化工原理答案.docx

1、化工原理答案第四章传 热热传导【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为30 C,另测得距0.16W/(m C )、厚度为00mm 的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为加热器平壁外表面250mm 处的温度为 75 C,如习题4-1图所示。试求加热器平壁外表面温度。解 t2 75C , ts 30C计算加热器平壁外表面温度 t!,0.16W/(m C)加1T叫250itri|Tiii|jtl t2 t2 t3bitl 75 75 300.25 0.050.16 0.16ti竺 0.250.0575 300C习题4-1附图【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由30mm

2、厚的软木做成的。软木的热导率入=0.043W/(m C )。若外表面温度为28 C,内表面温度为 3 C,试计算单位表面积的冷量损失。解 已知 t1 3C, t2 28C, =0.043W/(m C), b 0.03m ,则单位表面积的冷量损失为0.043 2q t1 t2 3 28 35.8 W/ mb 0.03【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水峠肚面帜 /-2KAt 002m- I -I4OV冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为 0.02m 2,材料的厚度为 0.02m。现测得电流表的读数为 2.8A，伏特计的读数为

3、 140V，两侧温度分别为 280 C和100 C,试计算该材料的热导率。解根据已知做图热传导的热量 Q IV 2.8 140 392WAQ (tl t2 )bQb 392 0.02A(ti t2) 0.02(280 100)2.18W/ m C【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率习题4-3附图入 =1.05W/(m C )，厚度b 230mm ;绝热砖层，热导率 疋0.151W/(m C );普通砖层，热导率疋0.93W/(m C )。耐火砖层内侧壁面温度为 1000 C,绝热砖的耐热温度为 940 C,普通砖的耐热温度为130 Co(1)根据砖的耐热温度确定砖与砖接触

4、面的温度， 然后计算绝热砖层厚度。 若每块绝热砖厚度为230mm ，试确定绝热砖层的厚度。(2)若普通砖层厚度为 240mm ，试计算普通砖层外表面温度。解 (1)确定绝热层的厚度温度分布如习题 4-4附图所示。通过耐火砖层的热传导计算热流密度 q o1q (t1 t2 )b匹(1000 940) 274 W/m20.23绝热砖层厚度 b2的计算q 2 (t2 t3)b20.151b2 (940 130) 0.446 m274习题4-4附图每块绝热砖的厚度为 0.23m，取两块绝热砖的厚度为tb 0.23 2 0.46m。(2)计算普通砖层的外侧壁温 t4先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度

5、 tst3 t2 徑 940 匕一土 105.3C2 0.151t3小于130 C,符合要求。通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温3q E(t314)t4 t3 坐 105.3 274 0.24 34.6C3 0.93【4-5】有直径为 38mm 2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm 的水垢，水垢的热导率 入=1.163W/(m C )。试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍 黄铜的热导率入=110W/(m q), _ 38解 因32 2，因算术平均半径计算导热面积。管长用L表示。黄铜管的热阻为水垢的热阻为b b1 Am 1 1 dm 1 L0.0020.036Lb2 Am22

6、dm2L0.0011.163 0.033L习题4-5附图0.001忠 1.163 0.033 516 倍艮同 0.002110 0.036【4-6】某工厂用 170mm5mm的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm 的矿渣棉，其热导率为 0.065W/(m K);第二层为厚30mm 的石棉灰，其热导率为0.21W/(m K)。管内壁温度为 300 C,保温层外表面温度为40 CO管路长50m。试求该管路的散热量。230叱gillFA7&呎 03mF： F 08% TIr 弍 I |5ti岭=C MSm2 (tl t4)1 r2 1 r3In - In

7、 3i ri 2 23 32 (300 40)1 85 1 115 1 145In In In45 80 0.065 85 0.21 115284 W/m4Q qj 284 50 1.42 10 W14.2 kW【4-7】水蒸气管路外径为 108mm ，其表面包一层超细玻璃棉毡保温，其热导率随温度t/C的变化关系为 0.033 0.00023tW/(m K)。水蒸气管路外表面温度为 150 C,希望保温层外表面温度不超过 50 C,且每米管路的热量损失不超过 160W/m。试确定所需保温层厚度。解 保温层厚度以 b表示2 rdtdr-J2 (0.033 0.00023t)r dt drr2 d

8、rql1 r.rqI In 22 0(0.033 0.00023t) dtt10.033(t1 t2)0.0023 2(t1已知 t 150C ,t2 50C, q 160W/mr 0.054m, r2 r1 b 0.054 b1602 20.066 3.14 (150 50) 0.00023 3.14 (150 50 )In 1b0.054In1 丄 20450.054 160解得保温层厚度为b 0.0133m 13.3mm保温层厚度应不小于 13.3mm对流传热【4-8】冷却水在 19mm 2mm,长为2m的钢管中以1m/s的流速通过。水温由 15 C升至25 C。求管壁对水的对流传热系数

9、。d 0.015m, I 2m, u 1m/s,匕15C, t225C水的平均温度查得 20 C时 水的 密度 998.2kg /m3，黏度1.004 10 3Pa s，热导率 入=59.9 X 10l 2W/(m C )，普朗特数Pr 7.02。- 一d 0.015du 0.015 1 998.2 心 Re 3 1.49 101.004 10133 60雷诺数湍流对流传热系数的计算，水被加热,Pr的指数n0.40 80-023dRe.Pr0 0.023 整0.0154 08 0 4(1.49 10 ). (7.02).=4367 W/(m2 C)【4-9】空气以4 m/ s的流速通过75.5

10、mm 3.75mm的钢管，管长 5m。空气入口温度为32 C,出口温度为68 C。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍，其他条件均不变，对流传热系数又为多少?(3)若空气从管壁得到的热量为578W，钢管内壁的平均温度为多少。解已知u 4m/s,d 0.068m, l5m, t132C, t2 68C(1)对流传热系数计算空气的平均温度32 68 tm查得空气在50C时的物性数据1.093 kgPr 0.698 ,雷诺数51.96 10 Pa s,2 。 。2.83 10 W / (m C), Cp 1.005kJ/(kg C)空气被加热， Pr的指数n 04Re 竝

11、 0.068 4 1093 1.52 104 湍流1.96 10 5对流传热系数600.023 Re08 Pr04d22.83 100.023 -0.068(1.52104)08(0.698)0.4 18.4 W/(m2 C)(2)空气流速增加一倍，对流传热系数(3)若空气从管壁得到的热量为0 8 u.18 42 32 W / (m C)578W，计算钢管内壁平均温度用式Q ( tw tm)计算钢管内壁的平均温度 tw。已知空气进出口平均温度tm 50C在第(1)项中已计算出对流传热系数18.4W/ (m2钢管内表面积为A dl0.068 51.07m2钢管内壁平均温度tw t wQA 505

12、7818.4 1.0779.4C【4-10】温度为10 C、压力为101.3kPa 的空气,以10m/s的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动，空气出口温度为30 C。列管式换热器的外壳内径为190mm ，其中装有37根的19mm 2mm钢管，钢管长度为2m。试求钢管外表面对空气的对流传热系数解已知空气压力101.3kPa，温度1 10C, t2 30C ,空气的平均温度 10 30tm 220C查得空气在 20 C的物性数据为:密度1.128kg /m3，比热容 Cp 1.005 103J/(kg C ),热导率 2.76 10 2W/(mC)，黏度1.91 10 5Pa s，普朗特数 Pr

13、 0.699，空气被加热， Pr的指数n 0.4空气流动的截面积一 0.192 37 0.01924当量直径湿润周边(0.19 37 0019)2 24 -(0.19 37 0.019 )4 0 0255(0.19 37 0.019)已知空气的流速u 10m/ sl 2d7 0.025578.4 60e雷诺数Re 哙普104湍流对流传热系数2=0.023 _Re。8 pr0.4 0 023 276 10de 0.0255(1.51 104)0.8 0.699 0.447.5 W/(m2 C)【4-11】有一套管式换热器，内管为38mm 2.5mm，外管为 57mm 3mm的钢管，内管的传热管长

14、为 2m。质量流量为 2530kg/h的甲苯在环隙中流动，进口温度为72 C,出口温度为38 C。试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。甲苯的温度 T 72C, T2 38C，平均温度 Tm72 38 55C2甲苯在55 C的物性数据有：密度830 kg/m3，比热容3Cp 1.83 10 J/(kg C ),热导率入=0.128W/(m C )，黏度4.3 10 4Pa s甲苯的质量流量 qm1 2530 kg / h体积流量qvi甲苯在环隙中的流速u计算套管的内管外径 di0.038m，外管内径 d2 0.051m ,3 05流速 u3600 4(.。512 .380.933 m/s甲苯对内

15、管外表面的对流传热系数套管环隙的当量直径de d22)di计算0.051 0.038 0.013mRe dU0.013 0.933 8304.3 102.34 104湍流PrCp1.83 1034.310 40.1286.15甲苯被冷却 n 0.30 8 0 30.023 Re . Pr.de0.128 4 0.8 0.30.023 2.34 1 04 6.150.0131222 W/(m2 C)【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由 70 C冷却到 30 C,蛇管由 45mm 2.5mm的钢管3根并联而成，蛇管的圈径为0.6m。若甲苯的体积流量为3m3 / h，试求甲苯对钢管内表面的对流传热系

16、数。解甲苯的温度70C, T2=30C70 30平均温度 Tm 50 C2甲苯在50 C时的物性数据为：密度 836 kg /m3 ,黏度 4.4 10 4 Pas ,热导率30.129W4m C)，比热容 Cp 1.77 10 J / (kg C )甲苯在3根并联蛇管中的流速 U计算体积流量 qv 3m3/h，蛇管内径 d 0.04m,流速ud243/ 36000.221m / s3 0.785 (0.04)23雷诺数du Re0.04 0221 836=1.68104湍流4.4 104普朗特数cp Pr31.77 10 4.44106.040.129弯管效应校正系数R1 1.77-1 1.

17、77 004 1.24R0.3对流传热系数计算甲苯被冷却 n0.3R0.023 0.129 (1.68 104)08 6.04 0.3 1.24 379 W/(m C)0.04【4-13】质量流量为 1650kg/h 的硝酸，在管径为 80mm 2.5mm、长为3m的水平管中流过。管外为 300kPa (绝对压力)的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到 3.8 104W的热量。试求水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。解在计算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数时，需要知道管外表面温度如何假设tw?水蒸气冷凝的 值一般为500015000W/(m C)按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为 Q 3.8 1

18、04W取 1000W/(m C)，估算壁温度 tw300kPa (绝对压力)时，水蒸气的饱和温度 ts 133.3 C。用式Q A(ts tw)估算壁温度Q 133.3A竺 104 128C10000 0.08 3先假设tw 128 C定性温度为膜温ts tw2133.3 1282131C冷凝水膜的物性参数934 kg / m32.16 10 4 Pa s,6.86 10 1W/(m C)ts 133.3 C时水的比汽化热3r 2168 10 J /kg水蒸气在水平管外冷凝的 值计算2 30.725 一g_-do t0.7259342 9.81 (6.86 10 1) 2168 103Q 11

19、558 0.08 3133.3 128 46164 W此Q值大于硝酸吸收的热量，说明假设的tw偏小。重新用11558Wm2 C)估算 tw。t Ats A133.3438 10=129C11558 0.08 3假设tw 129C膜温t ts tw21333 129 131C2与前面计算的膜温基本一样，故冷凝水膜的物性数据也一样，只是 计算式中的t ts tw 133.3 1294.3不同。值计算10.725 9342 9-81 (6-86 10 1)3 2168 1032.16 1040.08 (1333 129)11216Mm C)用 11216W/(m2Q 133.3A43 8 10. 1

20、29C11216 0.08 3与前面假设的相同。【4-14】水在大容器内沸腾,如果绝对压力保持在 p 200kPa ,加热面温度保持 130 C,试计算加热面上的热流密度p 200kPa, ts120.2 C, tw 130Cts 130 120.2 9.8 C水沸腾的对流传热系数计算0.123 t2.33p0.5Q 4 5 2 2q A t 1J2 10 9.8 1J 10W/m 110kW/m两流体间传热过程的计算【4-15】载热体的流量为 1500kg / h，试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。(1)100 C的饱和水蒸气冷凝成 100 C的水；(2)苯胺由383K 降温至283

21、K ; (3)比热容为3.77kJ/(kg K)的NaOH水溶液从 290K加热到370K ; (4)常压下20 C的空气加热到 150C ；绝对压力为 250kPa的饱和水蒸气，冷凝冷却成 40 C的水。15003600kg /s(1)水蒸气冷凝比汽化热放热量Q1500 qmr3600苯胺平均温度 Tm比热容cp放热量QqmCp T T2(3) NaOH水溶液 比热容吸热量QqmCp T T2r 2258kJ /kg2258 941 kW383 283333K22.19kJ / (kgK)1500 c “= 2 1938328391 3kW3600Cp 3.77kJ/kg K15003 77

22、370290126kW360020 150 85 C2(4)空气加热平均温度 tm比热容 Cp 1.009 kJ / kg C卄 r r = 1500吸热量 Q qmCp t2 t1 = 1.009 150 20 54.7kWp 3600饱和水蒸气 p 250kPa，饱和温度127.2C，比汽化热 r 2185kJ / kg ,冷凝水从127.2C降至t2 40平均温度tm127.2 40283.6 C比热容Cp 4.196 kJ / kg C放热量Q qmr Cp(ts t2)36001500 2185 4.196 127.2 40 1063kW355K 冷却到 300K，冷却水由 15 C

23、3.5m3 / h，试求冷却水的出口温度。C pi解 硝基苯流量1.58kJ/ kg K2000kg/h，平均温度T T1 T2I m355 3002 -=327%比热容硝基苯的放热量Q qmiCpi Ti T2(1)冷却水用量计算比热容Cp24.179kJ /(2)用水量qv2用水量增大,20001 583600355 30048.3 kW平均温度tmkg C，密度qm2t1 t2 =152 997kg / m335 25C48 3 3600Cp2(t2 t1) 4.179(35 15)2080 kg / hqv2亚2.09 m3/h3.5m / h 时，求 t2 ?水出口温度t2应降低。先

24、假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可【4-16】用冷却水使流量为 2000kg / h的硝基苯从升到35 C,试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到知qv2与t2 t1成反比，故t2 15竺芒,t2 26.9C3.5 35 15假设 t2 26.9C水的平均温度tmt2 t12. 3查得水的比热容 Cp 4.182 kJ / kg C，密度 998kg / m计算t2t2 t1Cp2q m2 Cp2qv2与假设相符。t2 15483 3600 26.9C4.182 3.5 998【4-17】在一换热器中，用水使苯从80 C冷却到 50 C,水从15 C升到35 C。试分别计算并流操作及逆

25、流操作时的平均温度差。解 并流操作苯 T 80C T 50C水 t 15C t2 35Ct_65C 1；15C虫并In65 1565In 1534.1 C(2)逆流操作苯 T 80C T 50Ct,/ t2 45/35 2t； 35C t, 15C 水t,_45C t；_35Ct逆45 35-2-【4-18】 在1壳程2管程列管式换热器中用水冷却油，冷却水走管内，进口温度为20C，出口温度为 50 C。油进口温度为 120 C,出口温度为 60 C。试计算两种流体的传热平均温度差。解属于折流60 20 40C, tj t2 70/40 2逆1t2704055 C22RTT212060602t2

26、t1502030Pt2t15020300.3Tt112020100查得温差校正系数0.91薔 120 50 70C,/ NWC宙( 门 TCtm tm 逆 0.91 55 50C【4-19】用绝对压力为 300kPa的饱和水蒸气将体积流量为 80m h的苯胺从 80C加热到100 C。苯胺在平均温度下的密度为 955kg /m3，比热容为 2.31kJ/( kg C)。试计算：(1)水蒸气用量(kg/h) ; (2)当总传热系数为 800W/(m2 C)时所需传热面积。解(1)水的比汽化热 r 2168kJ/kg，苯胺体积流量 qv2 80m3/h ,苯胺吸收的热量为Q qv2 Cp t2 t

27、i 80 955 2.31 103 100 809 63.53 10 J / h 3.53 10 kJ/h9.8 105W6水蒸气用量 qm1 Q 3.53 10 1628kg/hr 2168(2)计算传热面积 A已知 K 800W/(m2 C)，水蒸气的 p 300kPa, t 133.3C。水蒸气 133.3 C 133.3 C苯胺80C100Cmt 53.3Ct2 33.3C少 生 53.3 33.3_2243.3C9.8 105800 43.3228.3 m【4-20】有一套管式换热器，内管为180mm 10mm的钢管，内管中有质量流量为3000kg /h的热水，从 90 C冷却到 60 C。环隙中冷却水从 20 C升到 50 C。总传热系数K 2000W/(m2 C)。试求：(1)冷却水用量；(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积;(3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。解 (1)冷却水用量 qm2计算热水平均温度T T1