(完整版)化工原理第二版答案

第四章 习题
2． 燃烧炉的内层为460mm 厚的耐火砖,外层为230mm 厚的绝缘砖。

若炉的内表面温度t 1为1400℃,外表面温度t 3为100℃。

试求导热的热通量及两砖间的界面温度。

设两层砖接触良好,已知耐火砖的导热系数为t 0007.09.01+=λ,绝缘砖的导热系数为t 0003.03.02+=λ。

两式中t 可分别取为各层材料的平均温度,单位为℃,λ单位为W/(m·℃)。

解：设两砖之间的界面温度为2t ，由23121212t t t t b b λλ--=，得
2223312
23140010094946010/(0.90.000723010/(0.30.0003)22t t t C t t t t ----=⇒=++⨯+⨯
⨯+⨯o 热通量
212
1689/14009490.40/0.970.00072t t q W m -==+⎛⎫+⨯ ⎪⎝⎭
3．直径为mm mm 360⨯φ,钢管用30mm 厚的软木包扎,其外又用100mm 厚的保温灰包扎,以作为绝热层。

现测得钢管外壁面温度为-110℃,绝热层外表面温度10℃。

已知软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07W/(m ·℃),试求每米管长的冷量损失量。

解：每半管长的热损失，可由通过两层圆筒壁的传热速率方程求出：
13
32112211ln ln 22t t Q r r L r r πλπλ-=+
1100101601160ln ln 2 3.140.043302 3.140.000760
--=+⨯⨯⨯⨯
25/W m =-
负号表示由外界向体系传递的热量，即为冷量损失。

4．蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层,设外层的平均直径为内层的两倍。

其导热系数也为内层的两倍。

若将二层材料互换位置,假定其他条件不变,试问每米管长的热损失将改变多少?说明在本题情况下,哪一种材料包扎在内层较为适合?
解：设外层的平均直径为2m d ，内层平均
直径为1m d ，则212m m d d =且21
2λλ=。

由导热效率方程知： ()()22111122m m m t
t
b b b S d L d L λλλπλπ==++⋅V V 1m1Q=b S 1154m t d L b πλ⋅⋅V 两层材料位置互换后：
'1111122m m m t d L t
Q b b b d L d L πλπλπλ
⋅==+V V 所以：''5 1.254Q q Q q ===即：' 1.25q q =
两层保温材料互换位置后，单位管长的热损失增加。

说明在本题情况下，导热系数小的材料放在内层较为合适。

6. 在管壳式换热器中用冷水冷却油。

水在直径为mm mm 219⨯φ的列管内流动。

已知管内水侧对流传热系数为
349OW/(m 2·℃ ),管外油侧对流传热系数为258 W/(m 2·℃ )。

换热器在使用一段
时间后,管壁两侧均有污垢形成,水侧污
垢热阻为0.00026 m 2·℃ / W,油侧污垢热
阻为0.000176 m 2·℃ / W 。

管壁导热系数
λ为45 W/(m ·℃)。

试求:(1)基于管外表面积的总传热系数;(2)产生污垢后热阻增加的百分数。

解：（1）总传热系数0k
0000001
1s si m i i i k bd d d R R d d d αλα=++++
()
2110.0021919190.0001760.00026258451715349015208/W m C =⨯+++⨯+⨯⨯=⋅o
（2）产生污垢后热阻增加的百分数为： 19
0.0001760.0002815
10011.8.1190.0001760.0002820815+⨯⨯=⎛⎫-+⨯ ⎪⎝⎭o o o o
7：在并流换热器中,用水冷却油。

水的进、出口温度分别为15℃和40℃,油的进、出口温度分别为150℃和100℃。

现因生产任务要求油的出口温度降至80℃,假设油和水的流量、进口温度及物性均不变,若原换热器的管长为1m 。

试求此换热器的管长增至若干米才能满足要求。

设换热器的热损失可忽略。

解：平均温度差为
(15015)(10040)92.5.135ln 60
m t C ---==o V 由热量恒算可得：
211240150.5.150100
n ph
c pc W C t t W c T T --===-- 当油的出口温度降到80C o 时，由热量恒算：
'
2(15080)(15).n pn c pc Q W c W c t =-=-
解得：'250.t C =o '(15015)(8050)0.135ln 30
m t C ---==>o V
由传热速率方程分别可得：
原换热器：(150100)92.5.n pn m W c ks t k n dL π-==⋅⨯o 新换热器：''''(15080)70.
7092.51 1.85.5070n pn m W c ks t k n dL L m π-==⋅⨯=⨯⨯=V
8．重油和原油在单程套管换热器中呈并流流动,两种油的初温分别为243℃和128℃;终温分别为167℃和157℃。

若维持两种油的流量和初温不变,而将两流体改为逆流,试求此时流体的平均温度差及它们的终温。

假设在两种流动情况下,流体的物性和总传热系数均不变化,换热器的热损失可以忽略。

解：以上标'表示并流的情况。

由传热速率方程和热量衡算： '''12211221'()()()()m n pn c pc m n pn c pc Q k t W c T T W c t t Q k t W c T T W c t t ==-=-==-=-o o V V 两式相除：
'''''1221122112211221()()()()m m t T T t t T T t t t T T t t T T t t -----===-----V V （1） ''122112212121()()(243167)(157128)47()()T T t t T T T t t t t t ------===-----V V V V 而'122112
21(243128)(167157)3115ln ln ln 10m t t t t t C t t t t -----====o V V V V V V V V V 所以：2
12121ln
47143t t t t t t =-⋅-V V V V V V
解得：
21 2.98.t t =V V
即： 2222(243) 2.98(128) 2.98(128)243
t T t T -=⨯-⇒=-⨯-+（2）
由（1）式得：
22222431671571280.38(243)128243128
t T T t --=⇔=⨯-+-- （3） 由（2）、（3）式得：
22161.3.155.4t C T ==o o C 所以：2121
(243161.3)(155.4128)49.71.093ln m t t t C t t ----===o V V V V V
9．.在下列各种管壳式换热器中,某种溶液在管内流动并由20℃加热到50℃。

加热介质在壳方流动,其进、出口温度分别为100℃和60℃,试求下面各种情况下的平均温度差。

(1)壳方和管方均为单程的换热器。

设两流体呈逆流流动。

(2)壳方和管方分别为单程和四程的换热器。

(3)壳方和管方分别为二程和四程的换热器。

解：（1）由对数平均温度差知道：
'
2121(10050)(6020)44.850ln ln 40m t t t C t t ----===o V V V V V （2）50200.3751002010060 1.335020
P R -==--==-查温度差校正系数图得：0.9t ϕ=V
'0.944.840.3m t m t t C ϕ=⋅=⨯=o
V V V （3）由R 、P 值查流程温差校正系数图得：0.98t ϕ=V
所以：'0.9844.843.9m t m t t C ϕ=⋅=⨯=o V V V
11在一管壳式换热器中,用冷水将常压下纯苯蒸气冷凝成饱和液体。

苯蒸气的
体积流量为1650m 3/h,常压下苯的沸点
为80.1℃,汽化热为394kJ/kg 。

冷却水的进口温度为20℃,流量为36000kg/h,水的平均比热容为4.18kJ/(kg ·℃)。

若
总传热系数K 0为450W/(m 2·℃),试求换
热器传热面积S 0。

假设换热器的热损失可忽略。

解：换热器的传热面积m Q k t S =o V o 其中：333510133078 2.69/8.31510(27880.1)1650 2.6939410 4.86103600
s s Q W r V r
PM kg m RT Q w ρρ==⨯===⨯⨯+⨯=⨯⨯=⨯ 冷水出口温度可由热量衡算求得。

即：
521234.86103600()2031.636000 4.1810
(80.120)(80.131.6)54.180.120ln 80.131.6
e pc m Q W C t t t C t C ⨯⨯=-⇒=+=⨯⨯---==--o o V 则：524.86102045054.1S m ⨯==⨯o
12．在一传热面积为50m 2
的单程管壳式换热器中,用水冷却某种溶液。

两流体呈逆流流动。

冷水的流量为33000kg/h,温度由20℃升至38℃。

溶液的温度由110℃降至60℃。

若换热器清洗后,在两流体的流量和进口温度不变的情况下,冷水出口温度增到45℃。

试估算换热器清洗前传热面两侧的总污垢热阻。

假设:(l)两种情况下,流体物性可视为不变,水的平均比热容可取为
4.17kJ/(kg ·℃)；(2)可按平壁处理,两种工况下i α和0α分别相同；(3)忽略管壁热阻和热损失
解：先求清洗前的总传热系数K.
(11038)(8020)54.411038ln 6020m t C ---==--o V 所以:
3233000 4.18710(3820)254/()36005054.4
m Q k w m C S t ⨯⨯⨯-===⋅⋅⨯⨯o V 再求清洗后总传热系数'K o ,由热量衡算
求溶液的出口温度
.
''212111060()110(4520)40.63820c pc
n pn W C T T t t C W C -=--=-⨯-=-o '
(11045)(40.620)38.611045ln 40.620m t C ---==--o V 3'
233000 4.18710(4520)497/()36005038.6k w m C ⨯⨯⨯-==⋅⨯⨯o 若传热面两侧的总污垢热阻为.s
R ∑则有: '11112541111497s i i R k k αααα⎧=++=⎪⎪⎨⎪=+=⎪⎩
∑o o 由此得:321.92510/s
R m C W -=⨯⋅∑o
x05a02004
棉花保温性能好，主要是因为______。

A. 棉纤维素导热率小；
B. 棉花中含有相当数量的油脂；
C. 棉花中含有大量空气，而空气的运动又受到阻碍；
D. 棉花白色，因而黑度小。

x05a02016
在蒸汽冷凝中，不凝气体的存在对α的影响是______。

A）使α值升高
B）使α值大大降低
C）使α值有一定影响
D）对α值无影响
x05a02031
多层间壁传热时，各层的温度降与各相应层的热阻_____。

A 成正比
B 成反比
C 没关系
x05a05171
一定流量的液体在一Φ25×2.5mm的直管内作湍流流动，其对流给热系数α＝1000W/(m2·℃)。

如流量与物性都不变，改用一Φ19×2mm的直管，则其α值将变为 W/(m2·℃)。

A. 1059
B. 1496
C. 1585
D. 1678
t05a01177
冷热水通过间壁换热器换热,热水进口温度为90℃,出口温度为50℃,冷水进口温度为15℃,出口温度为53℃,冷热水的流量相同,则热损失占传热量的_______%(冷热水物性数据视为相同)。

t05a01216
当冷热两流体均不发生相态变化时，一般对_________物料选用并流操作。

t05a02042
某流体在圆直管内强制对流，其对流传
热系数为α，现任务变更，管内流速降为原来的1/2，且已知此时R e>104，则管内的对流传热系数为原对流传热系数的
倍。

t05a02043
某有机溶液在长为L,直径为Φ108×10mm的钢管中强制湍流时,其α=310W/(m2·K),如体积流量不变，改用Φ152×10mm的钢管代替,流动仍为湍流(两种情况下L / d均大于60),此时α= W/(m2·K)
t05a02118
两流体通过间壁换热，冷流体从20℃被加热到50℃，热流体从100℃冷却到70℃，则逆流时的∆t m ＝℃。

并流时的∆t m ＝℃。

w05b05161
1.一杯开水(100℃)置于20℃的静
止空气中,问杯子两侧流体的传热各属
何种类型?哪一侧热阻大?
2.若将杯子浸在20℃的冷水中(两
流体不直接接触),能否增强传热?理由?
3.仍置于空气中,但使杯外的空气
流动,问能否增强传热?理由?
4.对1的情况,若对杯中流体加以搅
动,问是否比2、3两种办法有效些?
1.均为自然对流,空气侧热阻大;
2.能增强传热,因为水的对流给热系
数比空气大;
3.能增强传热,因为强制对流的对流
给热系数比自然对流大
4.主要热阻在空气侧,故2,3效果较
好,4不及2,3
w05a05034
①一厚度相等的双层平壁，其导热率λ
Ⅰ>λⅡ试定性画出其温度分布图，为什
么?(稳定传热)
②套管式换热器的冷、热流体进、出口
温度分别为t1、t2、T1、T2，试画出冷、热流体温度沿换热面积变化关系曲线。

①根据傅立叶定律; Q=λd t/d n; ∵稳定传热即Q I=Q II因已知λI>λII
∴(d t/d n)I< (d t/d n)II。