化工原理王曉紅版習(xí)題答案第二章

1、第2章1鍋爐鋼板壁厚，其導(dǎo)熱系數(shù)。若粘附在鍋爐內(nèi)壁上的水垢層厚度為，其導(dǎo)熱系數(shù)。已知鍋爐鋼板外表面溫度為，水垢內(nèi)表面溫度為，求鍋爐每平方米表面積的傳熱速率，并求鋼板內(nèi)表面的溫度。（原題1）解：該題為圓筒壁的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，如果設(shè)鍋爐的半徑為，則，根據(jù)題意，可以得到，所以由圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程：其中，。所以根據(jù)圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程：可以得到：2在一603.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)；外層為20mm的石棉層，平均導(dǎo)熱系數(shù)?，F(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為500，最外層表面溫度為80。已知鋼管的平均導(dǎo)熱系數(shù)，試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。（原題2）解：

2、根據(jù)圓筒壁的熱傳導(dǎo)傳熱速率計(jì)算公式：式中：t1=500，t4=80，r1=60/2-3.5=26.5(mm)，r2=60/2=30(mm)，r3=30+40=70(mm)，r4=70+20=90(mm)，b1=3.5mm，b2=40mm，b3=30mm，1=45W/( m)，2=0.07W/( m)，3=0.15W/( m)。所以每米管長(zhǎng)的熱損失為：因?yàn)樗裕ǎ?3有一列管式換熱器，由38根252.5mm的無(wú)縫鋼管組成，苯在管程流動(dòng)，由20加熱到80，苯的流量為10.2 kg/s，飽和蒸汽在殼程冷凝。試求：（1）管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)？（2）若苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)將有何變化？（原題4

3、）解：（1）苯的定性溫度，此狀況下的物性為：，根據(jù)公式di=0.020m，(湍流)（12）苯的流量增加1倍后，44苯流過(guò)一套管換熱器的環(huán)隙，自20升高至80，該換熱器的內(nèi)管規(guī)格為19 mm2.5mm, 外管規(guī)格為38 mm3 mm。苯的流量為 1800 kg/h，求苯對(duì)內(nèi)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：苯的定性溫度，此狀況下的物性為：，苯的流速為：套管的當(dāng)量直徑為：流體的雷諾數(shù)為：(湍流)由此可得對(duì)流傳熱系數(shù)為：與書(shū)上答案1794略有不同。55常壓下溫度為120的甲烷以10 m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸向流動(dòng)。離開(kāi)換熱器時(shí)甲烷溫度為30，換熱器外殼內(nèi)徑為190 mm，管束由37根19 mm

4、2mm的鋼管組成，試求甲烷對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲烷的平均溫度，此狀況下的物性為，列管換熱器的當(dāng)量直徑為：流體的雷諾數(shù)為：(湍流)由此可得甲烷對(duì)管的對(duì)流傳熱系數(shù)為：66溫度為90的甲苯以1500kg/h的流量通過(guò)蛇管而被冷卻至30。蛇管的直徑為57 mm3.5mm，彎曲半徑為0.6m，試求甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：甲苯的平均溫度，此狀況下的物性為：，流體的流速為：流體的雷諾數(shù)為：(湍流)湍流時(shí)甲苯對(duì)直管的對(duì)流傳熱系數(shù)為：過(guò)渡流的校正系數(shù)：圓形彎管的校正系數(shù)為：甲苯對(duì)蛇管的對(duì)流傳熱系數(shù)為：77120的飽和水蒸氣在一根、長(zhǎng)1m的管外冷凝，已知管外壁溫度為80。分別求該管垂直和水平放置時(shí)的蒸

5、氣冷凝傳熱系數(shù)。解：（1）當(dāng)管垂直放置時(shí)，冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算方法取決于冷凝液在管外沿壁面向下流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)型態(tài)。采用試差法，假定冷凝液為層流流動(dòng)，則：液膜溫度為，該溫度下水的物性為，冷凝溫度為120，此溫度下水的相變焓為：。所以可以計(jì)算根據(jù)此計(jì)算結(jié)果校核冷凝液膜的流動(dòng)是否為層流。冷凝液膜流動(dòng)雷諾數(shù)為：代入相關(guān)數(shù)據(jù)后可以求得層流假定成立，以上計(jì)算有效。（2）當(dāng)管水平放置時(shí)，直接用如下公式計(jì)算蒸汽冷凝傳熱系數(shù)：88實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有一高為1m，寬為0.5m的鑄鐵爐門(mén)，其表面溫度為600，室溫為20。試計(jì)算每小時(shí)通過(guò)爐門(mén)輻射而散失的熱量。如果在爐門(mén)前50mm處放置一塊同等大小同樣材料的平板作為隔熱板，則散熱量

6、為多少？如果將隔熱板更換為同等大小材料為已經(jīng)氧化了的鋁板，則散熱量有何變化？解：（1）不加隔熱板時(shí)，鑄鐵爐門(mén)被四壁所包圍，鑄鐵黑度為，角系數(shù)，根據(jù)（2）加隔熱板后，輻射傳熱過(guò)程可以表示為：爐門(mén)1隔熱板3墻壁2。爐門(mén)輻射散熱量就是它對(duì)隔熱板的輻射傳熱量（13）：爐門(mén)與隔熱板相距很近，其輻射可以看作是在兩極大的平面間進(jìn)行，于是：，其角系數(shù)。隔熱板對(duì)周?chē)鷫Ρ诘妮椛鋫鳠崃浚?2）：其中，。過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，將已知數(shù)據(jù)代入上述公式，可以得到求出所以熱損失為：（3）如果將隔熱板換為氧化的鋁板，其黑度為，則有可以仿照（2）的公式求取隔熱板溫度，然后計(jì)算熱損失，也可以利用下列公式直接求?。?9現(xiàn)測(cè)定一傳熱面積為

7、2m2的列管式換熱器的總傳熱系數(shù)K值。已知熱水走管程，測(cè)得其流量為1500kg/h，進(jìn)口溫度為80，出口溫度為50；冷水走殼程，測(cè)得進(jìn)口溫度為15，出口溫度為30，逆流流動(dòng)，試計(jì)算該換熱器的K值。（原題6）解：換熱溫差：熱負(fù)荷為：所以換熱器的總傳熱系數(shù)：1010熱氣體在套管式換熱器中用冷卻水冷卻，內(nèi)管為252.5mm的鋼管，冷水在管內(nèi)湍流流動(dòng)，對(duì)流傳熱系數(shù)為2000 W/(m2K)。熱氣在套管環(huán)隙湍流流動(dòng)，對(duì)流傳熱系數(shù)為50 W/(m2K)。已知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45.4 W/(mK)。試計(jì)算：（1）管壁熱阻占總阻力的百分?jǐn)?shù)；（2）冷水流速提高一倍，則總傳熱系數(shù)有何變化？（3）氣體流速提高一倍，則

8、總傳熱系數(shù)有何變化？（原題 8）解：（1）根據(jù)題意管壁熱阻占總阻力的百分?jǐn)?shù):（2）冷水流速提高1倍后，管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)變?yōu)椋嚎倐鳠嵯禂?shù)為：（3）氣體流速提高1倍后，管外的對(duì)流傳熱系數(shù)變?yōu)椋嚎倐鳠嵯禂?shù)為：1111實(shí)驗(yàn)測(cè)定管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)時(shí)，水在換熱器的列管內(nèi)作湍流流動(dòng)，管外為飽和水蒸汽冷凝。列管由直徑為252.5mm的鋼管組成。當(dāng)水的流速為1m/s時(shí)，測(cè)得基于管外表面積的總傳熱系數(shù)Ko為2115 W/( m2)；若其它條件不變，而水的速度變?yōu)?.5m/s時(shí)，測(cè)得Ko為2660 W/( m2)。試求蒸汽冷凝傳熱系數(shù)。假設(shè)污垢熱阻可以忽略不計(jì)。解：設(shè)水流速為1m/s時(shí)，用表示，K用K1.0

9、表示；速度為1.5m/s時(shí)，用表示，K用K1.5表示。由總傳熱系數(shù)的計(jì)算式可以得到：兩式相減，可以得到：其中，2115 W/( m2)，2660 W/( m2)，25mm，20mm。所以， ( m2)/ W根據(jù)流體在圓形直管內(nèi)做湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)系式，可以得到：由以上兩個(gè)式子可以求得=3569 W/( m2)，=4936 W/( m2)。根據(jù)，其中2115 W/( m2)，25mm，20mm，22.5mm，b=2.5mm，=45W/( m)，=3569 W/( m2)。可以求得。1212某套管式換熱器用于機(jī)油和原油的換熱。原油在套管環(huán)隙流動(dòng)，進(jìn)口溫度為120，出口溫度上升到160；機(jī)油在內(nèi)

10、管流動(dòng)，進(jìn)口溫度為245，出口溫度下降到175。（1）試分別計(jì)算并流和逆流時(shí)的平均溫度差；（2）若已知機(jī)油質(zhì)量流量為0.5kg/s，比熱為3kJ/（kg），并流和逆流時(shí)的總傳熱系數(shù)K均為100 W/(m2K)，求單位時(shí)間內(nèi)傳過(guò)相同熱量分別所需要的傳熱面積。（原題5）解：（1）逆流時(shí)：并流時(shí)：（2）逆流時(shí)換熱面積：并流時(shí)換熱面積：1313某列管換熱器由多根252.5mm的鋼管組成，將流量為15噸/小時(shí)的苯由20加熱到55，苯在管中流速為0.5m/s，加熱劑為130的飽和水蒸氣在管外冷凝，其汽化潛熱為2178kJ/kg，苯的比熱cp=1.76kJ/(kgK)，密度=858kg/m3，粘度=0.52

11、10-3Pas，導(dǎo)熱系數(shù)=0.148W/(mK)，熱損失、管壁及污垢熱阻均忽略不計(jì)，蒸汽冷凝的=104 W/(m2K) 。試求：（1）水蒸氣用量（kg/h）；（2）傳熱系數(shù)K（以管外表面積為基準(zhǔn)）；（3）換熱器所需管數(shù)n及單根管長(zhǎng)度l。解：（1）加熱冷流體苯所需要的熱量水蒸汽用量：（2）流體在管內(nèi)強(qiáng)制湍流傳熱系數(shù)苯的平均溫度，此狀況下的物性為：，帶入表達(dá)式有：（3）因?yàn)樗钥梢郧蟮脫Q熱面積：又1414在一套管式換熱器中用水逆流冷卻熱油，已知換熱器的傳熱面積為3.5m2。冷卻水走管內(nèi)，流量為5000kg/h，流動(dòng)為強(qiáng)制湍流，入口溫度為20；熱油走套管環(huán)隙，流量為3800kg/h，入口溫度為80，

12、其比熱cp=2.45kJ/(kgK)。已知兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)均為2000。管壁厚度、管壁熱阻、污垢熱阻均可以忽略。試計(jì)算冷熱流體的出口溫度。如果由于工藝改進(jìn)，熱油的出口溫度需要控制在35以下，當(dāng)通過(guò)提高冷卻水流量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，冷卻水的流量應(yīng)控制為多少？解：（1）原工況下：以上兩式整理化簡(jiǎn)后可以得到：本題中，t1=20, T1=80, Wh=3800kg/h, Wc=5000 kg/h, cph=2.45 kJ/(kgK), cpc=4.18 kJ/(kgK), 所以所以又聯(lián)立上述兩式，可以求得T2=39.9，t2=37.8（2）在新工況下，聯(lián)立上述方程式，試差求解得到Wc=7135kg/h

13、。1515某列管換熱器由多根252.5mm的鋼管組成，管束的有效長(zhǎng)度為3.0m。通過(guò)管程的流體冷凝殼程流量為5000kg/h、溫度為75的飽和有機(jī)蒸汽，蒸汽的冷凝潛熱為310kJ/kg，蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)為800 W/(m2K)。冷卻劑在管內(nèi)的流速為0.7m/s，溫度由20升高到50，其比熱為cp=2.5kJ/（kgK）,密度為=860kg/m3，對(duì)流傳熱系數(shù)為2500 W/(m2K)。蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻忽略不計(jì)，冷卻劑側(cè)的污垢熱阻為0.00055 m2K / W。試計(jì)算該換熱器的傳熱面積并確定該換熱器中換熱管的總根數(shù)及管程數(shù)。解：有機(jī)蒸汽冷凝放熱量：傳熱溫差總傳熱系數(shù)：所需的換熱面

14、積：冷卻劑用量：每程換熱管的數(shù)目：管程數(shù)為：取管程數(shù)為4總管數(shù)目：1616在一臺(tái)管殼式換熱器中，殼方120的水蒸汽冷凝將一定流量的空氣由20加熱到80，空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)i=100W/（m2）。換熱器由，L=6m的100根鋼管組成?，F(xiàn)因?yàn)楣に囆枰?，空氣流量增?0%，要維持對(duì)空氣的加熱要求，有人建議采用如下四種措施：（1）將管方改為雙程，（2）增加管長(zhǎng)到8m，（3）將管束改為的規(guī)格，（4）將蒸汽溫度提高到124。已知蒸汽的量足夠，試通過(guò)定量計(jì)算，必要時(shí)作合理簡(jiǎn)化，說(shuō)明上述措施能否滿(mǎn)足需要。解：原工況下：流量增加40%后：措施之一：將管方改為雙程：傳熱系數(shù)換熱面積與傳熱溫差不變，所以熱負(fù)荷：，故

15、滿(mǎn)足要求。措施之二：增加換熱管長(zhǎng)：傳熱系數(shù)換熱面積傳熱溫差不變，所以熱負(fù)荷：，故滿(mǎn)足要求。措施之三：改為的換熱管:對(duì)流傳熱系數(shù)，流量不變的情況下，改變管徑，對(duì)流傳熱系數(shù)與管徑的-1.8次方成正比，再考慮改變流量的情形，所以有：傳熱系數(shù)：換熱面積：熱負(fù)荷：，故滿(mǎn)足要求。措施之四：提高蒸汽溫度：所以可以求得，此時(shí)蒸汽壓力為230kPa。注：無(wú)論是何種措施，蒸汽流量需要增加40%，滿(mǎn)足熱量衡算的要求。所以（1）滿(mǎn)足（2）滿(mǎn)足（3）滿(mǎn)足（4）不滿(mǎn)足。17一列管換熱器（管徑252.5mmmm），傳熱面積12m2（按管外徑計(jì)，下同）。今擬使80的飽和苯蒸汽冷凝、冷卻到45。苯走管外，流量為1kg/s；冷卻水走管內(nèi)與苯逆流，其進(jìn)口溫度為10，流量為5kg/s。已估算出苯冷凝、冷卻時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為1500、870；水的對(duì)流傳熱系數(shù)為2400。取水側(cè)的污垢熱阻為0.2610-3，并忽略苯側(cè)的污垢熱阻及管壁熱阻。問(wèn)此換熱器是否可用？已知水、液體苯的比熱分別為4.18、1.76；苯蒸汽的冷凝潛熱=395。（原題 11）解：欲求換熱器是否可用，可計(jì)算該換熱器的傳熱面積是否夠用。苯在管外發(fā)生冷凝、冷卻，所以換熱過(guò)程可以分成兩個(gè)過(guò)程。（1）在冷卻過(guò)程中，管外流體為80的苯液體冷卻到出口溫度45，而管內(nèi)的冷卻水