1、第 2 章 1 锅炉钢板壁厚 mm201 ，其导热系数 KmW/5.461 。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为 1mm2 ，其导热系数 Km162W /.12 。已知锅炉钢板外表面温度为 523K1t ，水垢内表面温度为 473K3 t ，求锅炉每平方米表面积的传热速率，并求钢板内表面的温度 2t 。 （原题 1） 解： 该题为圆筒壁的热传导问题，如果设锅炉的半径为 r ，则 02.01 rr ， rr2 ，001.03 rr ，根据题意，可以得到 321 rrr ，所以 21 mm SS 由圆筒壁的导热速率方程：22211131111mmni miiinSbSb ttSbttQ 其中， K5
2、231t ， K4733t ， KmW/5.461 ， KmW/162.12 ， m02.01b ，m001.02 b ， SSS mm 21 。 所以 22221131 W / m874.3W / m162.1001.05.4602.0 473523 bb ttSQq根据圆筒壁的导热速率方程：11121111mni miiinSb ttSbttQ 可以得到： )K(3.5 0 65.46 0 0 2.08 7 4.35 2 3- 1 112 qbtt2 在一 60 3.5mm的钢管外包有两层绝热材料，里层 为 40mm的氧化镁粉，平均导热系数 m07W /.0 ；外层为 20mm 的石棉层，
3、平均导热系数 m15W /.0 。现用热电偶测得管内壁温度为 500 ，最外层表面温度为80 。已知钢管的平均导热系数 mW/45 ， 试求每米管长的热损失及两层保温层界面的温度。 （原题 2） 解： 根据圆筒壁的热传导传热速率计算公式： 3332221114133322211141111 2mmmmmmni miiinrbrbrbttLSbSbSbttSbttQ 式中： t1=500 ， t4=80 ， r1=60/2-3.5=26.5(mm) ， r2=60/2=30(mm) ，r3=30+40=70(mm) ， r4=70+20=90(mm) ， b1=3.5mm ， b2=40mm ，
4、 b3=30mm，1=45W/( m )， 2=0.07W/( m )， 3=0.15W/( m )。 )(3.282 305.262 211 mmrrr m )(2.473070ln3070ln23232 mmrrrrrm )(802 90702 433 mmrrr m 所以每米管长的热损失为： W / m6.1 9 1 W / m8015.0202.4707.0403.28455.3805 0 01 4 2.31 4 2.32 233322211141mmm rbrbrbttLQ因为3334333322211141111 22mmmmni miiinrbttLrbrbrbttLSbttQ
5、所以 8.1308015.0142.32 206.191802 33343 mr bLQtt （ ） 3 3有一列管式换热器，由 38根 25 2.5mm的无缝钢管组成，苯在管程流动，由 20 加热到 80 ，苯的流量为 10.2 kg/s，饱和蒸汽在壳程冷凝。试求：（ 1）管壁对苯的对流传热系数？（ 2）若苯的流量提高一倍，对流传热系数将有何变化？（原题 4） 解：（ 1）苯的定性温度 5028020 ，此状况下的物性为： smPa45.0 ， 3/860 mkg ， kgkJc p /80.1 ， m/W14.0 根据公式 4.08.0 PrRe023.0id di=0.020m， s/0
6、m.102.04388 6 02.102 Awu s 382221045.0 8600.1020.0Re 3 du (湍流 ) 7 8 6.514.0 45.080.1Pr pC 224.08.04.08.0m/W1 5 0 5m/W7 8 6.53 8 2 2 20 2 0.014.00 2 3.0PrRe0 2 3.0ii d（ 12）苯的流量增加 1 倍后， 228.08.0 m/W2620m/W215052ii 4 4苯流过一套管换热器的环隙，自 20升高至 80，该换热器的内 管规格为 19 mm 2.5mm, 外管规格为 38 mm 3 mm。苯的流量为 1800 kg/h，求苯对
7、内管壁的 对流传热系数。 解：苯的定性温度 5028020 ，此状况下的物性为： smPa45.0 ， 3/860 mkg ， kgkJc p /80.1 ， m/W14.0 苯的流速为： s/m21.1910.0320.048603 6 0 0 1 8 0 0 22 Awu s套管的当量直径为： mmmmddddddde 1319324421212221 流体的雷诺数为： 2 7 8 2 61045.0 8 6 012.10 1 3.0Re 3 ud e (湍流 ) 79.514.0 45.080.1Pr pC 65.168.1193221 dd 由此可得对流传热系数为： 2253.0318
8、.053.021318.0m/W1832m/W193279.527826013.014.002.0PrRe02.0ddd e与书上答案 1794 2m/W 略有不同。 5 5常压下温度为 120 的甲烷以 10 m/s 的平均速度在管壳式换热器的管间沿轴向流动。离开换热器时甲烷温度为 30 ，换热器外壳内径为 190 mm，管束由37 根 19 mm 2mm的钢管组成，试求 甲烷对管壁的对流传热系数。 解：甲烷的平均温度 752 30120 ，此状况下的物性为 smPa012.0 ， 3/562.0 mkg ， kgkJc p /48.2 ， m/W04.0 列管换热器的当量直径为： mmmm
9、ddddddddde 47.2519371 9 019371 9 03737373744 22212221212221 流体的雷诺数为： 1 1 9 2 8100 1 2.0 5 6 2.0100 2 5 4 7.0Re 3 ud e (湍流 ) 由此可得甲烷对管的对流传 热系数为： 223.08.03.08.0m/W3.60m/W04.0012.048.21 1 9 2 80 2 5 4 7.004.0023.0PrRe023.0ed6 6温度为 90 的甲苯以 1500kg/h 的流量通过蛇管而被冷却至 30 。蛇管的直径为 57 mm 3.5mm，弯曲半径为 0.6m，试求甲苯对蛇管的对
10、流传热系数。 解：甲苯的平均温度 6023090 ，此状况下的物性为： smPa3864.0 ， 3/8.831 mkg ， kgkJc p /853.1 ， m/W1238.0 流体的 流速为： smsmdmdVu ss /2 5 5.0/8.8 3 10 5 0.01 4 2.3413 6 0 01 5 0 04141 222 流体的雷诺数为： 2 7 4 4 7103 8 6 4.0 8.8 3 12 5 5.005.0Re 3 du (湍流 ) 湍流时甲苯对直管的对流传热系数为： 223.08.03.08.0m/W3.2 1 6 2m/W1 2 3 8.03 8 6 4.0853.12
11、 7 4 4 7050.01 2 3 8.0023.0PrRe023.0d过渡流的校正系数： 6 1 2.07.2 7 4 41061Re 1061 8.158.1 5 圆形弯管的校正系数为： 1 4 7 5.16.00 5 0.077.1177.11 Rd i 甲苯对蛇管的对流传热系数为： 22 m/W7.2 4 0m/W1 4 7 5.16 1 2.07.3 4 21 4 7 5.16 1 2.0 7 7 120 的饱和水蒸气在一根 5mm.252 、长 1m 的管外冷凝，已知管外壁温度为 80 。分别求该管垂直和水平放置时的蒸气冷凝传热系数。 解：（ 1）当管垂直放置时，冷凝传热系数的计
12、算方法取决于冷凝液在管外沿壁面向下流动时的流动型态。采用试差法，假定冷凝液为层流流动，则： 413213.1 tlgr 垂直液膜温度为 1002 80120 ，该温度下水的物性为 smP a283.0 ，3/4.958 mkg ， m/W683.0 冷凝温度为 120，此温度下水的相变焓为： kgkJr /2.2205 。所以可以计算 垂直224133234132m/W3.5495m/W80120110283.0683.081.94.958102.220513.113.1tlgr根据此计算结果校核冷凝液膜的流动是否为层流。冷凝液膜流动雷诺数为： r tldrtQlddrQSqdSGdud oo
13、omooo 垂直垂直 4/4/4/4Re代入相关数据后可以求得 1 4 0 9102 8 3.0102.2 2 0 5 801 2 013.5 4 9 544Re 33 r tl垂直 层流假定成立，以上计算有效。 （ 2）当管水平放置时，直接用如下公式计算蒸汽冷凝传热系数： 水平224133234132m/W7.8 8 6 6m/W80120025.010283.0683.081.94.958102.2 2 0 5725.0725.0tdgro8 8 实验室内有一高为 1m，宽为 0.5m的铸 铁炉门，其表面温度为 600 ，室温为 20 。试计算每小时通过炉门 辐射 而散失的热量。如果在炉门
14、前 50mm处放置一块同等大小同样材料的平板作为隔热板，则散热量为多少？如果将隔热板更换为同等大小材料为已经氧化了的铝板，则散热量有何变化？ 解：（ 1）不加隔热板时，铸铁炉门被四壁所包围，铸铁黑度为 78.01 ， 0121 CC ，角系数 121 ， 根据 WWSCQ1 2 6 6 41 0 02 7 3 . 1 5301 0 02 7 3 . 1 56 0 05.0116 6 9.578.01 0 0T1 0 0T444241212121 （ 2）加隔热板后，辐 射传热过程可以表示为：炉门 1 隔热板 3墙壁 2。 炉门辐射散热量就是它对隔热板的辐射传热量（ 1 3）： 43413131
15、31 1 0 0T1 0 0TSCQ 炉门与隔热板相距很近，其辐射可以看作是在两极大的平面间进行，于是： 62.3178.0178.01 6 6 9.511131031 CC ， 其角系数 131 。 隔热板对周围墙壁的辐射传热量（ 3 2）： 4243232323 1 0 0T1 0 0TSCQ 其中 42.46 6 9.578.00323 CC ， 123 。 过程达到稳态时， 2331 QQ 4243232343413131 1 0 0T1 0 0T1 0 0T1 0 0T SCSC 将已知数据代入上述公式，可以得到 4434341 0 02 7 3 . 1 5301 0 05.0114
16、2.41 0 01 0 02 7 3 . 1 56 0 05.01162.3TT求出 24.4 4 339.7 1 83 KT 所以热损失为： WWSCQQ5 7 0 01007 1 8 . 3 91002 7 3 . 1 56005.01162.3100T100T444341313131 （ 3）如果将隔热板换为氧化的铝板，其黑度为 15.03 ，则有 816.0115.0178.01 669.511131031 CC 85.06 6 9.515.00323 CC 可以仿 照（ 2）的公式求取隔热板温度，然后计算热损失，也可以利用下列公式直接求取： WWSCSCQQQ11925.0185.0
17、15.01816.011002 7 3 . 1 5301002 7 3 . 1 560011100T100T44123231313142412331 9 9现测定一传热面积为 2m2的列管式换热器的总传热系数 K值。已知热水走管程，测得其流量为 1500kg/h，进口温度为 80 ，出口温度为 50 ；冷水走壳程，测得进口温度为 15 ，出口温度为 30 ，逆流流动，试计算该换热器的 K 值。（原题 6） 解： 换热温差： 06.4230801550ln 30801550lnln211221122121 tTtT tTtTtt ttt m热负荷为： kWWTTCWQ pcc 25.525080
18、1018.43 6 0 01 5 0 0 321 所以换热器的总传热系 数： 223 m/W1.621m/W06.422 1025.52moo tS QK 10 10 热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管为 252.5mm的钢管，冷水在管内湍流流动，对流传热系数为 2000 W/(m2K)。 热气在套管环隙湍流流动，对流传热系数为 50 W/(m2K)。已知钢的导热系数为 45.4 W/(mK) 。 试计算：（ 1）管壁热阻占总阻力的百分数；（ 2）冷水流速提高一倍，则总传热系数有何变化？（ 3）气体流速提高一倍，则总传热系数有何变化？ （原题 8） 解： （ 1）根据题意 mmmmdd
19、dddioiom 4.222025ln 2025ln 管壁热阻占总阻力的百分数 : %297.0%10050104.22254.45105.2020252 0 0 014.22254.45105.2%1001133osomoiosiioimoRddbddRddddb（ 2）冷水流速提高 1 倍后，管内的对流传热系数变为： 228.08.0 m/W3 4 8 2m/W22 0 0 02ii 总传热系数为： 223m/W97.48m/W50104.22254.45105.2020253 4 8 211111osomoiosiiooRddbddRddKi（ 3）气体流速提高 1 倍后，管外的对流传热
20、系数变为： 228.08.0 m/W06.87m/W2502oo 总传热系数为： 223m/W15.82m/W06.87104.22254.45105.2020252 0 0 011111osomoiosiiooRddbddRddKi11 11实验测定管壳式换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和水蒸汽冷凝。 列管由直径为 25 2.5mm 的钢管组成。当水的流速为 1m/s 时，测得基于管外表面积的总传热系数 Ko为 2115 W/( m2 )；若其它条件不变，而水的速度变为 1.5m/s 时，测得 Ko为 2660 W/( m2 )。试求蒸汽冷凝传热系数。假设污垢热阻可以忽略不计。 解： 设水流速为 1m/s 时， i 用 1.0 表示， K 用 K1.0 表示；速度为 1.5m/s 时， i 用1.5 表示， K 用 K1.5 表示。由总传热系数的计算式可以得到： omoio ddbddK 1110.10.1 omoio ddbddK 1115.15.1 两式相减，可以得到： 5.10.1150.11111 ioddKK 其中， 0.1K 2115 W/( m2 )， 5.1K 2660 W/( m2 )， od 25mm，
