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

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：

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：

两层材料位置互换后： 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

φ的列管内流动。已知管内水侧mm2

19⨯

对流传热系数为349OW/(m2·℃ ),管外油侧对流传热系数为258 W/(m2·℃)。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 m2·℃ / W,油侧污垢热阻为0.000176 m2·℃/ 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

（2）产生污垢后热阻增加的百分数为：

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

由热量恒算可得：

当油的出口温度降到80C o时，由热量恒算：

解得：'250.t C =o

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 1.85.5070

n 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：

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） 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)243t T t T -=⨯-⇒=-⨯-+（2） 由（1）式得：

22222431671571280.38(243)128243128

t T T t --=⇔=⨯-+-- （3）

由（2）、（3）式得： 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

（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