完整版化工原理第二版答案doc.docx
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第四章习题
2．燃烧炉的内层为460mm厚的耐火砖,外层为230mm厚的绝缘砖。
若炉的内表面温度t1为1400℃,外表面温度t3为100℃。
试求导热的热通量及两砖间的界面温度。
设两层砖接触良好,已知耐火砖
的导热系数为
1
0.90.0007t,绝缘砖的导
热系数为
20.3
0.0003t。
两式中t
可分别
取为各层材料的平均温度,单位为℃,λ
单位为W/（m·℃）。
解：
设两砖之间的界面温度为t2，由
t1t2t2t3
，得
b1
b2
1
2
1400
t2
t2
100
o
103/（0.9
230103/（0.3
t2949C
460
0.0007
t1
t2
0.0003
t2t3）
2
2
热通量
q
t1
t2
1689W/m
2
1400
0.40/0.97
0.0007
949
2
3．直径为60mm3mm,钢管用30mm厚
的软木包扎,其外又用100mm厚的保温灰包扎,以作为绝热层。
现测得钢管外壁面温度为-110℃,绝热层外表面温度10℃。
已知软木和保温灰的导热系数分别为
0.043和0.07W/（m·℃）,试求每米管长的冷量损失量。
解：
每半管长的热损失，可由通过两层圆筒壁的传热速率方程求出：
Q
t1
t3
L
1
r2
1
r3
2
ln
2
ln
r2
1
r1
2
1100
10
2
1
0.043
ln60
2
3.14
1
ln160
3.14
30
0.0007
60
25W/m
负号表示由外界向体系传递的热量，即为冷量损失。
4．蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层,设外层的平均直径为内层的两倍。
其导热系数也为内层的两倍。
若将二层材料互换位置,假定其他条件不变,试问每米管长的热损失将改变多少?
说明在本题情况下,哪一种材料包扎在内层较为适合?
解：
设外层的平均直径为dm2，内层平均直径为dm1，则dm22dm1且221。
由导热效率方程知：
Vt
Vt
V
dm1L
Q=b
t
b
b
b
5
b
1Sm1
2Sm2
1dm1L21
2dm1L
4
1
两层材料位置互换后：
'
t
t
d
L
Q
V
V
m1
b
b
b
21dm1L
12dm1L
所以：
Q'
q'
5
即：
q'
1.25q
Q
q
1.25
4
两层保温材料互换位置后，单位管长的热损失增加。
说明在本题情况下，导热系数小的材料放在内层较为合适。
6.在管壳式换热器中用冷水冷却油。
水在直径为19mm2mm的列管内流动。
已知
管内水侧对流传热系数为
2
349OW/（m·℃）,管外油侧对流传热系数
2
为258W/（m·℃）。
换热器在使用一段
2
垢热阻为0.00026m·℃/W,油侧污垢热
2
阻为0.000176m·℃/W。
管壁导热系数λ为45W/（m·℃）。
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）总传热系数k0
k0
1
1
Rs0
bd0
Rsi
d0
d0
0
dm
di
idi
1
1
0.000176
0.002
19
0.00026
19
19
15
258
45
17
15
3490
208W/m2
oC
（2）产生污垢后热阻增加的百分数为：
0.000176
0.00028
19
15
100o
o11.8oo.
1
0.000176
0.00028
19
208
15
7：
在并流换热器中,用水冷却油。
水的进、出口温度分别为15℃和40℃,油的进、出口温度分别为150℃和100℃。
现因生产任务要求油的出口温度降至80℃,假设油和水的流量、进口温度及物性均不变,若原换热器的管长为1m。
试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。
设换热器的热损失可忽略。
解：
平均温度差为
V
（15015）
（10040）
o
tm
ln
135
92.5C.
60
由热量恒算可得：
WnCph
t2
t1
40
15
Wccpc
T1
T2
150
0.5.
100
当油的出口温度降到80oC时，由热量恒算：
QWncpn（15080）Wccpc（t2'15）.
解得：
t2'50oC.
Vtm'（15015）（8050）
0oC.
ln135
30
由传热速率方程分别可得：
原换热器：
Wncpn（150100）
ksotm
kndL
92.5.
Wncpn（15080）
ks'Vtm'
kndL'
70.
新换热器：
L'7092.511.85m.
5070
8．重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动,两种油的初温分别为243℃和128℃;终温分别为167℃和157℃。
若维持两种油的流量和初温不变,而将两流体改为逆流,试求此时流体的平均温度差及它们的终温。
假设在两种流动情况下,流体的物性和总传热系数均不变化,换热器的热损失可以忽略。
解：
以上标'表示并流的情况。
由传热速率方程和热量衡算：
Q'kVt
'
Wc
（TT
'）Wc
pc
（t
'
t）
o
m
n
pn1
2
c
2
1
Qkt
Wc（TT）Wc
（t
2
t）
oVm
npn1
2
cpc
1
两式相除：
V'
'
'
t1
'
'
t1）
tm
T1T2
t2
（T1T2）（t2
（1）
V
T1T2
t2
t1
（T1T2）（t2t1）
tm
（T1
T2
'）
（t2
'
t1）
（243
167）
（157
128）
47
（T1
T2）
（T2
t1）
Vt2
Vt1
Vt2Vt1
V
'
V1
V
2
V
2
V
1
（243
128）
（167
157）
o
t
t
t
t
而tm
Vt1
Vt2
ln
115
3C
lnV
lnV
10
t2
t1
Vt2
ln
47
1
Vt1
所以：
Vt2Vt1
Vt2
Vt1
43
解得：
即：
V
t2
2.98.
Vt1
（243t2）2.98（T2128）t22.98（T2128）243
（2）
由
（1）式得：
243
167
157
128
（3）
243
T2
t2
t
20.38（243T2）128
128
由
（2）、（3）式得：
t2161.3oC.T2155.4oC
t
t
（243161.3）（155.4
128）
o
V2
V
1
所以：
Vtm
Vt2
1.093
49.7
C
ln
Vt1
9．.在下列各种管壳式换热器中,某种溶液在管内流动并由20℃加热到50℃。
加热介质在壳方流动,其进、出口温度分别
为100℃和60℃,试求下面各种情况下的平均温度差。
（1）壳方和管方均为单程的换热器。
设两流体呈逆流流动。
（2）壳方和管方分别为
单程和四程的换热器。
（3）壳方和管方分别为二程和四程的换热器。
解：
（1）由对数平均温度差知道：
'
Vt2
Vt1
（100
50）
（6020）
44.8
o
C
Vtm
Vt2
ln
50
ln
t
40
V1
P
50
20
0.375
100
20
（2）
查温度差校正系数图
100
60
R
50
20
1.33
得：
Vt
0.9
V
V
'
0.9
44.8
40.3
o
C
tm
Vttm
（3）由R、P值查流程温差校正系数图
得：
Vt0.98
所以：
VtmVtVtm'
0.9844.843.9oC
11在一管壳式换热器中,用冷水将常压下纯苯蒸气冷凝成饱和液体。
苯蒸气的
3
体积流量为1650m/h,常压下苯的沸点
为80.1℃,汽化热为394kJ/kg。
冷却水的进口温度为20℃,流量为36000kg/h,
水的平均比热容为4.18kJ/（kg·℃）。
若
2
总传热系数K0为450W/（m·℃）,试求换热器传热面积S0。
假设换热器的热损失可忽略。
Q
解：
换热器的传热面积SokoVtm
Q
Wsr
Vsr
PM
8.315
101330
78
2.69kg/m3
其中：
Q
RT
103
（278
80.1）
1650
2.69
394
103
4.86
105w
3600
冷水出口温度可由热量衡算求得。
即：
Q
WC
pc
（t
2
t）
t
2
4.86
1053600
2031.6oC
e
1
36000
4.18
103
t
（80.1
20）
（80.1
31.6）
54.1oC
Vm
ln
80.1
20
80.1
31.6
4.86
105
2
则：
So
450
54.1
20m
2
12．在一传热面积为50m的单程管壳式换热器中,用水冷却某种溶液。
两流体呈逆流流动。
冷水的流量为33000kg/h,温度由20℃升至38℃。
溶液的温度由110℃降至60℃。
若换热器清洗后,在两
流体的流量和进口温度不变的情况下,冷水出口温度增到45℃。
试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。
假
设:
（l）两种情况下,流体物性可视为不变,水的平均比热容可取为
4.17kJ/（kg·℃）；
（2）可按平壁处理,两
种工况下i和0分别相同；（3）忽略管
壁热阻和热损失
解：
先求清洗前的总传热系数K.
Vtm
（110
38）
（80
20）
54.4oC
ln110
38
60
20
所以:
k
Q
330004.187
103（3820）
254w/（m2oC）
SVtm
36005054.4
再求清洗后总传热系数求溶液的出口温度
Ko'
由热量衡算
.
'
WcCpc
'
110
60
o
T2
T1WC
pn
（t2
t1）
110
38
20
（4520）
40.6C
n
Vtm'
（110
45）
（40.6
20）
38.6oC
ln110
45
40.6
20
k'
33000
4.187
103
（45
20）
497w/（m2oC）
3600
50
38.6
若传热面两侧的总污垢热阻为Rs.则有:
1
1
1
Rs
1
k
254
i
o
1
1
1
1
k'
o
i
497
由此得:
Rs1.925103m2oC/W
x05a02004
棉花保温性能好，主要是因为
______。
A.棉纤维素导热率小；
B.棉花中含有相当数量的油脂；
C.棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到阻碍；
D.棉花白色，因而黑度小。
x05a02016
在蒸汽冷凝中，不凝气体的存在对α的影响是______。
A）使α值升高
B）使α值大大降低
C）使α值有一定影响
D）对α值无影响
x05a02031
多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_____。
A成正比B成反比C没关系
x05a05171
一定流量的液体在一
25×2.5mm
的
直管内作湍流流动，其对流给热系数
2
＝1000W/（m·℃）。
如流量与物性都不变，改用一19×2mm的直管，则其值
将变为W/（m2·℃）。
A.
1059
B.
1496
C.
1585
D.
1678
t05a01177
冷热水通过间壁换热器换热,热水进口温度为90℃,出口温度为50℃,冷水进口温度为15℃,出口温度为53℃,冷热水的流量相同,则热损失占传热量的
_______%（冷热水物性数据视为相同）。
t05a01216
当冷热两流体均不发生相态变化时，一般对_________物料选用并流操作。
t05a02042
某流体在圆直管内强制对流，其对流传
热系数为，现任务变更，管内流速降为原来的1/2，且已知此时Re104，则管内的对流传热系数为原对流传热系数的
倍。
t05a02043
L,直径为108×
某有机溶液在长为
10mm的钢管中强制湍流时,其
2
=310W/（m?
K）,如体积流量不变，改用152×10mm的钢管代替,流动仍为湍流
（两种情况下L/d均大于60）,此时=
2
W/（m?
K）
t05a02118
两流体通过间壁换热，冷流体从
20℃被加热到50℃，热流体从100℃冷
却到70℃，则逆流时的
＝℃。
并流时的
＝℃。
t
t
m
m
w05b05161
1.一杯开水（100℃）置于20℃的静
止空气中,问杯子两侧流体的传热各属何种类型?
哪一侧热阻大?
2.若将杯子浸在20℃的冷水中（两流体不直接接触）,能否增强传热?
理由?
3.仍置于空气中,但使杯外的空气流动,问能否增强传热?
理由?
4.对1的情况,若对杯中流体加以搅
动,问是否比2、3两种办法有效些?
1.均为自然对流,空气侧热阻大;
2.能增强传热,因为水的对流给热系数比空气大;
3.能增强传热,因为强制对流的对流给热系数比自然对流大
4.主要热阻在空气侧,故2,3效果较好,4不及2,3
w05a05034
①一厚度相等的双层平壁，其导热率λ
Ⅰ>λⅡ试定性画出其温度分布图，为什么?
（稳定传热）②套管式换热器的冷、热流体进、出口
温度分别为t1、t2、T1、T2，试画出冷、热流体温度沿换热面积变化关系曲线。
①根据傅立叶定律;Q=λdt/dn;
∵稳定
传热
即QI
=Q
因已知λ
>λ
II
II
I
∴（dt/dn）I<（dt/dn）II
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