化工原理课后答案解析(我国石化出版社)第5章传热

1、第五章 传热1一立式加热炉炉墙由厚150mm 的耐火材料构成，其导热系数为入i =1.3W/(m K)，其外外表温度为1100 C及240 C，试求通过炉墙损失的热量 (W/m 2);假设外加一层25mm =0.3W/(m K)的绝热材料，并假定炉壁 温度仍为1100 °C，而热损失降至原来的57%,求绝热层外壁温度及两层交界 面处的温度。解:q At1 t21100 240. 2127453.3W m2b10.15:1.3q' 0.57q4248.4W. m2,Q q QAt1 t31100 t3，一c,1334248.4b|b20.15 0.025121.30.3解得：t

2、3 =255.8 C,Q q耳t1 t2'1100 t2-224248.4b10.1511.3解得：t2=609.8 C2某加热炉炉墙由耐火砖、绝热层与普通砖组成，耐火砖里侧温度为900 C，普通砖外侧温度为 50 C,各层厚度分别为：耐火砖 140mm，绝热层(石棉灰)20mm，普通砖 280mm ;各层导热系数：入i = 0.93W/(m K)，入2 =0.064W/(m K),入3=0.7W/(m K)。(1)试求每 m2炉墙的热损失；(2)假设普通砖的最高耐热温度为600 C,此题条件下，是否适宜？解:1qtl t4bib2b3900 500.140.020.280.93 0.

3、0640.7984.9W m22qt3 t4b3t3500.28984.9W m20.7解得：t3=444 C适宜3. 用平板法测定某固体的导热系数，试件做成圆形薄板，直径d二120mm，厚度为Smm，与加热器的热外表及冷却器的冷外表直接接触。所传递的热量(一维导热)，用加热器的电能消耗计算之。过程稳定时，测得加热器电流为0.96A，电压为60.5V，热电偶测得热外表温度t1 = 180 C，冷外表t2 = 30 C ；由于安装不良，试件与冷热外表之间各有一层0.1mm的缝隙(有空气)，试求:(1) 忽略外表间的辐射传热时，因空气缝隙引起的测试导热系数的相对误差。空气在 180 C及30 C时

4、的导热系数分别为3.78W/(m K)及2.67W/(m K)。(2) 如果计入辐射传热，上题的误差将有何变化，请作定性分析。解：QUI60.50.9658.08(W)2 2 2A-d-0.120.0113(m)44忽略空气缝隙的影响：Q 匝戈 180 3058.08A0.0113解得： 34.236 (W/(m K)不忽略空气缝隙的影响:58.08180 300.1 10 3 0.1 10 33.78 10 22.670.0113解得：37.778 (W/(m K)相对误差：3423637.778100%9.4%37.778(2)如果计入辐射传热，导热速率Q应减小，得出的导热系数应减小，所以

5、上题的误差将减小4. 当管子外径与径之比d2/d 1< 2时，试证明：通过管壁的导热速率按下式计 算的相对误差不超过4 %。21 / 175. 管子的外直径分别为；di = 107mm , d2 = 127mm ,导热系数入=16W/(m K)，管外壁温度各为350 C及300 C，试求在单位时间，每米管长及每平方米外外表的导热量t1 t2350 300d11, 127In21610742.93 10 (W/m)4Q 2.93 10A 0.127 127.35 10 (W/m )6. 汽管外直径d1=100mm ,其外表温度t1 = 180 C,覆盖有一 50mm 厚的矿渣棉绝热层，绝热

6、层外外表温度t2 = 30 °C ,其导热系数由下式决定：入=0.064(1+2.25 X 10-3t)W/(m K)，试求每米管长的热损失(W/m)。7. 管径为 38 X 2.5mm 的油管，管壁导热系数为 45W/(m K)，壁温度为120 C；为减少热损失，在管外包上两层绝热层，第一层是50mm厚的蛭石，导热系数为 0.06W/(m K)，第二层是10mm 厚的石棉泥，导热系数为 0.13W/(m K)。(1) 试求每米管长的热损失及两绝热层交界面的温度；(2) 假设把、外两绝热层位置交换一下，热损失将如何变化？8. 某汽油冷却器采用25 X2.5mm管子，冷却水在管以lm/

7、s的流速通过，进出口温度分别为25 C及45 C，管长3m，试求管壁对冷却水的给热系数。1解：在定性温度tm - 25 45 35C下水的物理性质为994 kg m3 ,2Cp = 4.174k J kg K ,= 0.72 7mPa S ,= 0.626W m KRedu20 103 1 9940.727 102.73 104104湍流PrCp334.174 100.727 100.6264.850.8 0.40.6264 080.40.02Re Pr 0.02332.73 104.85d20 10347908W m2 K9. 某煤油冷却器有19 x 2mm钢管60根，长3m ,管冷却水流速

8、为0.6m/s ,平均水温为30 C,管壁温度为55 C。试求：(1)水在管的对流给热系数：(2)给热速率解：在定性温度tm30C下水的物理性质为995.7 kg m3 ,Cp = 4.174k J kg K ,= 0.801mPa S ,=0.618W m KRedu15 10 3 0.6 995.71.12 104PrCp0.801 10104湍流334.174 103 0.801 100.6185.410.023 Re0.8 Pr0.4 0.023d1532277W m2 K0翟 1.12 104 081035.410.4(2)根据牛顿冷却定律:QiA(tW t) 3227.70.015

9、 3 60 (5530) 6.84 105W10. 上题中，假设改用管径为38 x 3mm 钢管而保持流速及冷却水总流量不变(管子根数可变)，求给热系数及给热速率。解：在定性温度tm 30C下水的物理性质为995.7 kg m30.6180.023Re0.8Pr0.4 0.023d2774W. m2 K0.61832 1034 0.82.39 1045.4104Cp = 4.174kJ. kg K = 0.801mPa S = 0.618W m32 10 3 0.6 995.744.32.39 1010 湍 流0.801 10 3Pr4.174 103 0.801 10 3,5.41(2)根据

10、牛顿冷却定律38 x 3mm管子根数:d2nu 4-d'2u40.0152 600.032213QiA(tW t) 27740.03213 (55 30)2.72 105W11.假设将题8中冷却器中心管流速提高至1m/s，管径及水温不变，求给热系数增加的倍数12.重油以0.2m/s的速度，在径为50mm的管流过，进口温度为20 C,出 口温度为85 C,管壁的平均温度tw = 100 C,试求管壁对重油的给热系数。 重油的物理参数如下：2 = 0.125 1.5 x IO-4?, W/(m - K);5 = 1.74 + 2.5xlOr1kJ/(kg- ;v = 2.55/?, m7s

11、;/?= 3x 10A 1/K；p = (L 01 - 6. 25 % UTS) X 10 kg/m養13试计算套管换热器中原油的给热系数。套管的尺寸为 85 X 5-60 X 5mm，原油的流量为12600kg/h，进出口温度分别为125 C及175 C；原油 的物理性质可由以下参数再查阅图表集或附录求得；d：°二O.9084， 80二39.9 X 10-6m2/s ;100 = 18.2 X 10-6m 2/s,特性因数 K = 11.8。试求原油走管或走环隙时的给热系数。14. 常压空气横过外径为50mm管子所组成的管束，空气由15 C预热至39 C, 其在最窄截面处的流速为6

12、m/s，计算管束为顺排与叉排时的平均给热系数。15. 试求从一外径为60mm、壁温为120 C的蒸气横管到重油(20 C)的自然对流给热系数。蒸汽管置于油罐下方被重油所浸没，重油的物理性质同题12 o16. 试求水浸式冷却器管外至水的自然对流给热系数。水的平均温度为30 C，管外壁温为70 C,管外径为89mm17. 两根横管具有一样的外表温度，都被空气的自然对流所冷却，第一根管直径5倍于第二根管，如果两根管的(Gr Pr)值均在1091012围；试求两管给 热系数之比1/ 2及每米管长的热损失之比qq2。18. 正己烷在压力0.4MPa(表)及温度131 C下，在某再沸器管外作饱和沸腾， 加

13、热管外壁平均温度147 C，己烷的临界压力Pc=0.295MPa，试求沸腾给热 系数。19. 丙烷饱和蒸汽在水平管束外冷凝，管子总数 86根，管外径25mm，正三 角形错列。丙烷冷凝温度59 C,冷凝潜热330kJ/kg ;管壁温度为50 C；丙烷凝液在 55 C 下的物性：卩=O.08MPa s，入=0.085W/(m K)， p =440kg/m 3，试求管外平均冷凝给热系数，并与单根管进展比拟。20. 某化工厂拟用水在逆流套管冷却器中冷却苯液，测得苯的流量为20t/h，进出口温度为80 C与50 C,冷却水由25 C升至45 C ,传热面积为20m2, 试估计此冷却器的传热系数 解:苯的

14、定性温度Tm詈65 '查得苯在 65 C 下的比热为：0.45 Cp = 0.45kcal/(kg K) 1.884k J kg Km1Cp1(T1T2 )320 1036001.884 (80 50)314(kW)tmt1 t2(80 45) (50 25),80 45In50 2529.7 °CQAm314 10320 29.7528.3 W/(m 2 K)21. 某芳烃车间需将环丁砜水溶液由I00 C加热至115 C,拟用0.362MPa(绝) 的饱和水蒸气作为加热剂，环丁砜溶液的流量为216t/h ，比热为 2.93kJ/(kg )，假设加热器的总传热系数为 680W

15、/(m 2 K),试求水蒸气的 消耗量及所需要的传热面积。3216 103解：Q2 m)2Cp2(t2 tj2.93 (115 100)2637(kW)查得0.362MPa(绝)的饱和水蒸气的温度和冷凝潜热分别为139.9 C和2149 kJ/kg。水蒸气的消耗量m Q鴛1.23(kg/S)tmt1 t2(139.9 100)(139.9 115)lnt2139.9 100 ln139.9 11531.8 C2637 103680 31.8121.9m222. 在一换热器中用饱和水蒸气加热有机溶剂，换热管规格为25 X 2.5mm钢管，溶剂在答流动，流速为u(m/s),在换热器干净无垢时测得：

16、10.000187 0.0027/u0'8，操作半年后，管侧生垢时又测得：Ko0.000464 0.0027/u0'8，假设假定两种情况下蒸汽冷凝的给热系数相等,Ko且蒸汽侧不生垢，试计算：(1) 当管溶剂流速为2m/s时，管给热系数i ;(2) 水蒸气冷凝给热系数°(3)半年后总传热系数的计算公式为(3) 操作半年后的污垢系数Rsi解:/八畑土田当缶柚，玄米斤葩H苗八才1Ko1 dob dod m丄与o1才LZA八i di10.0001870.0027/u0'8 相比拟，可得：Ko1 do250.0027/u0.80.0027/2080.00155i dii

17、 20解得：i806(W /(m2 K)根据总传热系数的计算公式11 dob do丄与Koi did mo10.0001870.0027/u0'8 相比拟，可得Kob do10.00252510.000187d mo4522.5o解得：o7983(W/(m2 K)11 d。口 d。b d。1RsiKo i didi dm oKo 0000464。.0027/严相比拟，可得R do b do0.00046410.000187o因丄 0.002525dm o 4522.5所以RsidiRsi250.0004640.0001870.00027720Rsi =0.0002216 m2 K/W2

18、3. 某煤油冷却器由60根25 X 2.5mm的管子组成，水走管，煤油在管间与水呈逆流流动。假设煤油的流量为4500kg/h，进、出口温度分别为78 C及30 C ,水的进口温度为20 C ,出口温度不得超过48 C o水侧及油侧的给热系 数分别为1.7及0.85kW/(m 2 C )，试求在不计污垢热阻时，该冷却器所需 的管子长度(煤油在平均温度下的比热容可取1.9kJ/(kg C )，钢管的导热系数为 45W/(m K)o解：Q1 mQ p1(T| T2)450036001.9 (7830)114(kW)1 丄血Ko i di代入数据d mo11250.0025 251Ko 1.7 103

19、 204522.50.85 103解得：Ko =506.7 W/(m 2 C )tmt1 t2Int2(78 48) (30 20),78 48In30 2018.2 °CA n d°L 600.025 LQKim114 103506.7 18.2L=2.62m24. 定流量的空气在蒸汽加热器中从20 C加热至80 C，空气在管呈湍流流动。压力为0.17MPa（绝）的饱和水蒸气在管外冷凝。现因生产需要将空气流量提高20%，但空气的进出口温度不变，试问应将饱和水蒸气的温度及压力增加至多少，方可完成任务（假定管壁及污垢热阻均可忽略）？ 解：查得0.17MPa（绝）的饱和水蒸气的

20、饱和温度为114.8 CtmX t2(114.8 20)(114.8 80)60 仁Ct1, 114.8 20.ln 1lnt2114.8 80因饱和水蒸气在管外冷凝的对流传热系数相变过程远大于管空气的对流传热系数，因此总传热系数近似等于管空气的对流传热系数，即K将空气流量提高20%时，K' i' 1.20.8 i 1.157K假设空气的进出口温度不变，总传热量Q' 1.2m2Cp2（t2 tj 1.2Q即 K'A tm' 1.2KA tm1.157KA tm' 1.2KA tm 1.2KA 60.1tm'=62.33 Ctm't

21、1t2(20)仃'80)Int2InT' 20T' 8062.33解得：T'=117 C查得117 C饱和水蒸气的压力为0.18MPa25. 在一并流操作的套管换热器中，用水冷却柴油，水的进出口温度分别为15 C及40 C，柴油从100 C冷却至60 C，现因生产需要将柴油出口温度进步降低，在不增加传热面积的前提下改为逆流操作， 试求柴油可能到达的最低 出口温度（假定柴油、水的进口温度及物理性质均不改变 ）。解:®Cp1R=mhCp2t2 t1T1 T240 15100 600.625tm并t1 t2In匕t2(100 15)(60 40),100 1

22、5 In60 4044.9NTUT T2KAt m并m1C p1100 6044.90.89对逆流传热:1 expNTU(1 R) R exp NTU (1R)0.51391exp0.89(1 0.625)0.625 exp0.89(10.625)T1 T2'100 T2'即： -2- 0.5139T1 t1100 15解得：T2'=56.3 C26.90 C的正丁醇在逆流换热器中被冷却至 50 C，换热器的传热面积为6m 2，总传热系数为230W/(m 2C)，假设正丁醇的流量为1930kg/h，比热容为 2.95kJ/(kg. C )(70 C时的数据)，冷却介质为

23、18 C水，试求:(1)冷却水的出口温度；冷却水的消耗量，m3/h解: (1)QimS®T2)1930360032.95 10(90 50)63261(W)tmQ 63261KA 230 645.84 C设冷却水的出口温度为tm(90 t2) (50 18)Int290 In -50t21845.84解得：t2=26.8 tm 18 26.822.4 C,查得水的比热为 4.181 kJ/(kg. C)2Q m2Cp2 (t2 tj m2 4.181 103 (26.8 18)63261解得：m2 =1.719 kg/s=6190kg/h27. 在逆流换热器中，冷油与热油进展热交换，油的比热均为 1.68kJ/(kg. C)， 热油的流量为3000kg/h,并从I00冷却至25 C ；冷油那么从20 C加热至40 C。 总传热系数K0随热油的温度T变化如下：热油温度，T(C)1008060403025传热系数，KoW/(m 2 C)355350 340310230160试求换热器的传热面积。解：画图积分，参见例题P279例题略28. 外径为15mm的管子需要保温，如果采用某石棉绝热物是否适宜？该石棉 物料的导热系数为0.