化工基础习题解答《传热过程及换热器》(张近主编)

传热过程及换热器

1.燃烧炉的平壁是一层耐火砖和一层普通砖砌成，内层耐火砖厚度为230mm ，外层普通砖厚度为240mm ，当达到定态传热时，测得炉内壁温度是700℃，外表面温度是100℃，为了减少热量损失，在普通砖外面加砌一层厚度为40mm 的保温材料，当定态后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。求加保温材料前后每平方壁面热损失是多少？耐

火砖、普通砖、保温材料的热导率分别为1.163W·m -1·℃-1，

0.5815W·m -1·℃-1，0.07W·m -1·℃-1。 解：根据多层平壁热传导公式：i i

i

t Q A δλΣΔ=Σ 加保温材料前：Σt i =t 1-t n+1=700-100=600℃

0.230.241.1630.5815

0.6105i i δλΣ=+= 26000.6105

982.8W/m Q A == 加保温材料后：Σt i =t 1-t n+1=720-70=650℃

0.230.240.041.1630. 1.185815007

20.i i δλΣ=++= 2545W/m 1.1862

50Q A == 2.如习题1加保温材料后测得内壁面温度为720℃，保温材料外表面温度为70℃。计算耐火砖与普通砖、普通砖与保温材料间的交界面温度。 解：加保温材料后，传热速率为：2545W/m 1.1862

50Q A == 根据平壁热传导公式：1211

545t t Q A

δλ−== t 1=720；λ1=1.163W·m -1·℃-1，δ1=0.24m 代入上式解得：

t 2=1110.23720545 1.163

6211.Q t A δλ−⋅=−×=℃ 同理得 t 3=3430.0470545031.74.08Q t A δλ+

⋅=+×=℃ 3.平壁炉的炉壁内层为120mm 厚的耐火材料和外壁厚度为230mm 建筑材料砌成，两种材料的导热系数为未知，测得炉内壁面温度为800℃，外侧壁面温度113℃，后来在普通建筑材料外面又包一层厚度为50mm 的石棉以减少热损失，包扎后测得炉内壁面温度为800℃，耐火材料与建筑材料交界面温度为686℃，建筑材料与石棉交界面温度为405℃，石棉外侧温度为77℃，问包扎石棉后热损失比原来减少的百分数？

解：包石棉材料前得传热速率112

8001130.120.23t

Q δ

λλλΣΔ−==Σ+ 包石棉材料后得传热速率212

8004050.120.23t

Q δ

λλλΣΔ−==Σ+ 包扎石棉后热损失比原来减少的百分数=21

800405110.425=42.45%800113Q Q −−==−=− 4.φ50mm×5mm 的不锈钢管(λ1=16 W·m -1·K -1)外包扎厚度为30mm 的石棉(λ2=0.22 W·m -1·K -1),若管内壁温度为600℃，石棉外壁面温度100℃，求每米管线的热损失。若要使温差保持不变，欲使热损失减少60%，在石棉层外再包一层保温材料(λ3=0.07 W·m -1·K -1)，求该保温材料的厚度为多少？

解：(1)、11112()2(600100)=15011101ln ln ln 15400.22872.552W/m 0n n i i

i t t Q r L r ππλ++−−==+∑ 5.用φ48 mm×3mm 的钢管(λ=45 W·m -1·K -1)输送0.304MPa 的饱和水蒸汽，外界空气为20℃，求不保温与包上30mm 厚的石棉时每米管长的热损失速率(空气的表面传热系数可取为，水蒸汽传热的热阻忽略。

解：查得0.304MPa 的饱和水蒸汽的温度为133.74℃ 143.744

1111133.2()2(20)=14811081ln ln ln 45741420.224894W/m n n i i

i t t Q r L r ππλ++−−==+∑ 6. φ50 mm×3mm 的钢管(λ=45 W·m -1·K -1)外包扎二层绝热材料，内、外层厚度分别为25mm 和40mm ，热导率分别为0.08 W·m -1·K -1及0.04 W·m -1·K -1。若管内壁面温度为277℃，绝热材料外表面温度为57℃，求每米管长的热损失速率。 解：11112()2(57)=150110011801ln ln ln ln 45440.0278500.04100759.14W/m n n i i

i t t Q r L r ππλ++−−==++∑ 7.某蒸汽管外径为100mm ，外面包有两层绝热材料，内层为50mm 厚的绝热材料A(λ=0.06 W·m -1·K -1)，外层为25mm 绝热材料B(λ=0.075 W·m -1·K -1)，若A 层内表面温度为175℃，B 外表面温度为38℃，计算每米管长的热损失及A ，B 交界面的温度。 解：11112()2(138)=120012501ln ln ln 0.061000.0757552009.22W/m n n i i

i t t Q r L r ππλ++−−==+∑ 12112()2(7559.22W 1)=12001ln ln 0.06/0m 10n i i

i t t Q x r L r ππλ+−−==∑

1200ln

0.0610017559.2266.062x π

=−×=℃ 8.炼油厂在一列管换热器中用热油加热冷油。管子规格为φ=38×3mm ，管程冷油的流速为

1.1m·s -1从25℃加热到125℃，在定性温度下冷油的物性参数为，密度850kg·m -3，比热

2.5kJ·kg -1·K -1，粘度2×10-3Pa·s ，热导率0.12 W·m -1·K -1。求冷油的表面传热系数。 解：30.80.40.80.430.120.032 1.185025002100.023()(0.023()(0.0322100.12

p C du d μλαμλ−−Ρ××==×××××× = 838.7 W·m -2·K -1

9.在一列管换热器中，用水蒸气加热原油。管子规格φ=25×2.5mm ，管程原油的表面传热系数为1000 W·m -2·K -1，管内污垢层的热阻系数R h,1=1.5×10-3m 2·K·W -1；管外水蒸气加热原油，

管外水蒸气的表面传热系数为10000 W·m -2·K -1，

管外污垢热阻及管壁的热阻忽略不计，求传热系数及各部分热阻占总热阻的百分数。

解：以内表面为计算基础

2131,111

1388W m 1201

1.51010001000025h o o K K d R d αα−−−===⋅+×+++×i ⋅

总热阻R=0.00258

内表面热阻R 1=0.001占总热阻的百分数38.88%

外表面热阻R o =0.00008占总热阻的百分数3.10%

污垢层的热阻系数R h,1=1.5×10-3占总热阻的百分数58.2%

以外表面为计算基础

21301,1111

1310W m 252511 1.5101000202010000h o o K K d d R d d αα−−−===+××+++×i i ⋅⋅

总热阻R=0.00323

内表面热阻R 1=0.00125占总热阻的百分数38.70%

外表面热阻R o =0.0001占总热阻的百分数3.10%

污垢层的热阻系数R h,1=1.875×10-3占总热阻的百分数58.04%

10.两湍流流动的流体在套管换热器中换热，第一流体对管壁的表面传热系数

α1=233 W·m -2·K -1，管壁对第二流体的表面传热系数α2=407 W·m -2·K -1。若忽略管壁和垢层的热阻，求下列情况传热系数各增加多少？

(1).假定第一流体流速增加一倍，其余不变。

(2).假定第二流体流速增加一倍，其余不变。

解：αu ∵∝0.8

第一流体流速增加一倍，其余不变。α1=233 W·m -2·K -1，

则α1`=20.8α1=406 W·m -2·K -1

第二流体流速增加一倍，其余不变。α2=407 W·m -2·K -1

α2`=20.8α2=709 W·m -2·K -1