化学工程基础 (武汉大学 著) 课后习题答案第三章

更
duρ 0.0254 × 10 × 0.56 = = 12369 μ 0.0115 × 10 −3
故
Cpμ 2.5 × 10 3 × 0.0115 × 10 −3 = = 0.706 λ 0.0407 0.0407 λ α = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 = 0.023 × (12369) 0.8 × 0.706 0.3 = 62.4 W ⋅ m−2 ⋅ K−1 de 0.0254
WW
.a
id
火砖
cn
1、平壁炉的炉壁由三种材料组成，其厚度和导热系数列于本题附表。 习题 1 附表
A
m2
= 2πrm2L = 2 × 3.14 × 0.038 × 1 = 0.239m2
保温灰层内半径r3=0.055mm，外半径r4=0.085mm r
m3
=
案
故 Am2=2Am1 (Am=πdm ⋅ L) Δt Δt Δt 互换前： φ = = = δ δ2 δ δ δ1 2 + + λ Am λ1Am1 1 λ1Am1 λ 2 Am 2 λ ⋅ 2 Am 1 1 1 2 1
答
案
网 :W
WW
.a
40°C 20°C
查图得温度校正系数ϕA=0.97 所以 Δtm = ϕA ⋅ Δt′m = 0.97 × 53.1 = 51.5°C
多
石棉层内半径r2=25mm，外半径r3=55mm r3 > 2 ，需按对数平均求传热面积 r2 r
m2
更
案
A
m1
欢
= 2πrm1L = 2π(0.025 + 0.02)/2 × 1 = 0.1413m2
=
0.055 − 0.025 = 0.038m 0.055 ln 0.025
迎
到
计算的面积热流量大于实侧值，说明平壁间接触不良，有空气层存在，产生了附加热 阻，其值 R 为： δ δ δ 1150 − 30 R = R实测 − R计算 = − ( 1 + 2 + 3 ) = 3.733 − 0.901 300 λ1 λ 2 λ 3 2 −1 = 2.832m ⋅ °C ⋅ W
−1
答
∴ A0 =
欢
=
1 = 0.4kW ⋅ m − 2 ⋅ k −1 0.025 0.0025 × 0.025 1 + 0.176 + + 0.21 + 0.85 × 0.02 0.045 × 0.0225 1.7 φ 118.75 = = 13.74m 2 Ko ⋅ Δt m 0.4 × 21.6
∴
α = 0.023
解： （1）水的定性温度为tm =
ρ = 995.7kg ⋅ m−3 ，
Cp = 4.174kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1
答
= 4585.3W ⋅ m−2 ⋅ K−1 （2）水的流速降到 0.3m ⋅ s−1后： duρ 0.02 × 0.03 × 995.7 = = 7458 Re′ = μ 0.801× 10 −3
案
3、某蒸汽管外包扎有二层厚度相等的绝热材料，外层的平均直径为内层平均直径的两 倍，而外层的导热系数为内层的 1/2，若将此两种绝热材料互换位置，各层厚度与原来的一 样，设蒸汽管外壁温度及外层绝热层的外侧面温度与原来情况分别对应相等，各绝热材料 的导热系数值不因互换位置而异，问哪种情况的散热小？ 解：多层圆筒壁的导热计算式为：
案
α′ = α (1+1.77
d 0.05 ) = 347(1+1.77 ) = 398W ⋅ m−2 ⋅ K−1 R 0.6
ρ=
网 :W
0.127 × (2.72 × 10 4 ) 0.8 × 5.68 0.3 = 347 W ⋅ m − 2 ⋅ K −1 0.05
PM 1.013 × 10 5 × 16 = = 0.56kg ⋅ m − 3 RT 8.314 × 10 3 × 348
答
案
20 + 40 = 30°C，此时水的物性常数： 2
多
Pr′ = Pr = 5.41
6 × 10 5 Re1.8 = 1− 6 × 10 5 74581.8 = 0.938
更
校正系数：f = 1 −
α = 0.023
λ 0.8 0.4 0.618 Re Pr f = 0.023 × 7458 0.8 × 5.410.4 × 0.938 d 0.02
系过渡流
WW
.a
= 53.8W ⋅ m−2 ⋅ K−1
id
λ 0.8 0.3 0.0393 Re Pr = 0.023 × × 10930 0.8 × 0.679 0.3 d 0.0254
aa
Cp = 1.026kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1 λ=0.0393W ⋅ m−1 ⋅ K−1 μ = 26×10−6 Pa s ρ = 0.746kg ⋅ m−3 C p μ 1.026 × 10 3 × 26 × 10 −6 Pr = = = 0.679 λ 0.0393 duρ 0.0254 × 15 × 0.764 Re = = = 10930 为湍流 μ 26 × 10 −6
欢
迎
解：定性温度tm =
120 + 30 = 75o C ，此时甲烷的物性为： 2 μ = 0.0115 × 10−3 Pa ⋅ s λ = 0.0407 W ⋅ m−1 ⋅ K−1
到
7、常压下温度为 120°C的甲烷，以 10m ⋅ s−1的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流 换热器外壳内径为 190mm， 管束由 37 根φ19mm×2mm 动， 离开换热器时， 甲烷的温度为 30°C， 的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热膜系数。
爱
答
Cp = 2.5kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1
此为物料在管间流动，当量直径为
答
案
多
de = 4 Re = Pr =
(π D2 − n π d2 ) 4 4 πD + nπd
=
(D 2 − nd 2 ) 0.19 2 − 37 × 0.019 2 = = 0.0254m D + nd 0.19 + 37 × 0.019
迎
1 δd 0 d0 1 + Ri + + Ro + αidi λd m αo
爱
9、某单程列管式换热器，由直径φ 25mm×2.5mm的钢管束组成，苯在列管内流动，流 量为 1.25kg ⋅ s−1，由 80°C冷却到 30°C，冷却水在管间和苯逆向流动，水的进、出口温度分 别为 20°C和 40°C，测得水侧和苯侧的对流传热膜系数分别为 1.70 和 0.85kW ⋅ m−2 ⋅ K−1，污 垢热阻分别为 0.21 和 0.176m2 ⋅ K ⋅ kW−1，若换热器的热损失可忽略，试求换热器的传热面 。 积。 （苯的平均比定压热容为 1.9kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1，钢的导热系数为 45W ⋅ m−1 ⋅ K−1） 解：φ = qm,h Cp,h (T1−T2) = 1.25 × 1.9 × (80 − 30) = 118.75kW Δt − Δt1 (80 − 40) − (30 − 20) = = 21.6 o C Δtm = 2 80°C 30°C Δt 2 80 − 40 ln ln 30 − 20 Δt1
aa
n.
cn
因
R= P=
40°C
Ko =
案
更
多
10、热空气在冷却管外流动，α0=90W ⋅ m−2 ⋅ K−1，冷却水在管内流动，αi =1000W ⋅ m−2 ⋅ K ，管外径d为 16mm，管壁厚δ=1.5mm，管材导热系数λ=40W ⋅ m−1 ⋅ K−1，试求： （1）传热系数 K（不计污垢热阻的热损失） 。 （2）管外给热系数α0增加一倍，传热系数有何变化？ （3）管内给热系数αi增加一倍，传热系数有何变化？
= 1640 W ⋅ m−2 ⋅ K−1
网 :W
有一列管式换热器、 蒸汽在管外冷凝， 加热管内的冷水， 水的进出口温度分别为 20°C 5、 −1 和 40°C，水的流速为 1 m ⋅ s ，列管为φ 25mm×2.5mm的钢管，求水在管内的对流传热膜系 数，若水的流速减至 0.3 m ⋅ s−1时，水在管内的对流传热膜系数将为多少？
WW
1.85 × 103 × 0.39 × 10 −3 = 5.68 λ 0.127 λ 先按直管计算 α = 0.023 Re0.8 Pr0.3 d
Pr =
Cpμ
.a
=
id
λ = 0.127 W ⋅ m−1 ⋅ K−1 μ = 0.39×10−3 Pas Cp = 1.85kJ ⋅ kg−1 ⋅ K−1 单位面积上流过的甲苯流量 G 为： 1500 = 212kg ⋅ m −2 ⋅ s −1 G= 3600 × 0.785 × 0.05 2 dG 0.05 × 212 = = 2.72 × 10 4 为湍流 Re = − 3 μ 0.39 × 10
案
欢
Cp 4.174 × 10 3 × 0.801 × 10 −3 = = 5.41 λ 0.618 λ 0.618 α = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 = 0.023 × × 24860 0.8 × 5.410.4 d 0.02
Pr =
迎
到
爱
λ = 0.618W ⋅ m−1 ⋅ K−1 μ = 0.801 × 10−3 Pa ⋅ s duρ 0.02 × 1 × 995.7 = = 24860 为湍流 Re = μ 0.801 × 10 −3
欢
迎
答
互换后： φ′ =
多
Δt = δ2 δ1 + λ1Am1 λ 2 Am 2
到
依题意：δ1 = δ2 = δ，λ2 = 1 λ1，dm2=2dm1