化工原理试题库(上册)答案 下载本文

三、判断题

1. 流体在弯管内作强制对流传热时,同样条件下,对流传热系数较直管内的要小。 ( × )

2. 许多设备的外壁温度常高于环境温度,此时热量将以对流和辐射两种方式自壁面向环境传递而引起热量散

失。 ( √ )

3. 多层圆筒壁的稳态热传导过程,通过各层的传热速率、热通量都相同。 ( × ) 4. 螺旋板式换热器属于板翅式换热器的一种型式。 ( × )

5. 任何物体的辐射能力与吸收率的比值为恒定值,等于同温度下黑体的辐射能力。 ( √ ) 6. 多层平壁的稳态热传导过程,通过各层的传热速率相同、而通过各层的热通量不同。( × )

四、计算题

1. 有一逆流操作的热交换器,用15℃的水冷却过热氨蒸汽,氨气温度为 95℃,流率为 200kg/h,氨气在热交换器中冷却。冷凝液在饱和温度(30℃)下派出。在冷却冷凝过程中,热交换器各界面上氨气与水的温度差最小处不允许小于 5℃。求冷却水用量及水最终出口温度?已知 90℃,0氨气的焓分别为 1647,1467KJ/kg,30℃液氨的焓为 323KJ/kg,水平均比热为 4183J/kg℃。 2. 一套管换热器用 133℃的饱和水蒸汽将管内的氯苯从 33℃加热到 73℃,氯苯流量为 5500Kg/h。现因某种原因,氯苯流量减少到 3300Kg/h,但其进出口温度维持不变,试问此时饱和蒸汽温度应为多少才能满足要求?此时饱和水蒸汽冷凝量为原工况的百分之几?(设两种工况下的蒸汽冷凝热阻,管壁热阻,垢层热阻及热损失均可略,且氯苯在管内作湍流流动,忽略两工况下蒸汽汽化潜热的变化)

2

3. 某厂现有两台单壳程单管程的列管式空气加热器,每台传热面积为A0=20m (管外面积),均由128根 Ф25×2.5mm的钢管组成。壳程为 170℃的饱和水蒸汽冷凝(冷凝潜热为r=2054KJ/kg),凝液不过冷。空气走管程,其入口温度t1 =30℃ ,流量为4500kg/h 假定空气的物性参数不随温度、压力变化,可视为

3-3

常数,分别为CP=1.005KJ/Kg.K, ρ=1.06Kg/m ,μ=20.1×10cp ,λ=0.029w/m.k。热损失可略,管内

0.8

湍流时空气的对流给热系数可用下式计算: Nu=0.02Re ;

4. 若两台换热器并联使用,通过两台换热器的空气流量均等,试求空气的出口温度t2(℃)及水蒸汽的总冷凝量 m1(kg/h); 若两台改为串联使用,试求此时空气的出口温度t2(℃)及水蒸汽的总冷凝量 m1(kg/h);试比较并联及串联时传热效率的大小,并求两情况下总传热能力的比值 Q串/ Q并。

5. 有一带夹套的反应釜,釜内盛有某反应液。反应液的初始温度为 20℃。釜内液体由于剧烈地搅拌可认为温度均一。反应液需加热到 80℃进行反应。若夹套内通以 120℃的蒸汽加热,已知前 10分钟反应液的温升为 60℃,则反应液由初始温度加热至反应温度需要多少时间?若夹套内通以进口温度为 120℃的热流体加热,前 10 分钟反应釜的温升同样为60℃,则反应液由初始温度加热到反应温度需多少时间?(热流体无相变)(非稳态传热)

6. 某单程列管式换热器,其换热管为?25?2 mm的不锈钢管,管长为3m,管数为32根。在该换热器中,用25℃的水将壳程的110℃的某有机蒸汽冷凝成同温度的液体,该有机蒸汽的冷凝传热系数为8.2?103

2

W/(m·℃)。水的流量为15000 kg/h,平均比热容为4.18 kJ/(kg·℃);管壁与水的对流传热系数为

2

1000W/(m·℃);不锈钢的导热系数为17 W/(m·℃)。试求: 总传热系数Ko;水的出口温度。 7. 有一加热器,为了减少热损失,在加热器壁的绝热材料。的外面包一层导热系数为0。16W/m℃,厚度为300mm的绝热材料。已测得绝热层外缘温度为此30℃,距加热器外壁250处为75℃,试求加热器外壁面温度为若干?(300℃)

8. 工厂用φ170 ×5mm的无缝钢管输水蒸气。为了减少沿途的损失,在管外包两层绝热材料:第一层为厚30mm的矿渣棉,其导热系数为0.065 W/m℃;第二层为厚30mm的石棉灰,其导热系数为0.21 W/m℃。

4

管内壁温度为300℃;保温层外面温度为40℃。管道长50m.。试求该管道的散热量。(1.42×10W) 9. 为100mm的蒸汽管,外包两层厚度皆为15mm的保温材料,外面一层的导热系数位0.15 W/m℃,里面一层的导热系数为0.5 W/m℃,已知蒸汽管外表面温度为150℃,保温层外表面温度为50℃。求每米管长

29

的热损失为多少?两保温层交界处的温度为多少?(329 W/m,122.5℃)

10. 一套管式换热器,外管尺寸为φ38×2.5mm,内管为25×2.5mm的钢管,冷水在管内以0.3m/s的流速流动。水进口温度20℃,出口40℃,试求管壁对水的对流传热系数。(1640 W/m℃) 11. 石油厂常用渣油废热以加热原油。若渣油初温为300℃,终温为200℃;原油初温为25℃,终温为175℃。试分别求两流体作并流流动及逆流流动时的平均温度差,并讨论计算结果。(104℃,150℃)

12. 200Kg/h的硝基苯由355K冷却至300K,冷却水初温为15℃,终温为30℃,求冷却水用量。又如将冷

3

却的流量増加到3.5m/s,求冷却水的终温。(26℃)

13. 热器中采用120.85kPa(绝压)的饱和水蒸气加热苯,苯的流量为4500kg/h,从20加热到60。若设备的热损失估计为所需加热量的7%,试求热负荷及蒸汽用量(设蒸汽凝液在饱和温度时排除)。(131.24kg/h) 14. 某管壳式换热器中,用水逆流冷却某石油馏分,换热器的总传热系数为233.6。该馏分的流量为

1500kg/h,平均比热为3.35KJ/kg. ℃,要求将它从90℃冷却到40℃。冷却水的初温为15℃,出口温度

2

为55℃。试求:所需传热面积和冷却水用量。(10m,1500kg/h) 15. 在管长为1m的冷却器中,用水冷却热油。已知两流体并流流动,油由420K冷却到370K,冷却水由285K加热到310K。欲用加长冷却器管子的办法,使油出口温度降至350K。若在两种情况下,油、水的流率、物性常数、进口温度均不变;冷却器除管长外,其它尺寸也不变;忽略热损失。试求管长。(1.66m) 16. 10.现测定套管式换热器的总传热系数,数据如下:甲苯在内管中流动,质量流量为5000 Kg/h,进口温度为80℃,出口温度为50℃;水在环隙中流动,进口温度为15℃,出口为30℃。逆流流动。冷却面

22

积为2.5m。问所测得的总传热系数为若干?(745 W/m℃

17. 在一套管式换热器中,内管为φ180 ×10mm的钢管,内管中热水被冷却热水流量为300 Kg/h,进口温

2.

度为,出口为60℃。环隙中冷却水进口温度为50℃,总传热系数 2000 W/m℃。

试求: (1)冷却水用

(2)并流流动时的平均温度差及所需的管子长度;

(3)逆流流动时的平均温度差及所需的管子长度。 (3011.5Kg/h;2.32m;3.0m)

2

18. 在一传热外表面积为300m的单程列管式换热器中,300℃的某种气体流过壳方并被加热到430℃,另

4

一种560℃的气体作为加热介质,两气体逆流流动,流量均为1×10Kg/h,平均比热均为1.05 KJ/kg.℃,

2

求总传热系数。假设换热器的热损失为壳方气体传热量的10%。(11.3W/m℃)

19. 某列管换热器由φ25×2.5mm的钢管组成。热空气流经管程,冷却水在管间与空气呈逆流流动。已知

22

管内侧空气侧的对流传热系数为50 W/m?℃,管外水侧的对流传热系数为1000 W/m?℃,钢的导热系数为

45 W/m?℃。试求基于管外表面积的总传热系数K。若管壁热阻和污垢热阻忽略不计,为提高总传热系数,在其它条件不变的情况下,分别提高不同流体的对流传热系数,即:(1)将管内侧空气侧的对流传热系数

222

提高一倍;(2)将 管外水侧的对流传热系数提高一倍。分别计算K值。(37.2W/m?℃,74W/m?℃,39W/m?℃) 20. 在一单壳程、四管程换热器中,用水冷却热油。冷水在管内流动,进口温度为15℃,出口温度为32℃。热油在壳方流动,进口温度为120℃,出口温度为40℃。热油的流量为1.25kg/s,平均比热为1.9KJ/kg.。

22

若换热器的总传热系数为470 W/m?℃,试求换热器的传热面积。(9.1 m)

21. 质量流量为7000kg/h的常压空气,要求将其温度由20℃加热到85℃,选用108℃的饱和蒸汽作加热

42

介质。若水蒸气的冷凝传热系数为1.0×10W/m?K。定性温度下空气的物性参数:Cp=1.0kJ/kg?℃, μ=1.98

-2-2

×10cP , λ=2.85×10W/m?℃,普兰特准数为0.7。(1)总传热系数。(2) 核算此换热器能否完成此换热任务(已知该换热器为单管程、单壳程、管数为200根,管子规格为φ25×2.5mm,管长为2m,管壁及污垢热阻可忽略)(89.04,能)

22. 有一套管式换热器,内管为φ54×2mm,外管为φ116×4mm的列管,内管中苯被加热,其流速为

0.643m/s,苯的进口温度为50℃,出口温度为80℃,外管中为120℃的饱和水蒸气冷凝,冷凝对流传热系

42

数为1.0×10W/m.K,管壁热阻及污垢热阻均可忽略不计,试求:套管的有效长度。(K值的计算以内管的

3

外壁为基准;苯在定性温度下的物性:Cp=1.86KJ/kg.℃ ρ=880kg/m λ=0.134w/m.℃ μ=0.39cP)(14.3m)

30

2

23. 在传热面积为20 m的列管式换热器中用温度为20℃,流量为13500 kg/h冷水将某油品从110℃冷却至40℃,冷却水出口温度为50℃。运转一年后,两流体的流量和进口温度均不变,而测得冷却水出口温度降至40℃,经分析是由于污垢积累所至,试计算污垢热阻的增加量。可忽略热损失,水的平均比热

2

4.2KJ/Kg.℃。(0.002m℃/W)

24. 套管换热器的内管为φ38×2mm的铜管。今以绝对压强为294Kpa的饱和蒸汽将内管内的5000 kg/h氯苯由33℃加热到75℃。现某种原因,氯苯流率减小到1350 kg/h,而进、出口温度不变。如仍在原换热器内进行换热,你将采取什么措施?并计算建议改变的项目。两种流率下氯苯在管内流动均为湍流,但氯苯的物性常数可视为不变。已知冷凝传热膜系数比氯苯传热膜系数数值大得多。氯苯侧污垢热阻可忽略不计。(蒸汽压强降为176.5 Kpa)

25. 一卧式列管换热器,钢质换热管长3m,直径为φ25×2mm。水以0.7m/s的流速在管内流过,并从17℃被加热到37℃,流率为1.25kg/s、温度为72℃烃的饱和蒸汽在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸汽的冷凝

2

潜热为315KJ/kg。已测得:蒸汽冷凝系数为800W/ m℃,管内侧热阻为外侧的40%,污垢热阻又为管内侧热阻的70%,试核算换热管的总根数及换热器的管程数。计算时可忽略管壁热阻及热损失。(80,4)

26. 在一油冷却器里,水一单管为100g/s的流量流过得钢管,油以单管为75g/s的流量在管外逆向流动。若管长为2m,油和水的进口温度分别为370K和280K,问油的出口温度为多少?已知油侧的对流传热系数

22

为1700 W/ m℃、水侧的对流传热系数为2500 W/ m℃,油的比热为1.9 KJ/Kg.℃(325K)

27. 某列管冷凝器,管内通冷却水,管外为有机蒸气冷凝。在新使用时,冷却水的进出口温度分别为20℃和30℃。使用一段时期后,在冷却水进口温度与流量相同的条件下,冷水出口温度降为26℃。求此时的垢

2

层热阻。已知换热器的传热面积为16.5m,有机蒸气的冷凝温度为80℃,冷却水流量为3.0Kg/s,水的比热为4.2KJ/Kg.K。(12分)

28. 一单壳程单管程列管式换热器,苯在换热器管内流动,流量为1.5kg/S,由80℃冷却到30℃。冷却水在

3

管间和苯作逆流流动,水进口温度20℃,出口温度50℃,已知苯的平均比热为1.9×10J/(kg. ℃),基于

2

外表面积的总传热系数K为490W/(M. ℃),换热器的热损失忽略不计,试求:传热速率Q为多少kW?(4分);

2

对流平均温度差为多少℃?(4分);该列管换热器的传热面积为多少M?(4分)

29. 有一台新的套管换热器,用水冷却油,水走内管,油与水逆流,内管为?19?3mm的钢管,外管为?40?3mm的钢管。水与油的流速分别为1.5m/s及1.1m/s,水的进出口温度为20℃和40℃,油的进口温度为100℃,热损失不计,试计算所需要的管长。 水,油和钢在定性温度下的物性常数: 水 油 钢 密度(kg/m3) 比热[J/(kg·℃)] 导热系数[W/(m·℃) 998.2 860 ------- 4138 1900 -------- 0.59 0.15 45.4 粘度[W/(m·K)] 0.001 0.0011 ------- 2

30. 在一新的套管换热器中,冷却水在φ25×2.5mm的内管中流动以冷凝环隙间的某蒸汽。当冷却水的流

速为0.4m/s和0.8m/s时,测得基于内管外表面的总传热系数分别为1200瓦每平方米开尔文和1700瓦每平方米开尔文。水在管内为湍流,管壁的导热系数为45w/m·K。水流速改变后可认为环隙间冷凝的传热膜系数不变,试求:当水的流速为0.4m/s时,管壁对水的对流传热系数为多少?管外蒸汽冷凝的对流传热系数为多少?若操作一段时间后,水流速仍维持0.4m/s,但测得的总传热系数比操作初期下降10%,试分析可能的原因,并论述此时蒸汽的冷凝量是否也下降10%。(13分)

31. 有一套管式换热器,管程走冷空气,温度由15℃加热到105℃,空气的流速为13.2m/s,空气在定性

-5

温度下的物性为:密度为1.06kg/m3,比热1.005kJ/(kg.K),粘度2.01×10Pa.s,导热系数0.02893W/(m.K),普兰特准数0.696,温度为115℃的水蒸汽在环隙冷凝,其对流传热系数1.0×4

10W/(m2.℃)。套管换热器的内管尺寸为25×2.5mm,不计污垢热阻,求套管换热器的内管管长。 32. 在一套管式换热器中,用水冷却热油。换热器管长为1.5m,两流体作逆流流到,油由150℃冷却到95℃,冷却水由15℃加热到35℃。若用加长冷却器管子的方法,使油出口温度降至65℃。假设在这两种情况下,油和水的流量、物性常数、进出口温度均不变,冷却器除管长外,其它尺寸也不变,忽略热损失,试求管

31

长。

33. 在列管式换热器中,用15℃的冷却水将某溶液从90℃冷却到40℃,该溶液流量为5400kg/h,比热为3.4kJ/(kg·K),对流传热系数为600W/(m2·K)。冷却水走管程与管外溶液逆流换热,流量为10080kg/h,比热4.16 kJ/(kg·K),对流 传热系数为1100W/(m2·K)。换热器管束由φ25×2.5mm钢管组成,钢管导热系数为45W/(m·K),管内、外两侧污垢热阻可略去不计,计算需换热器的传热面积(以So表示),换热器的热损

失可不计。若该换热器运行一段时间后,只能将溶液冷却到45℃,问此时应采取什么措施才能保证换热要求? 34. 在列管式换热器中,用饱和水蒸气加热原油。温度为160℃的饱和水蒸气在壳层冷凝排出饱和液体。原油在管程流动,由20℃被加热到106℃。饱和水蒸气的流量为2160kg/h,汽化潜热为2087kJ/kg,对流传热系数为1200W/(m2·K)。原油比热1.6 kJ/(kg·K),对流 传热系数为400W/(m2·K)。换热器管束由φ25×2.5mm钢管组成,钢管导热系数为45W/(m·K),管内、外两侧污垢热阻及其热损失可略去不计。计算(1)原油的流量;(2)需换热器的传热面积(以So表示)。 35. 在一逆流换热器中,将1.26 kg/s的苯用冷却水从110℃冷却 到40℃,苯的比热为1.7 kJ/(kg·℃)。冷却水走管内,入口温度为18℃,出口温度36℃,水的比热为4.16 kJ/(kg·℃),换热器由φ25×2.5mm的钢管组成。水和苯的对流传热系数分别为1800 W/(m2·℃)和600 W/(m2·℃),忽略管壁及两侧污垢热阻,不计换热器热损失。求:1.冷却水用量。2.换热器所需换热管总长。

36. 在一列管换热器中将15000kg/h的油品从20℃加热到90℃。油品走管内,管外加热介质为130℃的水蒸汽。换热器由100根φ15×1.5mm、长2m的钢管构成。已知αi=360W/m2·℃,αo=12000W/m2·℃,油品的比热为1.9kJ/kg·℃,操作条件下水的汽化潜热为2205kJ/kg,管壁的导热系数为45W/m·℃。若加热蒸汽全部冷凝后在饱和温度下排出,忽略热损失和管壁污垢热阻。试求:

(1) 换热器的热负荷Q=? (2) 加热蒸汽消耗量Wh=? (3) 总传热系数K=?

(4) 该换热器能否满足生产任务?

37. 某内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3100kg/h的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热为2.38kJ/kg.K,冷却水进出口温度分别为40℃和50℃,其平均比热为4.174 kJ/kg.K,并、逆流时的总传热系数K0均为2000W/m2.K,试求:

(1)冷却水用量;

(2)计算两流体分别作并流流动、逆流流动时的平均温度差和管长,并根据计算结果加以讨论。 38. 某内管为φ150×10mm的套管换热器中,将流量为3100kg/h的某液态烃从120℃冷却到60℃,其平均比热为2.38kJ/kg.K,冷却水进出口温度分别为30℃和50℃,其平均比热为4.174 kJ/kg.K,并、逆流时的总传热系数K0均为2000 W/m2.K,试求:

(1)冷却水用量;

(2)两流体作并流流动时的平均温度差和管长; 3两流体作逆流流动时的平均温度差和管长。 39. 用初温为10℃的水在φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器内将机油由200℃冷却至100℃,水走管内,油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000 kg/h和1200 kg/h,其比热分别为4.18kJ/kg·K和2.0kJ/kg·K。水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/m2·K和250W/m2·K,两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。试计算:

(1) 换热器的热负荷; (2) 冷却水的出口温度; (3) 总传热系数; (4) 所需传热面积;

(5) 若换热器由15根长3 m的上述换热管组成,说明该换热器是否合用? 40. 单程列管式换热器由15根φ25×2.5mm、长3 m钢管组成,管内为初温10℃、终温20℃的冷却水,比热为4.18kJ/kg·K;管间为机油,由200℃冷却至100℃。机油的质量流量为1200 kg/h,比热为2.0kJ/kg·K。两流

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