rm3＝
30mm＝73.99mm 90ln60b3（1）R/L＝＝
b12??1rm1?b22??2rm2?2??3rm3
33030K?m/W?K?m/W?K?m/W
2??45?28.472??0.15?43.282??0.04?73.99＝3.73×10－4K·m/W＋0.735K·m/W＋1.613K·m/W ＝2.348K·m/W Q/L＝
?T＝46.84W/m R/L（2）R/L＝
＝
b12??1rm1?b22??2rm2?b32??3rm3
33030W?m/K?W?m/K?W?m/K
2??45?28.472??0.04?43.282??0.15?73.99 ＝3.73×10－4K·m /W＋2.758K·m /W＋0.430K·m /W ＝3.189K·m /W Q/L＝?T＝34.50W/m R/L4.5某加热炉为一厚度为10mm的钢制圆筒，内衬厚度为250mm的耐火砖，外包一层厚度为250mm的保温材料，耐火砖、钢板和保温材料的导热系数分别为0.38 W/（m·K）、45 W/（m·K）和0.10 W/（m·K）。钢板的允许工作温度为400℃。已知外界大气温度为35℃，大气一侧的对流传热系数为10 W/（m2·K）；炉内热气体温度为600℃，内侧对流传热系数为100 W/（m2·K）。试通过计算确定炉体设计是否合理；若不合理，提出改进措施并说明理由。（补充条件：有效管径2.0m）
解：设由耐火砖内侧表面和保温材料外测表面的面积分别为A1和A4，耐火砖、钢筒和保温材料的对数平均面积分别为Am1 、Am2 、Am3。钢板内侧温度为T。稳态条件下，由题意得：
1b1?a1?A1?1?Am1600?35600?T＝b2b311b1?????2?Am2?3?Am3a2?A4a1?A1?1?Am1
（因为钢板内侧温度较高，所以应该以内侧温度不超过400℃为合理） 有效管径R=2.0 m
31
带入已知条件，解得T＝463.5℃>400℃ 计算结果表明该设计不合理 改进措施：
1、提高钢板的工作温度，选用耐热钢板；
2、增加耐火砖厚度，或改用导热系数更小的耐火砖。
4.6水以1m/s的速度在长为3m的φ25×2.5mm管内，由20℃加热到40℃。试求水与管壁之间的对流传热系数。
解：由题，取平均水温30℃以确定水的物理性质。d＝0.020 m，u＝1 m/s，ρ＝995.7 kg/m3，μ＝80.07×10-5 Pa·s。
Re?du???0.020?1?995.7?2.49?104 ?580.07?10流动状态为湍流
?Cp80.07?10?5?4.174?103Pr???5.41
?0.6176所以得
??0.023??4.59?103W/(m2?K) 0.80.4d?Re?Pr
4.7用内径为27mm的管子，将空气从10℃加热到100℃，空气流量为250kg/h，管外侧用120℃的饱和水蒸气加热(未液化)。求所需要的管长。
解：以平均温度55℃查空气的物性常数，得λ＝0.0287W/（m·K），μ＝1.99×10
－5
Pa·s，
cp＝1.005kJ/（kg·K），ρ＝1.077kg/m3 由题意，得
u＝Q/（ρA）＝112.62m/s
Re＝duρ/μ＝0.027×112.62×1.077/（1.99×10－5）＝1.65×105
所以流动为湍流。
Pr＝μcp/λ＝（1.99×10－5）×1.005/0.0287＝0.697 α＝0.023·λ/d·Re0.8·Pr0.4 ＝315.88W/（m2·K）
32
ΔT2＝110K，ΔT1＝20K
ΔTm＝（ΔT2－ΔT1）/ln（ΔT2/ΔT1） ＝（110K－20K）/ln（110/20） ＝52.79K
由热量守恒可得
απdLΔTm＝qmhcphΔTh L＝qmcphΔTh/（απdΔTm）
＝250kg/h×1.005kJ/（kg·K）×90K/［315.88W/
（m2·K）·π·0.027m·52.79K］
＝4.44m
4.8某流体通过内径为50mm的圆管时，雷诺数Re为1×105，对流传热系数为100 W /（m2·K）。若改用周长与圆管相同、高与宽之比等于1：3的矩形扁管，流体的流速保持不变。问对流传热系数变为多少？
解：由题，该流动为湍流。
0.023?0.80.4Re?Pr d?10.023?1d2Re10.8?Pr10.4 ??20.023?2d1Re20.8?Pr20.4??因为为同种流体，且流速不变，所以有
?1Re10.8?d2 ??2Re20.8?d1由Re?可得
du??
?1d10.8?d2d?0.8?(2)0.2 ?2d2?d1d1矩形管的高为19.635mm，宽为58.905mm，计算当量直径，得
d2＝29.452mm
?2?(
d10.2500.2)??1?()?100W/(m2?K)?111.17W/(m2?K) d229.45233
4.9在换热器中用冷水冷却煤油。水在直径为φ19×2mm的钢管内流动，水的对流传热系数为3490 W/（m2·K），煤油的对流传热系数为458 W/（m2·K）。换热器使用一段时间后，管壁两侧均产生污垢，煤油侧和水侧的污垢热阻分别为0.000176 m2·K/W和0.00026m2·K/W，管壁的导热系数为45 W/（m·K）。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）将钢管视为薄管壁 则有
11b1????rs1?rs2K?1??210.00221m2?K/W?m?K/W?m2?K/W?0.00026m2?K/W?0.000176m2?K/W349045458?2.95?10?3m2?K/W?K＝338.9W/（m2·K）
（2）产生污垢后增加的热阻百分比为
?100%1?rs1?rs2 K0.176?0.26??100%?17.34%2.95?0.176?0.26注：如不视为薄管壁，将有5％左右的数值误差。
4.10在套管换热器中用冷水将100℃的热水冷却到50℃，热水的质量流量为3500kg/h。冷却水在直径为φ180×10mm的管内流动，温度从20℃升至30℃。已知基于管外表面的总传热系数为2320 W/（m2·K）。若忽略热损失，且近似认为冷水和热水的比热相等，均为4.18 kJ/（kg·K）.试求 （1）冷却水的用量；
（2）两流体分别为并流和逆流流动时所需要的管长，并加以比较。 解：（1）由热量守恒可得
qmccpcΔTc＝qmhcphΔTh
qmc＝3500kg/h×50℃/10℃＝17500kg/h
34
rs1?rs2（2）并流时有
ΔT2＝80K，ΔT1＝20K
?Tm??T2??T180K?20K??43.28K ?T280lnln20?T1 由热量守恒可得
KAΔTm＝qmhcphΔTh
即
KπdLΔTm＝qmhcphΔTh
L?逆流时有
qmhcph?ThK?d?Tm?3500kg/h?4.18kJ/(kg?K)?50K?3.58m 22320W/(m?K)???0.18m?43.28KΔT2＝70K，ΔT1＝30K
?Tm??T2??T170K?30K??47.21K ?T270lnln30?T1同上得
L?qmhcph?ThK?d?Tm?3500kg/h?4.18kJ/(kg?K)?50K?3.28m
2320W/(m2?K)???0.18m?47.21K比较得逆流所需的管路短，故逆流得传热效率较高。
4.11列管式换热器由19根φ19×2mm、长为1.2m的钢管组成，拟用冷水将质量流量为350kg/h的饱和水蒸气冷凝为饱和液体，要求冷水的进、出口温度分别为15℃和35℃。已知基于管外表面的总传热系数为700 W/（m2·K），试计算该换热器能否满足要求。
解：设换热器恰好能满足要求，则冷凝得到的液体温度为100℃。饱和水蒸气的潜热L＝2258.4kJ/kg
ΔT2＝85K，ΔT1＝65K
?Tm??T2??T185K?65K??74.55K ?T285lnln65?T135