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1、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i 20mm，其导热系数! 46.5W/ m K。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为2 1mm，其导热系数2 1.162W/ m K。已知锅炉钢板 外表面温度为t1 523K，水垢内表面温度为ta 473K，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r1 r 0.02，a r， $ r 0.001，根据题意，可以得到* a ra，所以Sm1 Sm2其中，t1 523K，ta 473K，1 46.5W/ m K ， 2 1.1

2、62W/ m K ，可以得到:t1-並5233.874 0.00246.5506.3(K)b1 0.02m， b2 0.001m， Sm1 Sm2 S。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/ m C ;外层为20mm的石棉层，平均导热系数0.15W/ m C。现用热电偶测得管内壁温度为 500E，最外层表面温度为45W/ m C，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=500C, t4=80C, ri=60/2-3.5=26.5(mm

3、), r2=60/2=30(mm), r3=30+40=70(mm), r4=70+20=90(mm), bi=3.5mm, b2=40mm, b3=30mm,入=45W/( m C),；2=0.07W/( m C), ；3=0.15W/( m C)。所以每米管长的热损失为:Q 22 n-L 匕1m1t1 t4 b2 b32 3.142500 8040因为Q七1 tn 1 n bi 1 i Smi2nLbi1 rm1所以tg t4Q b3L 2 3 n 3rm380191.6t1 t4b2b32rm2 3rm3c L3 t42 n bs3r m32 3.142 0.15 80130.8 (C)

4、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10.2 kg/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）20 80解：（1）苯的定性温度 50 C,此状况下的物性为：230.45mPa s， 860kg/m，cp 1.80kJ / kg C ， 0.14W/ m C根据公式0023 严8pr0-41.0m/sudi=0.020m，10.2Redu0.020 1.0 8600.45 1038222 (湍流)PrCp1.80 0.450.145.7860.0

5、23 Re08 Pr04di0.023 382220.8 5.7860W/ m2 C0.02021505 W/ m C(12)苯的流量增加1倍后，i i 20.8 1505 20.8W/ m2 C 2620W/ m2 Cdd232191.68 1.65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:1 0.530 8 3 dq0.02 Re . Pr3 10.5332 2W/ m19de d20.14 0.8 30.02 27826 5.7930.0131832W/ m2 C与书上答案1794W/m2 C略有不同55 常压下温度为120C的甲烷以10

6、 m/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190 mm,管束由 37根19 mm X2mm的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。120 30解：甲烷的平均温度120 30 75 C,此状况下的物性为20.012mPa s, 0.562kg /m3, cp 2.48kJ/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360.3W/ m2 C6.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57 mm X3.5mm，弯曲半径为0.6m

7、，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。90 30解：甲苯的平均温度 江二0 60 C,此状况下的物性为：0.3864mPa s ,3831.8kg/m , Cp 1.853kJ / kg C ,0.1238W/ m C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322162.3W/ m C过渡流的校正系数:圆形弯管的校正系数为：di 0.0501 1.77 1 1.77 1.1475R 0.6甲苯对蛇管的对流传热系数为：2 2 0.612 1.1475 342.7 0.612 1.1475W/ m C 240.7W/ m C度为80 C。分别求该管垂直和水平放置时的

8、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:2 3r g垂直1.13 -I t冷凝温度为120C，此温度下水的相变焓为：r 2205.2kJ/kg。所以可以计算垂直13 4r g 41.13I t1.13122 05.2 1 03 9 58.4 9.81 0.6833 3 W/ m C0.283 10 1 120 8025495.3W/ m 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:dou dG 4S/ d。qm / S 4Q/ rd。 4 垂直 dl tQ /

9、rd。 4 垂直 I tRer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:do t8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 i 0.78，C1 2 1C0，角系数1 21，根据44c c o T1T2Q1 2 C1 2 1 2 S10010044

10、600 273.1530 273.15 “0.78 5.669 1 1 0.5W10010012664W（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（if 3）:Q1 3Ci 3 1 3S1004Ik100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:C1 3 与 3.62，其角系数1 3 1 o11,1 1 1 11 3 0.78 0.78隔热板对周围墙壁的辐射传热量（3f 2）:4T34T2Q3 2 C3 2 3 2S100100其中C3 2 3C00.785.669 4.42， 3 2 1过程达到稳态时，

11、Q1 3Q3 2将已知数据代入上述公式，可以得到所以热损失为:5700WC3 23C 0 0. 155.6690.85直接求取：Q Q1 3 Q3 2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4 4 T2100 1001 1C1 3 1 3S C3 2 3 2 Sl4 4600 273.15 30 273.15100 100 W1 10.816 1 0.5 0.85 1 0.51192W9 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

12、，出口温度为30C，逆流流动，试计算该换热器的 K值。（原题6）In ttT2 ti Ti t2InT2Tit250 15 80 30,50 15In80 3042.06C解：换热温差:热负荷为：1500Q WcC pc T1 T2 4.18 103 80 50 W 52.25kWp 3600所以换热器的总传热系数：3Q 52.25 10 2 2K。 W/m C 621.1W/ m CSo tm 2 42.061010热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管为 25 X 2.5mm钢管，冷水在管内湍流流动，对流传热系数为2000 W/（m2?）。热气在套管环隙湍流流动，对流传热系数为50 W/

13、（m2?）。已知钢的导热系数为45.4 W/（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）do didi25 20mm 22.4mm .25In -20管壁热阻占总阻力的百分数1 doi dib dod mdo b doRsi Rsodi100%1d m2.5 10 325竺02000 200.297%45.432.5 1045.4224 100%25 c 1022.4 50(2)冷水流速提高1倍后,管内的对流传热系数变为:i i 20.8 200020.8W/m* 2 C 3482

14、W/ m2 C总传热系数为:i di1 11 25 门 2.5 10 303482 20 45.448.97W/ m2 C2522.4W/ m2 C 0丄50(3)气体流速提高1倍后，管外的对流传热系数变为:20 .8o 250 20.8W/ m2 C87.06W/ m2 C总传热系数为:Ko1 doi did。b_do. di dm 3 W / m C1 25 0 2.5 10 25 0 12000 20 45.4 22.4 87.061111 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

15、/s时，测得基于管外表面积的总传热系数 Ko为2115 W/( m -C );若其 它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得Ko为2660 W/(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：1 1 d0 b_do 丄K1.0 1.0 di dm o1 1 do p鱼丄2660 W/( m2 C)，d 25mm，所以,K 1.5 1.5 d i d m o两式相减，可以得到:1.50.8U1.5U1.01.01.508 1.01.

16、383 1.0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 =3569 W/( m2 -C), 1.5 =4936 W/( m2 -C )。根据丄丄虫丄，其中Ki.o 2115 W/( m2 C ), K1.0 1.0 di dm odo 25mm, di 20mm, dm 22.5mm, b=2.5mm, 2=45W/( m C), 1.0 =3569W/( m2 C)。可以求得 o 15900W/ m2 C。1212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

17、，出口温度下降到175 C。(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100 W/(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 tln245 120 175 160,245 120 ln175 16051.9ClnT1T2七2并流时:并流时换热面积:0.5 3000 245 175 口2 20.2m2100 51.91313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

18、,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=104 W/(m 2?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:Wh Q 256.7 kW 0.1179kg/s 424.3kg/hr 2178kJ/kg(2)流体在管内强制湍流传热系数55 20苯的平

19、均温度竺二37.5 C,此状况下的物性为：20.52mPa s， 858kg/m3，Cp 1.76kJ / kg C， 0.148W/ m CSoKo Am256.7103 2m625.891.44.488m2带入 i表达式有:0.8 0.40.023Re Pr d0.023 0.148 165000.8 6.18380.4W/ m2 C 0.02834.5W / m2 C10000W/ m2换热面积：SoKo a m又 So n dol, So 4.487 ,I - m 1.84mn do 31 3.142 0.0251414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3.5m

20、2。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/ m2 K。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：Qc WcC pc t2 t1 Qh WhC ph T1 T2T1 to T 2 11Q KS tm KS2 2 - WhCph T1 T2lnTT2 t1卓1

21、沁Wh Cph Wc C pcT2 b以上两式整理化简后可以得到:本题中，t1=20C , T1=80C , Wh=3800kg/h, Wc=5000 kg/h, cph=2.45 kJ/(kg?K),cpc=4.18 kJ/(kg?K),又WcCpc t2 t1 WhCph T1 T2竺亠2.245t2 t1 WhCph 0.4455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/h1515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

22、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 800 W/(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/ ( kg K), 密度为p=860kg/m3,对流传热系数为2500 W/(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 0.00055 m2* / 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：Q Wh r 5000 310 103W 431kW 3600tInlnTt275 20 75 50,75 20 ln75 5038C

23、T t1 T t2传热温差总传热系数:o 1 dob doRso1i dididmo11 2525小10.00055002500 20208001410W/ m2 CW/ m2所需的换热面积:Q 431 103 2 m Ko tm 410 38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 n N 30 4 1201616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25 2.5mm , 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

24、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19 2mm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：So n dol1003.1420.0256m-47.12m2Kodii-110W/ m2C88W /2 厂 m Cdo25 m ttT t1Tt21202012080 C 65 48C t,Tt1,12020lnln -lntTt212080QKoSotm 88 47.1265.48W271.5kW流量增加 40% 后：Q Q 1.4 271.5 1.4kW

25、 380.1kW措施之一：将管方改为双程：传热系数K。K。20.8 1.408 88 208 1.40.8W/m2 C 200.5W/ m2 C换热面积与传热温差不变，所以热负荷：Q KoSo tm 200.5 47.12 65.48W 618.8kW 380.1kW，故满足要求。措施之二：增加换热管长：传热系数 08 082 2Ko Ko 1.4 . 88 1.4 . W/ m C 115.2W/ m CI 8 2 2换热面积 S。 So - 47.12 -m2 62.83m2I 6传热温差不变，所以热负荷：Q KoSo tm 115.2 62.83 65.48W 473.9kW 380.1

26、kW，故满足要求。措施之三：改为19 2mm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:t2In所以 lnrt ”號 .9163 WSc可以求得Ts 124.3C，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

27、，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/ m2 K、870W/m2 K ;水的对流传热系数为2400W/ m2 K。取水侧的污垢热阻为0.26 X0-3m2 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/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 80 C的苯液体冷却到出口温度45 C,而管内 的冷却水从入口温度10 C加热到一定的温度，设为tm。根据热负荷计算公式Q Qc Qh，可以得到：WcC pc tm t1 WhCph Tm T2其中，Wc 5kg/s，Cpc 4.18kJ/ kg K，t1 10 C，Wh 1kg/s，Cph 1.76kJ/ kg K，Tm 80 C，T2 45 C，tm11 t2 T2 t1 T mt1 T2 t1In Int2 Tm t mtm45 10 80 13,45 10 In80 1349.3 (C)该过程的对数平均温差为:该过程的总传热系数为: 1do b虫Rsii di di dm其中,2i 2400W/ m2 K，do25mm，