第2 章
1．锅炉钢板壁厚120mm ，其导热系数146.5W/ m K 。若粘附在锅炉内壁上的水垢层厚度为21mm ，其导热系数2 1.162W/ m K 。已知锅炉钢板外表面温度为 t1523K，水垢内表面温度为 t3473K ，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
r1r 0.02，
r
，
r2
r3 r0.001 ，根据题意，可以得到 r1r2r
3
，所以S
m1
S
m2
由圆筒壁的导热速率方程：Q
t1t n1t1t3
n b i b1b2 i 1i S mi 1 S m12S m2
其中，t1 523K，t3473K ，146.5W/ m K ，2 1.162W/ m K ，b10.02m ，
b2 0.001m ， S m1S
m2S 。
所以
Q t1 t352347322 q S b1b20.020.001
W/m
3.874W/m
1246.5 1.162
根据圆筒壁的导热速率方程：Q
t 1
t
n 1t1 t 2 n b
i b1 i 1i
S
mi1S m1
可以得到： t2t1-qb
1523 3.8740.002506.3(K ) 146.5
2．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：
t 1 t
n 1
t 1 t 4
πL t 1 t 4
Q n
b i b 1
b 2
b 3
2
b 2
b 3
b 1
i 1i
S mi
1
S
m1 2
S
m2
3 S
m3
1r
m1
2 r
m2 3 r
m3
式 中 ： t 1
℃ ，
4
1
=60/2-3.5=26.5(mm) ，
2
=60/2=30(mm) ，
=500 t =80℃ ， r r r 3=30+40=70(mm) ， r 4=70+20=90(mm) ， b 1=3.5mm ， b 2=40mm ， b 3=30mm ，
=45W/( m ·℃)，λ=0.07W/( m ·℃)，λ=0.15W/( m ℃·)。
λ1
2
3 r
m1
r 1 r 2 26.5 30
2
2
28.3( mm)
r
m2
r 3
r 2
70 30
ln
r
3
47.2(mm)
ln
70
r 2
30
r
m3
r 3
r 4 70 90
2
2
80(mm)
所以每米管长的热损失为：
Q 2π
t 1 t 4
L
b 2 b 3
b 1
1r m1
2 r m2
3 r m3
2 3.142 3.142
500 80
W/m
3.5
40
20
45 28.3
0.07 47.2
0.15 80
191.6W/m
因为 Q
t 1 t n 1
2πL
t 1 t 4
t 3 t 4
n
b i
b 2
b 3 2πL
b 1
b 3
i 1
i
S
mi
1 r m1
2 r m2
3 r
m3
3r
m3
所以 t 3 t 4
Q
b 3 80 191.6
20
130.8 （℃）
L
3.142 0.15 80
2π 3r m3
2
3
3．有一列管式换热器，由 38 根 φ 25× 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 / m 3 ，
c p
1.80kJ / kg
℃ ，
0.14W / m
℃
根据公式
0.023
Re 0.8 Pr 0.4
d i
d i =0.020m ，
u w s 10.2
1.0m / s
ρA
860
0.022
38
4
Re du
0.020 1.0 860 38222 (湍流)
0.45 10 3
Pr
C p
1.80 0.45 5.786
0.14
i
0.023 Re 0.8 Pr 0.4
d i
0.023
0.14 382220.8 5.7860. 4 W / m 2 ℃
0.020
1505W / m 2 ℃
（ 12）苯的流量增加 1 倍后，
'
2 0.8
1505 0.8
2
℃ 2620W / m 2
℃
i
i
2 W / m
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
φ 19 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。 解：苯的定性温度
20
80 50 ℃，此状况下的物性为：
2
0.45mPa s ，
860kg / m 3 ， c p
1.80kJ / kg ℃ ，0.14W / m ℃
苯的流速为：
w s
1800
1.12m / s
u
ρA 3600
860 4
0.0322 0.0192
套管的当量直径为：
4
d 12 d 22
4
d 1 d 2 32 19 mm 13m m
d e
d 1
d 2
流体的雷诺数为：
Re d e u
0.013 1.12 860 27826 (湍流 )
0.45 10 3
Pr
C p
1.80
0.45
5.79
0.14
d 1 32 1.68 1.65
d 2
19
由此可得对流传热系数为：
Re
0 .8
Pr
31
d
1
0.53 0.02
d e
d 2
0.14
1
32
0.53
0.02 278260.8 5.793
W / m 2 ℃
0.013
19
1832W / m 2 ℃
与书上答案 1794 W / m 2 ℃ 略有不同。
5
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φ 19 mm × 2mm 的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。
解：甲烷的平均温度
120
30 75 ℃，此状况下的物性为
2
0.012mPa s ，
0.562kg / m 3 ， c p
2.48kJ / kg ℃ ，
0.04W / m ℃
列管换热器的当量直径为：
4
d 12 37d 22
2
2
2 37
2
4
d 1
37d 2 190
19
d e
37 d 2 d 1 37 d 2 190 37 m m 25.47m m
d 1 19
流体的雷诺数为：
d e u
0.02547
10 0.562 11928 (湍流 )
Re
0.012
10 3
由此可得甲烷对管的对流传热系数为：
0.023 Re 0.8 Pr 0.3
d e
0.04
2.48 0.012
0. 3
0.023
119280.8 W / m 2 ℃
0.02547
0.04
60.3W / m 2 ℃
6
6．温度为 90℃的甲苯以 1500kg/h 的流量通过蛇管而被冷却至 30℃。蛇管的直径为 φ57 mm ×3.5mm ，弯曲半径为 0.6m ，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。
解：甲苯的平均温度
90
30 60 ℃，此状况下的物性为：
2
0.3864mPa s ，
831.8kg / m 3 ，c p 1.853kJ / kg ℃ ，0.1238W / m ℃
流体的流速为：
V s m s
1500
m / s 0.255m/ s
u
1 d
2 3600
1
1 d 2
3.142 0.0502 831.8
4 4
4
流体的雷诺数为：
du
0.05 0.255 831.8
27447 (湍流 )
Re
0.3864 10
3
湍流时甲苯对直管的对流传热系数为：
0.8
0.3
0.023 Re Pr
0.1238
1.853 0.3864
0. 3
0.023
274470.8 W / m 2 ℃
0.050
0.1238
2162.3W / m 2 ℃ 过渡流的校正系数：
1
6
105
1
6 105 0.612
Re 1 .8
2744 .71.8
圆形弯管的校正系数为：
1 1.77
d i
1 1.77
0.050 1.1475
R
0.6
甲苯对蛇管的对流传热系数为：
'
0.612 1.1475 342.7 0.612 1.1475W / m 2 ℃ 240.7W / m 2 ℃
7．120℃的饱和水蒸气在一根
25 2.5mm 、长 1m 的管外冷凝，已知管外壁温
度为 80℃。分别求该管垂直和水平放置时的蒸气冷凝传热系数。
解：（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：
2
3 1
1.13
r
g 4
垂直
l
t
液膜温度为
120
2 80 100 ℃，该温度下水的物性为
0.283mPa s ，
958.4kg / m 3 ，
0.683W / m ℃
冷凝温度为 120℃，此温度下水的相变焓为： r
2205.2kJ / kg 。所以可以计算
2
3 1
r
g
4
垂直
1.13
l t
3
2
3
1
1.13 2205.2 10
4
958.4
9.81 0.683 W / m 2
℃
0.283 10 3 1
120 80
5495.3W / m 2 ℃
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：
d o u
d o G
4S / d o q m / S
4Q / r d o 4 垂直 d o l tQ / r d o
4 垂直 l t
Re
r
代入相关数据后可以求得
4 垂直
l t
4 5495.3 1 120 80
1409
Re
r
2205.2 103 0.283 10 3
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：
2
3 1
水平
0.725
r
g
4
t
d o
3
2
3
1 0.725 2205.
2 10
4
958.4 9.81 0.683
W / m 2 ℃
0.283 10 3 0.025 120 80
8866.7W / m 2 ℃
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 600℃，室温
为 20℃。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？
解：（1）不加隔热板时，铸铁炉门被四壁所包围， 铸铁黑度为
1
0.78，
1
C
，
C
1 2
角系数 12
1 ，根据
T 1 4
4
Q
1 2
C
1 2
1 2
S
T 2 100
100
600
4
30 4 0.78
5.669 1 1 0.5
273.15
273.15
W
100
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）：
T 1 4 4
Q
1 3
C
1 3
1 3
S
T 3
100
100
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 1 3
C 0
5.669
3.62 ，其角系数 1 3 1。
1 1
1 1
1
0.78
1
1
3
0.78
隔热板对周围墙壁的辐射传热量（
3→2）：
T 34
4
Q
3 2
C 3 2 3 2
S
T 2 100 100
其中C 3 2
3
C
0.78 5.669 4.42 ， 3 2 1 。
过程达到稳态时， Q 1 3
Q
3 2
T 1 4
T 3 4
T 3 4
4
C
13 13
S
T 2
100
100C
32 32
S
100
100
将已知数据代入上述公式，可以得到
600 273.15
4
4
3.62
1 1 T 3
0.5
100 100
T 3
4
273.15
4
4.42
1 1 30
0.5
100
100
求出 T 3 718.39K 443.24℃
所以热损失为：
T 1 4
4
Q Q 13
T 3
C 13 13S
100
100
600 4
4
273.15
718.39
3.62 1 1 0.5
W
100
100
5700W
（ 3）如果将隔热板换为氧化的铝板，其黑度为
3
0.15 ，则有
C 1
C 0 5.669
3 1 1
1 0.816
1
1
0.78
1
1
3
0.15
C 3 2 3C
0 0.15 5.669 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：
T 1 4 4
T 2 Q Q 13
Q 3
2
100
100
1 1
C 13 13S 1
C 32 32S 1
600
4
30
4
273.15
273.15
100
100
W
1
1
0.816 1 0.5 0.85 1 0.5
1192W
9
9．现测定一传热面积为 2m 2
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 80℃，出口温度为 50℃；冷水走壳程，测得进口温度为 15℃，出口温度为 30℃，逆流流动，试计算该换热器的 K 值。（原题 6）
解：换热温差：
Δt
Δt Δt
T 2 t 1 T 1 t 2
50 15
80
30
℃ 42.06℃
1
2
m ln Δt 1
ln T 2 t 1
ln
50
15
Δt 2
T 1 t 2
80
30
热负荷为：
Q W c C pc T 1 T 2
1500 4.18 103 80 50 W 52.25kW
3600
所以换热器的总传热系数：
K o
Q
52.25 103 W / m 2 ℃ 621.1W / m 2 ℃
S o t m
2 42.06
10
10．热气体在套管式换热器中用冷却水冷却，内管为 φ 25× 2.5mm 的钢管，冷水在管内湍流流动，对流传热系数为 2000 W/(m 2?K) 。热气在套管环隙湍流流动，对流传热系数为 50 W/(m 2?K) 。已知钢的导热系数为 45.4 W/(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？
（ 3）气体流速提高一倍，则总传热系数有何变化？ （原题 8）解：（ 1）根据题意
d m
d o d i 25
20
m m 22.4m m
ln d o
ln
25
d i
20
管壁热阻占总阻力的百分数 :
b d o
d m
100 %
1 d o
R
si
d o b d o
R
so
1
i d i
d i
d m
o
2. 5 10 3 25
45.4 22.4
100 %
1
25 2.5 10 3 25
1
2000
45 .4
22.4 0
20 50 0.297 %
（ 2）冷水流速提高 1 倍后，管内的对流传热系数变为：
' i 2
0.8 0.8 W / m 2 ℃ 3482W / m 2
℃
i
2000 2
总传热系数为：
K o
1
1 d o R si
d o
b d o
R
so
1
i
' d i
d i
d m
o
1
W / m 2 ℃
1 25 0 2.5 10 3 25 0 1 348
2 20 45.4 22.4 50 48.97W / m 2 ℃
（ 3）气体流速提高 1 倍后，管外的对流传热系数变为：
' 0.8
0.8 W / m 2 ℃
87.06W / m 2
℃
oo
2 50 2
总传热系数为：
K o
1
1 d o
d o b d o 1
' d i
R si d i d m
R so o
i
1
W / m 2 ℃
1 25 0 2.5 10 3
25 0 1 2000 20 45.4 22.4 87.06
82.15W / m 2 ℃
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 φ25× 2.5mm 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 K o 为 2115 W/( m 2·℃ )；若其它条件不变，而水的速度变为 1.5m/s 时，测得 K o 为 2660 W/( m 2·℃)。试求蒸汽冷凝传热系数。假设污垢热阻可以忽略不计。
解：设水流速为 1m/s 时， i 用
1.0 表示，K 用 K 1.0 表示；速度为 1.5m/s 时， i 用
1.5 表示， K 用 K 1.5 表示。由总传热系数的计算式可以得到：
1 1 d o
b d o 1
K 1.0
1.0
d i
d m o
1
1 d o
b d o 1
K
1.5
1.5
d i
d m
o
两式相减，可以得到：
1
1 d o
1
1
K
1.0
K
15
d i
1.0
1.5
其中， K 1 .0
2115 W/( m 2·℃ )， K 1.5 2660 W/( m 2·℃ )， d o 25mm ，
d i 20mm 。
所
以
，
1
1
d i 1 1 20 1
1
7.76 10 5
2
d o K 1.0 K
15 25 2115 2660 [ ( m ·℃)/ W]
1.0
1.5
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：
u 1.5 0.8
1.5
1.0
1.50.8
1.0 1.383
1.0
u
1.0
由以上两个式子可以求得
1.0 =3569 W/( m 2 ·℃)， 1.5
=4936 W/( m 2
·℃)。
根据
1 1 d o
b d o
1
，其中 K 1.0 2
25mm ，
K
1.0
d i d m
2115 W/( m ·℃ )， d o
1.0
o
d i
20mm ， d m 22.5mm ，b=2.5mm ， λ=45W/( m ·℃)， 1.0 =3569 W/( m 2
·℃)。
可以求得
o 15900W / m
2
℃ 。
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 120℃，出口温度上升到 160℃；机油在内管流动，进口温度为 245℃，出口温度下降到 175℃。
（ 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?℃），并流和逆流时的总传热系数 K 均为 100 W/(m 2?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：
Δt m
Δt Δt
T 2 t 1
T 1 t 2 175 120
245 160 ℃ 68.9℃
1
2
ln
Δt
ln T 2
t 1 ln 175 120
1
Δt 2
T 1
t 2
245 160
并流时：
Δt
Δt Δt
T 1 t 1
T 2 t 2
245 120
175 160 ℃ 51.9℃
1
2
m
Δt
ln T 1 t 1
ln 245 120
ln
1
Δt 2
T 2 t 2
175 160
（ 2）逆流时换热面积：
S o
Q
W h
c ph
T
1
T 2
0.5 3000 245 175 m 2 15.2m 2
K o Δt m
K o Δt m
100 68.9
并流时换热面积：
S o
Q
W h
c ph
T
1
T 2
0.5 3000 245 175 m 2 20.2m 2
K o Δt m
K o Δt m
100 51.9
13
13．某列管换热器由多根 φ 25× 2.5mm 的钢管组成，将流量为 15 吨 /小时的苯由20℃加热到 55℃，苯在管中流速为 0.5m/s ，加热剂为 130℃的饱和水蒸气在管外冷凝，其汽化潜热为 2178kJ/kg ，苯的比热 c p =1.76kJ/(kg?K)，密度 ρ=858kg/m 3，
粘度 μ=0.52 ×10-3
，导热系数 λ ，热损失、管壁及污垢热阻均
Pa?s =0.148W/(m?K) 忽略不计，蒸汽冷凝的 α=104 W/(m 2?K) 。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 l 。解：（ 1）加热冷流体苯所需要的热量
Q c
W c
C
pc
t 2
t
1
15 103 1.76 103 55 20 W 256.7kW
3600
水蒸汽用量：
Q256.7kW 0.1179 kg / s 424.3kg / h
W h
r
2178kJ / kg
（ 2）流体在管内强制湍流传热系数 苯的平均温度
55
20 37.5 ℃，此状况下的物性为：
2
0.52mPa s ， 858kg / m 3 ， c p
1.76kJ / kg ℃ ，0.148W / m ℃
Re
du
0.020 0.5 858
16500 10 4
0.52 10 3
c p
1.76 103 0.52 10 3
Pr
0.148 10 3
6.1838
带入
i 表达式有：
i
0.023 Re 0.8 Pr 0.4
d
0.023
0.148
16500 0.8 6.18380.4 W / m 2 ℃
0. 02
834. 5W / m 2 ℃
o 10000W / m 2 ℃
1 1 d o
1
1 25 1
m 2 ℃ / W
K o
i
d
i
o
834.5 20 10000
K o
625.8W / m 2 ℃
（ 3）因为
u
V s
m s
15000
m/ s 0.5m/ s
3600
1
1 d 2
n
1 d
2 n 3.142 0.0202 858 n
4
4
4
所以可以求得 n 31
换热面积： S o
Q
K Δt
o
m
t m
t 1 t 2 T t 1
T t 2
130 20
130 55
℃ 91.4℃
ln
t 1 ln
T
t 1 ln 130
20
t 2
T
t 2
130 55
S o
K Q
256.7 103 m 2
4.488m 2
Δt
91.4
o
m 625.8
又 S o
n d o l
l
S o
4.487
m
1.84m
d o
31 3.142
n 0.025
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 3.5m 2。冷却水走管内，流量为 5000kg/h ，流动为强制湍流，入口温度为 20℃；热油走套管环隙，流量为 3800kg/h ，入口温度为 80℃，其比热 c p =2.45kJ/(kg?K)。已知
两流体的对流传热系数均为
2000 W / m 2 K 。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 35℃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：
Q
c
W c
C
pc t 2 t 1 Q h W h C ph T 1 T 2
Q KS t m
KS
T 1 t 2
T 2 t 1
W h
C ph
T
1
T 2
ln
T
1
t 2
T 2
t 1
以上两式整理化简后可以得到：
ln
T
1
t 2
KS
1
W h C ph
T 2 t 1 W h C ph W c C pc
本题中， t 1=20℃, T 1=80℃, W h =3800kg/h, W c =5000 kg/h, c ph =2.45 kJ/(kg?K), c pc =4.18 kJ/(kg?K),
W h
C
ph
3800 2.45 0.4455
所以
5000 4.18 W c
C
pc
所以
T 1 t 2 KS
W h C ph 1000 3.5
T 2 t 1
exp
W h
C
ph
1
W c C
pc
exp
3800
1 0.44552.12
3
2.45
10
3600
又 W c C pc t 2 t 1 W h
C ph
T
1
T 2 T 1 T 2
W c
C
pc
1
2.245
t 2 t 1 W h C
ph 0.4455
联立上述两式，可以求得 T 2=39.9℃， t 2=37.8℃ （ 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 φ 25× 2.5mm 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 75℃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 800 W/(m 2?K) 。冷却剂在管内的流速为 0.7m/s ，温度由 20℃升高到 50℃，其比热为 c p =2.5kJ/（kg ·K ）,密度为 ρ=860kg/m 3，对流传热系数为 2500 W/(m 2?K) 。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 0.00055 m 2?K / 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。解：有机蒸汽冷凝放热量：
Q W h r
5000
310 103W 431kW 3600
传热温差
Δt
Δt Δt
T t 1
T t 2
75 20
75 50 ℃ 38℃ 1
2
m
Δt 1
ln
T
t 1 ln
75
20
ln Δt
T t 2
75 50
2
总传热系数：
K o
1
1 d o
R
si
d o
b d o R
so
1
i
d i d i
d m
o
1
W / m 2 ℃
1 25 0.00055 25
0 0
1
2500 20 20 800
410 W / m 2 ℃
所需的换热面积：
3
S o
Q 431 10 m 2 27.7m 2
K o t m 410 38
冷却剂用量：
W c
Q
431 103
kg / s 5.75kg / s
t 2 t 1 2.5 103 50 C
pc
20
每程换热管的数目：
V s m s
5.75
n
30
1
d i 2 u
1 d i 2
u
1
3.142 0.0202 860 0.7
4
4
4
管程数为：
S o
27.7
3.92
N
n
3.142 0.025 3.0 d o l 30
取管程数为 4
总管数目： n 总 n N 30 4 120
16
16．在一台管壳式换热器中， 壳方 120℃的水蒸汽冷凝将一定流量的空气由
20℃加热到 80℃，
空气的对流传热系数 αi =100W/ （ m 2?℃）。换热器由 25 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 19 2mm 的规格，
（ 4）将蒸汽温度提高到 124℃。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。
解：原工况下： S o n d o l 100 3.142 0.025 6m 2 47.12m 2
K
oi
d i 110 20 W / m 2 ℃
88W / m 2 ℃
d o
25
Δt Δt
1
Δt
2T t1T t2120 20120
80
℃ 65 48℃
m
Δt1ln T
t1ln 12020.
ln
Δt
T t 212080
2
Q K o S o t m8847.1265.48W 271.5kW
流量增加 40%后：Q 'Q 1.4271.5 1.4kW 380.1kW
措施之一：将管方改为双程：
传热系数
K o'K o20.8 1.40.88820.8 1.40.8 W / m2℃200.5W / m2℃
换热面积与传热温差不变，所以热负荷：
Q'K o S o t m200.547.1265.48W618.8kW380.1kW ，故满足要求。
措施之二：增加换热管长：
传热系数
K o'K o 1.40.888 1.40.8 W / m2℃115.2W / m2℃
换热面积 S o'S o l '47.128 m262.83m2
l6
传热温差不变，所以热负荷：
Q'K o S o t m115.262.83 65.48W473.9kW380.1kW ，故满足要求。
措施之三：改为 192mm的换热管:
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：
1 .8
15 1.8
'150.8
110 1.40.8
W / m
2
℃ 241.6W / m
2
℃
i i20 1.420
传热系数：''d i15 2 ℃ 2 ℃
K o i d o241.6 19 W / m190.7W / m
换热面积： S o'n d o'l100 3.1420.0196m235.81m2
热负荷：
Q'K o S o t m190.735.81 65.48W447.4kW380.1kW ，故满足要求。措施之四：提高蒸汽温度：
Q K o S o
t2t1
W c C pc (t2t1 ) T t1
ln
T t2
所以
T t112020K o S o ln
t 2
ln0.9163
T120 - 80
W
c
C
pc
ln T
s t1 1.40.8 K o S o0.91630.8567 T s t2 1.4W c C pc 1.40.2
可以求得 T s124.3℃，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。
17．一列管换热器（管径φ 25× 2.5mmmm ），传热面积12m2（按管外径计，下同）。今拟使 80℃的饱和苯蒸汽冷凝、冷却到45℃。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 10℃，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
1500 W / m2K、 870W / m 2K ；水的对流传热系数为2400W / m2 K 。取水侧的污垢热阻为 0.26 ×10-3m2K / 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 4.18 kJ/ kg K、 1.76kJ/ kg K ；苯蒸汽的冷凝潜热r =395kJ/kg。（原题11）
解：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 80℃的苯液体冷却到出口温度 45℃，而管内的冷却水从入口温度 10℃加热到一定的温度，设为 t m。
根据热负荷计算公式Q Q c Q h，可以得到：
W
c C
pc
t
m t1
W
h
C
ph
T
m T2
其中，
W c 5k g / ，s
C pc 4.18kJ/ kg K， t1 10
℃ ，
W h
，
1k g / s
C ph 1.76kJ/ kg K， T m 80 ℃， T245 ℃，
所以， t m t1W
h
C
ph
T
m T2
1 1.76804513 （℃）
W
c
C
pc
10
54.18
该过程的对数平均温差为：
t m1t1t2T2 t1T m t m45 1080 13
49.3 （℃）
t1ln
T
2t1ln
45
10
ln
t2T m t m8013
该过程的总传热系数为：
K o
1
d o
d o
b d o
1
1
i
d
i
R
si
d i
d m
R
so
o
其中 ，
i
2400W/ m 2 K ， d o
25mm ， d i 25 2.5 2 20(mm) ，
R si 0.26 10 3 m 2
K/W ，
b d
o
0 ， R so
0 ， o1 870W/ m 2 K
d i
所以，
K o1
1
1
d o
d o
b d o
1
1 25
3
25
1
1 R
si
R
so1
0.26 10 0 0 i
d i
d i
d m
o1
2400 20 20
870
=501
W/ m 2 K
该过程的热负荷为：
Q 1
Q h1
W h
C ph
T
m
T 2 1 1.76
80 45 61.6 kW
该过程所需要的换热面积为：
S
o1
Q 1 61.6 10
3
2
K o1
t
m1
501
2.5 m
49.3
（2）在冷凝过程中， 管外流体为 80℃的苯蒸汽冷凝为 80℃的饱和液体， 而
管内的冷却水从入口温度 13℃加热到出口温度，设为 t 2 。
根据热负荷计算公式 Q Q c Q h ，
其中 Q h2
W r
1 395kW
395kW
Q c2W c C pc t 2
t m
所以， t 2
t m
Q
c2
13
395
W c
C
pc
5
32 ℃
4.18
该过程的对数平均温差为：
t 1
t 2
T 1 t 2
T m t m 80 32 80 13
t m 2
ln T 1
ln
80
57 （℃）
ln t 1
t 2 32
t 2
T m
t m
80 13
该过程的总传热系数为：
K
o 2
1
1
1 d o
d o
b d o 1
1 25
3 25
1
10 0
d i
R
si
d i
d m
R
so
0.26
i
o 2
2400 20
20
1500
=661
W/ m 2 K
该过程所需要的换热面积为：
S
o1
Q 2
395 103 10.4 m 2
K
o 2
t
m2
661 57
所以，该换热过程总共需要的换热面积为：
S o S o1 S
o2 2.5 10.4 2
12.9(m 2 ) >12m
所以该换热器不合乎要求。
蒸馏 5、在连续精馏塔中分离由二硫化碳和四氯化碳所组成的混合液。已知原料液流量为4000kg/h ，组成为0.3（二硫化碳质量分数），要求釜液组成不大于0.05，馏出液回收率为88%。试求馏出液的流量和组成，分别以摩尔质量和摩尔分数表示。 解：全塔物料衡算（质量分数表示） W D F Wx Dx Fx W D F +=+= 由题意得：F=4000，x F =0.3，x W =0.5，88.0%100=?=F D D Fx Dx η代入上式得 故 943.01120 3.0400088.0/112028804000/288005.03.0400012.0=??===-===??D Fx x h kg D h kg W W F D D η 下面用摩尔分数表示 h kmol x D /36.14760.9741120D 974.0154/057.076/943.076/943.0=?==+= 18 6 在常压操作的连续精馏塔中分离甲醇0.4与水0.6（均为摩尔分数）溶液，试求以下各种进料状况下的q 值。（1）进料温度为40℃（2）泡点进料（3）饱和蒸汽进料 （1） 查得甲醇汽化潜热1150kJ/kg ，水的汽化热为2300 kJ/kg ，故平均汽化热为： kg /kJ 27.167618 6.0324.01823006.0186.0324.03211504.0r =?+???+?+???= 由题中数据可得x=0.4时，溶液泡点温度为75.3℃，则平均温度为： 65.572403.75=+= m t ℃ 查平均温度下甲醇比热为65kJ/kg·K 溶液平均比热为 K kg kJ ?=?+???+?+???=/35.318 6.0324.01818.46.0186.0324.03265.24.0cp 最后由热状态参数q 定义得： 07.127 .167627.1676)403.75(35.3=+-?=+?=r r t c q p
《化工原理》第四版习题答案解析
绪 论 【0-1】 1m 3水中溶解0.05kmol CO 2，试求溶液中CO 2的摩尔分数，水的密度为100kg/m 3。 解 水33kg/m kmol/m 1000 100018 = CO 2的摩尔分数 (4005) 89910100000518 -= =?+ x 【0-2】在压力为101325Pa 、温度为25℃条件下，甲醇在空气中达到饱和状态。试求：(1)甲醇的饱和蒸气压A p ；(2)空气中甲醇的组 成，以摩尔分数 A y 、质量分数ωA 、浓度A c 、质量浓度ρA 表示。 解 (1)甲醇的饱和蒸气压 o A p .lg ..1574997197362523886 =- +o A p .169=o A p kPa (2) 空气中甲醇的组成 摩尔分数 (169) 0167101325 = =A y 质量分数 ...(.)016732 01810167321016729 ω?= =?+-?A 浓度 3..kmol/m .A A p c RT -= ==??316968210 8314298 质量浓度 ../A A A c M kg m ρ-=??=3368210320218 = 【0-3】1000kg 的电解液中含NaOH 质量分数10%、NaCl 的质量分数10%、2H O 的质量分数80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结 晶分离后的浓缩液中含 NaOH 50%、NaCl 2%、2H O 48%，均为质量分数。试求：(1)水分蒸发量；(2)分离的食盐量；(3)食盐分离 后的浓缩液量。在全过程中，溶液中的 NaOH 量保持一定。 解 电解液1000kg 浓缩液中 NaOH 1000×0.l=100kg NaOH ω=0.5（质量分数） NaOH 1000×0.l=100kg NaCl ω=0.02（质量分数） 2H O 1000×0.8=800kg 2H O ω =0.48（质量分数） 在全过程中，溶液中 NaOH 量保持一定，为100kg 浓缩液量为/.10005 200=kg 200kg 浓缩液中，水的含量为200×0.48=96kg ，故水的蒸发量为800-96=704kg 浓缩液中 NaCl 的含量为200×0.02=4kg ，故分离的 NaCl 量为100-4=96kg
化工原理试题库 试题一 一：填空题（18分） 1、 某设备上，真空度的读数为80mmHg ，其绝压=________02mH =__________Pa. 该地区的大气压为 720mmHg 。 2、 常温下水的密度为1000 3m Kg ，粘度为1cp ，在mm d 100=内的管内以s m 3 速度流动，其流动类 型为 ______________。 3、 流体在管内作湍流流动时，从中心到壁可以__________.___________._ _________________. 4、 气体的粘度随温度的升高而_________，水的粘度随温度的升高_______。 5、 水在管路中流动时，常用流速范围为_______________s m ,低压气体在管路中流动时，常用流速范 围为_______________________s m 。 6、 离心泵与往复泵的启动与调节的不同之处是：离心泵_________________. __________________.往复泵___________________.__________________. 7、在非均相物糸中，处于____________状态的物质，称为分散物质，处于 __________状态的物质，称为分散介质。 8、 间竭过滤操作包括______._______.________._________.__________。 9、 传热的基本方式为___________.______________.__________________。 10、工业上的换热方法有_________.__________.__________.____________。 11、α称为_______________，其物理意义为____________________________. __________________________，提高管内α值的有效方法____________. 提高管外α值的有效方法______________________________________。 12、 蒸汽冷凝有二种方式，即_____________和________________ 。其中， 由于_________________________________________，其传热效果好。 K Kg Kj C C .187.4==冷水热水 试题一答案： 一、 填充题 1、8.7m 02H ,pa 41053.8?. 2、53 10310.11000.3.1.0?== = -μ ρ du R e 湍流。 1、 层流、过渡流和湍流。 2、 增加、降低。 3、 3-8s m 、8-15s m 。 4、 启动前应灌满液体，关出口阀门、用调节阀调节流量；往复泵启动前不需灌液，开旁路阀、用旁 路阀来调节流量的。 5、 分散、连续。 6、 过滤、洗涤、卸渣、清洗滤布、重整。 7、 热传导、对流传热、热辐射。 10、间壁式、混合式、蓄热式、热管。 11、称为对流传热膜糸数。当流体与壁面温度差为1K 时，通过单位面积单位时间内所传递热量的多少。增加流程、加拆流挡板。 12、滴状冷凝和膜状冷凝。滴状冷凝成小液滴沿壁面直接落下。 试题二
化工原理带答案 This manuscript was revised on November 28, 2020
第一章流体力学 1.表压与大气压、绝对压的正确关系是（A）。 A. 表压＝绝对压-大气压 B. 表压＝大气压-绝对压 C. 表压＝绝对压+真空度 2.压力表上显示的压力，即为被测流体的（ B ）。 A. 绝对压 B. 表压 C. 真空度 D. 大气压 3.压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为（ B ）。 A.真空度 B.表压强 C.绝对压强 D.附加 压强 4.设备内的真空度愈高，即说明设备内的绝对压强（ B ）。 A. 愈大 B. 愈小 C. 愈接近大气压 D. 无法确定 5.一密闭容器内的真空度为80kPa,则表压为（ B ）kPa。 A. 80 B. －80 C. 某设备进、出口测压仪表中的读数分别为p1（表压）=1200mmHg和p2（真空度）=700mmHg，当地大气压为750mmHg，则两处的绝对压强差为 （ D ）mmHg。 7.当水面压强为一个工程大气压，水深20m处的绝对压强为 （ B ）。 A. 1个工程大气压 B. 2个工程大气压 C. 3个工程大气压 D. 4个工程大气压
8.某塔高30m，进行水压试验时，离塔底10m高处的压力表的读 数为500kpa，（塔外大气压强为100kpa）。那么塔顶处水的压强（ A ）。 A．403．8kpa B. 698. 1kpa C. 600kpa D. 100kpa 9.在静止的连续的同一液体中，处于同一水平面上各点的压强（ A ） A. 均相等 B. 不相等 C. 不一定相等 10.液体的液封高度的确定是根据( C ). A.连续性方程 B.物料衡算式 C.静力学方程 D.牛顿黏性定律 11.为使U形压差计的灵敏度较高，选择指示液时，应使指示液和被测流体的密度差 （ρ指-ρ）的值（ B ）。 A. 偏大 B. 偏小 C. 越大越好 12.稳定流动是指流体在流动系统中，任一截面上流体的流速、压强、密度等与流动有关的物理量（ A ）。 A. 仅随位置变，不随时间变 B. 仅随时间变，不随位置变 C. 既不随时间变，也不随位置变 D. 既随时间变，也随位置变
模拟试题一 1当地大气压为 745mmHg 测得一容器内的绝对压强为 350mmHg 则真空度为395 mmH?测得另一容器内的表压 强为1360 mmHg 则其绝对压强为 2105mmHg _____ 。 2、 流体在管内作湍流流动时，在管壁处速度为 _0 _______，临近管壁处存在层流底层，若 Re 值越大，则该层厚度 越薄 3、 离心泵开始工作之前要先灌满输送液体，目的是为了防止 气缚 现象发生；而且离心泵的安装高度也不能 够太高，目的是避免 汽蚀 现象发生。 4 、离心泵的气蚀余量越小，则其抗气蚀性能 越强 。 5、 在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数 K 接近于 空气 侧的对流传热系数，而壁温接近于 饱和水蒸汽 侧流体的温度值。 6、 热传导的基本定律是 傅立叶定律。间壁换热器中总传热系数K 的数值接近于热阻 大 （大、小）一侧的：?值。 间壁换热器管壁温度t w 接近于：.值 大 （大、小）一侧的流体温度。由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料的 导热系数愈小，则该壁面的热阻愈 大 （大、小），其两侧的温差愈 大 （大、小）。 7、 Z= （V/K v a. Q ） .（y 1 -丫2 ）/ △ Y m 式中：△ Y m 称 气相传质平均推动力 ，单位是kmol 吸 收质/kmol 惰气;（Y i — Y 2） / △ Y m 称 气相总传质单元数。 8、 吸收总推动力用气相浓度差表示时，应等于 气相主体摩尔浓度 和同液相主体浓度相平衡的气相浓度之 差。 9、 按照溶液在加热室中运动的情况，可将蒸发器分为循环型和非循环型两大类。 10、 蒸发过程中引起温度差损失的原因有：溶液蒸汽压下降、加热管内液柱静压强、管路阻力。 11、工业上精馏装置，由精馏^_塔、冷凝器、再沸器等构成。 12、分配系数k A 是指y A /X A ，其值愈大，萃取效果 量传递相结合的过程。 1、气体在直径不变的圆形管道内作等温定态流动，则各截面上的（ 6、某一套管换热器，管间用饱和水蒸气加热管内空气（空气在管内作湍流流动） 13、萃取过程是利用溶液中各组分在某种溶剂中 溶解度的差异 而达到混合液中组分分离的操作。 14、在实际的干燥操作中，常用 干湿球温度计来测量空气的湿度。 15、对流干燥操作的必要条件是 湿物料表面的水汽分压大于干燥介质中的水分分压 ;干燥过程是热量传递和质 越好。 A. 速度不等 B.体积流量相等 C. 速度逐渐减小 D.质量流速相等 2、装在某设备进口处的真空表读数为 -50kPa ，出口压力表的读数为 100kPa , 此设备进出口之间的绝对压强差为 A. 50 B . 150 C . 75 D .无法确定 3、离心泵的阀门开大时，则（ B ）。A ?吸入管路的阻力损失减小 .泵出口的压力减小 C .泵入口处真空度减小 .泵工作点的扬程升高 4、下列（A ）不能实现对往复泵流量的调节。 A .调节泵出口阀的开度 ?旁路调节装置 C .改变活塞冲程 ?改变活塞往复频率 5、已知当温度为 T 时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝的黑度（ ）耐火砖的黑度。 A.大于 .等于 C .不能确定 D .小于 ，使空气温度由20 C 升至80 C,
《化工原理》试题库答案 一、选择题 1．当流体在密闭管路中稳定流动时，通过管路任意两截面不变的物理量是（A）。 A.质量流量 B.体积流量 C.流速 D.静压能 2. 孔板流量计是( C )。 A. 变压差流量计，垂直安装。 B. 变截面流量计，垂直安装。 C. 变压差流量计，水平安装。 D. 变截面流量计，水平安装。 3. 下列几种流体输送机械中，宜采用改变出口阀门的开度调节流量的是（C）。 A．齿轮泵 B. 旋涡泵 C. 离心泵 D. 往复泵 4．下列操作中，容易使离心泵产生气蚀现象的是（B）。 A．增加离心泵的排液高度。 B. 增加离心泵的吸液高度。 C. 启动前，泵内没有充满被输送的液体。 D. 启动前，没有关闭出口阀门。 5．水在规格为Ф38×2.5mm的圆管中以0.1m/s的流速流动，已知水的粘度为1mPa·s则其流动的型态为（C）。 A.层流 B. 湍流 C. 可能是层流也可能是湍流 D. 既不是层流也不是湍流 6．下列流体所具有的能量中，不属于流体流动的机械能的是（D）。 A. 位能 B. 动能 C. 静压能 D. 热能 7．在相同进、出口温度条件下，换热器采用（A）操作，其对数平均温度差最大。 A. 逆流 B. 并流 C. 错流 D. 折流 8．当离心泵输送液体密度增加时，离心泵的（C）也增大。 A．流量 B.扬程 C.轴功率 D.效率 9．下列换热器中，需要热补偿装置的是（A）。 A．固定板式换热器 B.浮头式换热器 C.U型管换热器 D.填料函式换热器 10. 流体将热量传递给固体壁面或者由壁面将热量传递给流体的过程称为（D）。 A. 热传导 B. 对流 C. 热辐射 D.对流传热 11.流体在管内呈湍流流动时B。 A.Re≥2000 B. Re>4000 C. 2000 3．在大气压力为101.3kPa 的地区，一操作中的吸收塔内表压为130 kPa 。若在大气压力为75 kPa 的高原地区操作吸收塔，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时表压的读数应为多少？ 解：KPa .1563753.231KPa 3.2311303.101=-=-==+=+=a a p p p p p p 绝表表绝 1-6 为测得某容器内的压力，采用如图所示的U 形压差计，指示液为水银。已知该液体密度为900kg/m 3,h=0.8m,R=0.45m 。试计算容器中液面上方的表压。 解： kPa Pa gm ρgR ρp gh ρgh ρp 53529742.70632.600378 .081.990045.081.9106.133 00==-=??-???=-==+ 1-10．硫酸流经由大小管组成的串联管路，其尺寸分别为φ76×4mm 和φ57×3.5mm 。已知硫酸的密度为1831 kg/m 3，体积流量为9m 3/h,试分别计算硫酸在大管和小管中的（1）质量流量；（2）平均流速；（3）质量流速。 解: (1) 大管: mm 476?φ (2) 小管: mm 5.357?φ 质量流量不变 h kg m s /164792= 或: s m d d u u /27.1)50 68 (69.0)( 222112=== 1-11． 如附图所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽与反应器均与大气相通，且高位槽中液面恒定。现要求料液以1m/s 的流速在管内流动，设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg （不包括出口），试确定高位槽中的液面应比虹吸管的出口高出的距离。 解: 以高位槽液面为1-1’面,管出口内侧为2-2’面,在1-1’～ 设备内的绝对压强P 绝 = 98.7×103 Pa -13.3×103 Pa =8.54×103 Pa 设备内的表压强 P 表 = -真空度 = - 13.3×103 Pa 2．在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 ㎏/? 的油品，油面高于罐底 6.9 m ，油面上方为常压。在 罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的圆孔，其中心距 罐底 800 mm ，孔盖用14mm 的钢制螺钉紧固。若螺钉 材料的工作应力取为39.23×106 Pa k 问至少需要几个 螺钉？ 分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力 即 P 油 ≤ σ螺 解：P 螺 = ρgh ×A = 960×9.81×(9.6-0.8) ×3.14×0.762=150.307×103 N σ螺 = 39.03×103×3.14×0.0142×n ,P 油 ≤ σ螺 得 n ≥ 6.23 取 n min= 7 至少需要7个螺钉 3．某流化床反应器上装有两个U 型管压差计，如本题附 图所示。测得R 1 = 400 mm ， R 2 = 50 mm ，指示液为水 银。为防止水银蒸汽向空气中扩散，于右侧的U 型管与大气 连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R 3 = 50 mm 。试求A ﹑B 两处的表压强。 分析：根据静力学基本原则，对于右边的Ｕ管压差 计，a –a ′为等压面，对于左边的压差计，b –b ′为另一等压面，分别列出两个等压面处的静力学基本 方程求解。 解：设空气的密度为ρg ，其他数据如图所示 a –a ′处 P A + ρg gh 1 = ρ水gR 3 + ρ水银ɡR 2 由于空气的密度相对于水和水银来说很小可以忽略不记 化工原理试题库多套及答案 一：填空题（18分） 1、 某设备上，真空度的读数为80mmHg ，其绝压=___8.7m 02H , _____pa 41053.8?__. 该地区的大气压为720mmHg 。 2、 常温下水的密度为10003m Kg ，粘度为1cp ，在mm d 100=内的管内以s m 3 速度 流动，其流动类型为 ______________。 3、 流体在管内作湍流流动时，从中心到壁可以__________.___________._ _________________. 4、 气体的粘度随温度的升高而_________，水的粘度随温度的升高_______。 5、 水在管路中流动时，常用流速范围为_______________s m ,低压气体在管路中流动时，常用流速范围为_______________________s m 。 6、 离心泵与往复泵的启动与调节的不同之处是：离心泵_________________. __________________.往复泵___________________.__________________. 7、在非均相物糸中，处于____________状态的物质，称为分散物质，处于 __________状态的物质，称为分散介质。 8、 间竭过滤操作包括______._______.________._________.__________。 9、 传热的基本方式为___________.______________.__________________。 10、工业上的换热方法有_________.__________.__________.____________。 11、α称为_______________，其物理意义为____________________________. __________________________，提高管内α值的有效方法____________. 提高管外α值的有效方法______________________________________。 12、 蒸汽冷凝有二种方式，即_____________和________________ 。其中， 由于_________________________________________，其传热效果好。 二：问答题（36分） 1、 一定量的流体在圆形直管内作层流流动，若将其管径增加一倍，问能量损 失变为原来的多少倍？ 2、 何谓气缚现象？如何防止？ 3、何谓沉降？沉降可分为哪几类？何谓重力沉降速度？ 4、在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，问： （1） 传热管的壁温接近于哪一种流体的温度？ （2） 传热糸数K 接近于哪一种流体的对流传热膜糸数？ （3） 那一种流体走管程？那一种流体走管外？为什么？ 5、换热器的设计中为何常常采用逆流操作？ 6、单效减压蒸发操作有何优点？ 三：计算题(46分) 1、 如图所示，水在管内作稳定流动，设管路中所有直管管路的阻力糸数 为03.0=λ，现发现压力表上的读数为052mH ，若管径为100mm,求流体 的流量及阀的局部阻力糸数？ 2、 在一 列管式换热器中，用冷却 将C 0100的热水冷却到C 050，热水 第二章 流体输送机械 【2-1】某离心泵用15℃的水进行性能实验，水的体积流量为540m 3/h ，泵出口压力表读数为350kPa ，泵入口真空表读数为30kPa 。若压力表与真空表测压截面间的垂直距离为350mm ，吸入管与压出管内径分别为350mm 及310 mm ，试求泵的扬程。 解 水在15℃时./39957kg m ρ=，流量/V q m h =3540 压力表350M p kPa =，真空表30V p kPa =-（表压） 压力表与真空表测压点垂直距离00.35 h m = 管径..12035031d m d m ==， 流速 / ./(.) 122 1 540360015603544V q u m s d ππ == =? . ../.2 2 1212035156199031d u u m s d ???? ==?= ? ????? 扬程 2 2 2102M V p p u u Ηh ρg g --=++ ()(.)(.)....?--?-=++ ??3322 35010301019915603599579812981 ....m =++=0353890078393 水柱 【2-2】原来用于输送水的离心泵现改为输送密度为1400kg/m 3的水溶液，其他性质可视为与水相同。若管路状况不变，泵前后两个开口容器的液面间的高度不变，试说明：(1)泵的压头（扬程）有无变化；(2)若在泵出口装一压力表，其读数有无变化；(3)泵的轴功率有无变化。 解 (1)液体密度增大，离心泵的压头（扬程）不变。（见教材） (2)液体密度增大，则出口压力表读数将增大。 (3)液体密度ρ增大，则轴功率V q gH P ρη = 将增大。 【2-3】某台离心泵在转速为1450r/min 时，水的流量为18m 3/h ，扬程为20m(H 2O)。试求：(1)泵的有效功率，水的密度为1000kg/m 3; (2)若将泵的转速调节到1250r/min 时，泵的流量与扬程将变为多少？ 解 (1)已知/,/V q m h H m kg m ρ===33 1820 1000水柱， 有效功率 .e V P q gH W ρ== ???=18 1000981209813600 (2) 转速 /min 11450n r =时流量3118V q m h =／，扬程1220m H O H =柱 第一章流体力学 1.表压与大气压、绝对压的正确关系是（A）。 A. 表压＝绝对压-大气压 B. 表压＝大气压-绝对压 C. 表压＝绝对压+真空度 2.压力表上显示的压力，即为被测流体的（B ）。 A. 绝对压 B. 表压 C. 真空度 D. 大气压 3.压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为（B ）。 A.真空度 B.表压强 C.绝对压强 D.附加压强 4.设备内的真空度愈高，即说明设备内的绝对压强（ B ）。 A. 愈大 B. 愈小 C. 愈接近大气压 D. 无法确定 5.一密闭容器内的真空度为80kPa,则表压为（ B ）kPa。 A. 80 B. －80 C. 21.3 D.181.3 6.某设备进、出口测压仪表中的读数分别为p1（表压）=1200mmHg和p2（真空度）=700mmHg，当地大气压为750mmHg，则两处的绝对压强差为（D ）mmHg。 A.500 B.1250 C.1150 D.1900 7.当水面压强为一个工程大气压，水深20m处的绝对压强为（B ）。 A. 1个工程大气压 B. 2个工程大气压 C. 3个工程大气压 D. 4个工程大气压 8.某塔高30m，进行水压试验时，离塔底10m高处的压力表的读数为500kpa，（塔外大气压强为100kpa）。那么塔顶处水的压强（A ）。 A．403．8kpa B. 698. 1kpa C. 600kpa D. 100kpa 9.在静止的连续的同一液体中，处于同一水平面上各点的压强（A ） A. 均相等 B. 不相等 C. 不一定相等 10.液体的液封高度的确定是根据( C ). A.连续性方程 B.物料衡算式 C.静力学方程 D.牛顿黏性定律 11.为使U形压差计的灵敏度较高，选择指示液时，应使指示液和被测流体的密度差 （ρ指-ρ）的值（ B ）。 A. 偏大 B. 偏小 C. 越大越好 12.稳定流动是指流体在流动系统中，任一截面上流体的流速、压强、密度等与流动有关的物理量（A ）。 A. 仅随位置变，不随时间变 B. 仅随时间变，不随位置变 C. 既不随时间变，也不随位置变 D. 既随时间变，也随位置变 13.流体在稳定连续流动系统中，单位时间通过任一截面的（ B ）流量都相等。 A. 体积 B. 质量 C. 体积和质量 D.摩尔 填空题 1.（3分）球形粒子在介质中自由沉降时，匀速沉降的条件是_粒子所受合力的代数和为零_ 。滞流沉降时，其阻力系数=_24/ Rep_. 2.在静止的、连续的同种流体内，位于同一水平面上各点的压力均相等。 3.水在内径为φ105mmX2.5mm的只管内流动，已知水的粘度为1.005mPa*s，密度为1000kg*m3，流速为1m/s，则Re=99502，流动类型为湍流。 4.流体在圆形管道中作层流流动,如果只将流速增加一倍,则阻力损失为原来的2 倍;如果只将管径增加一倍而流速不变,则阻力损失为原来的1/4 倍. 5.求取对流传热系数常采用因次分析法，将众多影响因素组合成若干无因次数群，再通过实验确定各特征数数之间的关系，即得到各种条件下的关联式。 6.化工生产中加热和冷却的换热方法有_直接换热_, 间壁换热和蓄热换热. 7.在列管式换热器中，用饱和蒸气加热空气，此时传热管的壁温接近饱和蒸汽侧流体的温度，总传热系数K 接近空气侧流体的对流给热系数。 8.气液两相平衡关系将取决于以下两种情况: (1) 若pe〉p 或C 〉Ce则属于解吸过程 (2) 若p 〉pe 或Ce〉C 则属于吸收过程 9.计算吸收塔的填料层高度,必须运用如下三个方面的知识关联计算:_平衡关系_,_物料衡算,_传质速率._. 10.在一定空气状态下干燥某物料能用干燥方法除去的水分为_自由水分首先除去的水分为_非结合水分不能用干燥方法除的水分为_平衡水分。 11.,当20℃的水(ρ=998.2kg/m3,μ=1.005厘泊)在内径为100mm的光滑管内 22.对于间壁式换热器：m1Cp1 (T1-T2 ) =m2Cp2 (t2-t1)=K.A.△tm 等式成立的条件是_稳定传热、_无热变化、_无相变化。 选择题 1.从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( A ) A. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关 B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关 C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关 2.为使U形压差计的灵敏度较高，选择指示液时，应使指示液和被测流体的密度 差（ρ指-ρ）的值（B ）。 A. 偏大 B. 偏小 C. 越大越好 3. 若将20℃硫酸用φ48×3.5mm的无缝钢管输送,则硫酸达到湍流的最低流速 为（D ）。已知20℃时，硫酸的密度为1831 kg/m3粘度为25.4cP。 A. 0.135m/s B. 1.5m/s C. 0.15m/s D. 1.35m/s 4. 层流与湍流的本质区别是：( D )。 A. 湍流流速>层流流速； B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流； C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数； D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。 5.离心泵的性能曲线中的H－－Q线是在( C )情况下测定的。 A. 效率一定； B. 功率一定； C. 转速一定； D. 管路（ｌ＋∑ｌ）一定。 均相物系：物系内部各处均匀且无相界面，包括溶液、气体混合物等。 非均相物系：物系内部有不同相界面且界面两侧的物料性质有差异。 包括：气固系统（空气中的尘埃）；液固系统（液体中的固体颗粒）；气液系统（气体中的液滴）；液液系统（乳浊液中的微滴）。 非均相物系分离的依据: 连续相与分散相具有不同的物理性质（如密度）。 非均相物系分离方法：机械分离方法——按两相运动方式的不同分为沉降和过滤。 非均相物系的分离目的：1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收；2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清除等。 沉降：在重力或离心力作用下，使悬浮在流体中的固体颗粒沿受力方向与流体发生相对运动，与流体分离的过程。 重力沉降：利用悬浮固体颗粒本身的重力完成分离的操作。——分离较大的颗粒离心沉降：利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的操作。——分离较小的颗粒 沉降速度公式的应用条件：①球形颗粒；②自由沉降：颗粒沉降时彼此相距较远，颗粒间互不干扰；③忽略容器对颗粒的阻滞作用，前提： D/d＞100；④颗粒不能太小，颗粒不因受流体分子运动的影响而使沉降速度变小。 离心沉降原理 重力沉降速度一般很小，故设备体积庞大。离心沉降速度大，可分离较小的微粒，且设备的体积可缩小。 离心沉降分离设备：旋流(旋风或旋液)分离器和沉降离心机。前者的特征:设备静止、流体旋转;后者:机器带动流体一起旋转。 旋风分离器结构和工作原理：含尘气体高速切向进入分离器，在外筒与排气管间呈螺旋形旋转向下，到锥底后以相同的旋向折转向上至上部排气管流出。夹带的颗粒在螺旋流中均受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口。 评价旋风分离器性能的主要指标：分离性能和气体的压力降 旋风分离器的特点：流量大、压头低。(1) 气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失； (2) 气流旋转引起的动能损失；(3) 摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。 阻力系数 主要由旋风分离器的结构决定。 选择旋风分离器的型式的主要依据：生产能力、允许的压降、粉尘 性质、要求的分离效率。选型时，应在高效率与低压降之间作权衡：不同型号的旋风分离器压降还与其形状有关：短粗形的旋风分离器压降较小，处理量大，但分离效率低；长径比大且出入口截面小的细长形设备压降大，处理量小，但分离效率高。 过滤：在重力或压力作用下，利用多孔过滤介质，使液体通过而将固体颗粒截留，实现悬浮液的固-液分离。 原悬浮液——滤浆，通过过滤介质的液体——滤液,截留在过滤介质上的固体颗粒堆积层——滤渣或滤饼.： .过滤介质 作用：滤液通过、截留颗粒，支撑滤饼。特性：多孔、理化性质稳定、机械强度高、可反复使用。 1.在层流流动中，若流体的总流率不变，则规格相同的两根管子串联时的压降为并联时的（ C ）倍。 A. 2； B. 6； C. 4； D. 1。 2.流体在圆形直管内作强制湍流时，其对流传热系数α与雷诺准数的n 次方成正比，其中的n 值为（ B ） A . 0.5 B. 0.8 C. 1 D. 0.2 3.计算管路系统突然扩大和突然缩小的局部阻力时，速度值应取为（ C ） A. 上游截面处流速 B 下游截面处流速 C 小管中流速 D 大管中流速 4.阻力系数法将局部阻力表示成局部阻力系数与动压头的乘积，管出口入容器的阻力系数为( A ) A.1.0 B.0.5 C.0.35 D.0.75 5.有两种关于粘性的说法：( A ) ①无论是静止的流体还是运动的流体都具有粘性。 ②粘性只有在流体运动时才表现出来。 A.这两种说法都对； B.这两种说法都不对； C.第一种说法对，第二种说法不对； D.第二种说法对，第一种说法不对。 第二章流体输送机械 1.往复泵在操作中( A ) 。 A.不开旁路阀时，流量与出口阀的开度无关 B.允许的安装高度与流量无关 C.流量与转速无关 D.开启旁路阀后，输入的液体流量与出口阀的开度无关 2.一台试验用离心泵，开动不久，泵入口处的真空度逐渐降低为零，泵出 口处的压力表也逐渐降低为零，此时离心泵完全打不出水。发生故障的原因是( D ) A. 忘了灌水 B. 吸入管路堵塞 C. 压出管路堵塞 D. 吸入管路漏气 3.离心泵吸入管路底阀的作用是（ B ）。 A.阻拦液体中的固体颗粒 B.防止启动前充入的液体从泵内漏出 C.避免出现气蚀现象 D.维持最低的允许吸上高度 4.为了安全起见，离心泵的实际安装高度应比理论安装高度（ B ）。 A.高 B.低 C.相等 C.不确定 5.齿轮泵的流量调节采用（ C ）。 A.出口阀 B.进口阀 C.回流装置 D.以上三种均可 6.离心泵启动时，应把出口阀关闭，以降低起动功率，保护电机，不致超 负荷工作，这是因为（ A ）。 0≈0 B. >0>0 C. <0<0 7.离心泵的调节阀开大时，则（ B ）。 A.吸入管路的阻力损失不变 B.泵出口的压力减小 第一章 3.答案：p= 30.04kPa =0.296atm=3.06mH2O 该压力为表压 常见错误：答成绝压 5.答案：图和推算过程略Δp=(ρHg - ρH2O) g (R1+R2)=228.4kPa 7.已知n=121 d=0.02m u=9 m/s T=313K p = 248.7 × 103 Pa M=29 g/mol 答案：(1) ρ = pM/RT = 2.77 kg/m3 q m =q vρ= n 0.785d2 u ρ =0.942 kg/s (2) q v = n 0.785d2 u = 0.343 m3/s (2) V0/V =(T0p)/(Tp0) = 2.14 q v0 =2.14 q v = 0.734 m3/s 常见错误： （1）n没有计入 （2）p0按照98.7 × 103 pa计算 8. 已知d1=0.05m d2=0.068m q v=3.33×10-3 m3/s （1）q m1= q m2 =q vρ =6.09 kg/s (2) u1= q v1/(0.785d12) =1.70 m/s u2 = q v2/(0.785d22) =0.92 m/s (3) G1 = q m1/(0.785d12) =3105 kg/m2?s G2 = q m2/(0.785d22) =1679 kg/m2?s 常见错误：直径d算错 9. 图略 q v= 0.0167 m3/s d1= 0.2m d2= 0.1m u1= 0.532m/s u2= 2.127m/s (1) 在A、B面之间立柏努利方程，得到p A-p B= 7.02×103 Pa p A-p B=0.5gρH2O +(ρCCl4-ρH2O)gR R=0.343m (2) 在A、B面之间立柏努利方程，得到p A-p B= 2.13×103 Pa p A-p B= (ρCCl4-ρH2O)gR R=0.343m 所以R没有变化 12. 图略 取高位储槽液面为1-1液面，管路出口为2-2截面，以出口为基准水平面 已知q v= 0.00139 m3/s u1= 0 m/s u2 = 1.626 m/s p1= 0(表压) p2= 9.807×103 Pa(表压) 在1-1面和2-2面之间立柏努利方程Δz = 4.37m 注意：答题时出口侧的选择： 为了便于统一，建议选择出口侧为2-2面，u2为管路中流体的流速，不为0，压力为出口容器的压力，不是管路内流体压力 一、二章复习题 第一章 一、填空题 1．一个生产工艺是由若干个单元操作和化工单元构成的。 2．各单元操作的操作原理及设备计算都是以物理衡算；能量衡算；平衡关系；过程速率四个概念为依据的。 3．常见的单位制有程单位制；国际单绝对单位制；工位制 (SI 制)。 4．由于在计量各个物理量时采用了不同的基本物理量、基本单位，因而产生了不同的单位制。5．一个过程在一定条件下能否进行，以及进行到什么程度，只有通过平衡关系来判断。6．单位时间内过程的变化率称为过程速率。 二、问答题 7．什么是单元操作？主要包括哪些基本操作？ 8.提高过程速率的途径是什么？ 第二章流体力学及流体输送机械 流体力学 一、填空题 1．单位体积流体的质量称为密度，它与比容互为倒数。 2．流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强。 3．单位时间内流经管道任一截面的流体量称为流量，其表示方法有质量流量和体积流量两种。 4．当管中流体形成稳定流动时，管中必定充满流体，即流体必定是连续流动的。 5．产生流体阻力的根本原因是内摩擦力；而流体的运动状态是产生流体阻力的第二位原因。另外，管壁粗糙度和管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响。 6．流体在管道中的流动状态可分为层流和湍流两种类型，二者在内部质点运动方式上的区别 是湍流的质点有脉动而层流没有。 7．判断液体内处于同一水平面上的各点压强是否相等的依据是静止的、连通的、连接的是同 一种液体。 8．流体若由低压头处流向高压头处时，所加入外加功的作用是：分别或同时提高流体的位压 头；动压头；静压头以及弥补损失能量。 9．在测量流体的流量时，随流量的增加孔板流量计两侧的压差将增大，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值不变。 二、选择题 、选择题 1 ?当流体在密闭管路中稳定流动时，通过管路任意两截面不变的物理量是（ A ） A. 质量流量 B.体积流量 2. 孔板流量计是（C ）。 A. 变压差流量计，垂直安装。 C.变压差流量计，水平安装。 3. 下列几种流体输送机械中，宜采 用改变出口阀门的开度调节流量的是（ C ） A .齿轮泵 B.旋涡泵 C.离心泵 D.往复泵 4. 下列操作中，容易使离心泵产生气蚀现象的是（ B ）o A .增加离心泵的排液高度。 B.增加离心泵的吸液高度。 C.启动前，泵内没有充满被输送的液体。 D.启动前，没有关闭岀口阀门。 5?水在规格为 ①38 x 2.5mm 勺圆管中以0.1m/s 的流速流动，已知水的粘度为 1mPa-s 则其流动的型态为 （C ）o A. 层流 B.湍流 C.可能是层流也可能是湍流 D.既 不是层流也不是湍流 6?下列流体所具有的能量中，不属于流体流动的机械能的是（ D ）o A. 位能 B.动能 C.静压能 D.热能 7?在相同进、出口温度条件下，换热器采用（ A ）操作，其对数平均温度差最大。 A. 逆流 B.并流 C.错流 D.折流 &当离心泵输送液体密度增加时，离心泵的（ C ）也增大。 A .流量 B.扬程 C.轴功率 D.效率 9?下列换热器中，需要热补偿装置的是（ A ）o A ?固定板式换热器 B.浮头式换热器 C.U 型管换热器 D.填料函式换热器 10. 流体将热量传递给固体壁面或者由壁面将热量传递给流体的过程称为（ D ） A. 热传导 B.对流 C.热辐射 D.对流传热 11. 流体在管内呈湍流流动时 _____ B ____ o A. R e > 2000 B. Re>4000 C. 2000 第三章机械分离 一、名词解释（每题2分） 1. 非均相混合物 物系组成不同，分布不均匀，组分之间有相界面 2. 斯托克斯式 3. 球形度 s 非球形粒子体积相同的球形颗粒的面积与球形颗粒总面积的比值 4. 离心分离因数 离心加速度与重力加速度的比值 5. 临界直径dc 离心分离器分离颗粒最小直径 6．过滤 利用多孔性介质使悬浮液中液固得到分离的操作 7. 过滤速率 单位时间所产生的滤液量 8. 过滤周期 间歇过滤中过滤、洗涤、拆装、清理完成一次过滤所用时间 9. 过滤机生产能力 过滤机单位时间产生滤液体积 10. 浸没度 转筒过滤机浸没角度与圆周角比值 二、单选择题（每题2分） 1、自由沉降的意思是_______。 Ａ颗粒在沉降过程中受到的流体阻力可忽略不计 Ｂ颗粒开始的降落速度为零，没有附加一个初始速度 Ｃ颗粒在降落的方向上只受重力作用，没有离心力等的作用 Ｄ颗粒间不发生碰撞或接触的情况下的沉降过程 D 2、颗粒的沉降速度不是指_______。 Ａ等速运动段的颗粒降落的速度 Ｂ加速运动段任一时刻颗粒的降落速度 Ｃ加速运动段结束时颗粒的降落速度 Ｄ净重力（重力减去浮力）与流体阻力平衡时颗粒的降落速度 B 3、对于恒压过滤_______。 A 滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的?2倍 B 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍 C 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍 D 当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的4倍 D 4、恒压过滤时，如介质阻力不计，滤饼不可压缩，过滤压差增大一倍时同一过滤时刻所得滤液量___ 。 Ａ增大至原来的2倍Ｂ增大至原来的4倍 Ｄ增大至原来的倍 6. 在并流换热器中，用水冷却油。水的进出口温度分别为15℃，40℃，油的进出口温度分别为150℃和100℃。现生产任务要求油的出口温度降至80℃℃，假设油和水的流量，进出口温度及物性不变，若换热器的管长为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：根据题意列出关系式： 热流体（油）：T1=150℃→ T2=100℃ 冷流体（水）：t1=15℃→ t2=40℃ 现在要求：热流体（油）：T1=150℃→T2=80℃ 冷流体（水）：t1=15℃→ t2=开始： Q= W h C ph（T1 - T2）=50 W h C ph =W c C pc（t2-t1）=25W c C pc =K0S0Δtm Δt m=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=（135-60）/ln（135/60）= 改变后： Q，=W h C ph（T1 - T2）=700 W h C ph =W c C pc（t2，-t1）=（t2，-15）W c C pc =K0S0，Δtm， ∴25/（t2，-15）=50/70 ∴t2，=50℃ Δt m， =（Δt1-Δt2，）/ln（Δt1/Δt2，）= ∴Q/Q*= K0SΔtm / K0S，Δtm，= LΔtm / L，Δtm，=50/70 ∴ L，== 7.重油和原由在单程套换热器中呈并流流动，粮站油的初温分别为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他们的终温。假设在两种流动情况下，流体的无性和总传热系数均不变，换热器的热损失可以忽略。解：由题意得： 并流时：热流体（重油）：T1=243℃→ T2=167℃冷流体（原油）：t1=128℃→ t2=157℃∴ Q =W h C ph（T1 - T2）=76 W h C ph =W c C pc（t2-t1）=29W c C pc=K0S0Δtm Δt m =（Δt1-Δt2）/ln （Δt1/Δt2）=43 改为逆流后：热流体（重油）：T1=243℃→ T2，= 冷流体（原油）：t2，= ← t1=128℃ 同理：化工原理课后答案
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