化工原理王晓红版习题答案

1、1.锅炉钢板壁厚E=20mn,其导热系数2, = 46.5W/(in- K)o若粘附在锅炉壁 上的水垢层厚度为= lmn ,其导热系数/U=1.162W/(m-K)o巳知锅炉钢板外 表面温度为t =523K ,水垢表面温度为t. = 473K ,求锅炉每平方米表面积的传 热速率，并求钢板表面的温度心。(原題1) 解：该题为圆筒壁的热传导问题，如果设锅炉的半径为I则/；=r + 0.02, /;=r,=r-0.001 ,根据题意，可以得到所以严S,“2由圆筒壁的导热速率方程：Q= /y h.| b2i-l 九jS亦人2m2其中,=523K, t3= 473 K , & =46.5W/(m K),

2、入=1.162 W/(m K), b, = 0.02 m,b2 = 0.001 m , Sm= Sm2 = S o所以旷 = fn mrW/m2 = 3.874W/n?S b、人0.02 0.001-H +入心46.5 162根据圆筒壁的导热速率方程：土主/-I入s血入S可以得到：匚=(単 =523 _ 刃4 X2 = 5063(K) 人46.52.在一 60x3.5mm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A = 0.07W/(nvC)；外层为20mm的石棉层，平均导热系数2 = 0.15W/(nvC)。现用热电偶测得管壁温度为500C,最外层表面温度为80弋。已

3、知钢管的平均导热系数2 = 45W/(nvC),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:si- F= 2ttZ-b1一4b2m2式中：fi=500C ,广产80C ,巧二60/2-3. 5二26 5 (mm),匕=60/2二30 (mm), 23=30+40=70(mm), 门=70+20二90(mm), 人产 45W/( m C), A2=0. 07W/( m C),方产3. 5mm , 厶二40mm , 43=0. 15W/( m C)。Z?.F30mm ,八+ G 26.5 + 3022厶一厂270-301 70111 f230r3+

4、r4 70 + 90 2=28.3(/?/?)47.2()加3ml所以每米管长的热损失为:Q “=2 疋.L b、 b.+ +也也也3Z1Z4= 2x3.142x3.142500-8040-2W/mH+45x28.30.07x47.20.15x803因为于 台札= 1916W/m址=XL孚一=2庇竿h , bl ,b3也也人匚3所以宀+知式80 + 19“疥爲瓦而“0.8代）3.有一列管式换热器，由38根425X2. 5mm的无缝钢管组成，苯在管程流动， 由2CTC加热到80C,苯的流量为10.2kg/s,饱和蒸汽在売程冷凝。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

5、流传热系数将有何变 化？（原题4）解：苯的定性温度芳50此状况下的物性为:p = 045mPa s , p = 860 Rg/ nt , cp = 1.80kJ /(kg C), 2 = 0.14W /(m C)根据公式 Q = 0.023 Re08 Pr04 d=0. 020m,=l.Om/s=38222 (湍流)v10.2u =-=pA 860x38x-x0.022 4r _ chip _ 0.020 x 1.0 x 860 C 一/7一0.45 xlO3-= L8OX-45 =5.7860.14a =0.023Re08 Pr04=0.023x 21Lx 38222 x 5.78604 W

6、/(m2 C)0.020 7= 15O5W/(m2-C)(12)苯的流量增加1倍后，a； = % x 2* = 1505 x 2 W /(m2 C)= 2620 W /(m2 C)4.苯流过一套管换热器的环隙，自2CTC升高至809,该换热器的管规格为4 19 mmX2. 5mm,外管规格为438 mmX3 mm。苯的流量为1800 kg/h,求苯对管 壁的对流传热系数。解：苯的定性温度岂竺= 5(TC,此状况下的物性为：2“ = 045mPas, p = 860kg/F,= 1.80灯/(kgC), 2 = 0.14W/(mC)苯的流速为:wv1800一 = PA=1.12m/s3600 x

7、 860 x 扌 x(0.0322 - 0.0192)套管的当量直径为:4x#（-d；）de = d、一 =（32 一 19）inm = 13mm7tdx + 7nl2流体的雷诺数为：Re = = Z2x860 =吨（湍流）“0.45 xlO3Pr= 2 =.80 x 0.45 = 5.790.14=0.02 x由此可得对流传热系数为: 黑曲267.79%韵W/（卅C）= 1832W/（m2-C）与书上答案1794W/（nf C）略有不同。5.常压下温度为1209的甲烷以10m/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30C,换热器外壳径为190 mm,管束由37

8、根419 mmX2mm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-12（-3（）= 75r,此状况下的物性为2“ =0.012mPas , p = 0.562 Rg/加 ,cp = 2.4SkJ/（kg C）, 2 = 0.04W/（m C）列管换热器的当量直径为：4xf（：-37 盃）叫+37加厶- 37d；ml、+37屈21902 -37x192190 + 37x19mm = 25.47/77/72流体的雷诺数为:= 11928（湍流）& _ deiip _ 0.02547 xlOx 0.5620.012 x 10由此可得甲烷对管的对流传热系数为:a = 0.023 Re

9、08 Pr03=0.023 x 0 04 x 119288 x f 2,48xQ 1 W/(m2-C)0.02547I 0.04 丿 7= 60.3W/(m2-C)66.温度为9(TC的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30Co蛇管的直 径为457 mmX3. 5mm,弯曲半径为0. 6m,试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 解：甲苯的平均温度叱凹= 6(FC,此状况下的物性为：“ = 0.3864mPa s, p = 831.8/m3,= 1.853V/(-C), 2 = 0.1238W/(m-C)流体的流速为：R 3600x1x3.142x0.050x831.8流体的雷诺数为：湍流

10、时甲苯对直管的对流传热系数为:= 2162.3W/(m2 C)过渡流的校正系数:圆形弯管的校正系数为： = 1 + 177 = 1 + 177x = 1.1475R0.6甲苯对蛇管的对流传热系数为：al=ax0.612 x 1.1475 = 342.7 x 0.612 x 1.1475 W/(m2 C)= 240.7W/(m2 C)7. 120C的饱和水蒸气在一根025x2.5mm.长lm的管外冷凝，巳知管外壁温 度为80Co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

11、流动，则：液膜温度为竺聖=100 J 该温度下水的物性为“ = 0283mPas , p = 958.4/n 2 = 0.683W/(mC)=1.13(2205.2xl03x958.42 x9.81xO.6833 F/叶 冷凝温度为120 此温度下水的相变焙为：r = 22052kJ/kg。所以可以计算O.283xlO_3x 1x(120-80)= 5495.3W/(nr-C)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：虫_心炉_ dQ _(4S/矶X%_ 4(?/(r)_仏垂評以&/(皿厶)_ 4%/代入相关数据后可以求得&=如空=4 x 5495.3x1x(120-8

12、0)_他 讣 2205 2x 10x 0.283x10-3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:%平=722205.2xl03x958.42x9.81x0.683?Yw心2 Q= 0.7250.283x 10一 x 0.025 x (120 - 80) =8866.7W/(m2-C)8.实验室有一高为1ID,宽为0.5m的铸铁炉门，其表面温度为600C,室温为 209。试计算每小时通过炉门辐射而散失的热量。如果在炉门前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

13、有何变化？解：（1）不加隔热板时，铸铁炉门被四壁所包围，铸铁黑度为斫=0.78 , C,_2 = C）,角系数014 = 1，根据= 0.78x 5.669 x lx 1x0.5 x600+273.1530+273.15)100100VV= 12664VV（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）：1100)100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:CS 669C-严= 3.62,其角系数_3=1。H 1+ 10.78 0.78隔热板对周围墙壁的辐射传热量（3-2）：03-2 = G-2

14、03-2S100t225X2. 5mm的钢管，冷水在 管湍流流动，对流传热系数为2000 W/(m2- K)o热气在套管环隙湍流流动，对流 传热系数为50 W/(m2- K)o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？(原題8)解：(1)根据题意25 - 20 “力 mm = 22.4/?/?/ 25In 20管壁热阻占总阻力的百分数:b心-p-71T-. X1OO%空上也+R +丄8 dt 仇 A dm “ ao25xlO725x=d器xlOO%125 门

15、2.5x10-325n 12000 2045.422.450= 0.297%(2)冷水流速提髙1倍后，管的对流传热系数变为：a； = y X 2-8 = 2000 X 20S W /(nr C)= 3482 W /(m2 C)总传热系数为:W/(m2-C)1125 n 2.5 xlO325F3482 2045.422.450=4& 97W/(n?C)(3)气体流速提高1倍后，管外的对流传热系数变为: ao = a x2 = 50 x 208 W/(m2 C)=87.06W/(m2 C)总传热系数为:=:W /(m2 C)125 n 2.5x1 O325 n 172000 2045.422.48

16、7.06= 82.15W/(nr-C)1111. 实验测定管壳式换热器的总传热系数时，水在换热器的列管作湍流流动， 管外为饱和水蒸汽冷凝。列管由直径为425X2. 5mm的钢管组成。当水的流速为 lm/s时，测得基于管外表面积的总传热系数兀为2115 W/( m2C);若其它条 件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得忆为2660 W/(m2-C)o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lm/s时，匕用冬。表示，K用Ki.o表示；速度为1. 5m/s时，q用4$表示，K用K“表示。由总传热系数的计算式可以得到：1 1 _ 25X2. 5mm的钢管组成，将流量为15吨

17、/小时的苯由 20弋加热到559,苯在管中流速为05m/s,加热剂为13CTC的饱和水蒸气在管 外冷凝，其汽化潜热为2178kJ/kg,苯的比热c,=1.76kJ/(kg- K),密度 P=858kg/m 粘度 P=0. 52X10_3Pa s,导热系数入=0.148W/(m K),热损失、 管壁及污垢热阻均忽略不计，蒸汽冷凝的a=104 W/Gn- K)。试求：(1)水蒸 气用量(kg/h); (2)传热系数K (以管外表面积为基准)；(3)换热器所需管数 及单根管长度人解：(1)加热冷流体苯所需要的热量Qe =叱-/,)=xl.76xl03x(55-20V = 256 .Ik W水蒸汽用量

18、:nIkW呐 P 诙7?矿。.9M*24.3M(2)流体在管强制湍流传热系数 苯的平均温度工二 =37.5,此状况下的物性为：2“ = 0.52mPas, p = 858kg/F, cp = .16kJ/(kg-C), 2 = 0.148W/(m-C)0.148xl03pr = SA = 1.76xl(rx0.52xl0-=6i838 2带入e表达式有:a =0.023-Re08 Pr04，d=0.023x 巴兰 x 16500“ x 6.183804 W /(nr C) 0.02 )= 834.5W/(m2-C)= 10000 W/(m2-C)(3)因为” _ 匕 _ 叫1.21 八 7Rr

19、 -n -ntrp-n 44所以可以求得77 = 31/fo=625.8W/(m2-dC)15000/.ml s = 0.5/zz/ s3600x-x3.142x0.0202 x858x/?4换热面联一佥in 12130-554.48731x3.142x0.025/ 一 _厶 _(13()_20)_(13() _55)c_9i /c Hl*F- d Sd gS _ Q K/J= 256.7x10=2 =4.48时625.8x91.4又 S。= HTUlJm = 1.84/n1414.在一套管式换热器中用水逆流冷却热油，已知换热器的传热面积为3. 5m2o 冷却水走管，流量为5000kg/h,流

20、动为强制湍流，入口温度为20C；热油走套 管环隙，流量为3800kg/h,入口温度为8(TC,其比热q=2.45kj/(kgK)。已 知两流体的对流传热系数均为2000W/(m2 K)o管壁厚度、管壁热阻、污垢热 阻均可以忽略。试计算冷热流体的出口温度。如果由于工艺改进，热油的出口 温度需要控制在35弋以下，当通过提高冷却水流量的方法来实现时，冷却水的 流量应控制为多少？解：(1)原工况下：a=t(G-)=a=cr/,(7/-7；)Q = KS = KS -律H)= W (ry-7；)以上两式整理化简后可以得到:本题中，ti=20C, Ti=80C, Wh=3800kg/h, Wc=5000

21、kg/h, cph=2. 45 kJ/(kg- K), cpc=4. 18 kJ/ (kg - K),佳=辭皿又一卩)tt21= 2.2452 匚叱6 0.4455联立上述两式，可以求得T2=39.9C, t2=37. 8C(2)在新工况下，联立上述方程式，试差求解得到Wc=7135kg/h01515.某列管换热器由多根425X2. 5mm的钢管组成，管束的有效长度为3.0m。 通过管程的流体冷凝壳程流量为5000kg/h.温度为75弋的饱和有机蒸汽，蒸汽 的冷凝潜热为310kJ/kg,蒸汽冷礙的对流传热系数为800 W/(m2- K)o冷却剂在 管的流速为0. 7m/s,温度由2(TC升高到

22、5(TC,其比热为c2. 5kJ/ (kg K), 密度为P=860kg/m对流传热系数为2500 W/(m2- K)。蒸汽侧污垢热阻和管壁 热阻忽略不计，冷却剂侧的污垢热阻为0. 00055点K / Wo试计算该换热器的 传热面积并确定该换热器中换热管的总根数及管程数。解：有机蒸汽冷凝放热量：q = %“ = Wx310x10W = 43KW3600传热温差in 2275-50_ 弘一血 _（F-（Tf）_（75-20）-（75-50）c = 38C11 八d心 b Jr +丄W/（nr-C）总传热系数:丄 J + R= + % ch dt 2 d_ 1 =1 2525+0.00055+ 0

23、 + 0 +2500 2020800= 410W/（m2-C）所需的换热面积：u Q 431x1022S、=m = 2/. 7mK380 MW,故满足要求。措施之二：增加换热管长：传热系数K =Kox.48 = 88x 1.48W/(nr C)=115.2W/(m2 C)r8换热面积 S = y x - = 47.12 x m2 = 62.83nrI6传热温差不变，所以热负荷： 380. lVV ,故满足要求。措施之三：改为 9x2mm的换热管：对流传热系数，流量不变的情况下，改变管径，对流传热系数与管径的-18次 方成正比，再考虑改变流量的情形，所以有：传热系数：K。=匕盒=241.6 x

24、匕 W /(m2 C)= 190.7 W /(m2 C) do19换热面积：So = n7nlj = 100x3.142 x0.019 x6/n2 = 35.81/n2热负荷：Q= KoSoMm = 190.7 x 35.81x65.48IV = 447AkW380.1RW ,故满足要求。措施之四：提高蒸汽温度：所以仏120-80K c= 0.9163 = -0.9163=0.8567可以求得rv=124.3C,此时蒸汽压力为230kPao注：无论是何种措施，蒸汽流量需要增加40%,满足热量衡算的要求。 所以(1)满足(2)满足(3)满足(4)不满足。17一列管换热器(管径425X2.传热面积

25、12淤(按管外径计，下同)。今拟使8CTC的饱和苯蒸汽冷凝、冷却到45Co苯走管外，流量为lkg/s；冷却水走管与苯逆流，其进 口温度为10,流量为5kg/s。巳估算出苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为 1500W/(mK)、870W/(m2-K)；水的对流传热系数为2400W/仏-K)。取水侧的污垢热阻为0. 26X103nr K/W,并忽略苯侧的污垢热阻及管壁热阻。问此换热器是否可用？已知水、液体苯的比热分别为4. 18kJ/(kg K)、1.76kJ/(kg K)；苯蒸汽的冷凝潜热 r =395kJ/kgo (原题 11)解：欲求换热器是否可用，可计算该换热器的传热面积是否够用。苯在管外发生 冷凝.冷却，所以换热过程可以分成两个过程。(1)在冷却过程中，管外流体为8CTC的苯液体冷却到出口温度45T,而管的冷 却水从入口温度10加热到一定的温度，设为匚。根据热负荷计算公式Q = Q产Q可以得到:其中，叱=5kg/s