化工原理王晓红版习题答案

1、第2章1锅炉钢板壁厚 120mm ，其导热系数 1 46.5W/ m K 。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/ m K 。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 ，r2 r ， r3 r 0.001 ，根据题意，可以得到 r1 r2 r3，所以 Sm1 Sm2Qt1 tn 1t1 t3n bib1b2i 1 iSmi1Sm12Sm2由圆筒壁的导热速率方程：其中，

2、t1 523K ，t3 473K ， 146.5W/ m K ， 2 1.162W/ m K ，b1 0.02m ，b2 0.001m， Sm1 Sm2 S。所以qQt1 t3S b1 b212523 473W/m0.02 0.00146.5 1.1623.874W/m根据圆筒壁的导热速率方程：t1 tn 1bit1 t2b1506.3(K)可以得到： t2 t1-qb1 523 3.874 0.0022 1 1 46.52在一 603.5mm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/

3、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. . 下载可编辑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：Qt1 tbii Smii1t1 t 4 b1b21Sm12Sm2b32L t1 t4 b1b2b31rm12rm23rm3t 1=500 ， t 4=80 ， r 3=30+40=70(mm) ， 1=45W/( m) ，式中：r 1=60/2-3.5=26.5(mm) ， r 2=60/2=30(mm) ， r 4=70+20=90(mm) ， 2=0.07W/( m) ，b1

4、=3.5mm ， b2=40mm， b3=30mm， 3=0.15W/( m) 。r1 r226.5 30rm122r3 r270 30rm2r37047.2(mm)ln 3lnr230r3 r470 90rm380(mm)22所以每米管长的热损失为：2 b1t 1 t4 b2b31rm12rm23rm3500 8023.1423.1423.54045 28.30.07 47.2QL191.6W/m0.15 8020W/m因为Qnt1 tn 1n bi2Lt1 t42Lb1b2b3i 1 iSmi1rm12rm23rm32所以 t3 t4 Qb3L 2 3rm380191.620Lt3 t4L

5、b33rm32 3.142 0.15 80130.8 ()3有一列管式换热器，由 38 根 25 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 10.2 kg/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）. . 下载可编辑解：（1）苯的定性温度 20 80 50 ，此状况下的物性为：230.45mPa s，860kg / m3，cp 1.80kJ/ kg ， 0.14W / m 根据公式0.023 di Re0.8Pr0.4di =0.020m，Reudu10.2860 38

6、0.02240.020 1.0 8600.45 101.0m / s38222 （ 湍流）PrCp1.80 0.455.7860.14i 0.023 Re0.8 Pr0.4di0.023 0.14 382220.8 5.7860.4 W / m2 0.0201505W / m2 12）苯的流量增加 1 倍后，ii 20.8 1505 20.8W/ m2 2620W / m2 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 19 mm2.5mm, 外管规格为 38 mm3 mm。苯的流量为 1800 kg/h ，求苯对 内管壁的对流传热系数。解：苯的定性温度 20 80

7、50 ，此状况下的物性为：20.45mPa s，860kg / m3，cp 1.80kJ/ kg ， 0.14W / m 苯的流速为：ws18001.12m / sA 3600 8600.0322 0.01924套管的当量直径为：. . 下载可编辑224d12 d22de4d1 d2 32 19 mm 13mmd1 d2流体的雷诺数为：Redeu0.013 1.12 860327826 （ 湍流 ）0.45 10 3Cp1.80 0.45Pr5.790.14d1d2321.68191.65由此可得对流传热系数为：1 0.530.8 3d10.02 Re0.8 Pr31ded210.140.83

8、0.02278260.8 5.79 30.0131832W / m2 0.5332 W / m2 19与书上答案 1794W / m2 略有不同5常压下温度为 120的甲烷以 10 m/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 190 mm，管束由 37 根19 mm2mm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20.012mPa s ，0.562kg /m3，cp 2.48kJ / kg ，0.04W / m 列管换热器的当量直径为：de224d12 37d224d1 37 d2

9、22 d12 37d22 d1 37 d2190219037 192mm37 1925.47mm流体的雷诺数为：Redeu0.02547 10 0.5620.01210 311928 （ 湍流）由此可得甲烷对管的对流传热系数为：. . 下载可编辑0.023deRe0.8Pr0.30.023 0.00.205447 119280.82.48 0.0120.040.32W/ m2流体的流速为：u 1Vs 21 d2 4流体的雷诺数为：ms1 d24Redu0.05 0.255 831.80.3864 1027447 （ 湍流）湍流时甲苯对直管的对流传热系数为：0.023 d Re0.8 Pr0.3

10、0.023 0.1238 27447 0.80.05022162.3W / m2 1.853 0.38640.12380.3W/ m2过渡流的校正系数：6 105Re1.86 1052744.71.80.61260.3W / m2 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57 mm3.5mm，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：230.3864mPa s，831.8kg/m3，cp 1.853kJ / kg ， 0.1238W / m m/s 0.255m/ s 1236

11、00 3.142 0.0502 831.84圆形弯管的校正系数为：1 1.77di 1 1.77 0.050 1.1475R 0.6甲苯对蛇管的对流传热系数为： 0.612 1.1475 342.7 0.612 1.1475W / m2 240.7W / m2 . . 下载可编辑7120的饱和水蒸气在一根 25 2.5mm 、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：23垂直1.13 r g lt液膜温度为 1

12、20 80 100 ，该温度下水的物性为 0.283mPa s ，2958.4kg/m3 ，0.683W / m 冷凝温度为 120，此温度下水的相变焓为： r 2205.2kJ / kg 。所以可以计算垂直1.1323rglt12205.2 103 958.42 9.81 0.6833 4 21.13 3W / m2 0.283 10 3 1 120 8025495.3W / 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：Re doudoG4S/ do qm /S4Q/ r do 4 垂直 dol tQ / r do4 垂直l tr代入相关数据后可以求得4 垂直 l

13、 t 4 5495.3 1 120 80 Re r 2205.2 103 0.283 10 3 1409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：水平0.72523rgdo t0.7253 2 32205.2 103 958.42 9.81 0.68330.283 10 3 0.025 120 804W/ m2 8866.7W / m2 . . 下载可编辑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

14、，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，C1 2 1C0，角系数 1 2 1 ，根据Q1 2C1 2 1 2S4T1 41004T2 41000.78 5.669 1 1 0.54600 273.15 4100430 273.15 410012664W（ 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（ 13）：44T1 4 T3 4Q1 3 C1 3 1 3S1 3 1 3 1 3 100 100炉门与隔热板

15、相距很近，其辐射可以看作是在两极大的平面间进行，于是：C1 3C01 1 1135.6691 1 10.78 0.783.62 ，其角系数 1 3 1隔热板对周围墙壁的辐射传热量（ 32）：444 T2 4Q3 2 C3 2 3 2S100100其中C3 2 3C00.785.669 4.42 ，32过程达到稳态时，Q1 3Q3 2C1 3 1 3S100100C3 2 3 2S1004T2 4100将已知数据代入上述公式，可以得到. . 下载可编辑3.62 11 0.5 600 273.151001004.42 11 0.54T3 4 304273.15 4求出 T3718.39K10010

16、0443.24所以热损失为：Q Q1 3 C1 3 1 3S1001003.62 1 1 0.54600 273.15 4718.391001005700W3）如果将隔热板换为氧化的铝板，其黑度为3 0.15 ，则有C1 3C01 1 1135.6691 1 10.78 0.150.816直接求取：Q Q1 3 Q3 2C3 23C0 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44T1 600 273.15T2 4100 100 11C1 3 1 3S1 C3 2 3 2S1430 273816 1 0.5

17、 0.85 1 0.51192W99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）. . 下载可编辑解：换热温差：tm 1t 2tln 2* 1ttT2 t1 T1 t2ln T2 t1t250 15 80 30 42.0650 15 ln80 30热负荷为：1500 3 4.18 1033600所以换热器的总传热系数：Q WcCpc T1 T280 50W 52.25kWKQKoSo tm

18、352.25 10 2 W/ m 2 42.06621.1W / m2 1010热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管为 252.5mm的钢管，冷水 在管内湍流流动，对流传热系数为 2000 W/（m? K）。热气在套管环隙湍流流动， 对流传热系数为 50 W/（m2? K）。已知钢的导热系数为 45.4 W/（m ? K）。试计算： （ 1）管壁热阻占总阻力的百分数；（ 2）冷水流速提高一倍，则总传热系数有 何变化？（ 3）气体流速提高一倍，则总传热系数有何变化？ （原题 8 ） 解：（1）根据题意dmdo di25 20lndodiln 25mm22.4mm20管壁热阻占总阻力的百分数b

19、ddm1 doR doi diRsi dib do100%dmRso20.8 2000 20.8W/ m2 3482W / m2 2.5 10 3 25总传热系数为：. . 下载可编辑Ko1 do1R do b doR 1RsiRsoi dididm131 25 2.5 10 303482 20248.97W / m2 45.42522.4W / m2 1503)气体流速提高 1 倍后，管外的对流传热系数变为：oo20.8 50 20.8W/ m2 87.06W / m2 总传热系数为：Ko1 doi di1do b doRsididm11 25 0 2.5 10 3 25 2000 20 0

20、 82.15W / m2 1 W / m2 45.422.487.0611 11实验测定管壳式换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动， 管外为饱和水蒸汽冷凝。 列管由直径为 252.5mm的钢管组成。 当水的流速为 1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数 Ko为 2115 W/( m 2) ；若其它条 件不变，而水的速度变为 1.5m/s 时，测得 Ko为 2660 W/( m2 ) 。试求蒸汽冷 凝传热系数。假设污垢热阻可以忽略不计。解：设水流速为 1m/s时， i用 1.0表示， K用 K1.0表示；速度为 1.5m/s 时， i用1.5表示， K用 K1.5表示。由总传热

21、系数的计算式可以得到：11dob do1K1.01.0didm11dob do1K1.51.5didm两式相减，11可以得到： 1 1do 11K1.0K15di1.01.5其中，2K1.0 2115 W/( m 2 ) ， K1.522660 W/( m 2 ) ， do 25mm，. . 下载可编辑di 20mm。11di1120 11.01.5doK1.0K1525 2115126607.76 10 5 ( m 2)/ W根据流体在圆形直管内做湍流时的对流传热系数关系式，可以得到：0.8u1.51.50.81.5 1.0u1.0由以上两个式子可以求得21.0 =3569 W/（ m2），

22、1.0 1.383 1.021.5 =4936 W/( m2)。根据K11.01 dob do1.0 di dm12，其中 K1.0 2115 W/( m2)， do 25mm， odi 20mm， dm222.5mm，b=2.5mm，=45W/( m)， 1.0 =3569 W/( m )。可以求得 o 15900W / m2 。1212某套管式换热器用于机油和原油的换热。原油在套管环隙流动，进口温度 为 120 ，出口温度上升到 160；机油在内管流动，进口温度为 245，出口 温度下降到 175。（1）试分别计算并流和逆流时的平均温度差；（ 2）若已知机油质量流量为 0.5kg/s ，比

23、热为 3kJ/ （kg? ），并流和逆流时 的总传热系数 K均为 100 W/（m2? K），求单位时间内传过相同热量分别所需要的 传热面积。（原题 5）解：（1）逆流时：tm1t 2tT2 t1t21tln 2tln T2 t1T1t2175 120 245 160175 120ln245 16068.9并流时：tm1t 2tT2 t21tln 2tln T1 t1T2 t2245 120 175 160245 120ln175 16051.92）逆流时换热面积：. . 下载可编辑QWhcph T1 T2Ko mtKo mt并流时换热面积：0.5 3000 245 175 m2 15.2m2

24、100 68.9SoQWhcph T1 T2Ko mtKotmQcWcC pc t2t115 10336001.76 10355 20W 256.7kW0.5 3000 245 175 m2 20.2m2100 51.91313某列管换热器由多根 252.5mm的钢管组成， 将流量为 15吨/ 小时的苯由 20加热到 55，苯在管中流速为 0.5m/s ，加热剂为 130的饱和水蒸气在管 外冷凝，其汽化潜热为 2178kJ/kg ，苯的比热 cp=1.76kJ/（kg ? K），密度 3 -3=858kg/m3，粘度 =0.52 10-3Pa? s，导热系数 =0.148W/（m? K），热损

25、失、 管壁及污垢热阻均忽略不计，蒸汽冷凝的=104 W/（m2? K） 。试求：（1）水蒸气用量（ kg/h ）；（ 2）传热系数 K（以管外表面积为基准） ；（3）换热器所需管数 n及单根管长度 l 。解：（1）加热冷流体苯所需要的热量水蒸汽用量：Q 256.7kWWh0.1179kg / s 424.3kg / hh r 2178kJ / kg（2）流体在管内强制湍流传热系数 苯的平均温度 55 20 37.5 ，此状况下的物性为：20.52mPa s，858kg / m3 ， cp 1.76kJ / kg ， 0.148W / m Redu0.020 0.5 8580.52 104165

26、00 104Prcp31.76 10330.52 10 30.148 106.1838带入 i 表达式有：. . 下载可编辑0.023 Re0.8 Pr0.4 d0.023 0.148 165000.8 6.18380.4 W / m2 0.02834.5W / m2 10000W / mKoKo3)1 do1i di625.8W / m2因为Vs12dn4所以可以求得换热面积： Sotmt1 t2ln t1t21 25834.5 20ms131Ko tmSoKomt1 m2 /W10000150003600T t1ln T t1T t2256.7 103 2 m625.8 91.4m/ s

27、0.5m/ s 123.142 0.0202 858 n4130 20 130 55 91.4ln 130 20130 5524.488m2又 So n dollSon do4.487m31 3.142 0.0251.84m1414在一套管式换热器中用水逆流冷却热油，已知换热器的传热面积为3.5m2。冷却水走管内，流量为 5000kg/h ，流动为强制湍流，入口温度为 20；热油走 套管环隙，流量为 3800kg/h ，入口温度为 80，其比热 cp=2.45kJ/(kg ? K)。已知两流体的对流传热系数均为 2000W / m2 K 。管壁厚度、管壁热阻、污垢 热阻均可以忽略。试计算冷热流

28、体的出口温度。如果由于工艺改进，热油的出 口温度需要控制在 35以下，当通过提高冷却水流量的方法来实现时，冷却水 的流量应控制为多少？. . 下载可编辑解：( 1)原工况下：Qc WcC pc t2 t1 Qh WhC ph T1 T2Q KS tm KS T1 t2 T2 t1 WhCph T1 T2 ln T1 t2T2 t1以上两式整理化简后可以得到：ln T1 t2KS 1 WhCphT2 t1 WhCphWcCpc本题中， t 1=20, T 1=80, Wh=3800kg/h, Wc=5000 kg/h, c ph=2.45 kJ/(kg ? K), cpc=4.18 kJ/(kg

29、 ? K),3800 2.455000 4.180.4455所以 T1t2 expKS 1WhCphT2t1WhCphWcCpc又WcCpct2 t1WhCph T1T2T1 T2WcCpc12.245t2 t1WhCph0.4455所以WWchCCppchexp1000 3.53800360032.45 1031 0.44552.12联立上述两式，可以求得 T2=39.9 ， t 2=37.8 ( 2)在新工况下，联立上述方程式，试差求解得到 Wc=7135kg/h。1515某列管换热器由多根 252.5mm 的钢管组成，管束的有效长度为 3.0m。 通过管程的流体冷凝壳程流量为 5000k

30、g/h 、温度为 75的饱和有机蒸汽，蒸汽 2的冷凝潜热为 310kJ/kg ，蒸汽冷凝的对流传热系数为 800 W/(m2? K)。冷却剂在 管内的流速为 0.7m/s ，温度由 20升高到 50，其比热为 cp=2.5kJ/ (kgK), 密度为 =860kg/m3，对流传热系数为 2500 W/(m2? K)。蒸汽侧污垢热阻和管壁 热阻忽略不计，冷却剂侧的污垢热阻为 0.00055 m2? K / W 。试计算该换热器的 传热面积并确定该换热器中换热管的总根数及管程数。解：有机蒸汽冷凝放热量：5000 3Q Wh r 310 103W 431kWh 3600传热温差. . 下载可编辑1t

31、 2ttmm ln 1t2tT t1 T t2ln T t1T t275 20 75 50 3875 20 ln75 50总传热系数：Ko1 do1do b do1RsiRsoi dididm125 0.00055 0 2500 20 20 410W/ m2 1 25W/01800m2 所需的换热面积：SoKo tm431 103 2 m410 3827.7m2冷却剂用量：WcQCpc t2t14312.5 103每程换热管的数目：Vsn1s1 di2 u4i管程数为：ms12 diu4iSo27.7dol n103kg/ s 5.75kg / s50 205.751 3.142 0.0202

32、 860 0.7 3043.923.142 0.025 3.0 30取管程数为 4总管数目： n总 n N 30 4 1201616在一台管壳式换热器中， 壳方 120的水蒸汽冷凝将一定流量的空气由20加热到 80，2空气的对流传热系数 i =100W/（ m2? ）。换热器由 25 2.5mm ，L=6m的 100 根钢管组 成。现因为工艺需要，空气流量增加50%，要维持对空气的加热要求，有人建议采用如下四种措施：（1）将管方改为双程， （2）增加管长到 8m，（3）将管束改为 19 2mm 的规格， （4）将蒸汽温度提高到 124。已知蒸汽的量足够，试通过定量计算，必要时作合理简化， 说明

33、上述措施能否满足需要。. . 下载可编辑Kodi i do11020 W / m2 25288W / m2 tm1t2tT t1T t2120 20120 80 65.481tTt112020lnlnln2tTt212080QKoSotm 8847.1265.48W271.5kW流量增加40%后：Q Q1.4 271.5 1.4kW380.1kW解：原工况下：So n dol100 3.142 0.025 6m2 47.12m2措施之一 ：将管方改为双程：传热系数Ko Ko 20.8 1.40.8 88 20.8 1.40.8W / m2 200.5W / m2 换热面积与传热温差不变，所以热

34、负荷：Q KoSo tm 200.5 47.12 65.48W 618.8kW 380.1kW ，故满足要求。 措施之二 ：增加换热管长：传热系数Ko Ko 1.40.8 88 1.40.8W/m2 115.2W/m2 l 8换热面积 So So47.12 m2 62.83m2l6传热温差不变，所以热负荷：Q KoSo tm 115.2 62.83 65.48W 473.9kW 380.1kW ，故满足要求。措施之三 ：改为 19 2mm的换热管 : 对流传热系数，流量不变的情况下，改变管径，对流传热系数与管径的 -1.8 次 方成正比，再考虑改变流量的情形，所以有：151.8200.81.4

35、11015201.81.40.8W/m2 241.6W/m2 传热系数： Kodi 241.6 15 W / m2 190.7W / m2 do19换热面积： Son dol 100 3.142 0.019 6m2 35.81m2热负荷：Q KoSo tm 190.7 35.81 65.48W447.4kW380.1kW ，故满足要求。措施之四 ：提高蒸汽温度：. . 下载可编辑KoSot2 t1lnTTWcCpc(t2 t1)所以 lnT t1T t2120 20 ln120- 800.9163KoSoWcCpcln Ts t1 1.40.8KoSoTs t2 1.4WcCpc0.91630

36、.21.40.8567可以求得 Ts 124.3 ，此时蒸汽压力为 230kPa。 注：无论是何种措施，蒸汽流量需要增加 40%，满足热量衡算的要求 所以（ 1）满足（ 2）满足（ 3）满足（ 4）不满足。17一列管换热器 （管径 25 2.5mmmm），传热面积 12m2（按管外径计， 下同）。今拟使 80 的饱和苯蒸汽冷凝、冷却到 45。苯走管外，流量为 1kg/s ；冷却水走管内与苯逆流，其 进口温度为 10，流量为 5kg/s 。已估算出苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为2 2 21500 W / m2 K 、870W/m2 K ；水的对流传热系数为 2400W / m2 K 。取水侧的污 垢热阻为 0.26 10 -3 m2 K / W ，并忽略苯侧的污垢热阻及管壁热阻。问此换热器是否可 用？ 已知水、液体苯的比热分别为 4.18 kJ/ kg K 、1.76 kJ/ kg K ；苯蒸汽的冷凝潜热 r