化学工程基础(武汉大学著)课后习题答案第三章

1、第三章传热过程序巧勺卜厚度5/nun导热系数nflK l1 （内层）耐火砖200107£52绝热砖1000.143645、£1、平壁炉的炉堆由三种材料组成，其厚度和导热系数列J：本题附表。 习题1附表111->111->A mi = 2nimiL = 2兀(0.025 十 0.02)/2 x 1 = 0.1413m2解:q令證九入2入31.07+詈煜）"7390】2、50nunx5nuiTlJR = Rj R：w= 115°"=2.832nr °C 导热系数九2=0.2"； K_1o若不锈瞬 多少？若耐火砖层内表

2、而的温皮为1150。钢板外表面温度口为30°C,禺餉通过炉壁的热 损失为S00W.nf2o试计算传导传热的而积热流帚:。若计算结果与i实测f住损失不符，试分 析原因并计算附加热阻。耳一(4 _1150 - 306?& =0J00061 + +0.1445= U=1243Wm0.901脚可接触不良，有空气层#/!：,产主了附加热计算的面积热流量大于实侧值，阻，其值R为：僧，导热系数XW nf1.1,其外包扎厚30mm的石棉, ",石棉层外再包30mm厚的保温灰，导热系数入3=0.07Wni 旳温度为260°C,保温层最外层的壁温为35。问每米管K的热损火为

3、爭的内半径为n=20imn,外半径i2=25nim, .。/口 v 2,故可按算术平均求每 匀而积，石棉层内半径【2=25nim,夕卜半径r3=55nin） 殳2,需按对数平均求传热面积 【20.055-0.025 nniQ,0.04In0.025111->A = 27111 = 2 x 3.14 x 0.038 x 1 = 0.239m2保温灰层内半径=0.055ninb外半径【4=0085nim0.085-0.055"厂,0.085= 0069111lu0.055Am3= 2nrmsL = 2x3.14x0.069x1=0.433】'故每m管长的热损失为2 =耳-“

4、L 5)§2&3+ +九An】 九2人"】2 九3皿】3-= B8.9W.nr11.6194260-350.0050.03016x0.1413 + 0.2x0.2393、某蒸汽管外包扎有二层厚度相等的绝热材料，外层 yri径为内层平均H径的两 倍，而外层的导热系数为内层的1/2,若将此两种绝热材止诲仓置，各层厚度与原來的一 样，设蒸汽管外壁温度及外层绝热层的外侧面温度 E来情况分别对应相等,各绝热材料 的导热系数值不因互换位置而异，问哪种情况张解：多层圆筒壁的导热计算式为：At<l> =依题意：6i = §2 = 6故An】2=2An】iL)互

5、换前：<|>At An】=1=0.8(|) At al An" 5九Am* 入2山】2设下标1代表内层，下标站依dnb=2dnilAtA叫九2A】2入A】iI入L2AnitAt_At-=6d+ +九An】i九2Am2+入Ainr2入i A】uAt九iAn】LAtrs2 XlAn)126计算表明外层材料换内层后散热小，即将导热系数小的材料放在内层为宜。4、常床下空气在内彳仝为25.4nun的管中流动，温度由220°C降到180°C,若空气流速为 151n s-1,试求空气与管内壁之间的对流传热膜系数。解：在定性温度咕=180；220 = 200弋和常压下

6、，空气的物性：Cp = 1.026kJ - kg-1 - K" 九 =0.0393W nf1 K_l 从=26xl0-6 Pasp = 0.746kg nf3n C A 1.026x103x26x10'6°Pr= = 0.679X0.0393c dup 0.0254x 15x0.764” 沖也Re = = 10930 为湍流426x10" a= O.O23-Re0 8 Pi0 3 = 0.023x 0 0393 x 1093008 x 0.6790 3d0.0254=53.8W nf2 K_l旳进出口温度分别为20°C5、有一列管式换热器、蒸汽在

7、管外冷凝，加热管内的冷K和40°C,水的流速为1 in s'1,列管为025mmx2.5mn】的月求水在管内的对流传热膜系数，若水的流速减至0.3m. s-lM，水在管内的对流慈血系数将为多少？弩£= 3廿in s解：（1）水的定性温度为匚=1x1018p, Cp = 4J74入a= 0.02 入4 =0.023xx243x5.4104p = 995.7kg - nf3 ,A 0.801 xa= 0.023艸 $ 0 f = 0.023x174580- x 5.40 x 0.938校正系数：f=l -仝宾=1一仝咯=0.938Rek8 74581 8九=0.618W

8、m'1K-_ dup 0.02xlxKe =时水的物性常数:为湍流述降到0.3m s"后:0.02x0.03x995.7 “p方、卜时公 =7498系过渡流 0.801x10-3=1640Wnf2.K-iG = = 212kg in"2 sl3600x0.785x0.052Re= = °°5x21 =2.72xl04 为湍流 卩 0.39xl0"3h C A 1.85x105x0.39x10"3Pr= =0.127先按宜管计算a=O.O23-Re08Pr03d=0.023xx(2.72 x 104 严0.056妙亠 347W

9、n)动，离开换热器时，甲烷的温度: 的钢管组成，试求屮烷对亍泮解：肚性温度g= 0.01D + nd7tD + 117ldA= 0.0407 WnflK_lPM 1.013x105x16 P =7、常斥下温度为120。(2的甲烷etVlC.5= 75°C,此时甲烷的物性为:RT屮普间流动，当S:iW为6、温度为90。(：的屮苯以1500kgh“的流最通过蛇管时被冷却至30°C,蛇管的杆.径为0 57mn】x3.5mn】，弯曲半径为0.6m,试求甲苯对蛇管的对流传热膜系数。解：定性温度tra= l(90+30) = 60°C,其物性为1,1=039x10 PasX=

10、 0.127 WnfK-1Cp= 1.85kJkg_1K_l单位面积上流过的甲苯流量G为：1500对弯管进行校lE得：a! = a(l+l. 77) = 347(1+1.77严的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流 热器外壳内径为190mm,管束由37根19ninix2min 皿#传热膜系数。0.19+37x0.019討)=(D=加)=09_37x0.(H92 =。血筒 dup 0.0254x10x0.56 Re= = = 12369P 0.0115x1()7n Cp» 2.5x103x0.0115x103 a azPi = - = 0.706九0.0407故 a= 0.023Re08

11、 Pi04 = 0.023x 0 0407 (12369)°8 x0.706°3 = 62.4 W m-2 K_l de0.02548、在一双壳程，四管程的列管换热器中，用水冷却某热流体，冷水管内流动，进口 温度为15°C,出口温度为33。(3,热流体的进口温度为130°C,出口温度为40°C,试求两流 体间的平均温度差。解：此题为求折流时的半均温度差，先按逆流计算At2-At1 _ (130-33) (40-15) = 53 1°C"mAthl理因 R= 130-40 = 5033-15130-33In40 1515

12、76;C40°CP= -111=0.16 130-15査图得温度校lE系数q)A=0.97所以 &m= <Pa t'm= 0.97 x 53.1 = 51.5°C9、某单程列管式换热器，由MU 25nmix2.5iun的钢公 量为1.25kg川,由80。(3冷却到30°C,冷却水在管间和苯 别为20°C和409 测得水侧和苯侧的对流传热膜薪 垢热阻分别为0.21和0.176nf K kVL,若换热探 积。(苯的平均比定压热容为1.9kJ kK-解：e = qmb Cp h (Ti-T?) = 1.25 X_ At2 - At1 _

13、(80 - 40)-33°C= 21.6°C1!L_ =竺互小7曲Atm 0.4 x 21.6戍，苯在列管内流动，流 流动，水的进、出口温度分 别如.70 和 0.85kW nf2 K_1,污 2皿失可忽略，试求换热器的传热而 得热系数为45W -nf l K_l)o0) = 118.75kWni7, o.r+ 0.1/6+ 0.21 + 0.045x0.02251.780°C40°C= 0.4kW nr2 k"130°C20°C、热空气在冷却管外流动，OW m K-1,冷却水在管内流动，a1=1000W nf2 L,管外径

14、d为16mm,管壁厚6=1.5nm),管材导热系数X=4OW m 1 K-1,试求：(1)传热系数K (不计污垢热阻的热损失)。(2) 管外给热系数血增加一倍，传热系数有何变化?(3) 管内给热系数g增加一倍，传热系数有何变化？= 83.1Wnr2K"1徽K=亍土-_ o爲5X a0 10004090(2) ar0 = 2o = 2 x 90 = 180W- i)f2 - K_l k = j!=152.535-2. k_+ 1000 180(3)a/ = 2g = 2 x 1000 = 2000W nf2 K_lk"= =86.1Wnr2K_1200090讨论： 第一种情况

15、，传热系数K的增加率为：Kr-K 152.5-83.1 IAAO/ 。=X100% = 83.5% K83.1第二种情况，传热系数K的增加率为：KM-K 86.1-83.1 inno/ “o/=xlOO% = 3.6% K83.1可见，提高K值应从提高a小的一侧看:会湊效。11、在并流换热器屮，用水冷却刃膽ni,进、出口温度分别为15七和40°C,油的进、 出口温度分别为150°C和100。(2。如要求池的出口温度降至80C 假设油和水的流量、进 口温度及物性均不变，若原换热岩Hb试求此换热器的管长增至多少米才能满足要求。(设换热器的热损失10赵评。)15°C40

16、°C解：&m =旳一绚5) - (100-40=。cS竽1“竺艺150°C100°C一100-40由热辰他15°Ct2M=50°Cm,h cp,h _ 12 - (1 _ 40 15 =05 Qm,c Cp,c 11 t 2150 100150°C80°C曲=g J迂(80-50) = 70。率至80七时，由热量衡算: Qmh Cph (150-80) = qc Cpc (心一 15) = 50°C150-15 In80-50原來的传热速率方程qh Cp.h (150-100) = kAAtm=K nndL

17、 (92.5) 后來的传热速率方程qh Cp.h (150-80) = kA At = K gdL，(70) 解得 Lr= = 1.85m507012、90。（3的丁醇在逆流换热器中被冷却到50°C,换热器传热面积为6小2,总传热系数 为230Wm2K“,若丁醇的流量为1930kg If1,冷却水的进口温度为18°C,试求:（1）冷却水的出口温度；（2）冷却水的消耗量。解:（1）T醇的定性温度为m】=驾出=70°C,此时丁醇的比热为Cp=2.98kJ kg-1 K_l 乂、 Cp上（tt-t2）=鬻x 2.98x10s x（90- 50） = 6.39xlO4WQ

18、Q-= 639x104 =46.rcx2.98xl03x （90- 50） = 6.39x104 WA（ra KA 230x6若用算术平均温度计算& =（耳一巧）+ © -1_（9°一 G）+（50-18）229.4-18） =4820kgh"2解得f2 = 29.4°C=61 一 $46.3验 匹= 9029.4 = $9 <2At! 50-18所以用算术平均温度差计算是允许的（2）若忽略热损失，则Qxnc Cp,c （t 2_（ 1） = Qm.h p,h （耳一（2）Qniji pji （h -t2）193Cp,C （2 -t）13、

19、一定流暈的空气锌 的饱和蒸汽在管外冷凝问，应采収何种措施产 解：依题意K =勺喑内呈湍流流动，从20。（：升至80°Co压强为180kPa 需要,空气流量增加20%,而其进、出口温度不变，试 7成任务。（作定最计算、假设管壁和污垢热阻可忽略。）°4,Oi 8 U08故増力= （1.2）°8 a. = 1.16a,P=180kPa时水蒸气的饱和温度为116.6°Cii最增加20%,则需提高加热蒸汽温度（即压强），否则需更换一传热而积更大由艇录0 Qna,c Cp,c At故 0 = 1.2q中c Cp,c At= 1.2（|）IHJ （|）= KAAtm原流帚时 血=士 也=（”6- 20）二（H6.6-80） = 6.fc36.6即（|）=a1A