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化工原理杨祖荣1-7章习题答案(完美排版)


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)

1

2

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 0.16W/(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:

Q t1 ? t 2 t 2 ? t 3 ? ? b1 b2 A

?1

?2

? t1 ?

t 2 ? t 3 b1 75 ? 30 0.25 ? ? t2 ? ? ? 75 ? 300o C b2 0.05 0.16 ?1 0.16 ?2

2、某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成; 耐火砖 绝热砖 建筑砖 b1=230mm, b2=230mm, b3=240mm,

?1=1.05 W/(m· ℃) ?2=0.151W/(m· ℃) ?3=0.93W/(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)b2=?
Q t1 ? t 2 t 2 ? t 3 ? ? b1 b2 A ?1 ?2 1000? 940 940 ? 138 ? ? 273.9 0.23 b2 1.05 0.151 ? b2 ? 0.442m

230mm<b2=442mm<230× 2mm 则:绝热层需两块绝热砖。 校核 t2=?

940 ? t 2 ? 273.9 0.46 0.151 ? t 2 ? 105.6 o C ? 138o C
(2)t4=?

3

105.6 ? t 4 Q t3 ? t 4 ? ? 273.9 ? b 0.24 A 3 0.93 ?3 ? t 4 ? 34.9 o C

3、 Φ 50× 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=0.2W/ (m· K)的石棉保温层。若钢管的内表面温度为 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 r1 ? 钢管的外半径 r2 ?
50 ? 2 ? 5 ? 20mm 2 50 ? 25mm 2

保温层的外半径 r3 ? 25 ? 30 ? 55mm 根据式(3-12a) ,每米管长的热损失
习题 3-3 附图

Q?

2?L(t1 ? t 3 ) r r 1 1 ln 2 ? ln 3 ? 1 r1 ? 2 r2

?

2? ?1? (623? 373) 1570 ? ? 397W 1 25 1 55 0.014? 3.94 ln ? ln 16 20 0.2 25

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 t2。
t 2 ? t1 ? r Q 1 397 1 25 ? ln 2 ? 623 ? ? ln ? 622K 2?l ?1 r1 2? ? 1 16 20

4、Φ 60× 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 0.16W/(m· K)和 0.04W/(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 1 ? ?110℃
r1 ? 0.027m

t 4 ? 10℃
r2 ? 0.030m r3 ? 0.060m r4 ? 0.090m

?1 ? 45W / (m ? K) ? 2 ? 016 . W / (m ? K) ? 3 ? 0.04W / (m ? K)

每米管长损失的冷量:
4

q?

2? ?t1 ? t 4 ? 2? ?? 110 ? 10? ? ? ?52.1W/m 1 30 1 60 1 90 1 r2 1 r3 1 r4 ln ? ln ? ln ln ? ln ? ln ?1 r1 ?2 r2 ?3 r3 45 27 0.16 30 0.04 60
(2)

?R ? R
R1 ?
R2 ?

1

? R2 ? R3

1 30 ln ? 0.00234(m2 ? K) / W 45 27
1 60 ln ? 4.332(m 2 ? K) / W 016 . 30

R3 ?

1 90 ln ? 10137 . (m 2 ? K) / W 0.04 60
2

. ? 14.471(m ? R ? 0.00234 ? 4.332 ? 10137

? K) / W

各层热阻在总热阻中所占的分数:
R1 ? R钢 ? 0.00234 ? 0.016% 14.471 4.332 ? 29.94% 14.471 10137 . ? 70.05% 14.471

R2 ? R石棉 ? R3 ? R软木 ?

由以上计算可知钢管热阻很小,且 R软木 ? R石棉 。 (3) 若将 ?1 和?2 互换,厚度不变,且认为 t 1 和t 4 不变。
q? 2? ? ?110 ? 10? ? ?37.94W / m 1 30 1 60 1 90 ln ? ln ? ln 45 27 0.04 30 016 . 60

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 t4 应增大,即 t 4 ? ? 10℃ 。 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=1.0m. r1=10mm, r2=13mm, r3=23mm, r4=27mm。 在管内用热电偶加热,当电热功率为 1.0kW 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: 习题 5 附图

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