化工原理王晓红版习题答案第二章.docx

1、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120mm ，其导热系数146.5W/ m K 。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为21mm ，其导热系数21.162W/ m K 。已知锅炉钢板外表面温度为 t1523K，水垢内表面温度为 t3473K ，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r1r0.02，r，r2r3 r0.001 ，根据题意，可以得到 r1r2r3 ，所以Sm1Sm2由圆筒壁的导热速率方程：Qt1tn1t1t3nbib1b2i 1i Smi1 Sm12Sm2其中，t1 523K，t

2、3473K ，146.5W/ m K ，21.162W/ m K ，b10.02m ，b2 0.001m ， Sm1Sm2S 。所以Qt1 t352347322qSb1b20.020.001 W/m3.874W/m1246.51.162根据圆筒壁的导热速率方程：Qt 1tn 1t1 t 2nbib1i 1i Smi1Sm1可以得到： t2t1-qb15233.8740.002506.3(K )146.52在一 603.5mm 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 ；外层为20mm 的石棉层，平均导热系数0.15W/ m 。现用热电偶测得管内壁温度为

3、500，最外层表面温度为80。已知钢管的平均导热系数45W/ m ，试求每米管长的热损失及两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：t 1 tn 1t 1 t 4Lt 1 t4Q nbib1b2b32b2b3b1i 1i Smi1 Sm12 Sm23 Sm31r m12 rm23 rm3式 中 ： t1 ，41=60/2-3.5=26.5(mm)，2=60/2=30(mm)，=500t=80， rrr 3=30+40=70(mm) ， r 4=70+20=90(mm) ， b1=3.5mm ， b2=40mm ， b3=30mm ，=45W/( m )，=0.0

4、7W/( m )，=0.15W/( m )。123rm1r1r226.5302228.3( mm)rm2r3r27030lnr347.2(mm)ln 70r230rm3r3r470902280(mm)所以每米管长的热损失为：Q2t 1 t4Lb2b3b11rm12 rm23 rm323.142 3.14250080W/m3.540204528.30.0747.20.1580191.6W/m因为 Qt1t n 12Lt1 t4t3 t 4nbib2b32Lb1b3i 1i Smi1 rm12 rm23 rm33rm3所以 t 3t4Qb380 191.620130.8 （）L3.1420.158

5、023r m3233有一列管式换热器，由38 根 25 2.5mm 的无缝钢管组成，苯在管程流动，由20加热到 80，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）解：（ 1）苯的定性温度208050 ，此状况下的物性为：20.45mPa s ，860kg / m3，c p1.80kJ / kg ，0.14W / m根据公式0.023Re0.8 Pr0.4didi=0.020m，uws10.21.0m / sA 8600.022384Redu0.0201.086038222(湍流)0.

6、4510 3PrC p1.80 0.455.7860.14i0.023 Re0.8 Pr0.4di0.0230.14382220.8 5.7860. 4 W / m 20.0201505W / m2（ 12）苯的流量增加 1 倍后，20.815050.822620W / m2ii2W / m44苯流过一套管换热器的环隙，自20升高至80，该换热器的内管规格为19 mm 2.5mm, 外管规格为38 mm 3 mm。苯的流量为 1800 kg/h，求苯对内管壁的对流传热系数。解：苯的定性温度 208050 ，此状况下的物性为：20.45mPa s ，860kg / m3， c p1.80kJ /

7、 kg ，0.14W / m 苯的流速为：ws18001.12m / suA 360086040.03220.0192套管的当量直径为：4d12d 224d1 d2 32 19 mm 13m mded1d2流体的雷诺数为：Rede u0.013 1.12 86027826 (湍流)0.45 10 3PrC p1.800.455.790.14d1321.681.65d219由此可得对流传热系数为：Re0 .8Pr31d10.530.02ded20.141320.530.02278260.85.793W / m20.013191832W / m2与书上答案 1794 W / m 2略有不同。55常

8、压下温度为120的甲烷以 10 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30，换热器外壳内径为190 mm，管束由37 根 19 mm 2mm 的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。解：甲烷的平均温度 1203075，此状况下的物性为20.012mPa s，0.562kg / m3， cp2.48kJ / kg ，0.04W / m 列管换热器的当量直径为：4d1237d222223724d137d219019de37 d2d137 d219037m m 25.47m md119流体的雷诺数为：deu0.0254710 0.56211928 (湍流)Re0.

9、01210 3由此可得甲烷对管的对流传热系数为：0.023Re0.8 Pr0.3de0.042.48 0.0120. 30.023119280.8W / m 20.025470.0460.3W / m 266温度为 90的甲苯以 1500kg/h 的流量通过蛇管而被冷却至 30。蛇管的直径为57 mm3.5mm，弯曲半径为 0.6m，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。解：甲苯的平均温度 903060 ，此状况下的物性为：20.3864mPa s ，831.8kg / m3，cp 1.853kJ / kg ，0.1238W / m 流体的流速为：Vsms1500m / s 0.255m/ su1 d

10、23600 11 d23.142 0.0502831.8444流体的雷诺数为：du0.05 0.255831.827447 (湍流)Re0.386410 3湍流时甲苯对直管的对流传热系数为：0.80.30.023 Re Pr0.12381.8530.38640. 30.023274470.8W / m20.0500.12382162.3W / m2过渡流的校正系数：16105161050.612Re1 .82744 .71.8圆形弯管的校正系数为：11.77 di11.770.0501.1475R0.6甲苯对蛇管的对流传热系数为：0.612 1.1475342.70.6121.1475W /

11、m2 240.7W / m277120的饱和水蒸气在一根25 2.5mm 、长1m的管外冷凝，已知管外壁温度为 80。分别求该管垂直和水平放置时的蒸气冷凝传热系数。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：2311.13 rg4垂直lt液膜温度为 120280100 ，该温度下水的物性为0.283mPa s ，958.4kg / m3，0.683W / m 冷凝温度为 120，此温度下水的相变焓为：r2205.2kJ / kg 。所以可以计算231rg4垂直1.13lt32311.13 2205.2 1

12、04958.49.810.683W / m 20.28310 31120805495.3W / m 2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：do udo G4S / do qm / S4Q / r do 4 垂直 dol tQ / r do4 垂直 l tRer代入相关数据后可以求得4垂直 l t4 5495.3 1120801409Rer2205.21030.28310 3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：231水平 0.725 rg4tdo32310.725 2205.2 104958.49.810.683W

13、 / m 20.28310 30.025120808866.7W / m 288实验室内有一高为 1m，宽为 0.5m 的铸铁炉门，其表面温度为600，室温为20。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10.78，1C0，C1 2角系数 121，根据T144Q1 2C1 21 2 ST210010060043040.785.669110.5273.15273.15W10010012664

14、W（ 2）加隔热板后，辐射传热过程可以表示为：炉门1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（13）：T144Q1 3C1 31 3 ST3100100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 3C05.6693.62 ，其角系数1 31。111110.781130.78隔热板对周围墙壁的辐射传热量（32）：T344Q3 2C3 23 2ST2100100其中C3 23 C00.785.669 4.42 ，3 21 。过程达到稳态时， Q1 3Q3 2T14T34T344C13 13ST2100100C32 32S100100将已知数据代入上述

15、公式，可以得到600273.15443.6211T30.5100100T34273.1544.4211300.5100100求出 T3718.39K 443.24所以热损失为：T144Q Q13T3C13 13S10010060044273.15718.393.62 1 1 0.5W1001005700W（ 3）如果将隔热板换为氧化的铝板，其黑度为30.15 ，则有C1C05.66931110.816110.781130.15C323C00.155.6690.85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直接求取：T144T2Q Q13Q3210010011C13 13S1C32 32S16004304273.15273.15100100W110.81610.50.8510.51192W99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 80，出口温度为 50；冷水走壳程，测得进口温度为 15，出口温度为 30，逆流流动，试计算该换热器的 K 值。（原题 6）解：换热温差：tt tT2 t1T1 t25015