

⎪

⎝⎭

⎝⎭

08

08

2218432 1℃(3)若空气从管壁得到的热量为578W ，计算钢管内壁平均温度用式w m Q A t t α=-（）计算钢管内壁的平均温度w t 。已知空气进出口平均温度

50m t =℃

在第(1)项中已计算出对流传热系数./()2184W m α=⋅℃钢管内表面积为..2

00685107A dl m ππ==⨯⨯=钢管内壁平均温度

(578)

50794184107

w w Q t t A α=+

=+=⨯℃【两流体间传热过程的计算】

【4-16】载热体的流量为/1500kg h ，试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。(1)100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；(2)苯胺由383K 降温至283K ；(3)比热容为./()377kJ kg K ⋅的NaOH 水溶液从290K 加热到370K ；(4)常压下20℃的空气加热到150℃；(5)绝对压力为250kPa 的饱和水蒸气，冷凝冷却成40℃的水。

解

/m q kg s =

1500

3600

(1)水蒸气冷凝比汽化热/2258r kJ kg

=放热量m Q q r kW ==

⨯=1500

2258941 3600

(2)苯胺平均温度383283

3332

m T K +=

=比热容./()

219p c kJ kg K =⋅放热量

()()..121500

=

219383283913 3600

m p Q q c T T kW =-⨯-=(3)NaOH 水溶液

比热容()

./377p c kJ kg K =⋅