04化工原理第四章习题答案.pdf

4 1 燃烧炉的平壁由下列三种材料构成 耐火砖的热导率为 KmW05 1 11 厚度mm230 b 绝热砖的热导率为 11 KmW151 0 普通砖的热导率为 11 KmW93 0 若耐火砖内侧温度为C10000 耐火砖与绝热砖接触面最高温度 为C9400 绝热砖与普通砖间的最高温度不超过C1300 假设每两种砖之间接触良好界面 上的温度相等 试求 1 绝热砖的厚度 绝热砖的尺寸为 mm230mm113mm65 2 普 通 砖 外 测 的 温 度 普 通 砖 的 尺 寸 为 mm240mm1200mm5 答 m460 0 2 b C6 34 4 t 解 第一层 1 1 21 b tt A Q 第二层 2 2 32 b tt A Q 32 2 2 21 1 1 tt b tt b 130940 151 0 9401000 23 0 05 1 2 b m446 0 2 b 因为绝热砖尺寸厚度为mm230 故绝热砖层厚度 2 b取m460 0 校核 3 940 460 0 151 0 9401000 23 0 05 1 t C3 105 3 t 43 3 3 21 1 1 tt b tt b C6 34 4 t 4 2 某工厂用mm5mm170 的无缝钢管输送水蒸气 为了减少沿途的热损失 在 管外包两层绝热材料 第一层为厚mm30的矿渣棉 其热导率为 11 Km0 065W 第二 层为厚mm30的石棉灰 其热导率为 11 Km0 21W 管内壁温度为C3000 保温层外 表面温度为C400 管道长m50 试求该管道的散热量 答 kW2 14 Q 解 已知 11 Km0 065W 11 Km0 21W 查表得 11 KmW54 钢 3 4 32 3 21 2 1 41 ln 1 ln 1 ln 1 2 d d d d d d tt l Q 其中 0606 0 16 0 17 0 lnln 1 2 d d 302 0 17 0 23 0 lnln 2 3 d d 231 0 23 0 29 0 lnln 3 4 d d 1 mW284 21 0 231 0 065 0 302 0 45 0606 0 403002 l Q kW2 14W1042 1 50284 4 Q 4 3 冷却水在mm1mm19 长为m0 2的钢管中以 1 s1m 的流速通过 水温由 88K2升至K298 求管壁对水的对流传热系数 答 12 Km4260W 解 设为湍流 水的定性温度K293 2 298288 t 查表得 11 CkgkJ183 4 p c 11 KmW5985 0 sPa10004 1 3 3 mkg2 998 m2 l m017 0 d 507 117 017 0 2 d l 44 6 101069 1 10004 1 2 9981017 0 Re du 与假设相符 01 7 5985 0 10004 110183 4 Pr 33 p c 4 08 0 PrRe023 0 d 12 4 0 8 0 4 KmW426001 7 1069 1 017 0 5985 0 023 0 4 4 空气以 1 s4m 的流速通过一mm75 3 mm5 75 的钢管 管长20m 空气入口 温度为C320 出口为C680 试计算空气与管壁间的对流传热系数 如空气流速增加一倍 其它条件不变 对流传热系数又为多少 答 12 Km18 3W 12 KmW7 31 此题与书中的例 4 4 一模一样 而且例题中的参数是有错误的 解 设为湍流 空气的定性温度C50 2 6832 t 查表得 11 CkgkJ005 1 p c 112 KmW1083 2 sPa1096 1 5 3 mkg093 1 m20 l mm6875 325 75 d 50294 068 0 20 d l 44 5 1010517 1 1083 2 093 1 4068 0 Re du 与假设相符 698 0 1083 2 1096 1 10005 1 Pr 2 53 p c 4 08 0 PrRe023 0 d 12 4 0 8 0 4 2 KmW3 18698 0 10517 1 068 0 1083 2 023 0 当uu2 时 128 08 04 08 0 KmW7 3123 182PreR023 0 d 4 5 甘油在一列管式换热器中进行冷却 进口温度为C1500 出口温度为C400 甘 油走管内 流速为 1 s0 8m 换热器用mm5 2mm25 长为m3的钢管 管壁的平均 温度为C350 试求甘油对管壁的对流传热系数 C950时甘油的密度 3 mkg1220 答 12 Km199W 此题涉及到圆形直管内强制层流时的对流传热系数的求解方法 在书本中没有关于这部分的内容 解 甘油的定性温度C95 2 40150 t 查表得 11 CkgkJ93 2 p c 11 KmW293 0 sPa1020 3 3 mkg1220 sPa36 0 w 2300976 1020 12208 0020 0 Re 3 l d 60150 02 0 3 d l 0555 0 36 0 1020 3 w 14 0 3 1 PrRe86 1 w l d d 12 14 0 3 1 KmW1990555 0 3 02 0 200976 02 0 293 0 86 1 4 6 有一套管式换热器 外管尺寸为mm5 2mm38 内管为mm5 2mm25 的 钢管 冷水在管内以 1 s0 3m 的流速流动 水进口温度为C200 出口为C400 试求管 壁对水的对流传热系数 答 12 Km1640W 解 设为湍流 水的定性温度C30 2 4020 t 查表得 11 CkgkJ174 4 p c 11 KmW618 0 sPa105 801 6 3 mkg7 995 4 6 107456 105 801 7 9953 002 0 Re du 与假设不符 为过度流 41 5 618 0 105 80110174 4 Pr 63 p c 4 08 0 PrRe023 0 d 湍 12 4 08 0 KmW175341 5 7456 02 0 618 0 023 0 9358 0 7456 106 1 Re 106 1 8 0 5 8 0 5 f 12 KmW164017539358 0 湍过 f 4 7 现测定套管式换热器的总传热系数 数据如下 甲苯在内管中流动 质量流量为 1 h5000kg 进口温度为C800 出口温度为C500 水在环隙中流动 进口温度为C150 出口为C300 逆流流动 冷却面积为 2 m5 2 问所测得得总传热系数为若干 答 12 Km737W 解 甲苯的定性温度C65 2 5080 t 查表得 11 CkgkJ88 1 p c kW3 7850801088 1 3600 5000 3 21 ttGcQ p C503080 21 Tt C351550 12 Tt 2 35 50 C5 42 2 3550 m t 12 3 KmW737 5 425 2 103 78 m tA Q K 4 8 在一套管式换热器中 内管为mm10mm180 的钢管 内管中热水被冷却 热 水流量为 1 h3000kg 进口温度为C900 出口为C600 环隙中冷却水进口温度为C200 出口温度为C500 总传热系数 12 Km2000WK 试求 1 冷却水用量 2 并流流动时的平均温度差及所需的管子长度 3 逆流流动时的平均温度差及所需的管子长度 答 1 1 h3000kg 2 C30 6 3 4m 3 C40 6m2 解 11 CkgkJ186 4 p c 122211 TTcGttcGQ pp 1 2 hkg3000 2050186 4 6090186 4 3000 G C702090 11 Tt C105060 22 Tt C6 30 10 70 ln 5070 m t 2 3 m71 1 6 3020003600 609010186 4 3000 m tK Q A m4 3 16 0 14 3 71 1 d A L C405090 21 Tt C402060 12 Tt 2 40 40 du 与假设相符 5 145 0 1039 0 1086 1 Pr 33 p c 4 08 0 PrRe023 0 d 12 4 0 8 0 4 KmW9855103 7 05 0 145 0 023 0 C6 69506 119 11 Tt C6 39806 119 22 Tt 2 6 39 6 69 C6 54 2 6 696 39 m t 12 22 1 1 1 KmW684 108 0 10000 05 0 0004 0 985 1 1 1 1 d d R K 2 3 m66 1 6 546843600 50801086 1 4000 m tK Q A m6 10 05 0 66 1 d A L 4 11 空气在预热器内从C 0 20加热至C 0 80 C 0 161的饱和蒸汽在管外冷凝 若保持 空气进出口温度不变 而将预热器内的空气流量增加 20 而预热器不更换 试通过定量 计算来说明采用什么措施来完成新的生产任务 假定空气在管内做湍流流动 且总传热系数 K约等于空气一侧的对流传热系数 答 管径缩小为原来管径的955 0 倍 管长增加为原 来管长的037 1倍 将加热蒸气的温度升为C1 118 解 WccW2 1 故QttccWQ c p 2 1 12 根据 m tKSQ 且QQ2 1 故可从以下三方面着手提高生产能力 增大K值 即提高 空 值 物性不变 2 0 8 0 d u K 空 而 2 d V u s 8 1 8 0 d V K s 可减小d 而ddLS m t 不变 2 1 8 0 8 1 8 1 8 0 dVd ddV tKS tSK Q Q s s m m 而2 1 s s V V 2 0 8 0 8 0 2 12 1 s s V V d d 955 0 d d 即管径缩小为原来管径的955 0 倍 增大S 由dLS 故LS 因管径d不变 m t 也不变 且 8 0 s s V V K K 2 1 8 0 L L V V KS SK Q Q s s 而2 1 s s V V 037 1 2 12 1 2 0 8 0 s s V V L L 即管长增加为原来管长的037 1倍 提高 m t 由于 1 t 2 t不变 故只能升高加热蒸气的温度T 此时S不改变 8 0 8 0 2 1 s s V V K K m m tK tK Q Q C2 61 80116 20116 ln 80116 20116 m t 2 61 2 12 1 8 0 m t C47 632 612 1 2 0 m t 即C47 63 80 20 ln 80 20 T T TT 945 0 80 20 ln T T C1 118 T 即将加热蒸气的温度升为C1 118 4 12 在某单壳程双管程列管换热器中 壳程为流量 1 hkg25000 的有机液体 其比 热容为 11 KkgJ1800 cp C 由C 0 90冷却至C 0 50 管程冷却水流速为 1 sm3 1 进出口温度为C 0 25和C 0 53 又知有机液体侧和水侧的对流传热系数分别为1200和 12 KmW5800 管外侧污垢热阻为 124 WKm107 1 忽略管壁阻力和管内侧污 垢热阻 当管子规格为mm5 225 时 试求管子根数及管长 答 60根 6m3 本 题涉及到具体换热器的问题 在解题过程中需要查校正系数 t 图 而在课本中没有这个 图 解 W10550901800 3600 25000 5 21 1 1 ttcGQ p 12 4 0 0 0 0 KmW4 820 205800 25 107 1 1200 1 1 1 1 iid d Rs K C553590 21 Tt C252550 12 Tt C38 25 55 ln 2555 m t 4 2535 5090 12 21 TT tt R 154 0 2590 2535 11 12 Tt TT P 查校正系数 t 图中单壳程多管程图得 95 0 t C363895 0 mtm tt 2 5 0 m93 16 364 820 105 m tK Q A 21 1 112 2 2 ttcGTTcGQ pp 1 3 5 12 2 21 1 1 2 skg12 253510183 4 105 TTc ttcG G p p 水的比热 11 KkgkJ183 4 p c 水的密度 3 mkg996 132 012 0 996 12 sm G Vs 每程管子数 30 3 102 0 4 012 0 4 22 ud V n i s 302025 0 00 LLndS m6 3 302025 0 14 3 93 16 L 其中总管数 602 nN 4 13 在列管换热器中 用饱和蒸汽加热原料油 温度为C 0 061的饱和蒸汽在壳程冷 凝 原料油在管程流动并由C 0 20加热到C 0 061 操作温度下油的密度为 3 mkg920 油 在管中的平均流速为 1 sm75 0 换热器热负