化工原理課后習題(第四章)

1、第4章傳熱:耐火醇的熱導率為1.05W m 1 K 14-1、燃燒爐的平壁由下列三種材料構成厚度 b 230mm；絕熱醇的熱 導率為0.93W m %t4 d20.17其中：ln ln 0.0606, K 1。若耐火磚內側溫度為為9400C，絕熱醇與普通醇間的最高溫度不超過0.151W m 1 K 1 ；普通科的熱導率為10000 C ,耐火醇與絕熱醇接觸面最高溫度1300C （假設每兩種磚之間接觸良好界面65mm 113mm 230mm;120mm 240mm。(答：上的溫度相等）。試求：（1）絕熱磚的厚度。絕熱磚的尺寸為： （2）普通科外測的溫度。普通科的尺寸為：50mm b20.460m

2、 ；解：第一層:t4QA34.6 C )t1 t2b1第二層:1t2b21 t1 b11.050.23t2b22 t2t31000940富 940 130b2 0.446m因為絕熱磚尺寸厚度為校核：1.05230mm ,故絕熱磚層厚度b2 取 0.460m,0.23t31000940105.3 C;0.1519400.460t3，、1 ，一t1b1t44-2、某工廠用t2-3 t3b3t42 d2Lnd4d334.6 C。170mm 5mm的無縫鋼管輸送水蒸氣。為了減少沿途的熱損失，在管外包兩層絕熱材料：第一層為厚 30mm的礦渣棉，其熱導率為 0.065W m 1 K 1 ;第二 層為厚30

3、mm的石棉灰，其熱導率為 0.21W m 1 K 1。管內壁溫度為3000 c，保溫層外 表面溫度為400C。管道長50m。試求該管道的散熱量。無縫鋼管熱導率為45W m 1 K 1（答：Q 14.2kW ）解：已知： 棉 0.065W m 1 K 1,灰 0.21W m 1 K 111查表得：鋼 45W m Kd10.16in曳 d2in婚0.170.302 ,d Indin”0.230.2310.0606300 400.302 0.231284W m 1 ,45284 500.0650.211.42 104W 14.2kW。4-3、冷卻水在 19mm 1mm ,長為2.0m的鋼管中以1m

4、s 1的流速通過。水溫由288K升至298K。求管壁對水的對流傳熱系數。(答：4260W m 2 K 1)解：設為湍流288 298水的定性溫度t 293K ,2查表得：cp 4.183kJ kg 1 C 1,0.5985W m 1 K1.004 10 3 Cp 4.183 101.004 10Pas,l 2m, d % 20.017998.2 kg0.017m117.750,Redu0.017 1 998.21.004 10 6一 41.69 10104與假設相符,0.023-Re0.8d0.59850.0230.0170.4Pr一 41.69 100.80.47.014-4、空氣以4m s

5、 1的流速通過一 75.5mm214260W m K 。3.75mm的鋼管，管長20m?？諝馊肟跍囟葹?20C ,出口為680C。試計算空氣與管壁間的對流傳熱系數。如空氣流速增加一倍。其它條件不變，對流傳熱系數又為多少？(答：18.3W m 2 K 1 , 31.7W m 2 K 1)解：設為湍流空氣的定性溫度t 32 68 50 C, 2查表得：Cp 1.005kJ kg 1 C1, 2.83 10 2W m 1.96 10 Pr 7.01 ,Pa s, 1.093 kg m 3 ,68mm ,1.517 104104與假設相符,l 20m , d 75.5 2 3.75% 2%.068 2

6、94 50 du 0.068 4 1.093 Re 52.83 10Prcp1.005 103 1.96 10 52.83 100.698,0.80.40.023 Re Pr d 一一 一 22 83 104 0.80.4210.0231.517 1040.69818.3W m 2 K 1,0.068當u 2u時0.80.40.80.8210.023 Re Pr 218.3 231.7W m K 。d, “0.293 0.02 13 0.14211.86 976 200 0.0555199W m 2 K 1。0.0234-5、有一套管式換熱器，外管尺寸為出口為400Co試求管38mm 2.5m

7、m ,內管為 25mm 2.5mm 的鋼管，冷水在管內以 0.3m s 1的流速流動。水進口溫度為200C ,壁對水的對流傳熱系數。（答：1640W m 2 K 1） 解：設為湍流 20 40水的定性溫度t30 C ,2查表得：cp 4.174kJ kg 1 C 1 ,ReducpPr_ _110.618W m K ,801.5 10 6Pa s,995.7kg m 3,0.02 0.3 995.74 匕03 3rm6- 7456 10與假設不符,801.5 104.174 103 801.5 10 65.41 ,0.618為過度流,0.023-Re0.8 Pr0.4 d0.023 00.02

8、6 105D 0.8Re7456 0.8 5.41 0.4 1753W m 2 K 1 ,6 1051 08 0.9358,7456一 一一 一20.935817531640 W m K4-6、現測定套管式換熱器的總傳熱系數，數據如下：甲苯在內管中流動，質量流量為 5000kg h 1 ,進口溫度為800C,出口溫度為500C;水在環(huán)隙中流動，進口溫度為150C, 出口為300Co逆流流動。冷卻面積為 2.5m2。問所測得得總傳熱系數為若干？（答：737W m 2 K 1 ）解：甲苯的定性溫度t 80 5065 C,2查表得：cp 1.88kJ kg 1 C 1,-50003Q Gcp 11t

9、21.88 103 80 50 78.3kW ,p3600t1 T2 80 30 50 C,t2 T1505015 35 C,352,tm50 35 42.5 C78.3 10A tm2.5 42.523-737W m * 24-7、在一套管式換熱器中，內管為 180mm 水流量為3000kg h 1,進口溫度為900C,出口為 出口溫度為500C,總傳熱系數K 2000W m 2（1）冷卻水用量；（2）并流流動時的平均溫度差及所需的管子長度；（3）逆流流動時的平均溫度差及所需的管子長度。（答：（1） 3000kg h 1 ； （2） 30.6 C , 3.4m10mm的鋼管，內管中熱水被冷卻

10、，熱 600C。環(huán)隙中冷卻水進口溫度為 200C ,K 1。試求：(3) 40 C , 2.6m )解：Cp pQG2114.186kJ kg 1 C 1,G1Cpt1 t2G2Cp T2 T13000 4.186 90 604.186 50 20 T190 20 70 C,T260 50 10 C,3000kgtm70 50,70 ln -10Q30.6 C ,3000 4.186 10390 60K tm3600 200030.61.71m2 ,1.71d T2 T1 403.4m ；3.14 0.16906050 40 C20 40 C40QKimAtm40 4023000 4.186

11、10390 603600 2000 4021.31m2 ,1.312.6md 3.14 0.164-8、一套管式換熱器內流體的對流傳熱系數211200W m 2 K 1 ,管外流體的對流傳熱系數 2 350W m題：(1)(2)2_ _ 1K 。已知兩種流體均在湍流情況下進行換熱。試回答下列問200 350200 350_2127W m K管內流速增加一倍，即 Ui2ui ,因為是湍流情況下的換熱，故：0.8里 20.8 1.74,131 1.74 11.74 200 348W m 2 K174.5127348 350348 3501.37 倍；21174.5W m 2 K 1管外流速增加一倍

12、，即 u2 3u2,因為是湍流情況下的換熱，故：0.8上u230.8 2.408,2 U23 2.41 2 2.41 350842.8W m 2 K200 842.8200 842.8_2161.6W m KK 161.6 - 1.27 倍。K 1274-9、有一套管式換熱器，內管為 54mm 2mm ,外管為 116mm 4mm的鋼管。 內管中苯被加熱，苯進口溫度為500C,出口為800C。流量為4000kg h 1。套管中為21.p 196.1kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷凝的對流傳熱系數為10000W m K 。已知管內213壁的垢阻為0.0004m K W ,管壁及管外側熱阻均可不計。苯的

13、密度為 880kg m 。 試求：（1）加熱水蒸氣用量；（2）管壁對苯的對流傳熱系數；（3）完成上述處理所需套管的有效長度。（答：（1） 100kg h 1； （2） 985W m 2 K 1 ； （3） 10.6m）解：苯的定性溫度t 80 5065 C ,2 1_ 1查表得：Cp 1.86kJ kg C ,1 10.145W m K , 0.39 10 3Pa s, 880 kg m 3 ,p 196.1kPa 下：飽和水蒸氣的飽和溫度ts 119.6 C,汽化熱r 2205kJ kg 1；QG蒸氣r G苯Cp t2t1G苯Cp t2t1G蒸氣4000 1.86 80 502205100k

14、g h設為湍流qm36004 400020.0588010.645m s ,Redu0.05 0.645 880Prcp30.39 1031.86 100.39 107.3 1040.145104與假設相符,t1t20.023 Re08 Pr d0.02305 7.30.4TiT269.60.05119.64 0.8105 0.4985W39.6Ki5069.6 C119.6802,tm39.6 C ,39.6 69.654.6 C ,d1R 12d21 0.00049850.0510000 0.10821684W m 2 K 1K tmA4000 1.86 10380 5021.66m2 ,

15、3600 684 54.61.6610.6m0.054-10、空氣在預熱器內從 200C加熱至800C持空氣進出口溫度不變，而將預熱器內的空氣流量增加1160C的飽和蒸汽在管外冷凝，若保20% ,而預熱器不更換。試通過定量計算來說明采用什么措施來完成新的生產任務？假定空氣在管內做湍流流動,且總傳熱系數K約等于空氣一側的對流傳熱系數。(答：管徑縮小為原來管徑的0.955倍；管長增加為原來管長的1.037倍；將加熱蒸氣的溫度升為118.1 C)解： Wc 1.2Wc 故 QWccpc(t2 t1) 1.2Q,根據 Q KS tm,且 Q 1.2Q , 故可從以下三方面著手提高生產能力:增大K值，即

16、提高空值,0.8u空 0 2，而ud .物性不變:Vsd20.8Vs,1.8 ,ddL d可減小dKS tmKStmVs 而一Vs d1.2,0.955,tm不變Vs%1%d 1.8Vs0.8d0.81.2,1.20.8VsVs0.21.2，d即管徑縮小為原來管徑的0.955倍;增大S :由S dL,故S L ,因管徑d不變，3也不變,0.8VsVs0.8KAViL1.2,KSVsL而VsVs0.81.037 ,1.2, L- 1.2 VI1.2L Vs即管長增加為原來管長的 1.037倍;提高tm :由于t1,KKt2不變，故只能升高加熱蒸氣的溫度T ,此時S不改變,0.8VsVS1.20.

17、8Q K tm Q K tmtm(116 20) (116 80)帖理3116 8061.2 C,1.20.81.2tmtm(T即1.220)61.20.2 61.2(T 80)ln0T 8063.47 C ,63.47 C ,ln T-200.945 ,T 80T 118.1 C,即將加熱蒸氣的溫度升為118.1 Co4-11、在列管換熱器中，用飽和蒸汽加熱原料油，溫度為1600 c的飽和蒸汽在殼程冷凝，原料油在管程流動并由 200C力口熱至ij 1060C。操作溫度下油的密度為 920kg m 3,油在管中的平均流速為 0.75m s 1 ,換熱器熱負荷為125kW。列管換熱器共有25根1

18、9 2mm的管子，管長為4m。若已知蒸汽冷凝系數為 7000W m 2 K 1 ,油側污垢熱阻為00005m2 K W 1 ,管壁和蒸汽側污垢熱阻可忽略。 試求管內油側對流傳熱系數為多 少？若油側流速增加一倍，此時總傳熱系數為原來的1.75倍，試求油的出口溫度，設油的物性常數不變。(答：360W m 2 K 1 , t2 99.5 C )解：tm160 20160 106,160 20ln 一160 106基于管內表面總傳熱系數:KiQsim125 10325 3.14 0.015 4 9021295W m 2 K 1q 11c由 一RsK i idi0d0即短0.00050.0157000 0.019360W m 2 K由原熱負荷： Q W4cpe (106 20) 1.25 105, 31得：WCCp1.45 10 W K ,pc3現熱負荷：Q2WcCpc (t2 20) 2 1.45 1