化工原理杨祖荣章习题答案完美排

目录

第一章流体流动与输送机械 (2)

第二章非均相物系分离 (32)

第三章传热 (42)

第四章蒸发 (69)

第五章气体吸收 (73)

第六章蒸馏·································

(95)

第七章固体干燥 (119)

第三章 传热

1、某加热器外面包了一层厚为300mm 的绝缘材料，该材料的导热系数为（m℃），已测得该绝缘层外缘温度为30℃，距加热器外壁250mm 处为75℃，试求加热器外壁面温度为多少 解：22321121λλb t t b t t A

Q -=-= 2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成；

耐火砖 b 1=230mm ， 1= W/(m·℃)

绝热砖 b 2=230mm ， 2=(m·℃)

建筑砖 b 3=240mm ， 3=(m·℃)

已知耐火砖内侧温度为1000℃，耐火砖与绝热砖界面处的温度为940℃，要求绝热砖与建筑砖界面处的温度不得超过138℃，试求：

（1）

绝热层需几块绝热砖； （2） 普通砖外侧温度为多少

解：（1）b 2=

230mm

则：绝热层需两块绝热砖。

校核t 2=

（2）t 4=

3、Φ50×5㎜的不锈钢管，导热系数λ1＝

16Ｗ／（ｍ·Ｋ），外面包裹厚度为30mm 导

热系数λ２＝（ｍ·Ｋ）的石棉保温层。若钢

习题3-3 附图

管的内表面温度为623Ｋ，保温层外表面温度为373Ｋ，试求每米管长的热损失及钢管外表面的温度。 解：已知钢管的内半径mm 20252501=?-=

r 钢管的外半径mm 252

502==r 保温层的外半径mm 5530253=+=r

根据式（3-12a ），每米管长的热损失

由于是定态热传导，故各层传导的热量应该相等，可得到钢管外表面的温度t 2。

4、Φ60×3㎜的铝合金管（导热系数近似按钢管选取），外面依次包有一层30mm 的石棉和30mm 的软木。石棉和软木的导热系数分别为Ｗ／（ｍ·Ｋ）和Ｗ／（ｍ·Ｋ）（管外涂防水胶，以免水汽渗入后发生冷凝及冻结）。

（1）已知管内壁温度为-110℃，软木外侧温度为10℃，求每米管长上损失的冷量；

（2）计算出钢、石棉及软木层各层热阻在总热阻中所占的百分数；

（3）若将两层保温材料互换（各层厚度仍为30mm ），钢管内壁面温度仍为 -110℃，作为近似计算，假设最外层的石棉层表面温度仍为10℃。求此时每米管长损失的冷量。

提示：保温层互换后，保温层外壁面与空气间的对流传热膜系数与互换前相同。

解：(1) t 1110=-℃ t 410=℃

每米管长损失的冷量：

(2) R R R R =++∑123

各层热阻在总热阻中所占的分数：

由以上计算可知钢管热阻很小，且R R 软木石棉>。

(3) 若将λλ12和互换，厚度不变，且认为t t 14和不变。

以上计算可以看出，将保温性能好的材料放在里层，保温或保冷效果好。但此计算不严格，因为保冷好，则t 4应增大，即'>t 410℃。

5、欲测某绝缘材料的导热系数，将此材料装入附图所

示的同心套管间隙内。已知管长l =. r 1=10mm, r 2=13mm,

r 3=23mm, r 4=27mm 。在管内用热电偶加热，当电热功率

为时，测得内管的内壁温度为900℃，外管的外壁温

度为100℃，金属管壁的导热系数为50W/（ｍ·Ｋ），

试求绝缘材料的导热系数。若忽略壁阻，会引起多大

的误差

解：按题意求得： 内管壁的热阻为：K/W 1038.81016.75001.0013.04211121--?=??-=λ-=

m A r r R 外管壁的热阻为：K/W 1013.5156.050023.0027.0433342-?=?-=λ-=m A r r R 通过多层管壁的热流量为：

则：2= W/（ｍ·Ｋ）。

若忽略两侧金属壁的热阻，则

则：2= W/（ｍ·Ｋ）。

由于金属壁的热阻远小于绝缘材料的热阻，在实验精度范围内，金属壁的热阻可以忽略。 习题5附图

6、冷却水在Φ25×㎜，长为2m 的钢管中以1m/s 的流速通过。冷却水的进、出口温度为20℃和50℃，求管壁对水的对流传热系数

解：定性温度 C 352

5020o =+=定t 查得水在35℃时的物性参数：

管内径为：d =25-2=20mm=

445101073.210

8.72994102.0>?=???=μρ=-du Re 湍流 水被加热，k =，得：

7、一列管式换热器，由38根Φ25×㎜的无缝钢管组成，苯在管内以s 的流速通过，从80℃冷却至20℃。求苯对管壁的对流传热系数；若流速增加一倍，其他条件不变，对流传热系数又有何变化

解：定性温度 C 502

8020o =+=定t 查得苯在50℃时的物性参数：

管内径为：d =25-2=20mm=

4431010096.310

45.086081.002.0>?=???=μρ=-du Re 湍流 苯被冷却，k =，则：

（2）流速增加一倍，u =2u ，其他条件不变

由于 8.00.8R u e ∝∝α

所以 C)W/(m 185821067)(o 28.08.011?=?==u

u αα 8、质量分数为98%，密度=1800kg/m 3的硫酸，以1m/s 的流速在套管换热器的内管中被冷却，进、出口温度分别为90℃和50℃，内管直径为Φ25×㎜。管内壁平均温度为60℃。试求硫酸对管壁的对流传热系数。

已知70℃硫酸的物性参数如下：

壁温60℃时的硫酸黏度s mPa 4.8?=w μ

（1267 W/（m 2

·℃））

解：定性温度 C 7029050o =+=定t 查得硫酸在70℃时的物性参数：

壁温60℃时的硫酸黏度s mPa 4.8?=w μ

因为黏度较大，故用式（3-16）计算

4310562510

4.61800102.0<=???=μρ=-du Re 过渡流 过渡流校正

9、原油在Φ89×6㎜的管式炉对流段的管内以s 的流速流过而被加热，管长6m 。已知管内壁温度为150℃，原油的平均温度为40℃。试求原油在管内的对流传热系数。

已知原油的物性参数为：

)C /1(0011.0,C)W/(m 13.0,s mPa 26C),kJ/(kg 2,kg/m 850o o o 3=β?=λ?=μ?==p c ρ原油150℃时的黏度s mPa 0.3?=w μ

解：原油在管内流动的Re

125910

268505.0077.03=???=μρ=

-du Re （层流） 40013.010210263

3=???=λ?μ=-p c Pr （

由于

所以对流传热系数需校正

10、铜氨溶液在由四根Φ45× ㎜钢管并联的蛇管中由38℃冷却至8℃，蛇管的平均曲率半径为 m 。已知铜氨溶液的流量为h ，黏度为×10-3

Pas ，密度为1200km/m 3，其余物性常数可按水的倍选用，试求铜氨溶液的对流传热系数。 解∶定性温度 C 232838o =+=定t 查得水在23℃时的物性参数，并折算为铜氨液的物性：

四组蛇管并联的横截面积：

4310342010

2.21200166.0038.0<=???=μρ=-du Re 过渡区 铜氨液被冷却，k=，则：

过渡流需校正

弯管校正

11、有一列管式换热器，外壳内径为190mm ，内含37根Φ19×2 ㎜的钢管。温度为12℃，压力为的空气，以10m/s 的流速在列管式换热器管间沿管长方向流动，空气出口温度为30℃。试求空气对管壁的对流传热系数。

解：定性温度 C 212

3012o =+=定t 查得空气在21℃时的物性参数：

4451010696.110

81.1205.11002547.0>?=???=μρ=-u d Re e 湍流 空气被加热，k =，则：

12、在接触氧化法生产硫酸的过程中，用反应后高温的SO 3混合气预热反应前气

体。常压SO 3混合气在一由Φ38×3 ㎜钢管组成、壳程装有圆缺型挡板的列管换

热器壳程流过。已知管子成三角形排列，中心距为51mm ，挡板间距为，换热器壳径为Φ2800；又SO 3混合气的流量为4×104m 3/h ，其平均温度为145℃.若混合

气的物性可近似按同温度下的空气查取，试求混合气的对流传热系数（考虑部分流体在挡板与壳体之间短路，取系数为）

解：本题为列管式换热器管外强制对流传热，对流传热系数按式3-25计算 管子正三角形排列时，mm 5.3738

)3845123(4)423(4220202=?ππ-=ππ-=d d t d e 管外流体流过的最大截面积S max 计算：

管外流体的流速m/s 7.10035

.136001044=??==S V u 定性温度 C 145o =定t 下查得空气的物性参数： 因气体黏度变化较小，故1≈w

μμ，由因部分流体在单板与壳体之间隙短路，取实际对流传热系数为计算值的倍

13、在油罐中装有水平放置的水蒸气管，以加热罐中的重油。重油的平均温度为20℃，水蒸气管外壁的平均温度为120℃，管外径为60mm 。已知70℃时的重油物性数据如下：

ρ=900kg/m 3 λ=(m℃)

c p =(kg ℃) ν=2×10-3m 2/s

β=3×10-4 ℃-1

试求水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量kJ/（m 2·h）

解：s Pa 8.11029003?=??=?=-νρμ

则 9.15)102(06.0)20120(10381.9)(233

42

3=??-???=-=--νβd t t g Gr w 查表3-4， 得C =， n =1/4，于是

所以水蒸气管对重油每小时每平方米的传热量

14、压强为105Pa 的饱和水蒸气，在外径为100mm ，长度为的单根直立圆管外冷凝。管外壁温度为110℃。

试求（1）圆管垂直放置时的对流传热系数；（2）管子水平放置时的对流传热系数；

（3）若管长增加一倍，其他条件均不变，圆管垂直放置时的平均对流传热系数。

解：压强为105Pa 的饱和蒸汽温度为150℃，

此时水蒸气的汽化潜热r =2119kJ/kg 冷凝液定性温度膜温C 1302110150o =+=

t ，查130℃时水的物性参数 (1)管垂直放置时

假设液膜中的液体作层流流动，由式3-31计算平均对流传热系数

验证Re ：

所以假设层流是正确的。

（3）管水平放置

由式（3-29）和式（3-31）可得单管水平放置和垂直放置时的对流传热系数和的比值为

所以单根管水平放置时的对流传热系数为：

（3）管长为时，液膜流动的Re =1608，故管长增加一倍后，液膜成湍流状态。此时的对流传热系数为：

所以

因此当液膜从层流转变为湍流时，冷凝对流传热系数急剧增加。

15、载热体流量为1500kg/h ，试计算以下各过程中载热体放出或得到的热量。

（1）100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；

（2）110℃的苯胺降温至10℃；

（3）比热为(kg ·K)的NaOH 溶液从370K 冷却到290K ；

（4）常压下150℃的空气冷却至20℃；

（5）压力为的饱和水蒸气冷凝后并降温至50℃。

解：（1） 查饱和水蒸气,100C t o s = 汽化潜热r=2258kJ/kg

（2） 定性温度C 60210110o =+=t ，查60℃时苯胺的物性参数

（3）kW 7.125kJ/h 1052.4)290370(77.31500)(521=?=-??=-=t t c m Q p s

（4）定性温度C 85220150o =+=t ，查85℃时空气的物性参数

（5）压力为的水的饱和温度为,C 7.110o =s

t 汽化潜热r =kg 定性温度C t o 4.802

507.110=+=，查℃时水的物性参数 16、每小时8000m 3（标准状况）的空气在蒸汽加热器中从12℃被加热到42℃，压强为400kPa 的饱和水蒸气在管外冷凝。若设备的热损失估计为热负荷的5%，试求该换热器的热负荷和蒸气用量。

解：热量衡算：)(05.105.11222t t c m Q Q p s -???==冷

查得标准状况下的空气物性参数 蒸汽用量：kg/s 0426.05

.2138911===r Q m s 17、在一套管式换热器中，用冷却水将s 的苯由350K 冷却至300K ，冷却水进出口温度分别为290K 和320K 。试求冷却水消耗量。 解：由苯的定性温度K 3252

300350=+=t ，查苯的物性参数）（C kg kJ/84.1o ?=p c 由苯计算热负荷kW 115)300350(84.125.1)(2111=-??=-??=T T c m Q p s 由冷却水的定性温度K 3052320290=+=t ，查水的物性参数）（C kg kJ/18.4o ?=p c

18、在一列管式换热器中，将某溶液自15℃加热至40℃，载热体从120℃降至60℃。试计算换热器逆流和并流时的冷、热流体平均温度差。

解：（1）逆流时平均温度差为 并流：C 3.51)20105ln(20105)ln(o 2121=-=???-?=?t t t t t m 并 19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中，用水冷却油。冷却水在壳程流

动，进出口温度分别为15℃和32℃。油的进、出口温度分别为100℃和40℃。试求两流体间的温度差。

解： 先按逆流时计算，逆流时平均温度差为 C 0.43)2568ln(2568)ln(o 2

121=-=???-?=?t t t t t m 逆 折流时的对数平均温度差为 逆'm m t t ?φ=? 其中),(P R f φ=

由图3-27（a ）查得9.0=φ，故C 7.380.439.0o =?=?m t

20、在一内管为18010mm 的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h ，进、出口温度分别为为90℃和60℃。壳程中冷却水的进、出口温度分别为20℃和50℃，总传热系数为2000W/(m 2℃)。试求：（1）冷却水用量；（2）逆流流动时的平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时的平均温度差及管子的长度； 解：（1）水的比热C)kJ/(kg 186.4o ?=p c

（2）逆流时平均温度差为

402

4040=+=?m t ℃ （3）并流时平均温度差为

C 8.30)1070ln(1070)ln(o 2121=-=???-?=?t t t t t m 逆 120 60

40 15 80 45 120 60 15 40

105 20 100 40 32 15 68 25 90 60 50 20 40 40 90 60 20 50 70 10

21、在一内管为25的套管式换热器中，CO 2气体在管程流动，对流传热系数为40

W/(m 2℃)。壳程中冷却水的对流传热系数为3000W/(m 2

℃)。试求：（1）总传热系数；（2）若管内CO 2气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（3）

若管外水的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（以外表面积计） 解：m 0025.0,m 0225.0,m 025.0,m 02.012====b d d d m 查得碳钢的导热系数K)W/(m 45?=λ

取管内CO 2侧污垢热阻R s2=10-3 (m 2K/W)

管外水侧热阻 R s1=10-3 (m 2K/W)

(1)总传热系数（以外表面积计）

（2）管内CO 2气体的对流传热系数增大一倍，即2=80W/(m 2K)

总传热系数增加%

（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，1=6000W/(m 2K)

总传热系数增加%

22、在一内管为25的套管式换热器中，用水冷却苯，冷却水在管程流动，入口温度为290K ，对流传热系数为850W/(m 2℃)。壳程中流量为s 的苯与冷却水逆流换热，苯的进、出口温度为350K 、300K ，苯的对流传热系数为1700W/(m 2℃)。已知管壁的导热系数为45W/(m℃)，苯的比热为c p =(kg℃)，密度为

ρ=880kg/m 3。忽略污垢热阻。

试求：在水温不超过320K 的最少冷却水用量下，所需总管长为多少（以外表面积计） 解：冷却水的平均温度K 3052

320290=+=m t ， 查得305K 时水的比热容为C)kJ/(kg 174.4o ?=p c

热负荷 kW 8.118)300350(109.125.1)(32111=-???=-??=T T c m Q p s 冷却水用量：kg/s 949.0)290320(10174.4108.118)(331222

=-???=-=t t c Q m p s 平均温度差为

C 2.18)1030ln(1030)ln(o 2121=-=???-?=?t t t t t m 逆 基于外表面积的总传热系数K 1

23、一套管式换热器，用饱和水蒸气加热管内湍流的空气，此时的总传热系数近似等于空气的对流传热系数。若要求空气量增加一倍，而空气的进出口温度仍然不变，问该换热器的长度应增加多少

解：总传热量：dl t K t KA Q m m π???==

空气量增加一倍后：Q Q 2='

此时总传热系数K K 74.174.12228.02

≈=?='≈'ααα ∴空气的进出口温度不变，∵m m

t t ??=' 则管长要增加15%。

24、有一单管程列管式换热器，该换热器管径为 25×，管子数37根，管长3米。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS 2饱和蒸汽，自饱和温度46℃冷却到10℃。

CS 2在壳程冷凝，其流量为300kg/h ，冷凝潜热为kg 。冷却水在管程流动，进口

温度为5℃，出口温度为32℃，逆流流动。已知CS 2在冷凝和冷却时的传热系数

分别为K)291W/(m =21?K 及K)174W/(m =22?K 。问此换热器是否适用（传热面积A 及传热系数均以外表面积计）

解：已知列管尺寸φ2525?.mm ；l =3m ；n =37

题中所给的两个K 值均以外表面积为基准。 350 300 320 290 30 10

现有传热面积： 总传热量Q Q Q =+12

(式中Q 1为冷凝段热负荷，Q 2为冷却段热负荷) 已知kJ/kg 6.351=r 查得

4610

2

28+=℃时 CS 2的比热c p 10963=?.kJ /(kg K)

()Q m r m c p =+-=+=s1s1kW 146102932893219...其中Q 1293=.kW ；Q 2

289=.kW

为求A 1、A 2就应求出两段交界处冷却水温度't 对于冷凝段 则

?t m1

=-=385514

3855142424.ln

..℃

?t m2=

-=38555

385551643.ln

..℃ A A 实需>

∴此换热器可满足生产要求。

传热面积富裕

871517517685%..

.

.-=

25、由25的锅炉钢管组成的废热锅炉，壳程为压力2570kPa （表压）的沸腾水。管内为合成转化气，温度由575℃下降到472℃。已知转化气侧2=300 W/(m 2℃)，水侧1=104 W/(m 2℃)。忽略污垢热阻，试求平均壁温T W 和t W 。 解：以外表面积为基准的总传热系数 平均温度差：

压力2570kPa （表压）下水的饱和温度为：℃

C 1.2972

6

.2456.3482o 21=+=?+?=

?t t t m 逆 传热量 1111686301.297231A A t A K Q m =??=?=

46 46

32 14

46

10 5

5

A

t /

Q 1,A 1 Q 2,A 2

K 1

K 2

t

46

32

10 5

575 472

管内壁壁温（T 取热流体进出口平均温度C 5.5232

472575o =+=

T ） 管外壁壁温 26、有一单壳程、双管程列管式换热器。壳程为120℃饱和水蒸气冷凝，常压空气以12m/s 的流速在管程内流过。列管为φ3825?.mm 钢管，总管数为200根。已知空气进口温度为26℃，要求被加热到86℃。又已知蒸汽侧对流传热系数为10W /(m K)42?，壁阻及垢阻可忽略不计。试求：

(1) 换热器列管每根管长为多少米

(2) 由于此换热器损坏，重新设计了一台新换热器，其列管尺寸改为φ542?mm ，总管数减少20%，但每根管长维持原值。用此新换热器加热上述空气，求空气的出口温度。

解：(1) 由热量衡算式和传热速率方程计算完成任务所需的传热面积，然后在计算出管长。

查()

t 定℃=+=2686256时， 空气的物性

K)kJ/(kg 005.12?=p c ，

ρ=1076.kg /m 3， μ=??-1985105.Pa s

Re ..

..==???=?>-du ρ

μ00331210761985102151010544 (湍流)

解得：K)W/(m 63.4321?=K

解法2

可见这种近似是允许的。

(2) 改为φ542?mm 列管，m 05.02='d 令空气出口温度为't 2 120 120 26 86 94 34

热量衡算：6026)2686()26(222222-'=--'='t c m t c m Q Q p s p s

(1) 速率方程：

m m 2222m m 2222t t A A t t A A K K Q Q ?'?''≈?'?''='αα (2) 式中 ?t m =59℃

将以上各值代入(2)后再与(1)式联立

解得：'=t 273℃ 27、试计算一外径为50mm ，长为10m 的氧化钢管，其外壁温度为250℃时的辐射热损失。若将此管附设在：

（１）与管径相比很大的车间内，车间内为石灰粉刷的壁面，壁面温度为27℃，壁面黑度为；

（２）截面为200mm200mm 的红砖砌的通道，通道壁温为20℃。

解：由表3-8查的氧化钢管黑度为 1=，石灰粉刷壁面的黑度 2=

（1）由于炉门被极大的四壁包围，由表3-9知

=1，A =A 1=10=，

C 1-2= 1C 0=0. 8=（m 2K 4）

所以 ??????-=---4241212121)100()100

(

T T A C Q ? （2）查红砖2=，Φ=1，

196.0102.041005.014.3421=????==al dl A A π，此为表3-9中的第五种情况 48.4)193.01(196.08.01669.5)11(12211021=-+=-+=-εεA A C C ， 120 120

26 94

所以

28、在一大车间内有一圆柱形焙烧炉，炉高6m ，外径6m ，炉壁内层为300mm 的耐火砖，外层包有20mm 的钢板，已测得炉内壁温度为320℃，车间内温度为23℃，假设由炉内传出的热量全部从炉外壁以辐射的方式散失。试求此炉每小时由炉壁散失的热量为若干已知耐火砖λ=?105.W/(m K)，炉壁黑度=，钢板热阻可以不计。

提示：T w 4可用试差法求解，炉外壁温度在110-120℃之间。

解：辐射面积：

???

?????-??? ??+?=???

?????-??? ??+??=???

???????? ??-??? ??+=8.761002736418.761002733.141669.58.01002961002734w 4w 44w 01t t t A C Q ε辐射 （1)

耐火砖圆柱热传导：

耐火砖顶部热传导：

()∴=-Q t 传导472320w

(2)

联立(1)与(2)式

试差解得：t w =115℃

或 ()Q 损失=-=472320115968.kW

29、平均温度为150℃的机器油在1086mm 的钢管中流动，大气温度为10℃。设油对管壁的对流传热系数为350 W/(m 2℃)，管壁热阻和污垢热阻忽略不计。试求

此时每米管长的热损失。又若管外包一层厚20mm ，导热系数为 W/(m 2

℃)的玻璃布层，热损失将减少多少对流辐射联合传热系数)(052.04.9t t w t -+=αW/(m℃)。 解：在定态条件下，各串联热阻11/R t ?相等

（1）不保温时的热损失

因管壁热阻忽略不计，可认为管内、外壁温度均为t W 。

令t w -10=

于是 014003.110671.124=--?-θθ 求解得：C 0.143C 0.133o o =?=w t θ

按管外壁散热得：

（2）若加了20mm 厚的保温层后，管壁温度为t W1，保温层外壁温度为t W2。 则：

解得：C 1.36C 1.26o o =?=w t θ

按管外壁散热得： 热损失减少%6.82%100746

130746=?- 30、某化工厂在生产过程中，需将纯苯液体从80 ℃ 冷却到55 ℃，其流量为20000kg/h 。冷却介质采用35℃ 的循环水。试选用合适型号的换热器。定性温度下流体物性列于本题附表中。

习题3-30附表

解 (1)试算和初选换热器的型号 ① 计算热负荷和冷却水消耗量

热负荷： W 1056.23600

)

5580(10841.120000)(532111?=-???=-=T T c m Q p s

冷却水流量：67.7)

3543(10174.41056.2)(3

5

1222=-???=-=t t c Q m p s kg/s ② 计算两流体的平均温度差

暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差 6.272037

ln 20

37ln

2

121=-=-=

t t t t t m ?????℃ 而 178.03560

8035

431112=--=--=

t T t t P

由图3-27（a ）查得 94.0=?，因为8.0>?，选用单壳程可行。

所以9.256.2794.0=?='?=m

m t t ???折℃ ③初选换热器规格

根据两流体的情况，假设K 估＝450W ／(㎡·℃)，传热面积A 估应为

229

.254501056.25

=??==m t K Q

A ?估估㎡

本题为两流体均不发生相变的传热过程。为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令苯走壳程，水走管程。两流体平均温度差C 50o <，可选用固定管板式换热器。由换热器系列标准，初选换热器型号为G400Ⅱ, 有关参数如下。

80 55 43 35 37 20