化工原理王晓版习题答案第二章

第2章

1．锅炉钢板壁厚?1?20mm，其导热系数?1?46.5W/?m?K?。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为?2?1mm，其导热系数?2?1.162W/?m?K?。已知锅炉钢板外表面温度为t1?523K，水垢内表面温度为t3?473K，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t2。（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r1?r?0.02，r2?r，

r3?r?0.001，根据题意，可以得到r1?r2?r3，所以Sm1?Sm2

由圆筒壁的导热速率方程：Q?t1?tn?1t1?t3? nb1b2bi???1Sm1?2Sm2i?1?iSmit3?473K，t1?523K，?1?46.5W/?m?K?，?2?1.162W/?m?K?，b1?0.02m，其中，

b2?0.001m，Sm1?Sm2?S。

所以q?Qt?t523?473?13?W/m2?3.874W/m2

0.020.001Sb1?b2??1?246.51.162t1?tn?1t1?t2? nb1bi??1Sm1i?1?iSmi根据圆筒壁的导热速率方程：Q?可以得到：t2?t1-

qb1?1?523?3.874?0.002?506.3(K)

46.52．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??0.07W/?m?℃?；外层为20mm的石棉层，平均导热系数

??0.15W/?m?℃?。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??45W/?m?℃?，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：

Q?t1?tn?1t1?t4t1?t4 ??2πLnb3b3b1b2b1b2bi??????S?S?S?r?r?3rm3?Si?1imi1m12m23m31m12m2式中：t1=500℃，t4=80℃，r1=60/2-3.5=26.5(mm)，r2=60/2=30(mm)，

r3=30+40=70(mm)，r4=70+20=90(mm)，b1=3.5mm，b2=40mm，b3=30mm，λ1=45W/( m·℃)，λ2=0.07W/( m·℃)，λ3=0.15W/( m·℃)。

rm1?r1?r226.5?30??28.3(mm) 22rm2?r3?r270?30??47.2(mm) r370lnln30r2r3?r470?90??80(mm) 22rm3?所以每米管长的热损失为：

t1?t4Q?2πbb1bL?2?3?1rm1?2rm2?3rm3 ?2?3.142?3.142 ?191.6W/m因为Q?500?80W/m

3.54020??45?28.30.07?47.20.15?80t1?tn?1t3?t4t1?t4 ?2πL?2πLnb3b3b1b2bi????r?r?3rm3?3rm3?Si?1imi1m12m2所以t3?t4?b3Q20??80?191.6??130.8（℃） L2π?3rm32?3.142?0.15?803

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

20?80?50℃，此状况下的物性为： 2??0.45mPa?s，??860kg/m3，cp?1.80kJ/?kg?℃?，??0.14W/?m?℃? 根据公式??0.023di=0.020m，

?diRe0.8Pr0.4

u?ws10.2??1.0m/s

?ρA860?38??0.0224du?Re??Cp??0.020?1.0?860?38222(湍流) ?30.45?101.80?0.45?5.786

0.14Pr????i?0.023?0.023??diRe0.8Pr0.40.14?382220.8?5.7860.4W/m2?℃ 0.020?1505W/m2?℃????（12）苯的流量增加1倍后，

?i'??i?20.8?1505?20.8W/?m2?℃??2620W/?m2?℃?

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。

20?80?50℃，此状况下的物性为： 解：苯的定性温度2??0.45mPa?s，??860kg/m3，cp?1.80kJ/?kg?℃?，??0.14W/?m?℃? 苯的流速为：

u?ws1800??1.12m/s ρA3600?860???0.0322?0.01924??套管的当量直径为：

4?de???d4212?d2??d1??d2?d1?d2??32?19?mm?13mm

流体的雷诺数为：

Re?deu??0.013?1.12?860?27826(湍流)

0.45?10?3?Cp?Pr???1.80?0.45?5.79

0.14d132??1.68?1.65 d219由此可得对流传热系数为：

?d1????0.02Re0.8Pr???de?d2??130.530.14?32??0.02??278260.8?5.793???0.013?19??1832W/m2?℃10.53W/m2?℃

????与书上答案1794W/?m2?℃?略有不同。

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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。

120?30?75℃，此状况下的物性为 解：甲烷的平均温度

2??0.012mPa?s，??0.562kg/m3，cp?2.48kJ/?kg?℃?，??0.04W/?m?℃? 列管换热器的当量直径为：

4?de???d4212?37d2??d1?37?d22d12?37d21902?37?192??mm?25.47mm ?d1?37?d2190?37?19