南工大化工原理習(xí)題解答

...wd......wd......wd...第四章習(xí)題1〕用平板法測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其主要部件為被測(cè)材料構(gòu)成的平板，其一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷水將熱量移走，同時(shí)板的兩側(cè)用熱電偶測(cè)量其外表溫度。設(shè)平板的導(dǎo)熱面積為0.03m2，厚度為0.01m。測(cè)量數(shù)據(jù)如下：電熱器材料的外表溫度

℃安培數(shù)

A伏特?cái)?shù)

V高溫面低溫面2.82.314011530020010050試求：①該材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)。②如該材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為線(xiàn)性：，則λ0和a值為多少

2〕通過(guò)三層平壁熱傳導(dǎo)中，假設(shè)測(cè)得各面的溫度t1、t2、t3和t4分別為500℃、400℃、200℃和100℃，試求合平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好。3〕某燃燒爐的平壁由耐火磚、絕熱磚和普通磚三種砌成，它們的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2W/(m·℃)，0.16W/(m·℃)和0。92W/(m·℃)，耐火磚和絕熱轉(zhuǎn)厚度都是0.5m，普通磚厚度為0.25m。爐內(nèi)壁溫為1000℃，外壁溫度為55℃，設(shè)各層磚間接觸良好，求每平方米爐壁散熱速率。4〕在外徑100mm的蒸汽管道外包絕熱層。絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.08W/(m·℃)，蒸汽管外壁150℃，要求絕熱層外壁溫度在50℃以下，且每米管長(zhǎng)的熱損失不應(yīng)超過(guò)150W/m，試求絕熱層厚度。5〕Φ38×2.5mm的鋼管用作蒸汽管。為了減少熱損失，在管外保溫。50第一層是mm厚的氧化鋅粉，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.07W/(m·℃)；第二層是10mm厚的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/(m·℃)。假設(shè)管內(nèi)壁溫度為180℃，石棉層外外表溫度為35℃，試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩保溫層界面處的溫度解：①r0=16.5mm=0.0165m，r1=19mm=0.019mr2=r1＋1=0.019＋0.05=0.069mr3=r2＋2=0.069＋0.01=0.079m0=45W/(m·℃)W/m②即∴t2=41.8℃6〕通過(guò)空心球壁導(dǎo)熱的熱流量Q的計(jì)算式為：，其中，A1、A2分別為球壁的內(nèi)、外外表積，試推導(dǎo)此式。7〕有一外徑為150mm的鋼管，為減少熱損失，今在管外包以?xún)蓪咏^熱層。兩種絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)之比1，兩層絕熱層厚度相等皆為30mm。試問(wèn)應(yīng)把哪一種材料包在里層時(shí)，管壁熱損失小。設(shè)兩種情況下兩絕熱層的總溫差不變。8〕試用因次分析法推導(dǎo)壁面和流體間強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)α的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。α為以下變量的函數(shù)：。式中λ、CP、ρ、μ分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)、等壓熱容、密度、粘度，u為流體流速，l為傳熱設(shè)備定型尺寸。9〕水流過(guò)φ60×3.5mm的鋼管，由20℃被加熱至60℃。，水流速為1.8m/s，試求水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。10〕空氣流過(guò)φ36×2mm的蛇管，流速為15m/s，從120℃降至20℃，空氣壓強(qiáng)4×105Pa〔絕壓〕。蛇管的曲率半徑為400mm，，試求空氣對(duì)管壁的給熱系數(shù)?？諝獾拿芏瓤砂蠢硐霘怏w計(jì)算，其余物性可按常壓處理。11〕苯流過(guò)一套管換熱器的環(huán)隙，自20℃升至80℃，該換熱器的內(nèi)管規(guī)格為φ19×2.5mm，外管規(guī)格為φ38×3mm。苯的流量為1800kg/h。試求苯對(duì)內(nèi)管壁的給熱系數(shù)。12〕冷凍鹽水〔25%的氯化鈣溶液〕從φ25×2.5mm、長(zhǎng)度為3m的管內(nèi)流過(guò)，流速為0.3m/s，溫度自-5℃升至15℃。假設(shè)管壁平均溫度為20℃，試計(jì)算管壁與流體之間的平均對(duì)流給熱系數(shù)。定性溫度下冷凍鹽水的物性數(shù)據(jù)如下：密度為1230kg/m3，粘度為4×10-3Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)為0.57W/(m·℃)，比熱為2.85kJ/(kg·℃)。壁溫下的粘度為2.5×10-3Pa·s。解：d=0.025－0.0025×2=0.02m∴50∵u=0.3m/s

∴＜2000

∴層流＞100=354.7W/(m2℃)13〕室內(nèi)分別水平放置兩根長(zhǎng)度一樣，外表溫度一樣的蒸汽管，由于自然對(duì)流兩管都向周?chē)⑹崃?，小管的，大管直徑為小管?倍，試求兩管散失熱量的比值為多少解：∵小管GrPr=108∴b=1/3

又因Gr∝d03，故大管GrPr＞108則14〕某烘房用水蒸汽通過(guò)管內(nèi)對(duì)外散熱以烘干濕紗布。水蒸汽絕壓為476.24kPa，設(shè)管外壁溫度等于蒸汽溫度現(xiàn)室溫及濕紗布溫度均為20℃，試作如下計(jì)算：①使用一根2m長(zhǎng)、外徑50mm水煤氣管，管子豎直放于水平放置單位時(shí)間散熱量為多少②假設(shè)管子水平放置，試比照直徑25mm和50mm水煤氣管的單位時(shí)間單位面積散熱之比?！补芡庵豢紤]自然對(duì)流給熱〕。15〕油罐中裝有水平蒸汽管以加熱管內(nèi)重油，重油溫度為20℃，蒸汽管外壁溫為120℃，在定性溫度下重油物性數(shù)據(jù)如下：密度為900kg/m3，比熱1.88×103J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.175W/(m·℃)，運(yùn)動(dòng)粘度為2×10-6m2/s，體積膨脹系數(shù)為3×10-4l/℃，管外徑為68mm，試計(jì)算蒸汽對(duì)重油的傳熱速度W/m2。16〕有一雙程列管換熱器，煤油走殼程，其溫度由230℃降至120℃，流量為25000kg/h，內(nèi)有φ25×2.5mm的鋼管70根，每根管長(zhǎng)6m，管中心距為32mm，正方形排列。用圓缺型擋板〔切去高度為直徑的25%〕，試求煤油的給熱系數(shù)。定性溫度下煤油的物性數(shù)據(jù)為：比熱為2.6×103J/(kg·℃)，密度為710kg/m3，粘度為3.2×10-4Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)為0.131W/(m·℃)。擋板間距，殼體內(nèi)徑。17〕飽和溫度為100℃的水蒸汽在長(zhǎng)為2.5m，外徑為38mm的豎直圓管外冷凝。管外壁溫度為92℃。試求每小時(shí)蒸汽冷凝量。又假設(shè)將管子水平放置每小時(shí)蒸汽冷凝量又為多少。18〕由φ25×2.5mm、225根長(zhǎng)2米的管子按正方形直列組成的換熱器，用1.5×105Pa的飽和蒸汽加熱某液體，換熱器水平放置。管外壁溫度為88℃，試求蒸汽冷凝量。19〕設(shè)有A、B兩平行固體平面，溫度分別為T(mén)A和TB〔TA>TB〕。為減少輻射散熱，在這兩平面間設(shè)置n片很薄的平行遮熱板，設(shè)A所有平面的外表積一樣，黑度相等，平板間距很小，試證明設(shè)置遮熱板后A平面的散熱速率為不裝遮熱板時(shí)的倍。20〕用熱電偶測(cè)量管內(nèi)空氣溫度，測(cè)得熱電偶溫度為420℃，熱電偶黑度為0.6，空氣對(duì)熱電偶的給熱系數(shù)為35W/(m·℃)，管內(nèi)壁溫度為300℃，試求空氣溫度。21〕外徑為60mm的管子，其外包有20mm厚的絕熱層，絕熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·℃)，管外壁溫度為350℃，外界溫度為15℃，試計(jì)算絕熱層外壁溫度。假設(shè)欲使絕熱層外壁溫度再下降5℃，絕熱層厚度再增加多少。22〕設(shè)計(jì)一燃燒爐，擬用三層磚，即耐火磚、絕熱磚和普通磚。耐火磚和普通磚的厚度為0.5m和0.25m。三種磚的系數(shù)分別為1.02W/(m·℃)、0.14W/(m·℃)和0.92W/(m·℃)，耐火磚內(nèi)側(cè)為1000℃，外壁溫度為35℃。試問(wèn)絕熱磚厚度至少為多少才能保證絕熱磚溫度不超過(guò)940℃，普通磚不超過(guò)138℃。23〕為保證原油管道的輸送，在管外設(shè)置蒸汽夾。對(duì)一段管路來(lái)說(shuō)，設(shè)原油的給熱系數(shù)為420W/(m·℃)，水蒸氣冷凝給熱系數(shù)為104W/(m·℃)。管子規(guī)格為φ35×2mm鋼管。試分別計(jì)算Ki和K0，并計(jì)算各項(xiàng)熱阻占總熱阻的分率。24〕某列管換熱器，用飽和水蒸汽加熱某溶液，溶液在管內(nèi)呈湍流。蒸汽冷凝給熱系數(shù)為104W/(m·℃)，單管程溶液給熱系數(shù)為400W/(m·℃)，管壁導(dǎo)熱及污垢熱阻忽略不計(jì)，試求傳熱系數(shù)。假設(shè)把單管程改為雙管程，其它條件不變，此時(shí)總傳熱系數(shù)又為多少25〕一列管換熱器，管子規(guī)格為φ25×2.5mm，管內(nèi)流體的對(duì)流給熱系數(shù)為100W/(m·℃)，管外流體的對(duì)流給熱系數(shù)為2000W/(m·℃)，兩流體均為湍流流動(dòng)，管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻均為0.0018m·℃/W。試求：①傳熱系數(shù)K及各局部熱阻的分配；②假設(shè)管內(nèi)流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化③假設(shè)管外流體流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化解：①Ri=R0=0.00118m2℃/W

鋼管=45W/(m℃)

m=0.01542

1/(W/m2℃)K0=64.84W/(m2℃)熱阻分配：污垢：管外：管內(nèi)：管壁：②，，∴=0.01010

m2℃/WW/(m2℃)③，∴=0.01521

m2℃/W

W/(m2℃)31)120℃飽和水蒸汽將空氣從20℃加熱至80℃，空氣流量1.20×104kg/h?，F(xiàn)有單程列管換熱器，25×2.5mm鋼管300根，管長(zhǎng)3m，0=104W/(m2℃)，污垢及管壁熱阻不計(jì)。問(wèn)此換熱器能否滿(mǎn)足要求。解：℃50℃空氣，=1.093kg/m3，Cp=1.005kJ/(kg℃)，=0.02824W/(m℃)=1.96×10-5Pas，Pr=0.698

m/s＞10000∴W/(m2℃)∵0＞＞i∴Ki=i=124.5W/(m2℃)Q=WcCpct=×1.005×60=201kJ/stm=℃Q=KiAitm即201×103=124.5Ai×65.5

∴Ai=24.6m2又，Ai=ndiL

即24.6=300×0.020L

∴L=1.31m＜3m∴滿(mǎn)足要求32〕某單殼程單管程列管換熱器，用1.8×105Pa飽和水蒸汽加熱空氣，水蒸汽走殼程，其給熱系數(shù)為105W/(m·℃)，空氣走管內(nèi)，進(jìn)口溫度20℃，要求出口溫度達(dá)110℃，空氣在管內(nèi)流速為10m/s。管子規(guī)格為φ25×2.5mm的鋼管，管數(shù)共269根。試求換熱器的管長(zhǎng)。假設(shè)將該換熱器改為單殼程雙管程，總管數(shù)減至254根。水蒸汽溫度不變，空氣的質(zhì)量流量及進(jìn)口溫度不變，設(shè)各物性數(shù)據(jù)不變，換熱器的管長(zhǎng)亦不變，試求空氣的出口溫度。33〕一套管換熱器，用熱柴油加熱原油，熱柴油與原油進(jìn)口溫度分別為155℃和20℃。逆流操作時(shí)，柴油出口溫度50℃，原油出口60℃，假設(shè)采用并流操作，兩種油的流量、物性數(shù)據(jù)、初溫和傳熱系數(shù)皆與逆流時(shí)一樣，試問(wèn)并流時(shí)柴油可冷卻到多少溫度34〕一套管換熱器，冷、熱流體的進(jìn)口溫度分別為55℃和115℃。并流操作時(shí)，冷、熱流體的出口溫度分別為75℃和95℃。試問(wèn)逆流操作時(shí)，冷、熱流體的出口溫度分別為多少假定流體物性數(shù)據(jù)與傳熱系數(shù)均為常量。35〕一列管換熱器，管外用2.0×105Pa的飽和水蒸汽加熱空氣，使空氣溫度從20℃加熱到80℃，流量為20000kg/h，現(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)變化，如空氣流量增加50%，進(jìn)、出口溫度仍維持不變，問(wèn)在原換熱器中采用什么方法可完成新的生產(chǎn)任務(wù)’36〕在一單管程列管式換熱器中，將2000kg/h的空氣從20℃加熱到80℃，空氣在鋼質(zhì)列管內(nèi)作湍流流動(dòng)，管外用飽和水蒸汽加熱。列管總數(shù)為200根，長(zhǎng)度為6m，管子規(guī)格為φ38×3mm?，F(xiàn)因生產(chǎn)要求需要設(shè)計(jì)一臺(tái)新?lián)Q熱器，其空氣處理量保持不變，但管數(shù)改為400根，管子規(guī)格改為φ19×1.5mm，操作條件不變，試求此新?lián)Q熱器的管子長(zhǎng)度為多少米37〕在單程列管換熱器內(nèi)，用120℃的飽和水蒸汽將列管內(nèi)的水從30℃加熱到60℃，水流經(jīng)換熱器允許的壓降為3.5Pa。列管直徑為φ25×2.5mm，長(zhǎng)為6m，換熱器的熱負(fù)荷為2500kW。試計(jì)算：①列管換熱器的列管數(shù)；②基于管子外外表積的傳熱系數(shù)K。假設(shè)：列管為光滑管，摩擦系數(shù)可按柏拉修斯方程計(jì)算，。解：(1)℃45℃時(shí)水：=990kg/m3,Cp=4.174×103J/(kg℃)，=64.03×10-2W/(m℃)=60.12×10-5Pas

，Pr=3.925∴u=1.00m/s℃設(shè)管壁及污垢熱阻可略∵0＞＞i

∴Ki=i對(duì)一根管，=3.895×104W又，即3.895104=5.231030.02673.99∴=1.117×103W/(m2℃)(2)∴取n為64根。38〕有一立式單管程列管換熱器，其規(guī)格如下：管徑φ25×2.5mm，管長(zhǎng)3m，管數(shù)30根?，F(xiàn)用該換熱器冷凝冷卻CS2飽和蒸汽，從飽和溫度46℃冷卻到10℃。CS2走管外，其流量為250kg/h，冷凝潛熱為356kJ/kg，液體CS2的比熱為1.05kJ/(kg·℃)。水走管內(nèi)與CS2呈逆流流動(dòng)，冷卻誰(shuí)進(jìn)出溫度分別為5℃和30℃。CS2冷凝和冷卻時(shí)傳熱系數(shù)〔以外外表積計(jì)〕分別為和。問(wèn)此換熱器是否合用解：kJ/s設(shè)換熱器上部為蒸汽冷凝段,以下標(biāo)“1〞表示,下部為冷卻段,以“2〞表示則

kJ/s

T1=46℃kJ/s

t2=30℃Q1

Q2T2=10℃設(shè)冷水Cp為常量，則上下兩段分界處t3：t3t1=5℃即∴t3=7.4℃于是：m2m2∴A=A1＋A2=4.14＋1.37=5.51m2(以外外表積計(jì))現(xiàn)有換熱器A＇=nd