南工大化工原理第四章習題解答

1、用平板法測定材料的導熱系數(shù)，其主要部件為被測材料構(gòu)成的平板，其一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷水將熱量移走，同時板的兩側(cè)用熱電偶測量其表面溫度。設(shè)平板的導熱面積為0.03m2，厚度為0.01m。測量數(shù)據(jù)如下：電熱器材料的表面溫度？C安培數(shù)?A伏特數(shù)?V高溫面低溫面2.81403001002.311520050試求：該材料的平均導熱系數(shù)。如該材料導熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為線性:幾二血(1+加),則久0和a值為多少？?解1)Q=(t1-t2)IL=VI(300-200)x0.03/0.01=2.8x140血=0.6533w/(mQ(200-50)x0.03/0.01=2.3x115兄2=0.5878w/(

2、Q心=(A+)/2=0.6206w/(mC):.0.6533=1+(300+100)/20.5878=l+a(200+50)/2得妬=0.4786w/(mC)a=0.001825通過三層平壁熱傳導中，若測得各面的溫度t、t、t和t分別為500C、1234400C、200C和100C，試求合平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好。某燃燒爐的平壁由耐火磚、絕熱磚和普通磚三種砌成，它們的導熱系數(shù)分別為1.2W/(mC),0.16W/(mC)和0。92W/(mC),耐火磚和絕熱轉(zhuǎn)厚度都是0.5m,普通磚厚度為0.25m。已知爐內(nèi)壁溫為1000C,外壁溫度為55C，設(shè)各層磚間接觸良好，求每平方米爐壁散熱

3、速率。4）在外徑100mm的蒸汽管道外包絕熱層。絕熱層的導熱系數(shù)為0.08W/（mC）,已知蒸汽管外壁150C，要求絕熱層外壁溫度在50C以下，且每米管長的熱損失不應(yīng)超過150W/m，試求絕熱層厚度。5）038X2.5mm的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。50第一層是mm厚的氧化鋅粉，其平均導熱系數(shù)為0.07W/（mC）；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導熱系數(shù)為0.15W/（mC）。若管內(nèi)壁溫度為180C，石棉層外表面溫度為35C，試求每米管長的熱損失及兩保溫層界面處的溫度？解：r0?=16.5mm=0.0165m?,t?=19mm=0.019mr?=r+?“=0.019+0.

4、05=0.069m211?r?=r+?=0.069+0.01=0.079m322?0?=45W/(mC)Q2兀(切-tjL.lni+.lnk+.lnk鯨5九1如r22x3.14x(180-35)1,19V691,794516.50.07190.1569=47.1W/m-ln47.1=牛茅?即？0.1569?t2?=418?C6）通過空心球壁導熱的熱流量Q的計算式為：二加/仏兒訊）,其中=/仏，A、A分別為球壁的內(nèi)、外表面積，試推導此式。127）有一外徑為150mm的鋼管，為減少熱損失，今在管外包以兩層絕熱層。已知兩種絕熱材料的導熱系數(shù)之比爲仏=2，兩層絕熱層厚度相等皆為30mm。1試問應(yīng)把哪一

5、種材料包在里層時，管壁熱損失小。設(shè)兩種情況下兩絕熱層的總溫差不變。8）試用因次分析法推導壁面和流體間強制對流給熱系數(shù)a的準數(shù)關(guān)聯(lián)式。已知a為下列變量的函數(shù)：心=了伉,6，門,從遼丿）。式中入、c、p、分別為P流體的導熱系數(shù)、等壓熱容、密度、粘度，u為流體流速，l為傳熱設(shè)備定型尺寸。9）水流過屮60X3.5mm的鋼管，由20C被加熱至60C。已知1朋沁，水流速為1.8m/s，試求水對管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。10）空氣流過屮36X2mm的蛇管，流速為15m/s,從120C降至20C，空氣壓強4X105Pa（絕壓）。已知蛇管的曲率半徑為400mm,山刃，試求空氣對管壁的給熱系數(shù)?？諝獾拿芏瓤砂蠢硐霘怏w計算

6、，其余物性可按常壓處理。11）苯流過一套管換熱器的環(huán)隙，自20C升至80C，該換熱器的內(nèi)管規(guī)格為屮19X2.5mm，外管規(guī)格為屮38X3mm。苯的流量為1800kg/h。試求苯對內(nèi)管壁的給熱系數(shù)。12）冷凍鹽水（25%的氯化鈣溶液）從屮25X2.5mm、長度為3m的管內(nèi)流過,流速為0.3m/s,溫度自-5C升至15C。假設(shè)管壁平均溫度為20C，試計算管壁與流體之間的平均對流給熱系數(shù)。已知定性溫度下冷凍鹽水的物性數(shù)據(jù)如下：密度為1230kg/m3，粘度為4X10-3Pas,導熱系數(shù)為0.57W/（mC）,比熱為2.85kJ/（kgC）。壁溫下的粘度為2.5X10-3Pas。解：d=0.0250.

7、0025X2=0.02m詁叫?504xl0-3Re=jop=0.02x0.31230=IS45?u=0.3m/s?：卩4xW3?V?2000?層流RePrdi=1845x20 x0.020,/=246=354.7W/（m2?C）13）室內(nèi)分別水平放置兩根長度相同，表面溫度相同的蒸汽管，由于自然對流兩管都向周圍散失熱量，已知小管的（GrPr）=I8,大管直徑為小管的8倍，試求兩管散失熱量的比值為多少？解：小管Gr?Pr=108?Ab=1/3?又因?GrdJ,故大管Gr?Pr?108Q丈=丈心戒丈L二H丈d丈=丈Fr丈）來“丈=荃=疋=開則?Q-卜_叫q隔卜l_叫a卜一（電卜比卜產(chǎn)際r卜_14）某

8、烘房用水蒸汽通過管內(nèi)對外散熱以烘干濕紗布。已知水蒸汽絕壓為476.24kPa,設(shè)管外壁溫度等于蒸汽溫度現(xiàn)室溫及濕紗布溫度均為20C，試作如下計算：使用一根2m長、外徑50mm水煤氣管，管子豎直放于水平放置單位時間散熱量為多少？若管子水平放置，試對比直徑25mm和50mm水煤氣管的單位時間單位面積散熱之比。（管外只考慮自然對流給熱）。15）油罐中裝有水平蒸汽管以加熱管內(nèi)重油，重油溫度為20C，蒸汽管外壁溫為120C，在定性溫度下重油物性數(shù)據(jù)如下：密度為900kg/m3，比熱1.88X103J/（kgC）,導熱系數(shù)為0.175W/（mC）,運動粘度為2X10-6m2/s,體積膨脹系數(shù)為3X10-4

9、?l/C，管外徑為68mm，試計算蒸汽對重油的傳熱速度W/m2。16）有一雙程列管換熱器，煤油走殼程，其溫度由230C降至120C，流量為25000kg/h,內(nèi)有屮25X2.5mm的鋼管70根，每根管長6m,管中心距為32mm,正方形排列。用圓缺型擋板（切去高度為直徑的25%），試求煤油的給熱系數(shù)。已知定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)為：比熱為2.6X103J/（kgC）,密度為710kg/m3，粘度為3.2X10-4Pas,導熱系數(shù)為0.131W/（mC）。擋板間距h=240，殼體內(nèi)徑0=420喘険。飽和溫度為100C的水蒸汽在長為2.5m，外徑為38mm的豎直圓管外冷凝。管外壁溫度為92C。試求每

10、小時蒸汽冷凝量。又若將管子水平放置每小時蒸汽冷凝量又為多少。由屮25X2.5mm、225根長2米的管子按正方形直列組成的換熱器，用1.5X105Pa的飽和蒸汽加熱某液體，換熱器水平放置。管外壁溫度為88C，試求蒸汽冷凝量。設(shè)有A、B兩平行固體平面，溫度分別為T和T(TT)。為減少輻射散熱，在這兩平面間設(shè)置n片很薄的平行遮熱板，設(shè)A所有平面的表面積相同，黑度相等，平板間距很小，試證明設(shè)置遮熱板后A平面的散熱速率為不裝遮熱板時的1/+1)倍。用熱電偶測量管內(nèi)空氣溫度，測得熱電偶溫度為420C，熱電偶黑度為0.6，空氣對熱電偶的給熱系數(shù)為35W/(mC),管內(nèi)壁溫度為300C，試求空氣溫度。外徑為6

11、0mm的管子，其外包有20mm厚的絕熱層，絕熱層材料導熱系數(shù)為0.1W/(mC),管外壁溫度為350C，外界溫度為15C，試計算絕熱層外壁溫度。若欲使絕熱層外壁溫度再下降5C,絕熱層厚度再增加多少。設(shè)計一燃燒爐，擬用三層磚，即耐火磚、絕熱磚和普通磚。耐火磚和普通磚的厚度為0.5m和0.25m。三種磚的系數(shù)分別為1.02W/(mC)、0.14W/(mC)和0.92W/(mC),已知耐火磚內(nèi)側(cè)為1000C，外壁溫度為35C。試問絕熱磚厚度至少為多少才能保證絕熱磚溫度不超過940C，普通磚不超過138C。為保證原油管道的輸送，在管外設(shè)置蒸汽夾。對一段管路來說，設(shè)原油的給熱系數(shù)為420W/(mC)，水

12、蒸氣冷凝給熱系數(shù)為104?W/(mC)。管子規(guī)格為屮35X2mm鋼管。試分別計算K和K,并計算各項熱阻占總熱阻的分率。某列管換熱器，用飽和水蒸汽加熱某溶液，溶液在管內(nèi)呈湍流。已知蒸汽冷凝給熱系數(shù)為104?W/(mC),單管程溶液給熱系數(shù)為400W/(mC),管壁導熱及污垢熱阻忽略不計，試求傳熱系數(shù)。若把單管程改為雙管程，其它條件不變，此時總傳熱系數(shù)又為多少？一列管換熱器，管子規(guī)格為屮25X2.5mm，管內(nèi)流體的對流給熱系數(shù)為100W/(mC),管外流體的對流給熱系數(shù)為2000W/(mC),已知兩流體均為湍流流動，管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻均為0.0018mC/W。試求：傳熱系數(shù)K及各部分熱阻的分配；若

13、管內(nèi)流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化？若管外流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化？解：Ri?=R0?=0.00118m2?C/W?鋼管?=45W/(m?C)d0025-0.020=QQ22?m?=0.01542?1/(W/m2C)K0?=64.84W/(m2?C)熱阻分配：污垢：=3.24%1/_0.01542_管外：/Kqd0/0.025100 xQ.0=sim1Z0.01542管內(nèi)：bd0/0.0025x0.025管壁：網(wǎng)=2網(wǎng)？?,.Ko%九九磔%?=0.01010?m2C/WKo=9S?W/(m2C)鞏=2%?,?%=2嗎Huaidi?=0.01521?m2C/WK0=.74?w/(m

14、2C)孔)在逆流換熱器中，用水冷卻某液體，水的進岀口溫度分別5Cft80C,液體的進出口溫度分別50Cfl75Co現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求液體進出口溫度降至70匚假設(shè)水和液體的進出口溫度，流量及物性均不發(fā)生變化，換熱器的損失忽略不計，試問此換熱器管長增為原來的多少倍才能滿足生產(chǎn)要求？解:丁2=2則(7(150-75)=(80-15)(150-70)=(4-15)4二84.3C嘰=(70-60)Z(70/60)=64.9C=(65.7-55)Z(65.7/55)=60.2C又Q皿比Q=75WhCph=64.9KS80匪U課=60.2S!S=1.149BP：=1.14931)?120C飽和水蒸汽將空氣從2

15、0C加熱至8OC，空氣流量1.20X104kg/h。現(xiàn)有單程列管換熱器，？25X2.5mm鋼管300根，管長3m,?0?=104W/(m2C),污垢及管壁熱阻不計。問此換熱器能否滿足要求。解：2C50C空氣，？?=1.093kg/m3,C?=1.005kJ/(kg?C),?=0.02824W/(m?C)?=1.96X10-5?Pa?s?,Pr=0.698ndRe=2=1.20 xlO43600 xl.093x-2x0.022x300=32.4?m/s0.020 x32.4x1.093_1.96xIO-53.61xlO410000礙=O.O23B.eosPr4=154.5W/(m2C)J?。?.

16、?K.?=?.?=124.5W/(m2C)0iiiQ=WC?t=?%00X1.005X60=201kJ/scpc?t?=?40m?cQ=KA?t?即？201X103?=124.5A.X65.5?.：A.?=24.6m2imii又，A.?=n?d.L?即?24.6=300?X0.020L?L=1.31mV3mii.?滿足要求某單殼程單管程列管換熱器，用1.8X105Pa飽和水蒸汽加熱空氣，水蒸汽走殼程，其給熱系數(shù)為105?W/(mC),空氣走管內(nèi)，進口溫度20C，要求出口溫度達110C,空氣在管內(nèi)流速為10m/s。管子規(guī)格為025X2.5mm的鋼管,管數(shù)共269根。試求換熱器的管長。若將該換熱器

17、改為單殼程雙管程，總管數(shù)減至254根。水蒸汽溫度不變，空氣的質(zhì)量流量及進口溫度不變，設(shè)各物性數(shù)據(jù)不變，換熱器的管長亦不變，試求空氣的出口溫度。一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進口溫度分別為155c和20C。已知逆流操作時，柴油出口溫度50C，原油出口60C，若采用并流操作，兩種油的流量、物性數(shù)據(jù)、初溫和傳熱系數(shù)皆與逆流時相同，試問并流時柴油可冷卻到多少溫度？套管換熱器，冷、熱流體的進口溫度分別為55C和115C。并流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為75C和95C。試問逆流操作時，冷、熱流體的出口溫度分別為多少？假定流體物性數(shù)據(jù)與傳熱系數(shù)均為常量。一列管換熱器，管外用2.0X105

18、Pa的飽和水蒸汽加熱空氣，使空氣溫度從20C加熱到80C，流量為20000kg/h，現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)變化，如空氣流量增加50%，進、出口溫度仍維持不變，問在原換熱器中采用什么方法可完成新的生產(chǎn)任務(wù)？解血泡和水蒸氣溫度為：7=120.2C=(120.2-20)-(120.2-80)/ln(120.2-20)/(120.2-80)=65.7Ce/C叫莊=空Q=65.1ks:.Q=K=龜=1.50-8=1.38g=1.38A4g=1.5gA4=71.4C.空氣的進出口溫度不變此=60/ln(Z-20)/(Z-80)T=125.57C查的飽和水蒸氣壓力為234.3kPa,所以可通過調(diào)節(jié)飽和蒸汽壓力至23A

19、3kPa完成新任務(wù)。36）在一單管程列管式換熱器中，將2000kg/h的空氣從20C加熱到80C,空氣在鋼質(zhì)列管內(nèi)作湍流流動，管外用飽和水蒸汽加熱。列管總數(shù)為200根，長度為6m,管子規(guī)格為屮38X3mm?，F(xiàn)因生產(chǎn)要求需要設(shè)計一臺新?lián)Q熱器，其空氣處理量保持不變，但管數(shù)改為400根，管子規(guī)格改為屮19X1.5mm，操作條件不變，試求此新?lián)Q熱器的管子長度為多少米？37）在單程列管換熱器內(nèi)，用120C的飽和水蒸汽將列管內(nèi)的水從30C加熱到60C,水流經(jīng)換熱器允許的壓降為3.5Pa。列管直徑為屮25X2.5mm,長為6m，換熱器的熱負荷為2500kW。試計算：列管換熱器的列管數(shù)；基于管子外表面積的傳熱

20、系數(shù)K。假設(shè)：列管為光滑管，摩擦系數(shù)可按柏拉修斯方程計算，2=0.3164/Re0-25。解：45C時水：？?=990kg/m3?,C?=4.174X1O3?J/(kgC),?=64.03X10-2W/(mC)?=60.12X10-5Pa?s?,Pr=3.9250.3164Lpu?60.12xl0_5d22x0.020 x?？u=1.00m/s?細=lnm-30=7311120-60設(shè)管壁及污垢熱阻可略J?K?=?0i?ii?對一根管，?=3.895X104?W又二貶.戒*J，即？?3.895?1。4?=5.23?103?0.02?6?73.99？瓦=1.117X103?W/(m2?C)?為n

21、=2500 xl01=642.？3.89*10?取n為64根。38）有一立式單管程列管換熱器，其規(guī)格如下：管徑屮25X2.5mm,管長3m,管數(shù)30根?，F(xiàn)用該換熱器冷凝冷卻CS飽和蒸汽，從飽和溫度46C冷卻到10C。CS走管外，其流量為250kg/h,冷凝潛熱為356kJ/kg，液體CS的比熱為21.05kJ/(kgC）。水走管內(nèi)與CS呈逆流流動，冷卻誰進出溫度分別為5C和230C。已知CS冷凝和冷卻時傳熱系數(shù)（以外表面積計）分別為2峪二232仞陽Q和卷=11&8町W。問此換熱器是否合用?解：q=叫+CHT）卜嘉中+呻你-呵WkJ/s設(shè)換熱器上部為蒸汽冷凝段,以下標“1”表示,下部為冷卻段,以“2”表示kJ/s?t=30C?Q?Q?T=10C?設(shè)冷水C為常量，則上下兩段分界處pt：？t？t=5C？33124.72/一-叮，即?加-一耳？t3?=7.4C于是：Qi_24.72x1小鬲心釘_2326冷刃74訂北_74nU6-30=4.14m2A_Q2_2.63X1032_KAi2