化工原理傳熱大題

1、23、在單程列管式換熱器內(nèi)，用130的飽和水蒸汽將某溶液由20加熱到60，單管呈列管換熱器由100根25mm×2.5mm，長為3m的鋼管構(gòu)成，溶液以每小時(shí)100m3的流量在管內(nèi)流過，蒸汽在管外冷凝。試求：（1）總傳熱系數(shù)K；（2）溶液對流給熱系數(shù)1和蒸汽冷凝對流給熱系數(shù)2；（3）若溶液的質(zhì)量流量增加到ms2'，ms2'ms2=x，1<x<2（ms2為溶液原來的質(zhì)量流量）在其他條件不變的情況下，試通過推導(dǎo)說明次換熱器能否滿足要求（2可視為不變）已知在操作條件下溶液的密度為1200kg/m3，黏度為0955mPa.S，比熱容為3.3KJ/kg.，熱導(dǎo)率為0.4

2、65 W/kg.，管壁熱阻、污垢熱阻和熱損失忽略不計(jì)?！敬鸢附馕觥拷猓海?）換熱器的總傳熱量Q=ms2cp2t2-t1 =100×12003600×3300×60-20 =4.4×106 Wtm=t2-t1lnTS-t1TS-t2=60-20ln130-20130-60=88.5 A=nd2l=100×3.14×0.025×3=23.6 m2所以總傳熱系數(shù)KK=QAtm=4.4×10623.6×88.5=2107 Wm2.（2）由管內(nèi)溶液可知，其流速u=VS20.785d12n0=10036000.785

3、×0.022×100=0.885 msRe=d1u=0.02×0.885×12000.955×10-3=2.224×104（>104，為湍流）Pr=cp=3.3×103×0.955×10-30.465=6.78所以管內(nèi)溶液給熱系數(shù)11=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.023×0.4650.02×2.224×1040.8×6.780.4=3454 Wm2.以管外表面為基準(zhǔn)面，所以1K=11×d2d1+12代入數(shù)據(jù)得12107=13454

4、5;2520+12所以2=8872 Wm2.（3）當(dāng)流量增加時(shí)，則增加后該流體仍然為湍流所以由公式1=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.023d1d1u0.8cp0.4即11=u'u0.8=ms2'ms20.8=x0.8所以K'=11'×d2d1+12-1=13454x0.8×2520+18872-1=8872x08x08+3.211原工況ms2cp2t2-t1=KAtm新工況：TS、t2、t1不變，所以tm不變ms2'cp2t2-t1=K'A'tm由上述兩式得ms2'ms2=x=K'A'

5、KA=8872x082170x08+3.211A'A整理得A'A=x+3.211x0.24.211因?yàn)?<x<2，所以4.211<x+3.211x0.2<1+3.211×20.2A'A>1此時(shí)所需的傳熱面積要大于原工況（設(shè)備的傳熱面積）的傳熱面積，所以次換熱器不能滿足要求24、某列管換熱器有33根19×2mm的管子，管長為3 m 。用溫度為150的飽和蒸汽來加熱原油，飽和蒸汽在殼程冷凝，原油在管內(nèi)流動(dòng)并由25加熱到100.在操作條件下油的密度為890 kgm3，平均流速為0.82 ms，換熱器的傳熱量為138 kW。已知

6、蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為6600 Wm2.K，油側(cè)垢層熱阻為0.00043m2.KW，忽略管壁熱阻和蒸汽側(cè)垢層熱阻，試求：（1）管內(nèi)油側(cè)的對流傳熱系數(shù)；（2）若油的流速增加一倍，此時(shí)換熱器的總傳熱系數(shù)為原來的1.75倍，求油的出口溫度。（假設(shè)油的物性參數(shù)不變）【答案解析】解：（1）由題意可知，該傳熱過程的對數(shù)平均溫差為tm=150-25-150-100ln150-25150-100=81.9 傳熱面積為 A=nd2l=33×3.14×0.019×3=5.91 m2根據(jù)傳熱速率方程，基于管外表面的總傳熱系數(shù)為K=QAtm=1385.91×81.9=285 Wm2

7、.K由于管壁和蒸汽側(cè)垢層熱阻均忽略，可得K=111d2d1+R1d2d1+12=1111915+0.00043×1915+16600=285解得，1=450 Wm2.K即管內(nèi)油層側(cè)的對流傳熱系數(shù)為1=450 Wm2.K（2）原工況下Q=qmCpt2-t1=138 kW故有 qmCp=Qt2-t1=138100-25=1.84 kWK新工況下，油的流速加倍時(shí)，油的出口溫度t2'應(yīng)滿足傳熱速率和熱平衡關(guān)系，即Q'=2qmCpt2'-t1=2×1.84×t2'-25=3.68t2'-25由題意，K '=1.75K，由總傳熱

8、速率方程可得，Q'=K 'Atm'=1.75×0.285×5.91×150-25-150-t2'ln150-25150-t2'=2.95t2'-25ln125150-t2'上面兩式相等，則有3.68t2'-25=2.95t2'-25ln125150-t2'即整理得，ln125150-t2'=2.953.68解得，t2'=93.9 所以油的出口溫度變?yōu)閠2'=93.9 25、某列管式換熱器內(nèi)有52根25mm×2.5mm的換熱鋼管。管外側(cè)是流量為5.86k

9、g/s的苯從380K降溫至330K，管內(nèi)的水與苯逆流換熱，進(jìn)、出口的水溫分別為290K與320K。已知苯=2.70kWm2.K，苯的比熱容Cp苯=1.89kJkg.K；水=990kgm3，Cp水=4.17kJkg.K，水=0.642Wm.K，水=0.533cP，管壁導(dǎo)熱系數(shù)w=45Wm.K。若忽略污垢熱阻與換熱器的熱損失，試求：（1）換熱管內(nèi)水的流型；（2）基于外表面的總傳熱系數(shù)K；（3）所需換熱管的長度L。【答案解析】解：（1）先假設(shè)換熱過程的流體水與苯分別為1流體和2流體，即qm1=5.86kgs，根據(jù)傳熱過程的熱量衡算式，則換熱量為Q=qm1Cp1t2-t1=qm2Cp2T1-T2=5.

10、86×1.89×380-330=554 KW則達(dá)到換熱要求所需的水流量為qm1=QCp1t2-t1=5544.17×320-290=4.43kgs換熱管內(nèi)水的流速為u1=qm10.785d2n=4.439900.785×0.022×52=0.274 ms雷諾數(shù)為Re=du111=0.02×0.274×9900.533×10-3=1.02×104>104（充分湍流）即換熱管內(nèi)為湍流流動(dòng)（2）Pr=Cp111=4.17×103×0.533×10-30.642=3.46根據(jù)圓

11、管內(nèi)強(qiáng)制對流給熱系數(shù)計(jì)算式，可得所求管壁對水的對流給熱系數(shù)1為1=0.0231dRe0.8Pr0.4 =0.023×0.6420.02×1.02×1040.8×3.460.4 =1.95 kWm2.K根據(jù)基于外表面的總傳熱系數(shù)K的計(jì)算式為1K=11+d22wlnd2d1+d21d1代入數(shù)據(jù)可得1K=12.70+0.0252×0.045ln0.0250.020+0.0251.95×0.020=1.07即K=0.932kWm2.K（3）傳熱平均溫差為tm=380-320-330-290ln380-320330-290=49.3 K根據(jù)傳熱

12、速率方程可求得換熱面積，即Q=KAtm，故傳熱的外表面積A=QKtm=5540.932×49.3=12.1 m2故所求的換熱管長度為l=And2=12.13.14×0.025×52=2.953 m26、某生產(chǎn)過程，需將2400kgh的空氣從20加熱到80，空氣平均比熱容為1.0kJkg.,平均密度為1.1kgm3。120的飽和蒸汽在殼層加熱?？諝庠诠軆?nèi)作強(qiáng)制湍流流動(dòng)。采用的單管程列管式換熱器尺寸為：25mm×2.5mm，管長為3 m，管子數(shù)為100根。試求：（1）上述換熱器的總傳熱系數(shù)為多少；（2）現(xiàn)倉庫有一臺19mm×2mm，管長為3 m，管

13、子數(shù)為100根的單管程列管式換熱器，試核算該換熱器是否能代替上述換熱器；（3）若用該換熱器代替上述換熱器，空氣的出口溫度為多少？注：計(jì)算可忽略管壁及污垢熱阻；溫度對物性影響可忽略；蒸汽空氣 【答案解析】解：（1）由能量衡算可得Q=W2Cp2t2-t1=KAtm其中tm=t1-t2lnt1t2=120-20-120-80ln120-20120-80=65.48 傳熱面積A=nd2l=100×3.14×0.025×3=23.55 m3所以總傳熱系數(shù)KK=W2Cp2t2-t1Atm=24003600×1000×80-2023.55×65.4

14、8=25.94 Wm.K（2）改變管徑后，而流量不變，則空氣的流速為u'u=d1d1'2因?yàn)閭鳠嵯禂?shù)k蒸汽k空氣，所以總傳熱系數(shù)Kk空氣又因?yàn)榭諝庠诠軆?nèi)作強(qiáng)制對流（Re>10000），所以k空氣=0.023d1d1u0.8Pr0.4即新工況和原工況空氣對流傳熱系數(shù)k空氣'k空氣=K'K=d1d1'd1'd10.8u'u0.8=d1d1'1.8=20151.8=1.678又Q'Q=W2Cp2t2'-t1W2Cp2t2-t1=K'A'tm'KAtm，所以t2'-t1t2-t1=K&

15、#39;KA'Atm'tm=1.678×1925×tm'tm式中tm'=t2'-20ln100120-t2'所以代入相關(guān)數(shù)據(jù)得t2'-2080-20=1.678×1925×t2'-20ln100120-t2'解得，t2'=88.926 由于t2'=88.926 >80 ，所以該換熱器能夠代替原來的換熱器（3）由題（2）解得t2'=88.926 即空氣的出口溫度為t2'=88.926 27、某廠在單殼程雙管程列管換熱器中，用130的飽和水蒸汽將乙醇

16、水溶液從25加熱到80，列管換熱器由90根25mm×2.5mm，長為3m的鋼管所構(gòu)成，乙醇水溶液處理量為36000kgh，并在管內(nèi)流動(dòng)，飽和水蒸汽在管間冷凝。已知鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45Wkg.，乙醇水溶液在定性溫度下的密度為880kgm3，黏度為1.2 CP，比熱為4.02kJkg.，導(dǎo)熱系數(shù)為0.42Wkg.，水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為104Wkg.，在操作條件下，垢層熱阻和熱損失忽略不計(jì)，試求：（1）此換熱器能否完成任務(wù)？（2）若乙醇水溶液處理量增加20%，在溶液進(jìn)口溫度和飽和水蒸汽溫度不變情況下，仍在原換熱器中加熱乙醇溶液，則乙醇水溶液出口溫度為多少（乙醇水溶液的物性可視為不變）【答案

17、解析】：解：（1）由題意可知，總傳熱量Q為：Q=WCPt2-t1=360003600×4.02×80-25=2211 kW傳熱過程中，對數(shù)平均溫度差為tm=TS-t1-TS-t2lnTS-t1TS-t2=130-25-130-80ln130-25130-80=74.13 因?yàn)樵撨^程為雙管程，則每根管中的流量為36000902=400kgh乙醇溶液在管內(nèi)的流速為：u=4003600880×0.785×0.022=0.804 ms所以雷諾數(shù)Re=du=0.02×0.804×8801.2×10-3=1.18×104可知為

18、湍流流動(dòng)，且有：i=0.023diRe0.8Ci0.4 =0.023×0.420.02×1.18×1040.8×4.02×1.20.420.4 =2320 Wkg.所以總傳熱系數(shù)為K=1o+dodm+dodi1i-1 =110000+2522.5×0.002545+2520×12320-1 =1427 Wkg.由Q=2211 kW=KA需要tm解得，A需要=2211×1031427×74013=20.90 m2因?yàn)锳=90×dol=90×3.14×0.025×3=2

19、1.2 m2>A需要=20.90 m2即該換熱器可以完成任務(wù)。（2）若乙醇水溶液處理量增加20%，在溶液進(jìn)出口溫度和飽和水蒸汽溫度不變情況下，則流速u'=1.2u=1.2×0.804=0.965 ms 易知Re'>104，因此有：i'=iu'u0.8=2320×1.20.8=2684此時(shí)總傳熱系數(shù)K'為K'=1o+dodm+dodi1i'-1 =110000+2522.5×0.002545+2520×12684-1 =1594Wkg.傳熱過程中，對數(shù)平均溫度差tm'為tm'

20、;=TS-t1-TS-t2'lnTS-t1TS-t2'=130-25-130-t2'ln130-25130-t2'=t2'-25ln105130-t2'原工況：Q=WCPt2-t1=KAtm新工況：Q'=1.2WCPt2'-t1=K'Atm'由上述兩式可得WCPt2-t11.2WCPt2'-t1=KAtmK'Atm'整理并代入數(shù)據(jù)得80-251.2×t2'-25=1427×74.131594×t2'-25ln105130-t2'解得，t2

21、'=77.37 即乙醇水溶液的出口溫度為t2'=77.37 28、在一單程列管換熱器內(nèi)用冷水將管內(nèi)的高溫氣體從150°C冷卻至80°C，兩流體逆流流動(dòng)且為湍流，氣體的流量為2000kg/h，冬季冷卻水的入口溫度為15°C，流量為684kg/h。試計(jì)算：（1）當(dāng)夏季的冷卻水入口溫度為25°C時(shí)，若要求氣體的流量和冷卻程度不變，求冷卻水的用量（假設(shè)總傳熱系數(shù)K和冬季相同）；（2）若冬季的氣體流量增加50%，而保持冷卻程度不變，應(yīng)如何調(diào)節(jié)操作參數(shù)并定量計(jì)算；（3）若將管程改為雙程，冬季仍維持氣體流量增加50%及冷卻水的流量及入口溫度不變，求冷卻

22、水和氣體的出口溫度?！敬鸢附馕觥拷猓航忸}思路是以冬季工況為基準(zhǔn)，分別求出Q、Dtm、KA，當(dāng)操作條件變化時(shí)，分別比較上述參數(shù)的變化趨勢并定量計(jì)算。對于氣體和冷卻水之間的換熱，總傳熱系數(shù)可簡化為換熱器的熱負(fù)荷為：解得冬季冷卻水的出口溫度為（1）夏季情況 在夏季操作時(shí)若要求傳熱速率Q不變，而K2A2也近似與冬季相同，故此時(shí)必須維持夏季的Dtm與冬季相同時(shí)才能完成任務(wù)。關(guān)鍵在于計(jì)算水的出口溫度t2， t2可用不同方法計(jì)算。（a）試差法15080t225Dt2=150-t2Dt1=55用對數(shù)平均溫差法進(jìn)行試差，即試差求得夏季時(shí)冷卻水的出口溫度如果，可用簡化（算術(shù)平均值）計(jì)算，即：解得說明假設(shè)（b）傳熱

23、單元法為了避免試差，可采用傳熱單元數(shù)法計(jì)算。在此情況下，氣體為最小值流體，則：由和查得用三種方法所得的計(jì)算結(jié)果有差別，其中算術(shù)平均溫度差誤差最大，傳熱單元數(shù)最簡單。（2）冬季情況 冬季氣體流量增加，若要維持冷卻程度不變，可調(diào)節(jié)的操作參數(shù)是增加冷卻水的流量。由流量改變后，總傳熱系數(shù)K與原K的比值：(a) 試差法(b) 傳熱單元法由和查得當(dāng)空氣流量增加50%時(shí)，冷卻水流量需要增加137.9%。（3）管程改變的情況 當(dāng)管程由單程變?yōu)殡p程時(shí)，管內(nèi)流速加倍，Ki”提高，即：整理得：；上式相減：得：或 (a)熱量衡算式：得： (b)聯(lián)接式(a)和(b)得：即冷卻水的出口溫度比原工況增加15°C，

24、氣體出口溫度比原工況降低21°C。29、在一套管式換熱器中，用120的飽和水蒸氣在環(huán)隙中冷凝放熱，使內(nèi)管中湍流流動(dòng)的流量為的苯從20加熱到80。當(dāng)流量增加到時(shí)只能從20加熱到76。試計(jì)算換熱器的傳熱面積和流量為時(shí)的總傳熱系數(shù)K。（計(jì)算時(shí)，水蒸氣冷凝的值取用。可忽略管壁熱阻及污垢熱阻，并可當(dāng)平壁處理。兩種情況下苯的比熱容認(rèn)為相同）。【答案解析】解：苯的流量 時(shí)水蒸氣 T=120 T=120苯 ® 苯的流量時(shí)水蒸氣 T=120 T=120苯 ® 傳熱速率方程苯的流速與流量的關(guān)系 苯的對流傳熱系數(shù)與流速的關(guān)系總傳熱系數(shù)與傳熱管內(nèi)外兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)與的關(guān)系為解得 故 由

25、求傳熱面積用平均溫度，查得苯的比熱容也可以由求傳熱面積30、在由118根f25´2.5，長為3m的鋼管組成的列管式換熱器中，用飽和水蒸汽加熱空氣，空氣走管程。已知加熱蒸汽的溫度為132.9，空氣的質(zhì)量流量為7200kg/h，空氣的進(jìn)、出口溫度分別20和60，操作條件下的空氣比熱為1.005 kJ/(kg×)，空氣的對流給熱系數(shù)為50 W/(m2×)，蒸汽冷凝給熱系數(shù)為8000 W/(m2×)，假定管壁熱阻、垢層熱阻及熱損失可忽略不計(jì)。試求：（1）加熱空氣需要的熱量Q為多少？（2）以管子外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K為多少？（3）此換熱器能否完成生產(chǎn)任務(wù)？【答

26、案解析】解：（1） kJ/s（2） W/(m2×)（3） m2 kJ/s，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。31、現(xiàn)有一列管換熱器，內(nèi)有25×2.5mm的鋼管300根，管的有效長度為2m。要求將8000kg/h的空氣于管程有20加熱到85，采用108的飽和蒸汽于殼程冷凝加熱之，冷凝液在飽和溫度下排出。蒸汽冷凝的傳熱系數(shù)為1×104w/m2，空氣的對流傳熱系數(shù)為9 0w/m2，管壁及兩側(cè)污垢熱阻均可忽略，且不計(jì)熱損失?？諝庠谄骄鶞囟认碌谋葻釣?kJ/kg。試求：1 換熱器的總傳熱系數(shù)K。2 通過計(jì)算說明該換熱器能否滿足要求。3 通過計(jì)算說明管壁溫度接近那一側(cè)流體的溫度？【答案解析】解：1）總傳熱系數(shù)）2），該換熱器能滿足要求。3)接近蒸汽的溫度。32、有一管程為單程的列管換熱器，由25×2.5mm，長2.5m的20根鋼管組成。用120飽和水蒸汽加熱某冷液體（冷凝液在飽和溫度下排出），該冷液體走管內(nèi)，進(jìn)口溫度為25，比熱為1.58kJ/kg，流量為15000kg/h，管外蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為1.0×104 w/m2。管內(nèi)對流傳熱的熱阻為管外蒸汽冷凝傳熱熱阻的6倍。求：1基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K02冷液體的出口溫度。（換熱器的熱損失、管壁及兩側(cè)污垢熱阻均可忽略不計(jì)）【答案解析】解：1）總傳熱系數(shù).2）33、有一