化工原理課后答案解析(我國(guó)石化出版社)第5章傳熱

1、第五章 傳熱1一立式加熱爐爐墻由厚150mm 的耐火材料構(gòu)成，其導(dǎo)熱系數(shù)為入i =1.3W/(m K)，其外外表溫度為1100 C及240 C，試求通過(guò)爐墻損失的熱量 (W/m 2);假設(shè)外加一層25mm =0.3W/(m K)的絕熱材料，并假定爐壁 溫度仍為1100 °C，而熱損失降至原來(lái)的57%,求絕熱層外壁溫度及兩層交界 面處的溫度。解:q At1 t21100 240. 2127453.3W m2b10.15:1.3q' 0.57q4248.4W. m2,Q q QAt1 t31100 t3，一c,1334248.4b|b20.15 0.025121.30.3解得：t

2、3 =255.8 C,Q q耳t1 t2'1100 t2-224248.4b10.1511.3解得：t2=609.8 C2某加熱爐爐墻由耐火磚、絕熱層與普通磚組成，耐火磚里側(cè)溫度為900 C，普通磚外側(cè)溫度為 50 C,各層厚度分別為：耐火磚 140mm，絕熱層(石棉灰)20mm，普通磚 280mm ;各層導(dǎo)熱系數(shù)：入i = 0.93W/(m K)，入2 =0.064W/(m K),入3=0.7W/(m K)。(1)試求每 m2爐墻的熱損失；(2)假設(shè)普通磚的最高耐熱溫度為600 C,此題條件下，是否適宜？解:1qtl t4bib2b3900 500.140.020.280.93 0.

3、0640.7984.9W m22qt3 t4b3t3500.28984.9W m20.7解得：t3=444 C適宜3. 用平板法測(cè)定某固體的導(dǎo)熱系數(shù)，試件做成圓形薄板，直徑d二120mm，厚度為Smm，與加熱器的熱外表及冷卻器的冷外表直接接觸。所傳遞的熱量(一維導(dǎo)熱)，用加熱器的電能消耗計(jì)算之。過(guò)程穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得加熱器電流為0.96A，電壓為60.5V，熱電偶測(cè)得熱外表溫度t1 = 180 C，冷外表t2 = 30 C ；由于安裝不良，試件與冷熱外表之間各有一層0.1mm的縫隙(有空氣)，試求:(1) 忽略外表間的輻射傳熱時(shí)，因空氣縫隙引起的測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)的相對(duì)誤差?？諝庠?180 C及30 C時(shí)

4、的導(dǎo)熱系數(shù)分別為3.78W/(m K)及2.67W/(m K)。(2) 如果計(jì)入輻射傳熱，上題的誤差將有何變化，請(qǐng)作定性分析。解：QUI60.50.9658.08(W)2 2 2A-d-0.120.0113(m)44忽略空氣縫隙的影響：Q 匝戈 180 3058.08A0.0113解得： 34.236 (W/(m K)不忽略空氣縫隙的影響:58.08180 300.1 10 3 0.1 10 33.78 10 22.670.0113解得：37.778 (W/(m K)相對(duì)誤差：3423637.778100%9.4%37.778(2)如果計(jì)入輻射傳熱，導(dǎo)熱速率Q應(yīng)減小，得出的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)減小，所以

5、上題的誤差將減小4. 當(dāng)管子外徑與徑之比d2/d 1< 2時(shí)，試證明：通過(guò)管壁的導(dǎo)熱速率按下式計(jì) 算的相對(duì)誤差不超過(guò)4 %。5. 管子的外直徑分別為；di = 107mm , d2 = 127mm ,導(dǎo)熱系數(shù)入=16W/(m K)，管外壁溫度各為350 C及300 C，試求在單位時(shí)間，每米管長(zhǎng)及每平方米外外表的導(dǎo)熱量t1 t2350 300d11, 127In21610742.93 10 (W/m)4Q 2.93 10A 0.127 127.35 10 (W/m )6. 汽管外直徑d1=100mm ,其外表溫度t1 = 180 C,覆蓋有一 50mm 厚的礦渣棉絕熱層，絕熱層外外表溫度t

6、2 = 30 °C ,其導(dǎo)熱系數(shù)由下式?jīng)Q定：入=0.064(1+2.25 X 10-3t)W/(m K)，試求每米管長(zhǎng)的熱損失(W/m)。7. 管徑為 38 X 2.5mm 的油管，管壁導(dǎo)熱系數(shù)為 45W/(m K)，壁溫度為120 C；為減少熱損失，在管外包上兩層絕熱層，第一層是50mm厚的蛭石，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.06W/(m K)，第二層是10mm 厚的石棉泥，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.13W/(m K)。(1) 試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩絕熱層交界面的溫度；(2) 假設(shè)把、外兩絕熱層位置交換一下，熱損失將如何變化？8. 某汽油冷卻器采用25 X2.5mm管子，冷卻水在管以lm/s的流速通過(guò)，

7、進(jìn)出口溫度分別為25 C及45 C，管長(zhǎng)3m，試求管壁對(duì)冷卻水的給熱系數(shù)。1解：在定性溫度tm - 25 45 35C下水的物理性質(zhì)為994 kg m3 ,2Cp = 4.174k J kg K ,= 0.72 7mPa S ,= 0.626W m KRedu20 103 1 9940.727 102.73 104104湍流PrCp334.174 100.727 100.6264.850.8 0.40.6264 080.40.02Re Pr 0.02332.73 104.85d20 10347908W m2 K9. 某煤油冷卻器有19 x 2mm鋼管60根，長(zhǎng)3m ,管冷卻水流速為0.6m/s

8、 ,平均水溫為30 C,管壁溫度為55 C。試求：(1)水在管的對(duì)流給熱系數(shù)：(2)給熱速率解：在定性溫度tm30C下水的物理性質(zhì)為995.7 kg m3 ,Cp = 4.174k J kg K ,= 0.801mPa S ,=0.618W m KRedu15 10 3 0.6 995.71.12 104PrCp0.801 10104湍流334.174 103 0.801 100.6185.410.023 Re0.8 Pr0.4 0.023d1532277W m2 K0翟 1.12 104 081035.410.4(2)根據(jù)牛頓冷卻定律:QiA(tW t) 3227.70.015 3 60 (

9、5530) 6.84 105W10. 上題中，假設(shè)改用管徑為38 x 3mm 鋼管而保持流速及冷卻水總流量不變(管子根數(shù)可變)，求給熱系數(shù)及給熱速率。解：在定性溫度tm 30C下水的物理性質(zhì)為995.7 kg m30.6180.023Re0.8Pr0.4 0.023d2774W. m2 K0.61832 1034 0.82.39 1045.4104Cp = 4.174kJ. kg K = 0.801mPa S = 0.618W m32 10 3 0.6 995.744.32.39 1010 湍 流0.801 10 3Pr4.174 103 0.801 10 3,5.41(2)根據(jù)牛頓冷卻定律3

10、8 x 3mm管子根數(shù):d2nu 4-d'2u40.0152 600.032213QiA(tW t) 27740.03213 (55 30)2.72 105W11.假設(shè)將題8中冷卻器中心管流速提高至1m/s，管徑及水溫不變，求給熱系數(shù)增加的倍數(shù)12.重油以0.2m/s的速度，在徑為50mm的管流過(guò)，進(jìn)口溫度為20 C,出 口溫度為85 C,管壁的平均溫度tw = 100 C,試求管壁對(duì)重油的給熱系數(shù)。 重油的物理參數(shù)如下：2 = 0.125 1.5 x IO-4?, W/(m - K);5 = 1.74 + 2.5xlOr1kJ/(kg- ;v = 2.55/?, m7s;/?= 3x

11、 10A 1/K；p = (L 01 - 6. 25 % UTS) X 10 kg/m養(yǎng)13試計(jì)算套管換熱器中原油的給熱系數(shù)。套管的尺寸為 85 X 5-60 X 5mm，原油的流量為12600kg/h，進(jìn)出口溫度分別為125 C及175 C；原油 的物理性質(zhì)可由以下參數(shù)再查閱圖表集或附錄求得；d：°二O.9084， 80二39.9 X 10-6m2/s ;100 = 18.2 X 10-6m 2/s,特性因數(shù) K = 11.8。試求原油走管或走環(huán)隙時(shí)的給熱系數(shù)。14. 常壓空氣橫過(guò)外徑為50mm管子所組成的管束，空氣由15 C預(yù)熱至39 C, 其在最窄截面處的流速為6m/s，計(jì)算管

12、束為順排與叉排時(shí)的平均給熱系數(shù)。15. 試求從一外徑為60mm、壁溫為120 C的蒸氣橫管到重油(20 C)的自然對(duì)流給熱系數(shù)。蒸汽管置于油罐下方被重油所浸沒(méi)，重油的物理性質(zhì)同題12 o16. 試求水浸式冷卻器管外至水的自然對(duì)流給熱系數(shù)。水的平均溫度為30 C，管外壁溫為70 C,管外徑為89mm17. 兩根橫管具有一樣的外表溫度，都被空氣的自然對(duì)流所冷卻，第一根管直徑5倍于第二根管，如果兩根管的(Gr Pr)值均在1091012圍；試求兩管給 熱系數(shù)之比1/ 2及每米管長(zhǎng)的熱損失之比qq2。18. 正己烷在壓力0.4MPa(表)及溫度131 C下，在某再沸器管外作飽和沸騰， 加熱管外壁平均溫

13、度147 C，己烷的臨界壓力Pc=0.295MPa，試求沸騰給熱 系數(shù)。19. 丙烷飽和蒸汽在水平管束外冷凝，管子總數(shù) 86根，管外徑25mm，正三 角形錯(cuò)列。丙烷冷凝溫度59 C,冷凝潛熱330kJ/kg ;管壁溫度為50 C；丙烷凝液在 55 C 下的物性：卩=O.08MPa s，入=0.085W/(m K)， p =440kg/m 3，試求管外平均冷凝給熱系數(shù)，并與單根管進(jìn)展比擬。20. 某化工廠擬用水在逆流套管冷卻器中冷卻苯液，測(cè)得苯的流量為20t/h，進(jìn)出口溫度為80 C與50 C,冷卻水由25 C升至45 C ,傳熱面積為20m2, 試估計(jì)此冷卻器的傳熱系數(shù) 解:苯的定性溫度Tm詈

14、65 '查得苯在 65 C 下的比熱為：0.45 Cp = 0.45kcal/(kg K) 1.884k J kg Km1Cp1(T1T2 )320 1036001.884 (80 50)314(kW)tmt1 t2(80 45) (50 25),80 45In50 2529.7 °CQAm314 10320 29.7528.3 W/(m 2 K)21. 某芳烴車間需將環(huán)丁砜水溶液由I00 C加熱至115 C,擬用0.362MPa(絕) 的飽和水蒸氣作為加熱劑，環(huán)丁砜溶液的流量為216t/h ，比熱為 2.93kJ/(kg )，假設(shè)加熱器的總傳熱系數(shù)為 680W/(m 2 K

15、),試求水蒸氣的 消耗量及所需要的傳熱面積。3216 103解：Q2 m)2Cp2(t2 tj2.93 (115 100)2637(kW)查得0.362MPa(絕)的飽和水蒸氣的溫度和冷凝潛熱分別為139.9 C和2149 kJ/kg。水蒸氣的消耗量m Q鴛1.23(kg/S)tmt1 t2(139.9 100)(139.9 115)lnt2139.9 100 ln139.9 11531.8 C2637 103680 31.8121.9m222. 在一換熱器中用飽和水蒸氣加熱有機(jī)溶劑，換熱管規(guī)格為25 X 2.5mm鋼管，溶劑在答流動(dòng)，流速為u(m/s),在換熱器干凈無(wú)垢時(shí)測(cè)得：10.0001

16、87 0.0027/u0'8，操作半年后，管側(cè)生垢時(shí)又測(cè)得：Ko0.000464 0.0027/u0'8，假設(shè)假定兩種情況下蒸汽冷凝的給熱系數(shù)相等,Ko且蒸汽側(cè)不生垢，試計(jì)算：(1) 當(dāng)管溶劑流速為2m/s時(shí)，管給熱系數(shù)i ;(2) 水蒸氣冷凝給熱系數(shù)°(3)半年后總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為(3) 操作半年后的污垢系數(shù)Rsi解:/八畑土田當(dāng)缶柚，玄米斤葩H苗八才1Ko1 dob dod m丄與o1才LZA八i di10.0001870.0027/u0'8 相比擬，可得：Ko1 do250.0027/u0.80.0027/2080.00155i dii 20解得：i

17、806(W /(m2 K)根據(jù)總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式11 dob do丄與Koi did mo10.0001870.0027/u0'8 相比擬，可得Kob do10.00252510.000187d mo4522.5o解得：o7983(W/(m2 K)11 d。口 d。b d。1RsiKo i didi dm oKo 0000464。.0027/嚴(yán)相比擬，可得R do b do0.00046410.000187o因丄 0.002525dm o 4522.5所以RsidiRsi250.0004640.0001870.00027720Rsi =0.0002216 m2 K/W23. 某煤油冷

18、卻器由60根25 X 2.5mm的管子組成，水走管，煤油在管間與水呈逆流流動(dòng)。假設(shè)煤油的流量為4500kg/h，進(jìn)、出口溫度分別為78 C及30 C ,水的進(jìn)口溫度為20 C ,出口溫度不得超過(guò)48 C o水側(cè)及油側(cè)的給熱系 數(shù)分別為1.7及0.85kW/(m 2 C )，試求在不計(jì)污垢熱阻時(shí)，該冷卻器所需 的管子長(zhǎng)度(煤油在平均溫度下的比熱容可取1.9kJ/(kg C )，鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)為 45W/(m K)o解：Q1 mQ p1(T| T2)450036001.9 (7830)114(kW)1 丄血Ko i di代入數(shù)據(jù)d mo11250.0025 251Ko 1.7 103 204522

19、.50.85 103解得：Ko =506.7 W/(m 2 C )tmt1 t2Int2(78 48) (30 20),78 48In30 2018.2 °CA n d°L 600.025 LQKim114 103506.7 18.2L=2.62m24. 定流量的空氣在蒸汽加熱器中從20 C加熱至80 C，空氣在管呈湍流流動(dòng)。壓力為0.17MPa（絕）的飽和水蒸氣在管外冷凝?，F(xiàn)因生產(chǎn)需要將空氣流量提高20%，但空氣的進(jìn)出口溫度不變，試問(wèn)應(yīng)將飽和水蒸氣的溫度及壓力增加至多少，方可完成任務(wù)（假定管壁及污垢熱阻均可忽略）？ 解：查得0.17MPa（絕）的飽和水蒸氣的飽和溫度為11

20、4.8 CtmX t2(114.8 20)(114.8 80)60 仁Ct1, 114.8 20.ln 1lnt2114.8 80因飽和水蒸氣在管外冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)相變過(guò)程遠(yuǎn)大于管空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，因此總傳熱系數(shù)近似等于管空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，即K將空氣流量提高20%時(shí)，K' i' 1.20.8 i 1.157K假設(shè)空氣的進(jìn)出口溫度不變，總傳熱量Q' 1.2m2Cp2（t2 tj 1.2Q即 K'A tm' 1.2KA tm1.157KA tm' 1.2KA tm 1.2KA 60.1tm'=62.33 Ctm't1t2(20)

21、仃'80)Int2InT' 20T' 8062.33解得：T'=117 C查得117 C飽和水蒸氣的壓力為0.18MPa25. 在一并流操作的套管換熱器中，用水冷卻柴油，水的進(jìn)出口溫度分別為15 C及40 C，柴油從100 C冷卻至60 C，現(xiàn)因生產(chǎn)需要將柴油出口溫度進(jìn)步降低，在不增加傳熱面積的前提下改為逆流操作， 試求柴油可能到達(dá)的最低 出口溫度（假定柴油、水的進(jìn)口溫度及物理性質(zhì)均不改變 ）。解:®Cp1R=mhCp2t2 t1T1 T240 15100 600.625tm并t1 t2In匕t2(100 15)(60 40),100 15 In60

22、4044.9NTUT T2KAt m并m1C p1100 6044.90.89對(duì)逆流傳熱:1 expNTU(1 R) R exp NTU (1R)0.51391exp0.89(1 0.625)0.625 exp0.89(10.625)T1 T2'100 T2'即： -2- 0.5139T1 t1100 15解得：T2'=56.3 C26.90 C的正丁醇在逆流換熱器中被冷卻至 50 C，換熱器的傳熱面積為6m 2，總傳熱系數(shù)為230W/(m 2C)，假設(shè)正丁醇的流量為1930kg/h，比熱容為 2.95kJ/(kg. C )(70 C時(shí)的數(shù)據(jù))，冷卻介質(zhì)為18 C水，試

23、求:(1)冷卻水的出口溫度；冷卻水的消耗量，m3/h解: (1)QimS®T2)1930360032.95 10(90 50)63261(W)tmQ 63261KA 230 645.84 C設(shè)冷卻水的出口溫度為tm(90 t2) (50 18)Int290 In -50t21845.84解得：t2=26.8 tm 18 26.822.4 C,查得水的比熱為 4.181 kJ/(kg. C)2Q m2Cp2 (t2 tj m2 4.181 103 (26.8 18)63261解得：m2 =1.719 kg/s=6190kg/h27. 在逆流換熱器中，冷油與熱油進(jìn)展熱交換，油的比熱均為 1.68kJ/(kg. C)， 熱油的流量為3000kg/h,并從I00冷卻至25 C ；冷油那么從20 C加熱至40 C。 總傳熱系數(shù)K0隨熱油的溫度T變化如下：熱油溫度，T(C)1008060403025傳熱系數(shù)，KoW/(m 2 C)355350 340310230160試求換熱器的傳熱面積。解：畫(huà)圖積分，參見(jiàn)例題P279例題略28. 外徑為15mm的管子需要保溫，如果采用某石棉絕熱物是否適宜？該石棉 物料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1