化工原理王晓红版习题答案第二章

第2章

1．锅炉钢板壁厚m m 201=δ，其导热系数()K m W/5.461⋅=λ。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为1m m 2=δ，其导热系数()K m 162W/.12⋅=λ。已知锅炉钢板外表面温度为523K 1=t ，水垢内表面温度为473K 3=t ，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2t 。（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02.01+=r r ，r r =2，001.03-=r r ，根据题意，可以得到321r r r ≈≈，所以21m m S S ≈ 由圆筒壁的导热速率方程：22211131111m m n i mi

i i n S b S b t t S b t t Q λλλ+-=-=∑=+ 其中，

K 5231=t ，K 4733=t ，()K m W/5.461⋅=λ，()K m W/162.12⋅=λ，m 02.01=b ，m 001.02=b ，S S S m m =≈21。 所以22221131W/m 874.3W/m 162

.1001.05.4602.0473523=+-=+-==λλb b t t S Q q 根据圆筒壁的导热速率方程：11121111m n i mi i i n S b t t S b t t Q λλ-=-=

∑=+ 可以得到：)K (3.5065

.46002.0874.3523-11

12=⨯-==λqb t t 2．在一φ60×3.5mm 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()℃m 07W/.0⋅=λ；外层为20mm 的石棉层，平均导热系数()℃m 15W/.0⋅=λ。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()℃m W/45⋅=λ，试求每米管长的热损失及两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：

式中：t 1=500℃，t 4=80℃，r 1=60/2-3.5=26.5(mm)，r 2=60/2=30(mm)，r 3=30+40=70(mm)，r 4=70+20=90(mm)，b 1=3.5mm ，b 2=40mm ，b 3=30mm ，λ1=45W/( m·℃)，λ2=0.07W/( m·℃)，λ3=0.15W/( m·℃)。

所以每米管长的热损失为： 因为333433332221114111122m m m m n i mi

i i n r b t t πL r b r b r b t t πL S b t t Q λλλλλ-=++-=-=∑=+ 所以8.13080

15.0142.32206.19180233343=⨯⨯⨯⨯+=⨯+=m r πb L Q t t λ（℃） 3

3．有一列管式换热器，由38根φ25×2.5mm 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）

解：（1）苯的定性温度502

8020=+℃，此状况下的物性为： s mPa 45.0⋅=μ，3/860m kg =ρ，()℃⋅=kg kJ c p /80.1，()℃⋅=m /W 14.0λ 根据公式4.08.0Pr Re 023

.0i d λα= d i =0.020m ，

382221045.08600.1020.0Re 3=⨯⨯⨯==-μ

ρdu (湍流) （12）苯的流量增加1倍后，

4

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φ19 mm ×2.5mm, 外管规格为φ38 mm ×3 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502

8020=+℃，此状况下的物性为：

s mPa 45.0⋅=μ，3/860m kg =ρ，()℃⋅=kg kJ c p /80.1，()℃⋅=m /W 14.0λ 苯的流速为：

套管的当量直径为：

流体的雷诺数为：

278261045.086012.1013.0Re 3=⨯⨯⨯==-μ

ρu d e (湍流) 由此可得对流传热系数为：

与书上答案1794()℃⋅2m /W 略有不同。

5

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φ19 mm ×2mm 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752

30120=+℃，此状况下的物性为 s mPa 012.0⋅=μ，3/562.0m kg =ρ，()℃⋅=kg kJ c p /48.2，()℃⋅=m /W 04.0λ 列管换热器的当量直径为：

流体的雷诺数为：

1192810012.0562.01002547.0Re 3=⨯⨯⨯==-μ

ρu d e (湍流) 由此可得甲烷对管的对流传热系数为：

6

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φ57 mm ×3.5mm ，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602

3090=+℃，此状况下的物性为： s mPa 3864.0⋅=μ，3/8.831m kg =ρ，()℃⋅=kg kJ c p /853.1，()℃⋅=m /W 1238.0λ

流体的流速为：

流体的雷诺数为：

27447103864.08.831255.005.0Re 3=⨯⨯⨯==-μ

ρdu (湍流) 湍流时甲苯对直管的对流传热系数为：

过渡流的校正系数：

圆形弯管的校正系数为：

甲苯对蛇管的对流传热系数为：

7

7．120℃的饱和水蒸气在一根5mm .252⨯φ、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： 液膜温度为1002

80120=+℃，该温度下水的物性为s mPa 283.0⋅=μ，3/4.958m kg =ρ，()℃⋅=m /W 683.0λ

冷凝温度为120℃，此温度下水的相变焓为：kg kJ r /2.2205=。所以可以计算 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： ()()()()μ

αμππαμπμπμμρ

r t

l d r tQ l d d r Q S q d S G

d u d o o o m o o o ∆=∆=====垂直垂直4/4/4//4R

e 代入相关数据后可以求得

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：