化工原理王晓红版习题答案第二章.docx
《化工原理王晓红版习题答案第二章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理王晓红版习题答案第二章.docx（63页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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
1
20mm，其导热系数
1
46.5W/mK。
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/mK。
已知锅炉钢板
外表面温度为t1
523K
，水垢内表面温度为t3
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
，
r
，
r2
r3r
0.001，根据题意，可以得到r1
r2
r3，所以Sm1Sm2
由圆筒壁的导热速率方程：
Q
t1
tn
1
t1
t3
n
bi
b1
b2
i1
iSmi
1Sm12Sm2
其中，t1523K
，t3
473K，1
46.5W/mK，2
1.162W/mK，b1
0.02m，
b20.001m，Sm1
Sm2
S。
所以
Q
t1t3
523
473
2
2
q
S
b1
b2
0.02
0.001W/m
3.874W/m
1
2
46.5
1.162
根据圆筒壁的导热速率方程：
Q
t1
tn1
t1t2
n
bi
b1
i1
iSmi
1Sm1
可以得到：
t2
t1-qb1
523
3.874
0.002
506.3（K）
1
46.5
2．在一φ60×3.5mm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：
t1tn1
t1t4
πL
t1t4
Qn
bi
b1
b2
b3
2
b2
b3
b1
i1iSmi
1Sm1
2Sm2
3Sm3
1rm1
2rm2
3rm3
式中：
t1
℃，
4
1
=60/2-3.5=26.5（mm）
，
2
=60/2=30（mm）
，
=500
t
=80℃，r
r
r3=30+40=70（mm），r4=70+20=90（mm），b1=3.5mm，b2=40mm，b3=30mm，
=45W/（m·℃），λ=0.07W/（m·℃），λ=0.15W/（m℃·）。
λ1
2
3
rm1
r1
r2
26.5
30
2
2
28.3（mm）
rm2
r3
r2
70
30
lnr3
47.2（mm）
ln70
r2
30
rm3
r3
r4
70
90
2
2
80（mm）
所以每米管长的热损失为：
Q
2π
t1t4
L
b2
b3
b1
1rm1
2rm2
3rm3
2
3.1423.142
500
80
W/m
3.5
40
20
45
28.3
0.07
47.2
0.15
80
191.6W/m
因为Q
t1
tn1
2πL
t1t4
t
3t4
n
bi
b2
b3
2πL
b1
b3
i1
iSmi
1rm1
2rm2
3rm3
3rm3
所以t3
t4
Q
b3
80191.6
20
130.8（℃）
L
3.142
0.15
80
2π3rm3
2
3
3．有一列管式换热器，由38根φ25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在管程流动，
由20℃加热到80℃，苯的流量为10.2kg/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：
2
0.45mPas，
860kg/m3，
cp
1.80kJ/kg
℃，
0.14W/m
℃
根据公式
0.023
Re0.8Pr0.4
di
di=0.020m，
u
ws
10.2
1.0m/s
ρA860
0.022
38
4
Re
du
0.020
1.0
860
38222
（湍流）
0.45
103
Pr
Cp
1.800.45
5.786
0.14
i
0.023Re0.8Pr0.4
di
0.023
0.14
382220.85.7860.4W/m2℃
0.020
1505W/m2
℃
（12）苯的流量增加1倍后，
'
2
0.8
1505
0.8
2
℃
2620W/m
2
℃
i
i
2
W/m
4
4．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
φ19mm×2.5mm,外管规格为φ38mm×3mm。
苯的流量为1800kg/h，求苯对内管壁的对流传热系数。
解：
苯的定性温度20
80
50℃，此状况下的物性为：
2
0.45mPas，
860kg/m3，cp
1.80kJ/kg℃，0.14W/m℃
苯的流速为：
ws
1800
1.12m/s
u
ρA3600
860
4
0.0322
0.0192
套管的当量直径为：
4
d12
d22
4
d1d23219mm13mm
de
d1
d2
流体的雷诺数为：
Re
deu
0.0131.12860
27826（湍流）
0.45103
Pr
Cp
1.80
0.45
5.79
0.14
d1
32
1.68
1.65
d2
19
由此可得对流传热系数为：
Re0.8Pr31d1
0.53
0.02
de
d2
0.14
1
32
0.53
0.02
278260.8
5.793
W/m2℃
0.013
19
1832W/m2
℃
与书上答案1794W/m2℃略有不同。
5
5．常压下温度为120℃的甲烷以10m/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
190mm，管束由
37根φ19mm×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120
30
75
℃，此状况下的物性为
2
0.012mPas，
0.562kg/m3，cp
2.48kJ/kg℃，
0.04W/m℃
列管换热器的当量直径为：
4
d12
37d22
2
2
2
37
2
4
d1
37d2
190
19
de
37d2
d1
37d2
190
37
mm25.47mm
d1
19
流体的雷诺数为：
deu
0.02547
100.562
11928（湍流）
Re
0.012
103
由此可得甲烷对管的对流传热系数为：
0.023
Re0.8Pr0.3
de
0.04
2.480.012
0.3
0.023
119280.8
W/m2℃
0.02547
0.04
60.3W/m2℃
6
6．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φ57mm×3.5mm，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90
30
60℃，此状况下的物性为：
2
0.3864mPas，
831.8kg/m3，cp1.853kJ/kg℃，0.1238W/m℃
流体的流速为：
Vs
ms
1500
m/s0.255m/s
u
1d2
36001
1d2
3.1420.0502
831.8
4
4
4
流体的雷诺数为：
du
0.050.255
831.8
27447（湍流）
Re
0.3864
103
湍流时甲苯对直管的对流传热系数为：
0.80.3
0.023RePr
0.1238
1.853
0.3864
0.3
0.023
274470.8
W/m2℃
0.050
0.1238
2162.3W/m2
℃
过渡流的校正系数：
1
6
105
1
6
105
0.612
Re1.8
2744.71.8
圆形弯管的校正系数为：
1
1.77di
1
1.77
0.050
1.1475
R
0.6
甲苯对蛇管的对流传热系数为：
'
0.6121.1475
342.7
0.612
1.1475W/m2℃240.7W/m2℃
7
7．120℃的饱和水蒸气在一根252.5mm、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：
2
3
1
1.13r
g
4
垂直
l
t
液膜温度为120
2
80
100℃，该温度下水的物性为
0.283mPas，
958.4kg/m3，
0.683W/m℃
冷凝温度为120℃，此温度下水的相变焓为：
r
2205.2kJ/kg。
所以可以计算
2
3
1
r
g
4
垂直
1.13
l
t
3
2
3
1
1.132205.210
4
958.4
9.81
0.683
W/m2
℃
0.283
103
1
120
80
5495.3W/m2
℃
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
doG
4S/doqm/S
4Q/rdo4垂直doltQ/rdo
4垂直lt
Re
r
代入相关数据后可以求得
4
垂直lt
45495.31
120
80
1409
Re
r
2205.2
103
0.283
103
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：
2
3
1
水平0.725r
g
4
t
do
3
2
3
1
0.7252205.210
4
958.4
9.81
0.683
W/m2℃
0.283
103
0.025
120
80
8866.7W/m2
℃
8
8．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
1
0.78，
1C0
，
C12
角系数12
1
，根据
T1
4
4
Q12
C12
12S
T2
100
100
600
4
30
4
0.78
5.669
1
1
0.5
273.15
273.15
W
100
100
12664W
（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（
1→3）：
T1
4
4
Q13
C13
13S
T3
100
100
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：
C13
C0
5.669
3.62，其角系数131。
1
1
1
1
1
0.78
1
1
3
0.78
隔热板对周围墙壁的辐射传热量（
3→2）：
T3
4
4
Q32
C32
32S
T2
100
100
其中C32
3C0
0.78
5.6694.42，32
1。
过程达到稳态时，Q13
Q32
T1
4
T3
4
T3
4
4
C1313S
T2
100
100
C3232S
100
100
将已知数据代入上述公式，可以得到
600
273.15
4
4
3.62
1
1
T3
0.5
100
100
T3
4
273.15
4
4.42
1
1
30
0.5
100
100
求出T3
718.39K443.24℃
所以热损失为：
T1
4
4
QQ13
T3
C1313S
100
100
600
4
4
273.15
718.39
3.62110.5
W
100
100
5700W
（3）如果将隔热板换为氧化的铝板，其黑度为30.15，则有
C1
C0
5.669
3
1
1
1
0.816
1
1
0.78
1
1
3
0.15
C3
2
3C0
0.15
5.669
0.85
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：
T1
4
4
T2
QQ13
Q3
2
100
100
1
1
C1313S1
C3232S1
600
4
30
4
273.15
273.15
100
100
W
1
1
0.816
1
0.5
0.85
1
0.5
1192W
9
9．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：
Δt
ΔtΔt
T2t1
T1t2
50
15
升级会员 