化工原理王晓红版习题答案第二章电子版本.docx
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化工原理王晓红版习题答案第二章电子版本
化工原理王晓红版习
题答案第二章
第2章
1•锅炉钢板壁厚i20mm，其导热系数!
46.5W/mK。
若粘附在锅炉内
壁上的水垢层厚度为21mm，其导热系数21.162W/mK。
已知锅炉钢板外表面温度为t1523K，水垢内表面温度为ta473K，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t2。
（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r1r0.02，
ar，$r0.001，根据题意，可以得到*ara，所以Sm1Sm2
其中，t1523K，ta473K，
146.5W/mK，21.162W/mK，
可以得到:
t1-並
523
3.8740.002
46.5
506.3（K）
b10.02m，b20.001m，Sm1Sm2S。
2.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0.07W/mC;外层为20mm的石棉层，平均导热系数
0.15W/mC。
现用热电偶测得管内壁温度为500E，最外层表面温度为
45W/mC，试求每米管长的热损失及两
80C。
已知钢管的平均导热系数
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:
式中：
ti=500°C,t4=80°C,ri=60/2-3.5=26.5（mm）,r2=60/2=30（mm）,r3=30+40=70（mm）,r4=70+20=90（mm）,bi=3.5mm,b2=40mm,b3=30mm,
入=45W/（mC）,
；2=0.07W/（mC）,；3=0.15W/（mC）。
所以每米管长的热损失为:
Q2
2n-
L匕
1「m1
t1t4b2b3
23.142
50080
40
因为Q
七1tn1nb
i1iSmi
2nL
bi
1rm1
所以tgt4
Qb3
L23n3rm3
80
191.6
t1t4
b2
b3
2rm23rm3
cL3t4
2n—
bs
3rm3
23.1420.1580
130.8（C）
3•有一列管式换热器，由38根©25X2.5mm的无缝钢管组成，苯在管程流动,
由20C加热到80C，苯的流量为10.2kg/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）
2080
解：
（1）苯的定性温度50C,此状况下的物性为：
2
3
0.45mPas，860kg/m，cp1.80kJ/kgC，0.14W/mC
根据公式
0023严8pr0-4
1.0m/s
u
di=0.020m，
10.2
Re
du
0.0201.0860
0.4510
38222（湍流）
Pr
Cp
1.800.45
0.14
5.786
0.023Re0'8Pr04
di
0.023382220.85.7860'W/m2C
0.020
2
1505W/mC
（12）苯的流量增加1倍后，
i'i20.8150520.8W/m2C2620W/m2C
d
d2
32
19
1.681.65
内管壁的对流传热系数。
苯的流速为:
套管的当量直径为:
流体的雷诺数为:
由此可得对流传热系数为:
10.53
083dq
0.02Re.Pr31
0.53
322
W/m
19
ded2
0.140.83
0.02278265.793
0.013
1832W/m2C
与书上答案1794W/m2C略有不同
5
5•常压下温度为120C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，换热器外壳内径为190mm,管束由37根©19mmX2mm的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。
12030
解：
甲烷的平均温度1203075C,此状况下的物性为
2
0.012mPas,0.562kg/m3,cp2.48kJ/kg°C,0.04W/m°C
列管换热器的当量直径为：
流体的雷诺数为:
由此可得甲烷对管的对流传热系数为:
叫宀3
60.3W/m2C
6.温度为90C的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30C。
蛇管的直径为©57mmX3.5mm，弯曲半径为0.6m，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。
9030
解：
甲苯的平均温度江二060C,此状况下的物性为：
0.3864mPas,
3
831.8kg/m,Cp1.853kJ/kg°C,
0.1238W/mC
流体的流速为:
流体的雷诺数为:
湍流时甲苯对直管的对流传热系数为:
0.°23严0讨3
2
2162.3W/mC
过渡流的校正系数:
圆形弯管的校正系数为：
di0.050
11.77」11.771.1475
R0.6
甲苯对蛇管的对流传热系数为：
22
'0.6121.1475342.70.6121.1475W/mC240.7W/mC
度为80C。
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，假定冷凝液为层流流动，则:
23
rg
垂直
1.13-
It
冷凝温度为120C，此温度下水的相变焓为：
r2205.2kJ/kg。
所以可以计算
垂直
1
34
rg4
1.13
It
1.13
1
2205.2103958.49.810.6833\
3W/mC
0.28310112080
2
5495.3W/mC
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:
doud°G4S/d。
qm/S4Q/rd。
4垂直d°ltQ/rd。
4垂直It
Re
r
代入相关数据后可以求得
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:
dot
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600C，室温
为20T。
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i0.78，
C121C0，角系数12
1，根据
4
4
ccoT1
T2
Q12C1212S
100
100
4
4
600273.15
30273.15“
0.785.669110.5
W
100
100
12664W
（2）加隔热板后，辐射传热过程可以表示为：
炉门if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（if3）:
Q13
Ci313S
100
4
Ik
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:
C13与——3.62，其角系数131o
11,11'
11
130.780.78
隔热板对周围墙壁的辐射传热量（3f2）:
4
T3
4
T2
Q32C3232S
100
100
其中C323C0
0.78
5.6694.42，321
过程达到稳态时，
Q13
Q32
将已知数据代入上述公式，可以得到
所以热损失为:
5700W
C32
3C00.15
5.669
0.85
直接求取：
QQ13Q32
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
44
「T2
100100
11
C1313SC3232Sl
44
600273.1530273.15
100100W
11
0.81610.50.8510.5
1192W
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80C，出口温度为50C；冷水走壳程，测得进口温度为15C，出口温度为30C，逆流流动，试计算该换热器的K值。
（原题6）
In
△t
△t
T2tiTit2
In
T2
Ti
t2
50158030
5015
In
8030
42.06C
解：
换热温差:
热负荷为：
1500
QWcCpcT1T24.181038050W52.25kW
p3600
所以换热器的总传热系数：
3
Q52.251022
K。
W/mC621.1W/mC
Sotm242.06
10
10•热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管为©25X2.5mm钢管，冷水
在管内湍流流动，对流传热系数为2000W/（m2?
＜）。
热气在套管环隙湍流流动，
对流传热系数为50W/（m2?
＜）。
已知钢的导热系数为45.4W/（m?
K）。
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）
dodi
di
2520
mm22.4mm.25
In-
20
管壁热阻占总阻力的百分数
1do
idi
bdo
dm
dobdo
RsiRso
di
100%
1
dm
2.5103
25
竺0
200020
0.297%
45.4
3
2.510
45.4
224100%
25c1
0
22.450
（2）冷水流速提高
1倍后,
管内的对流传热系数变为:
i'i20.82000
20.8W/
m*2C3482W/m2C
总传热系数为:
idi
1
1
125门2.5103
0
34822045.4
48.97W/m2C
25
22.4
W/m2C0丄
50
（3）气体流速提高1倍后，管外的对流传热系数变为:
20.8
o2
5020.8W/m2C
87.06W/m2C
总传热系数为:
Ko
1do
idi
d。
b_do.didm
3W/mC
12502.5102501
20002045.422.487.06
11
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©25X2.5mm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2115W/（m-C）;若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得Ko为2660W/（m2C）。
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：
11d0b_do丄
K1.01.0didmo
11dop鱼丄
2660W/（m2C），d°25mm，
所以,
K1.51.5didmo
两式相减，可以得到:
1.5
0.8
U1.5
U1.0
1.0
1.5081.0
1.3831.0
根据流体在圆形直管内做湍流时的对流传热系数关系式，可以得到:
由以上两个式子可以求得
□=3569W/（m2-C）,1.5=4936W/（m2-C）。
根据丄丄虫丄，其中Ki.o2115W/（m2C）,K1.01.0didmo
do25mm,di20mm,dm22.5mm,b=2.5mm,2=45W/（mC）,1.0=3569
W/（m2C）。
可以求得o15900W/m2C。
12
12•某套管式换热器用于机油和原油的换热。
原油在套管环隙流动，进口温度
为120C，出口温度上升到160C;机油在内管流动，进口温度为245C，出口
温度下降到175C。
（1）试分别计算并流和逆流时的平均温度差；
（2）若已知机油质量流量为0.5kg/s，比热为3kJ/（kg?
C），并流和逆流时的总传热系数K均为100W/（m2?
K），求单位时间内传过相同热量分别所需要的传热面积。
（原题5）
解：
（1）逆流时:
△t△t
ln
245120175160
245120ln
175160
51.9C
ln
T1
T2
七2
并流时:
并流时换热面积:
0.53000245175口220.2m2
10051.9
13
13•某列管换热器由多根©25X2.5mm的钢管组成，将流量为15吨/小时的苯由
20C加热到55C，苯在管中流速为0.5m/s,加热剂为130C的饱和水蒸气在管外冷凝，其汽化潜热为2178kJ/kg，苯的比热cp=1.76kJ/（kg?
K），密度
尸858kg/m3,粘度尸0.52>10-3Pa?
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=104W/（m2?
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n及单根管长度I。
解：
（1）加热冷流体苯所需要的热量
水蒸汽用量:
WhQ256.7kW0.1179kg/s424.3kg/h
r2178kJ/kg
（2）流体在管内强制湍流传热系数
5520
苯的平均温度竺二37.5C,此状况下的物性为：
2
0.52mPas，858kg/m3，Cp1.76kJ/kgC，0.148W/mC
So
KoAm
256.71032
m
625.891.4
4.488m2
带入i表达式有:
0.80.4
0.023—RePrd
0.0230.148165000.86.18380.4W/m2C0.02
834.5W/m2C
10000W/m2
换热面积：
So
Koam
又Sondol
So4.487,…
I-m1.84m
ndo313.1420.025
14
14•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
3.5m2。
冷却水走管内，流量为5000kg/h，流动为强制湍流，入口温度为20C；热油走套管环隙，流量为3800kg/h，入口温度为80C，其比热
Cp=2.45kJ/（kg?
K）。
已知两流体的对流传热系数均为2000W/m2K。
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35E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：
QcWcCpct2t1QhWhCphT1T2
T1toT211
QKStmKS」22-WhCphT1T2
lnT^
T2t1
卓1沁
WhCphWcCpc
T2b
以上两式整理化简后可以得到:
本题中，t1=20°C,T1=80°C,Wh=3800kg/h,Wc=5000kg/h,cph=2.45kJ/（kg?
K）,
cpc=4.18kJ/（kg?
K）,
又WcCpct2t1WhCphT1T2
□竺亠2.245
t2t1WhCph0.4455
联立上述两式，可以求得T2=399C,t2=378C
（2）在新工况下，联立上述方程式，试差求解得到Wc=7135kg/h
15
15•某列管换热器由多根©25X2.5mm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75C的饱和有机蒸汽，蒸汽的冷凝潜热为310kJ/kg，蒸汽冷凝的对流传热系数为800W/（m2?
<）。
冷却剂在管内的流速为0.7m/s，温度由20C升高到50C，其比热为Cp=2.5kJ/（kgK）,密度为p=860kg/m3,对流传热系数为2500W/（m2?
<）。
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0.00055m2*/W。
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：
QWhr5000310103W431kW3600
△t
In
lnT
t2
75207550
7520ln
7550
38C
Tt1Tt2
传热温差
总传热系数:
o1do
bdo
Rso
1
idi
di
dm
o
1
125
25小
1
0.00055
0
0
250020
20
800
1
410W/m2C
W/m2
所需的换热面积:
Q4311032mKotm41038
冷却剂用量:
每程换热管的数目:
管程数为:
取管程数为4
总管数目：
n总nN304120
16
16•在一台管壳式换热器中，壳方120C的水蒸汽冷凝将一定流量的空气由
20C加热到80C，空气的对流传热系数a=100W/（m2?
C）。
换热器由
252.5mm,L=6m的100根钢管组成。
现因为工艺需要，空气流量增加
50%，要维持对空气的加热要求，有人建议采用如下四种措施：
（1）将管方改为双程，
（2）增加管长到8m,（3）将管束改为192mm的规格，（4）将蒸汽温度提高到124C。
已知蒸汽的量足够，试通过定量计算，必要时作合理简化，说明上述措施能否满足需要。
解:
原工况卜：
Sondol
100
3.142
0.025
6m'
-47.12m2
Ko
di
i
-110
^°W/m2
C
88W/
2厂mC
do
25
△m
△t
△t
Tt1
T
t2
120
20
120
80C6548C
△t
T
t1
120
20
ln
ln-
ln
△t
T
t2
120
80
Q
KoSo
tm8847.12
65.48W
271.5kW
流量增加40%后：
Q'Q1.4271.51.4kW380.1kW
措施之一：
将管方改为双程：
传热系数
K。
K。
20.81.40'88820'81.40.8W/m2C200.5W/m2C
换热面积与传热温差不变，所以热负荷：
Q'KoSotm200.547.1265.48W618.8kW380.1kW，故满足要求。
措施之二：
增加换热管长：
传热系数
'080822
KoKo1.4.881.4.W/mC115.2W/mC
I'822
换热面积S。
So-47.12-m262.83m2
I6
传热温差不变，所以热负荷：
Q'KoSotm115.262.8365.48W473.9kW380.1kW，故满足要求。
措施之三：
改为192mm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-1.8次
方成正比，再考虑改变流量的情形，所以有:
热负荷:
措施之四：
提高蒸汽温度:
t2
In
所以lnrt”號°.9163WSc
可以求得Ts124.3C，此时蒸汽压力为230kPa。
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.—列管换热器（管径©25X2.5mmmm），传热面积12m2（按管外径计，下
同）。
今拟使80C的饱和苯蒸汽冷凝、冷却到45C。
苯走管外，流量为
1kg/s;冷却水走管内与苯逆流，其进口温度为10C，流量为5kg/s。
已估算出
苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为1500W/m2K、870W/m2K;水的
对流传热系数为2400W/m2K。
取水侧的污垢热阻为0.26X0-3m2K/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/kgK、1.76kJ/kgK;苯蒸汽的冷凝潜热r=395kJ/kg。
（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80C的苯液体冷却到出口温度45C,而管内的冷却水从入口温度10C加热到一定的温度，设为tm。
根据热负荷计算公式QQcQh，可以得到：
WcCpctmt1WhCphTmT2
其中，Wc5kg/s，Cpc4.18kJ/kgK，t110C，Wh1kg/s，
Cph1.76kJ/kgK，Tm80C，T245C，
tm1
1t2T2t1Tm
t1T2t1
InIn
t2Tmtm
tm
45108013
4510In
8013
49.3（C）
该过程的对数平均温差为:
该过程的总传热系数为:
1
dob虫
Rsi
idididm
其中,
2
i2400W/m2K，
do
25mm，
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