化工原理王晓红版习题答案第二章资料Word格式.docx
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4
他企5.786
0.14
i=0.023严Pr04
=0.02338222085.7860.4W/m2C
0.020
=1505W/m2C
(12)苯的流量增加1倍后,
hr208-150520.8W/m2Ci=2620W/m2C
4•苯流过一套管换热器的环隙,自20C升高至80C,该换热器的内管规格为
©
19mmx2.5mm,外管规格为©
38mmx3mm。
苯的流量为1800kg/h,求苯对内管壁的对流传热系数。
苯的定性温度2080二50C,此状况下的物性为:
二=0.45mPas,卜-860kg/m3,Cp=1.80kJ/kgC,?
;
-0.14W/mC
1800
兀
苯的流速为:
1.12m/s
36008600.0322-0.0192
套管的当量直径为:
4二d;
-df
de=4dj-d2=32-19mm=13mm
冋+nd2
流体的雷诺数为:
由此可得对流传热系数为:
=1832W/m2C
与书上答案1794W/m2C略有不同
流体的雷诺数为:
由此可得甲烷对管的对流传热系数为:
“叫宀。
3
6
0.6m,试求甲苯对蛇管的对流传热系数。
.温度为90C的甲苯以1500kg/h的流量通过蛇管而被冷却至30C。
蛇管的直径为©
57mmx3.5mm,弯曲半径为
90+30
此状况下的物性为:
甲苯的平均温度-^—=60C,
流体的流速为:
Re=
du,0.050.255831.8
0.386410”
=27447(湍流)
湍流时甲苯对直管的对流传热系数为:
/.0.3
-0.023严7严=0.0230.1238274470'
8
0.050
-2162.3W/mC
过渡流的校正系数:
6105
1.8
Re
2744.7
=0.612
圆形弯管的校正系数为:
=11.77di=11.770.050=1.1475
R0.6
甲苯对蛇管的对流传热系数为:
宀:
0.6121.1475=34270.6121.1475W/m2C二240.7W/m2C
7.120°
C的饱和水蒸气在一根252.5mm、长1m的管外冷凝,已知管外壁温度为80C。
分别求该管垂直和水平放置时的蒸气冷凝传热系数。
(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:
1
I钿丿
液膜温度为12080=100C,该温度下水的物性为•二=0.283mPas,
二〉垂直=1.13
卜-958.4kg/m3,纭-0.683W/mC
冷凝温度为120C,此温度下水的相变焓为:
r=2205.2kJ/kg。
所以可以计算
二'
垂直=1.13
=1.13
323
2205.210958.49.810.683
0.28310;
1120-80
Sc
=5495.3W/m2C
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:
R証=匪=4S/aqm/S=亦注/垂直二do超Q/rq口
代入相关数据后可以求得
r—^^4S495^112°
一8。
屮2205.2x103x0.283x10
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:
i
二I水平=0.725
=0.725
rPg丸
2205.2103958.429.810.683’"
2厂
3W/mC
0.283100.025120-80
=8866.7W/m「C
8•实验室内有一高为1m,宽为0.5m的铸铁炉门,其表面温度为600C,室温为20C。
试计算每小时通过炉门辐射而散失的热量。
如果在炉门前50mm处放
置一块同等大小同样材料的平板作为隔热板,则散热量为多少?
如果将隔热板更换为同等大小材料为已经氧化了的铝板,则散热量有何变化?
(1)不加隔热板时,铸铁炉门被四壁所包围,铸铁黑度为6=0.78,0/=%心,
角系数;
:
1^=1,根据
Q1.2
~C1J2'
1J2S
止100丿1100丿
=0.785.669110.5
『600+273.15「(30+273.15丫打
K100丿飞100)|
=12664W
(2)加隔热板后,辐射传热过程可以表示为:
炉门1^隔热板3^墙壁2。
炉门
辐射散热量就是它对隔热板的辐射传热量(1^3):
炉门与隔热板相距很近,其辐射可以看作是在两极大的平面间进行,于是:
C"
FhrH「62,其角系数
”;
30.780.78
隔热板对周围墙壁的辐射传热量(3^2):
其中C3_2=;
3C0=0.785.669=4.42,:
3_2=1。
过程达到稳态时,Qi=Q3
1-
=C3_2申3/S
fT2厂
1
Li100丿
匕00丿
閃00丿
1100丿-
C1J3'
1J3S
将已知数据代入上述公式,可以得到
3.62110.5
求出T3=718.39K=443.24°
所以热损失为:
QQC申["
3;
4I
1邛五厂応J.
『600+273.15Y『718.39X]=3.62汇1汉1汉0.5汉I-IW
此100丿<
100丿」
二5700W
(3)如果将隔热板换为氧化的铝板,其黑度为*=0.15,贝U有
C3垃=;
3C0=0.155.669=0.85
可以仿照
(2)的公式求取隔热板温度,然后计算热损失,也可以利用下列公式
直接求取:
Q2”Q3”一叮
—
ClJ3'
1J3S1C32'
3_2Si
『600+273.15丫
‘30+273.15丫
<
100丿
1100丿
11
0.81610.50.8510.5
=1192W
9.现测定一传热面积为2m2的列管式换热器的总传热系数K值。
已知热水走管程,测得其流量为1500kg/h,进口温度为80C,出口温度为50C;
冷水走壳程,测得进口温度为15C,出口温度为30C,逆流流动,试计算该换热器的K值<
(原题6)
换热温差:
热负荷为:
所以换热器的总传热系数:
KoQ52.2510W/m2r=621.1W/m2C
S。
tm242.06
10
10.热气体在套管式换热器中用冷却水冷却,内管为©
25X2.5m的钢管,冷水
在管内湍流流动,对流传热系数为2000W/(m2*)。
热气在套管环隙湍流流动,对流传热系数为50W/(m2*)。
已知钢的导热系数为45.4W/(m?
K)。
试计算:
(1)管壁热阻占总阻力的百分数;
(2)冷水流速提高一倍,则总传热系数有何变化?
bdo
如100%
丄鱼+Rsi並+b+Rso+—
-■■-ididi■■■■dm
2.510’
45.4火
25
J*12*.4x100%
125门2.51025门1
00:
1'
20002045.422.450
二0.297%
(3)气体流速提高一倍,则总传热系数有何变化?
(原题8)
(1)根据题意
管壁热阻占总阻力的百分数:
(2)冷水流速提高1倍后,管内的对流传热系数变为:
=二2°
s=200020.8W/m2r=3482W/m2「C
总传热系数为:
Ko
「舞哺晋Rsof
1
-1dod°
bd°
「o•Rs:
寸—只和
:
idjdj■dm:
o
12
3W/m2C
1252.51025门1
00-
20002045.422.487.06
-82.15W/m2C
11
11•实验测定管壳式换热器的总传热系数时,水在换热器的列管内作湍流流动,管外为饱和水蒸汽冷凝。
列管由直径为©
25X2.5mm的钢管组成。
当水的流速
为1m/s时,测得基于管外表面积的总传热系数Ko为2115W/(m2C);
若其它
条件不变,而水的速度变为1.5m/s时,测得Ko为2660W/(m2C)。
试求蒸汽冷凝传热系数。
假设污垢热阻可以忽略不计。
设水流速为1m/s时,
%用ct1.0表示,K用K1.0表示;
速度为1.5m/s时,aj用
di=20mm。
11_d
a1.0a1.5d0lK1.0K15丿
20j11、
裁丽一融戸心门(m2C)/W
根据流体在圆形直管内做湍流时的对流传热系数关系式,可以得到:
0.8
U^
u1.0
08
1.0=1.5.:
1.0=1.383:
1.0
由以上两个式子可以求得
22
8.0=3569W/(m:
C),a1.5=4936W/(mC)。
dj=20mm,dm=22.5mm,b=2.5mm,启45W/(mC),a1.0=3569W/(mC)。
可以求得:
o=15900W/m2C。
12
12•某套管式换热器用于机油和原油的换热。
原油在套管环隙流动,进口温度为120C,出口温度上升到160C;
机油在内管流动,进口温度为245C,出口
温度下降到175C。
(1)试分别计算并流和逆流时的平均温度差;
(2)若已知机油质量流量为0.5kg/s,比热为3kJ/(kg?
C),并流和逆流时的总传热系数K均为100W/(m2?
K),求单位时间内传过相同热量分别所需要的传热面积。
(原题5)解:
(1)逆流时:
仃2-b)-(T1-12)(仃5-120)-(245-160)c_689C
-,T^t1-’175-120一
lnln
T1-t2245-160
并流时:
(2)逆流时换热面积:
「旦二叫「=0.53000245-175口2二15.2m2
Ko△mKo△m100汇68.9
并流时换热面积:
13
13•某列管换热器由多根©
25X2.5mm的钢管组成,将流量为15吨/小时的苯由20C加热到55C,苯在管中流速为0.5m/s,加热剂为130C的饱和水蒸气在管外冷凝,其汽化潜热为2178kJ/kg,苯的比热Cp=1.76kJ/(kg?
K),密度p=858kg/m3,粘度尸0.52>
10-3Pa?
s导热系数入=0.148W/(m?
K,热损失、管壁及污垢热阻均忽略不计,蒸汽冷凝的沪104W/(m2*)。
试求:
(1)水蒸气用量(kg/h);
(2)传热系数K(以管外表面积为基准);
(3)换热器所需管数n及单根管长度I。
(1)加热冷流体苯所需要的热量
Qc=WcCpct2-ti二
15101.7610355—20W=256.7kW
3600水蒸汽用量:
Wh=Q=^6^“1179kg/s=424.3kg/h
r2178kJ/kg
(2)流体在管内强制湍流传热系数
苯的平均温度5520=37.5C,此状况下的物性为:
—0.52mPas,亍=858kg/m3,cp=1.76kJ/kg;
C,■=0.148W/mC
3_3
1.761030.52100.148汉10°
带入:
i表达式有:
J=0.023Re0.8Pr0.4
d
=0.023165000.86.18380.4W/m2C
0.02
=834.5W/m2C
Ko=625.8W/m2C
(3)因为
所以可以求得n=31
换热面积:
『佥
256・710二4.488m2
KoAm625.8x91.4
又So=n二dol
14
14.在一套管式换热器中用水逆流冷却热油,已知换热器的传热面积为3.5m2。
冷却水走管内,流量为5000kg/h,流动为强制湍流,入口温度为20C;
热油走套管环隙,流量为3800kg/h,入口温度为80C,其比热Cp=2.45kJ/(kg?
已知
两流体的对流传热系数均为2000W/m2K。
管壁厚度、管壁热阻、污垢热阻
均可以忽略。
试计算冷热流体的出口温度。
如果由于工艺改进,热油的出口温度需要控制在35C以下,当通过提高冷却水流量的方法来实现时,冷却水的流量应控制为多少?
解:
(1)原工况下:
以上两式整理化简后可以得到:
本题中,ti=20C,Ti=80C,Wh=3800kg/h,Wc=5000kg/h,cph=2.45kJ/(kg?
K),cpc=4.18kJ/(kg?
K),
所以坐—型口5=0.4455
WcCpc5000x4.18
又WCCpct2_t1-WhCphT1_T2
t2=378C
联立上述两式,可以求得T2=39.9C,
(2)在新工况下,联立上述方程式,试差求解得到Wc=7135kg/h。
15
15•某列管换热器由多根©
25X2.5mm的钢管组成,管束的有效长度为3.0m。
通过管程的流体冷凝壳程流量为5000kg/h、温度为75C的饱和有机蒸汽,蒸汽的冷凝潜热为310kJ/kg,蒸汽冷凝的对流传热系数为800W/(m2水)。
冷却剂在管内的流速为0.7m/s,温度由20C升高到50C,其比热为Cp=2.5kJ/(kgK),密度为尸860kg/m3,对流传热系数为2500W/(m2水)。
蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻忽略不计,冷却剂侧的污垢热阻为0.00055m2*/W。
试计算该换热器的传热面积并确定该换热器中换热管的总根数及管程数。
有机蒸汽冷凝放热量:
50003
Q=Whr310103^-431kW
3600
传热温差
总传热系数:
2―
W/mC
=410W/m2C
所需的换热面积:
冷却剂用量:
每程换热管的数目:
管程数为:
总管数目:
门总=nN=304=120
取管程数为4
16
16.在一台管壳式换热器中,壳方120C的水蒸汽冷凝将一定流量的空气由20C加热到80C,
空气的对流传热系数a=100W/(m2?
C)。
换热器由©
25汇2.5mm,L=6m的100根钢管组
成。
现因为工艺需要,空气流量增加50%,要维持对空气的加热要求,有人建议采用如下
四种措施:
(1)将管方改为双程,
(2)增加管长到8m,(3)将管束改为192mm的规格,
(4)将蒸汽温度提高到124C。
已知蒸汽的量足够,试通过定量计算,必要时作合理简化,
说明上述措施能否满足需要。
原工况下:
S)二d°
lTOO3.1420.0256m2=47.12m2
d・2022
K。
-「丄=110W/mr=88W/m;
do25
Q=KoSo:
tm=8847.1265.48W-271.5kW
流量增加40%后:
QJQ1.4-271.51.4kW=380.1kW
措施之一:
将管方改为双程:
传热系数
Ko=Ko20.81.40.8=8820.81.40.8W/m2C=200.5W/m2C
换热面积与传热温差不变,所以热负荷:
Q'
=KoSo:
tm=200.547.1265.48W=618.8kW380.1kW,故满足要求。
措施之二:
增加换热管长:
Ko=Ko1.40.8=881.40.8W/m2C=115.2W/m2C
l'
822
换热面积So=So47.12m62.83m
l6
传热温差不变,所以热负荷:
二KoSotm=115.262.8365.48W=473.9kW380.1kW,故满足要求。
对流传热系数,流量不变的情况下,改变管径,对流传热系数与管径的-1.8次方成正比,再考虑改变流量的情形,所以有:
f15、丄8f15屮.8
耳=%汉一丨幻.40.8=110汉一丨>
d.40.8W/(m2「C)=241.6W/(m2「C)l20丿<
20;
'
d■1522
传热系数:
K°
=:
j--241.6W/mCi=190.7W/mC
do19
So二n:
dol=1003.1420.0196m2=35.81m2
热负荷:
=K°
So:
tm=190.735.8165.48W=447.4kW380.1kW,故满足要求。
措施之四:
提高蒸汽温度:
所以in崔十雷^.^Wct
普二08567
140.2
InTs7_1.40.8KoSo
Ts-121.4WcCpc
可以求得Ts=124.3C,此时蒸汽压力为230kPa
注:
无论是何种措施,蒸汽流量需要增加40%,满足热量衡算的要求所以
(1)满足
(2)满足(3)满足(4)不满足。
17.—列管换热器(管径$25x2.5mmmm),传热面积12m2(按管外径计,下同)。
今拟使80C的饱和苯蒸汽冷凝、冷却到45C。
苯走管外,流量为1kg/s;
冷却水走管内与苯逆
流,其进口温度为10C,流量为5kg/s。
已估算出苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为
1500W/m2K、870W/m2K;
水的对流传热系数为2400W/m2K。
取水侧的污
垢热阻为0.26X0-3m2K/W,并忽略苯侧的污垢热阻及管壁热阻。
问此换热器是否可用?
已知水、液体苯的比热分别为
4.18kJ/kgK、1.76kJ/kgK;
苯蒸汽的冷凝潜热
r=395kJ/kg。
(原题11)
欲求换热器是否可用,可计算该换热器的传热面积是否够用。
苯在管外发生
冷凝、冷却,所以换热过程可以分成两个过程。
(1)在冷却过程中,管外流体为80C的苯液体冷却到出口温度45C,而管内的冷却水从入口温度10C加热到一定的温度,设为tm。
根据热负荷计算公式Q=Q=Qh,可以得到:
WcCpctm-ti=WhCphTm-T2
其中,Wc=5kg/sCpc=4.18kJ/kgK,t^10C,Wh=1kg/s
Cph=1.76kJ/kgK,Tm=80C,T2=45C,
所以,tm“1WSTmJ=101「7680一45=13(C)
WcCpc5X4.18
该过程的对数平均温差为:
该过程的总传热系数为:
其中,:
i=2400W/m2K,d。
=25mm,di=25-2.52=20(mm),bd
R,=0.2610“m2K/W,—Rs^0,“=870W/m2K
九di
所以,
o1
=501W/m2K1
该过程的热负荷为:
Qi=Qhi=WhCphTm-T2=11.76‘i80—45=61.6kW
该过程所需要的换热面积为:
Q161.6x10’*2
So12.5m
1%50149.3
(2)在冷凝过程中,管外流体为80C的苯蒸汽冷凝为80C的饱和液体,
而管内的冷却水从入口温度13C加热到出口温度,设为t2。
根据热负荷计算公式Q二Qc二Qh,
其中Qh2二Wr=1395kW=395kW
Qc2-WcCpct2-tm
该过程的对数平均温差为:
=661W/m2K1
该过程所需要的换热面积为:
所以,该换热过程总共需要的换热面积为:
二So1So2=2.510.4=12.9(m2)>
12m2
所以该换热器不合乎要求。
2.在一©
60x3.5mm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-C;
外层为20mm的石棉层,平均导热系数
■=0.15W/mC。
现用热电偶测得管内
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