化工原理傳熱練習題(DOC)

1、傳熱概念：1、傳熱的三種基本方式2、如何測定及如何提高對流傳熱的總傳熱系數(shù)K4、如何強化傳熱計算公式（ 1 ）熱量衡算（有相變、無相變）K 的計算、平均溫度差、總傳熱速率方程、傳熱面積的計算（判別是否合用）（例4 8）（2）流體在圓形管內(nèi)作強制湍流流動時a計算式（公式、條件） ，粘度科對a的影響。（ 3）實驗測K （ 例 4 9）（ 4）換熱器操作型問題（求流體出口溫度，例4 10）二 實驗題（10）1 利用過熱蒸汽進行傳熱實驗的過程中，若運行一段時間后，傳熱膜系數(shù)下降，可能的原因是什么？如何解決？2 . 蒸汽冷凝傳熱時，為什么要排放不凝性氣體？內(nèi)管壁溫接近于哪一側(cè)流體的溫度？3 .為了提高換

2、熱器的總傳熱系數(shù)K,應提高空氣側(cè)，還是水側(cè)的 和S?為什么？換熱器中冷熱流體的流動方向有幾種，當選擇流向時應如何考慮？4闡述液體沸騰曲線的基本形狀，一般沸騰應處于什么狀態(tài)才能達到較好的換熱效果？1 、 （ 4分）換熱器中冷熱流體的流動方向有：逆流，并流，折流和錯流。（ 1 分）當采用逆流時，在傳熱量和總換熱系數(shù)一定的情況下，換熱器的傳熱面積較小，另外， 采用逆流還可以節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。通常，換熱器盡可能采用逆流操作。（ 1 分）當某些特殊工藝要求時，對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時不能超過某一溫度，或熱流體被冷卻時不能低于某一溫度時，可采用并流。（ 1 分）采用折流或錯流時，

3、主要是為了滿足換熱器的結(jié)構(gòu)要求，或提高總傳熱系數(shù)。（ 1 分）2 、 （ 6 分） 液體沸騰曲線主要包括自然對流、泡狀沸騰和膜狀沸騰。（ 3 分）一般沸騰應處于泡狀沸騰狀態(tài)才能達到較好的效果，此時傳熱系數(shù)和熱通量都較大。（ 3 分）5灰體的定義及特點6、 設(shè)計一套實驗裝置要求既可以測量總傳熱系數(shù)，又可同時測量對流傳熱系數(shù)，標注儀表、儀器名稱。并簡要說明試驗步驟，需要測量那些參數(shù)。？三 計算題 （ 60 分）3 （ 20 分）在一列管式換熱器內(nèi)用水冷卻苯。苯走管程，流量為1.5kg/s ，由80oC被冷卻至300Go冷卻水在殼程內(nèi)呈湍流流動，且與苯逆流流動，其進口溫度為20°C,出口溫

4、度為50oCo已估算出苯側(cè)和水側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為若列管為(|)25X 2.5mm900W/(m2K)、1700W/(m2K);苯的平均比熱為 1.9kJ/(kg.K)的鋼管，長3米，其導熱系數(shù)為45W/(m2K),并忽略污垢熱阻及換熱器的熱損失, 試求:(1)所需換熱器的列管數(shù)為多少?(2)若其它條件不變，冷卻水的流量變?yōu)樵瓉淼膬杀?，換熱器的列管數(shù)又為多少？2.解：QKS tm Kn d°L tm(3分)其中,QWhCph(TiT2) =1.5 1.9 103(80-30) =142.5 (kW)(2分)K 工曳di i1b d0dm25900 20132.5 102545 22

5、.5=490.5W/(m 2K) (3 分)11700tmt1lnt2 tTt23010=18.2(,30'ln 10(3分)142.5103Kd°L tm3.14 490.5 25 10 3 3 18.267.7 (根)(2分)(2)若其它條件不變,冷卻水的流量變?yōu)樵瓉淼膬杀?，則020.8 1700 2959.872W/(m K)(2分)同理可得,11 b d0=559.1 W/(m 2.K)1(3分)i dm2、(20 分)n'QK'd°L tm59.4 (根)用一傳熱面積為3m2 (以外表面積為準)，由25(2分)2.5mm管子組成的單程列管式

6、換熱器，用初溫為10c的水將機油由200c冷卻至100C,水走管內(nèi)，油走管間。已知水和機油的質(zhì)量流量分別為1000kg/h和1200kg/h ,其比熱容分別為 4.18kJ/(kg K)和2.0kJ/(kg K),水側(cè)和油側(cè)的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為2000W/(m 2 K)和250W/(m 2 K),兩側(cè)可視為呈逆流流動，如不計算管壁及污垢熱阻：（1） 試計算說明該換熱器是否合用？（2） 夏天，水的初溫達到30c時，該換熱器是否合用？（假設(shè)K不改變），如不合用, 如何解決？四。計算題：.（20分）解：（1） Q WhCph T WcCpc t K0A0 tm1200 2.0 (200 100)

7、100036001000 4.18 910)10003600W1250 2000(3分)t267.4 C200 10067.4tm132.6 902111.3 c132.69011do0 i d i111 25250 2000 20一 一一2216.21W/m K(3分)1200 2.0(200 100)A= 2.77 m 21000216.21 111.3 A 3600<題名3 3 m2,合用.(3分)(2)水初溫30 cQ 1200 2.0 (200-100) 1000 1000 4.18 (t2360030)10003600t2 87.4 C200 10087.4tm112.6 7

8、0291.3 c(4)112.67010001200 2.0 (200 100)3600A=3.37 m2 > 3 m2不合用.216.21 91.3 A可增加換熱面積，兩臺串聯(lián)使用(3分)(4分)4.（15分）某車間有一臺運轉(zhuǎn)中的單程列管換熱器，熱空氣走管程，由 120 C降至80 C,其對流傳熱系數(shù)1=50 W/m2 C。殼程的水被加熱，水進口溫度為15 C,出口升至90 C,其對流傳熱系數(shù) 2= 2000W/m2 Co管壁熱阻、壁厚及污垢熱阻可不計，換熱器系逆流 操作，水的流量為 2700kg/h,平均比熱為4.18kJ/kg K,試計算換熱器的傳熱面積。1 48.8W/m2 C1

9、11解：(1) K 11六.tmt1Int2t2Wk Cp 水(90 2.35 105W(80 15) (120 90)ln%120 9045.3 C15) 2700 4.181000 75/3600A Q 2.35 1052A 106.4 mK tm 48.8 45.3(10 分)(20分)逆流換熱器中，用初溫為20 c的水將1.25Kg/s 的液體(比熱為 1.9KJ/(Kg ),密度為850 Kg/ mf),由80c冷卻到30C,換熱器列管直徑為。25X2.5 mm水走管內(nèi)。水側(cè)和液體側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為0.85和1.70 kw/(m 2 ),污垢熱阻可忽略。若水的出口溫度不能高于50

10、 C,求換熱器的傳熱面積；換熱器使用一段時間后,管壁兩側(cè)均有污垢生成，水側(cè)污垢熱阻R =0.00026 m2 /w ,油側(cè)污垢熱阻Ro=O.OOO176 m2 - C /w,求此時基于管外表面的總傳熱系數(shù)Koo產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分數(shù)注：管壁導熱系數(shù)為 入=45 w/(m C )WhCph(1 T2) 1.25 1.9 (80 30) 119kW(3分)2.tmS01b do 1 do一五-d7(T2t1)(TilnQKo tmT2t1Tit211700t2)3119 10472 18.2120.002525125472W/m24522.585020(80 50) (30 20)18.2 C

11、,80 50ln30 2013.9m2(3分)(3分)(3分)Ko1(5分)r r 。曳 2匹 r 魚0s0dmi dirsi di12 一381.53W/m2 C10.0025251252517000.0001 764522.5850200.00026203.產(chǎn)生污垢后熱阻增加百分數(shù)為:0.000176 0.00026 喘 5.01 104 八023.63%10.002525125170045225850200.00212(3分)(20分)現(xiàn)有一列管式換熱器，內(nèi)有。25X2.5 mmiW管300根，管的有效長度為 2m要求將8000Kg/h空氣于管程內(nèi)由20c加熱到85C,采用108c的飽和

12、蒸汽于殼程冷凝加熱,冷凝熱在飽和溫度下排出,蒸汽冷凝傳熱系數(shù) 1 X 104 w/(m2 C ),空氣對流傳熱系數(shù)為90 w/(m 2 C),管壁及兩側(cè)污垢熱阻可忽略，不計熱損失，空氣在平均溫度下比熱為1KJ/(Kg C )。求基于管外表面的總傳熱系數(shù)檢 2.核算該換熱器是否滿足要求。2.用一段時間后管內(nèi)產(chǎn)生了污垢,使空氣出口溫度變?yōu)?0 C,求此時管內(nèi)污垢熱阻。11 .一K01，d0 i di1104902520.014m20CWK071.49W. m2(3分)(T L) (Tt2)S03. Q分)4T t2WcCpc& L)80003600144.44K tm 71.49n d&#

13、176;l 300_ _ _ _ .' -WCpc(t2 %)tmK0(T t1) (TlnTt1t2di 1Rs( d0 K010348.44(108 20) (108 85),108 20ln108 8548.44 C(3分)1000 (85 20) 144.44 1 03W/m241.71m220.025 2 47.1m2S0 S實際 所以，該換熱器合用。(3分)(2分)(2分)80003600t2)1000 (50 20)(108 20) (108ln理108 5066.67 103W/m2(2分)(2分)d0diRsid0 ,idK。20diQS tm一(25 19.6666

14、.67 103219.66W/m C47.1 72_ 2_0.014) 0.0295m C/W(2111分)3 (20分)在一列管式換熱器內(nèi)用水冷卻苯。苯走管程，流量為 1.25kg/s , 由80oC被冷卻至30oCo冷卻水在殼程內(nèi)呈湍流流動，且與苯逆流流動，其進口 溫度為20°C,出口溫度為50。已估算出苯側(cè)和水側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為 850W/(m2K)、1700W/(mK);苯的平均比熱為 1.9kJ/(kg.K)。若列管為 小 25X 2.5mm 的鋼管，長3米，其導熱系數(shù)為45W/(m2K),并忽略污垢熱阻及換熱器的熱損失， 試求：(1)傳熱速率為多少？(3)總傳熱系數(shù)K

15、為多少？(2)所需換熱器的列管數(shù)為多少？3 解：Q KS tm Kn d0L tm其中，Q WhC ph (T1 T2) =1.5*1.9*10 3* (80-30 ) =142.5 (kW)1£do b支工i di dm 02.K)13=490.5W/(m252.5 10 3 251900 2045 22.51700tm30 10=18.2(C)t2QKd°L tm67.7 (根)142.5 1033.14 490.5 25 10 3 3 18.2五、(20分)有一逆流套管換熱器，由()57 x 3.5mm與()89 x 4.5mm鋼管組成。甲醇在管內(nèi)流動，流2量為500

16、0kg/h ,由60c冷卻到30C,甲醇側(cè)的對流傳熱系數(shù)為1512W/m C,冷卻水在環(huán)隙流過，入口溫度 20C,出口溫度35C,忽略熱損失、管壁及污垢熱阻，且已知甲醇平均 比熱為2.6kJ/kg C,定性溫度下水的黏度為0.84cp ,導熱系數(shù)為0.61W/m2 C ,比熱為4.174 kJ/kg ,密度為1000Kg/m3,冷卻水在環(huán)隙中流動的對流傳熱系數(shù)可由下式計算：一 C 一o 0.023R0.8(-)0.4 ,求:de1 .冷卻水用量。2 .總傳熱系數(shù)Ko3 .所需套管長度。五、(20分)1 .冷熱流體均無相變，且無熱損失，所以:Q WcCpc(t2 ti) WhCph(Ti T2)

17、 5000/3600 2.6 103 (60 30) 1.083 105W(3分)WcQCpc(t2 L)1.083 1054.174 103 (35 20)1.73Kg/s(2分)(2分)ReVsI ZT20.785 (Di do )ude1.731000一一220.785 (0.080.057 )0.7m / s(2分)1000 0.7 0.023220.785 (0.080.057 )0.7m/ s2 .環(huán)隙當量直徑：deDi do (0.089 2 0.0045) 0.057 0.023m一一 C 一 .0.023 R0 ( )0 deKo11d00 i di111 573279.7

18、1512 50_2_944.4W/m2 C(3分)Cp 0.84 10 3 4.174 103 廣. 5.75 0.61(2分)0.023 -0.61 (1.92 104)0.8 5.7504 3279.7W/m2 C 0.0233 . 60 f 3035 202510tmt1t225 10ln”1016.4 C(3分)Q KS tm K dol tm539.1m(3分)1.083 10944.4 3.14 0.057 16.4六、(20分)在一臺新套管換熱器中，冷卻水在小25 x 2.5mm的內(nèi)管中流動，以冷凝環(huán)隙間的某飽和 蒸汽。當冷卻水的流速為 0.4m/s和0.8m/s時，測得基于內(nèi)管

19、外表面的總傳熱系數(shù)分別為1200W/m2K和1700W/m 2 Ko水在管內(nèi)為湍流，管壁的導熱系數(shù)為45w/m ?K。水流速改變后可認為環(huán)隙間冷凝的傳熱膜系數(shù)不變，試求：(1)當水的流速為0.4m/s時，管壁對水的對流傳熱系數(shù)為多少？(2)管外蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)為多少？(3)若操作一段時間后，水流速仍維持0.4m/s，但測得的總傳熱系數(shù)比操作初期下降10% ,試分析可能的原因，并論述此時蒸汽的冷凝量是否也下降10%六、(20分)解：對于新?lián)Q熱器，可忽略污垢熱阻，有1 do bdo 1K E F 二其中di(0.025 0.0025 2) 0.02mdo 0.025mdm0.025 0.02

20、0.025In0.020.0050.2230.0224 m冷卻水流速為0.4m/s時0.0250.0025 0.025112000.0245 0.02248.33101.250.620 10 47.71101.25(1)(5 分)流速為0.8m/s時u2ui 20.8 i 1.74 i10.02517001.74 i 0.020.0025 0.02545 0.02245.88 10 4 0718 0.620 10 4 io5.2610 40.718(2) (5 分)(1)求水的流速為0.4m/s時，管壁對水的對流傳熱系數(shù)式(1)-式(2),得1.83 10 40.532(3分)2907W/m2

21、 K(2)求管外蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)將(1)的計算結(jié)果帶入式(1)中，得7.7110 41.2529077.7110 44.3010 4(7.71 4.30) 10 422933W / m K(3分)0.4m/s ,但測得的總傳熱系數(shù)比操作初期下降10% ,其原因可能是(3)操作一段時間后，水流速仍維持 污垢熱阻造成的。根據(jù) QKStm WcCpc(t2 L) WhrK 0.9K時，Q也必定減小，而t2也會減小，從而tm也隨之減小，所以Q 0.9Q, Wh 0.9Wh即，蒸汽的冷凝量下降超過 10% o(4分)三、(20分，08考研)有一單程管殼式換熱器，內(nèi)裝有25X2.5mm的鋼管300根

22、，管長為2m。要求將流量為 8000kg/h的常壓空氣于管程由 20c加熱到85C,殼方選用108c的 飽和蒸汽冷凝。若蒸汽側(cè)冷凝的對流傳熱系數(shù)為1X104W/(m2C),忽略管壁及兩側(cè)污垢熱阻和熱損失?？諝庠谄骄鶞囟认碌奈镄猿?shù)為Cp=1kJ/(kg. C),入=2.85X 10 2W/(m. C),產(chǎn)1.98 x 10-5Pa.s。試求：(1)空氣在管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)；(2)換熱器的總傳熱系數(shù)(以管子外表面為基準)；(3)通過計算說明該換熱器能否滿足要求；(4)計算說明管壁溫度接近哪一側(cè)的流體溫度。、(20分，05考研)在套管換熱器中用120c的飽和蒸汽于環(huán)隙間冷凝以加熱管內(nèi)湍流的苯。苯的

23、流量為 4000kg/h,比熱容為1.9kJ/(kg C ),溫度從30c升至60C。蒸汽冷凝 傳熱系數(shù)為1 X 104W/(m 2 C ),換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻為 4X 10-4m2 - C/W,忽略管壁熱阻、 換熱管外側(cè)污垢熱阻及熱損失。換熱管為。54 x 2mm的鋼管，有效長度為 12m。試求:(1)飽和蒸汽流量(其冷凝潛熱為2204kJ/kg);(2)管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)ai；(3)當苯的流量增加 50%、但其他條件維持不變時，苯的出口溫度為若干？、(20分，06考研)一列管式換熱器，管徑為()25mm< 2.5mm,傳熱面積為10nf (按管外徑計)。今擬用于使80c的飽和苯蒸氣

24、冷凝、冷卻到50C。苯走管外，流量為1.25kg/s ;冷卻水走管內(nèi)與苯逆流，流量為6kg/s ,進口溫度為10C。現(xiàn)已估算出苯冷凝、冷卻時的對流傳熱系數(shù)分別為1600W/(m2 - K)和850 W/(m 2 - K);水的對流傳熱系數(shù)為2500W/(m2 - K)。忽略管壁兩側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻。已知水和苯(液體)的比熱容分別為 4.18 X103J/(kg - K)和 1.76 X 103J/(kg - K),苯蒸氣在 80 c 的冷凝潛熱為 395 X 103J/kg 。問此換熱器是否合用？、（20分，07考研）有一套管換熱器，某流體走殼程，水走管程，逆流換熱。工藝上要求將 流量為870kg/h的此流體從120 c冷卻至70 C,其比熱容為3.36 kJ/（kg?C）,它對管壁的對 流傳熱系數(shù)為2326W/（m 2?C ）,并可視為不變。已知內(nèi)管為中57X 3.5mm的鋼管，水的進口溫度為20 Co此換熱器剛投入使用時很清潔，當流體出口溫度為70c時，測得水出口溫度為50C,管壁對水的對流傳熱系數(shù)為873 W/（m2?C）,水的比熱容為4.174 kJ/（kg?C）,水的密度為994 kg/m3。由于冷卻水的水質(zhì)問題，管內(nèi)壁結(jié)垢，使用一年后致使水的出口溫度降 為45C。管壁熱阻及外壁污垢熱阻可忽略不計，且管內(nèi)外對