化工原理王曉紅版習題答案

...wd......wd......wd...第2章1．鍋爐鋼板壁厚，其導熱系數(shù)。假設粘附在鍋爐內(nèi)壁上的水垢層厚度為，其導熱系數(shù)。鍋爐鋼板外外表溫度為，水垢內(nèi)外表溫度為，求鍋爐每平方米外表積的傳熱速率，并求鋼板內(nèi)外表的溫度?！苍}1〕解：該題為圓筒壁的熱傳導問題，如果設鍋爐的半徑為，則，，，根據(jù)題意，可以得到，所以由圓筒壁的導熱速率方程：其中，，，，，，，。所以根據(jù)圓筒壁的導熱速率方程：可以得到：2．在一φ60×3.5mm的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導熱系數(shù)；外層為20mm的石棉層，平均導熱系數(shù)?，F(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁溫度為500℃，最外層外表溫度為80℃。鋼管的平均導熱系數(shù)，試求每米管長的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。〔原題2〕解：根據(jù)圓筒壁的熱傳導傳熱速率計算公式：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，λ1=45W/(m·℃)，λ2=0.07W/(m·℃)，λ3=0.15W/(m·℃)。所以每米管長的熱損失為：因為所以〔℃〕33．有一列管式換熱器，由38根φ25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管程流動，由20℃加熱到80℃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φ19mm×2.5mm,外管規(guī)格為φ38mm×3mm。苯的流量為1800kg解：苯的定性溫度℃，此狀況下的物性為：，，，苯的流速為：套管的當量直徑為：流體的雷諾數(shù)為：(湍流)由此可得對流傳熱系數(shù)為：與書上答案1794略有不同。55．常壓下溫度為120℃的甲烷以10m/s的平均速度在管殼式換熱器的管間沿軸向流動。離開換熱器時甲烷溫度為30℃，換熱器外殼內(nèi)徑為190mm，管束由37根φ19mm×2mm解：甲烷的平均溫度℃，此狀況下的物性為，，，列管換熱器的當量直徑為：流體的雷諾數(shù)為：(湍流)由此可得甲烷對管的對流傳熱系數(shù)為：66．溫度為90℃的甲苯以1500kg/h的流量通過蛇管而被冷卻至30℃。蛇管的直徑為φ57mm×3.5mm，彎曲半徑為解：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)湍流時甲苯對直管的對流傳熱系數(shù)為：過渡流的校正系數(shù)：圓形彎管的校正系數(shù)為：甲苯對蛇管的對流傳熱系數(shù)為：77．120℃的飽和水蒸氣在一根、長1m的管外冷凝，管外壁溫度為80℃解：〔1〕當管垂直放置時，冷凝傳熱系數(shù)的計算方法取決于冷凝液在管外沿壁面向下流動時的流動型態(tài)。采用試差法，假定冷凝液為層流流動，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：。所以可以計算根據(jù)此計算結(jié)果校核冷凝液膜的流動是否為層流。冷凝液膜流動雷諾數(shù)為：代入相關數(shù)據(jù)后可以求得層流假定成立，以上計算有效?！?〕當管水平放置時，直接用如下公式計算蒸汽冷凝傳熱系數(shù)：88．實驗室內(nèi)有一高為1m，寬為0.5m的鑄鐵爐門，其外表溫度為600℃，室溫為20℃。試計算每小時通過爐門輻射而散失的熱量。如果在爐門前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，鑄鐵爐門被四壁所包圍，鑄鐵黑度為，，角系數(shù)，根據(jù)〔2〕加隔熱板后，輻射傳熱過程可以表示為：爐門1→隔熱板3→墻壁2。爐門輻射散熱量就是它對隔熱板的輻射傳熱量〔1→3〕：爐門與隔熱板相距很近，其輻射可以看作是在兩極大的平面間進展，于是：，其角系數(shù)。隔熱板對周圍墻壁的輻射傳熱量〔3→2〕：其中，。過程到達穩(wěn)態(tài)時，將數(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，然后計算熱損失，也可以利用以下公式直接求?。?9．現(xiàn)測定一傳熱面積為2m2的列管式換熱器的總傳熱系數(shù)K值。熱水走管程，測得其流量為1500kg/h，進口溫度為80℃，出口溫度為50℃；冷水走殼程，測得進口溫度為15℃，出口溫度為解：換熱溫差：熱負荷為：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φ25×2.5mm的鋼管，冷水在管內(nèi)湍流流動，對流傳熱系數(shù)為2000W/(m2?K)。熱氣在套管環(huán)隙湍流流動，對流傳熱系數(shù)為50W/(m2?K)。鋼的導熱系數(shù)為45.4W/(m?K)。試計算：〔1〕管壁熱阻占總阻力的百分數(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數(shù):〔2〕冷水流速提高1倍后，管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)變?yōu)椋嚎倐鳠嵯禂?shù)為：〔3〕氣體流速提高1倍后，管外的對流傳熱系數(shù)變?yōu)椋嚎倐鳠嵯禂?shù)為：1111．實驗測定管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)時，水在換熱器的列管內(nèi)作湍流流動，管外為飽和水蒸汽冷凝。列管由直徑為φ25×2.5mm的鋼管組成。當水的流速為1m/s時，測得基于管外外表積的總傳熱系數(shù)Ko為2115W/(m2·℃)；假設其它條件不變，而水的速度變?yōu)?.5m/s時，測得Ko為2660W/(m2·℃解：設水流速為1m/s時，用表示，K用K1.0表示；速度為1.5m/s時，用表示，K用K1.5表示。由總傳熱系數(shù)的計算式可以得到：兩式相減，可以得到：其中，2115W/(m2·℃)，2660W/(m2·℃)，25mm，20mm。所以，[(m2·℃)/W]根據(jù)流體在圓形直管內(nèi)做湍流時的對流傳熱系數(shù)關系式，可以得到：由以上兩個式子可以求得=3569W/(m2·℃)，=4936W/(m2·℃)。根據(jù)，其中2115W/(m2·℃)，25mm，20mm，22.5mm，b=2.5mm，λ=45W/(m·℃)，=3569W/(m2·℃)?？梢郧蟮?。1212．某套管式換熱器用于機油和原油的換熱。原油在套管環(huán)隙流動，進口溫度為120℃，出口溫度上升到160℃；機油在內(nèi)管流動，進口溫度為245℃〔1〕試分別計算并流和逆流時的平均溫度差；〔2〕假設機油質(zhì)量流量為0.5kg/s，比熱為3kJ/〔kg?℃〕，并流和逆流時的總傳熱系數(shù)K均為100W/(m2?K)，求單位時間內(nèi)傳過一樣熱量分別所需要的傳熱面積?！苍}5〕解：〔1〕逆流時：并流時：〔2〕逆流時換熱面積：并流時換熱面積：1313．某列管換熱器由多根φ25×2.5mm的鋼管組成，將流量為15噸/小時的苯由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/(kg?K)，密度ρ=858kg/m3，粘度μ=0.52×10-3Pa?s，導熱系數(shù)λ=0.148W/(m?K)，熱損失、管壁及污垢熱阻均忽略不計，蒸汽冷凝的α=104W/(m2?K)。試求：〔1〕水蒸氣用量〔kg/h〕；〔2〕傳熱系數(shù)K〔以管外外表積為基準〕；〔3〕換熱器所需管數(shù)n及單根管長度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：，，，帶入表達式有：〔3〕因為所以可以求得換熱面積：又1414．在一套管式換熱器中用水逆流冷卻熱油，換熱器的傳熱面積為3.5m2。冷卻水走管內(nèi)，流量為5000kg/h，流動為強制湍流，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℃，其比熱cp=2.45kJ/(kg?K)。兩流體的對流傳熱系數(shù)均為2000。管壁厚度、管壁熱阻、污垢熱阻均可以忽略。試計算冷熱流體的出口溫度。如果由于工藝改良，熱油的出口溫度需要控制在解：〔1〕原工況下：以上兩式整理化簡后可以得到：此題中，t1=20℃,T1=80℃,Wh=3800kg/h,Wc=5000kg/h,cph=2.45kJ/(kg?K),cpc=4.18所以所以又聯(lián)立上述兩式，可以求得T2=39.9℃，t2=〔2〕在新工況下，聯(lián)立上述方程式，試差求解得到Wc=7135kg/h。1515．某列管換熱器由多根φ25×2.5mm的鋼管組成，管束的有效長度為3.0m。通過管程的流體冷凝殼程流量為5000kg/h、溫度為75℃的飽和有機蒸汽，蒸汽的冷凝潛熱為310kJ/kg，蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)為800W/(m2?K)。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/〔kg·K〕,密度為ρ=860kg/m3，對流傳熱系數(shù)為2500W/(m解：有機蒸汽冷凝放熱量：傳熱溫差總傳熱系數(shù)：所需的換熱面積：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℃，空氣的對流傳熱系數(shù)αi=100W/〔m2?℃〕。換熱器由，L=6m的100根鋼管組成?，F(xiàn)因為工藝需要，空氣流量增加50%，要維持對空氣的加熱要求，有人建議采用如下四種措施：〔1〕將管方改為雙程，〔2〕增加管長到8m，〔3〕將管束改為的規(guī)格，〔4〕將蒸汽溫度提高到124℃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，所以熱負荷：，故滿足要求。措施之二：增加換熱管長：傳熱系數(shù)換熱面積傳熱溫差不變，所以熱負荷：，故滿足要求。措施之三：改為的換熱管:對流傳熱系數(shù)，流量不變的情況下，改變管徑，對流傳熱系數(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：熱負荷：，故滿足要求。措施之四：提高蒸汽溫度：所以可以求得，此時蒸汽壓力為230kPa。注：無論是何種措施，蒸汽流量需要增加40%，滿足熱量衡算的要求。所以〔1〕滿足〔2〕滿足〔3〕滿足〔4〕不滿足。17．一列管換熱器〔管徑φ25×2.5mmmm〕，傳熱面積12m2〔按管外徑計，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，其進口溫度為10℃，流量為5kg/s。已估算出苯冷凝、冷卻時的對流傳熱系數(shù)分別為1500、870；水的對流傳熱系數(shù)為2400。取水側(cè)的污垢熱阻為0.26×10-3，并忽略苯側(cè)的污垢熱阻及管壁熱阻。問此換熱器是否可用水、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，所以換熱過程可以分成兩個過程?！?〕在冷卻過程中，管外流體為80℃的苯液體冷卻到出口溫度45℃，而管內(nèi)的冷卻水從入口溫度10℃根據(jù)熱負荷計算公式，可