化工原理傳熱計算題專題訓練

1、 第二部分 計算題示例與分析3-77 某流體通過內(nèi)徑為100mm圓管時的流傳熱系數(shù)為120W/(),流體流動的雷諾數(shù),此時的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式為。 今擬改用周長與圓管相同、高與寬之比為1：3的矩形扁管，而保持流速不變，試問對流傳熱系數(shù)有何變化？ 解：由對流傳熱系數(shù)的計算公式： （）Pr當物性不變時 ， 求扁管的當量直徑d：設a、b，分別為矩形截面的寬與長由題意 2(a+b)=解之 a= b=d= = 設分別為圓管與扁管的對流傳熱系數(shù)，則 =1.11 =1.11100=111W/() 對流傳熱系數(shù)由原來的（）增至現(xiàn)在的（m）分析：由以上的計算可以看出，由于矩形扁管的當量直徑小于同周長圓的直徑，其

2、對流傳熱系數(shù)大于后者。因此用非圓形管道制成的換熱器（如最近開發(fā)的螺旋扁管換熱器），一般都具有高效的特點。 某固體壁厚b=500mm,其導熱系數(shù))。已知壁的一側(cè)流體溫度230C,其對流傳熱系數(shù)a=50W/(m.);另一側(cè)流體溫度t=30,對流傳熱系數(shù)m2).若忽略污垢熱阻，試求：（1） 熱通量q; （2）距熱壁面mm處的壁溫t。 解：方法一 T 先求熱通量，然后以（t）為傳熱推動力， （）為對應熱阻，求出。即將熱流體與壁 b面對流傳熱與厚壁面的導熱綜合考慮。 （1）熱通量q 圖3-3 3-84附圖 =)/W q= (2) 壁溫 q= =230-378(=213方法二用方法一求出熱通量后，先由牛頓

3、冷卻定律求出熱壁面的溫度 ，然后再由傅立葉定律求出距熱壁面 處的 ，即分步計算法。（1） 熱通量 （2） 壁溫 由牛頓冷卻定律得 再由傅立葉定律 得 當然從冷流體算起還可以找到兩種方法，即綜合法和分步法。分析：此例想要強調(diào)的是，無論采取哪一種求解方法，都要十分注意傳熱推動力與熱阻的對應關系。例如我們還可以找到第5種并不簡捷的方法，即先從熱流體著眼，求出冷壁面的溫度，再從冷壁面求出距其 處的壁溫。則其傳熱推動力與熱阻的對應關系應是： 、。3-85 一立式換熱器規(guī)格如下：管長3m，管數(shù)30根，管徑為 mm，管程為1。現(xiàn)擬選用此換熱器冷凝、冷卻 飽和蒸氣，使之從飽和溫度46 降至10 ， 走管外，其

4、流量W=0.07kg/s，其冷凝潛熱為356kJ/kg，比熱容為1.05kW/(kg) 。水走管內(nèi)，且與呈逆流流動。冷卻水進出口溫度為5 和30 。已知冷凝和冷卻段基于換熱管外表面的總傳熱系數(shù)分別為() 和()。問此換熱器是否合用？分析：判斷一臺換熱器是否合用，一般可以采用比較傳熱速率或傳熱面積的方法，本例采用后一種方法：分別計算已有換熱器面積和所需換熱器面積，比較二者后即可以得出結論。本例不同之點在于：該換熱器既作冷凝器又作冷卻器，需分段計算所需面積，即冷凝段所需面積 和冷卻段所需面積 ，而 、 的求得又須以 、 為前提。因此，解決該題的重點在于求出冷凝、冷卻段交界處的冷卻水溫度，即冷卻水離

5、開冷卻段的溫度t。解：（1）以管子外表面為基準計算已有換熱器的傳熱面積： （3） 求所需的傳熱面積 冷凝段與冷卻段的傳熱量水CS2冷凝段 K1兩段的平均溫差總傳熱量：冷卻水用量K2冷卻段 冷卻水離開冷卻段的溫度水CS2 冷凝段的平均溫差 冷卻段的平均溫差 所需傳熱面積冷凝段 冷卻段 A>，即已有傳熱面積大于所需傳熱面積，所以此換熱器合用。3-86 將流量為2200kg/h的空氣在蒸汽預熱器內(nèi)從20 加熱到80。空氣在管內(nèi)作湍流流動，116的飽和蒸汽在管外冷凝。現(xiàn)因工況變動需將空氣的流量增加20%，而空氣的進、出口溫度不變。問采用什么方法才能完成新的生產(chǎn)任務？請作出定量計算（要求：換熱器的

6、根數(shù)不作變化）。 分析：由傳熱基本方程 著眼考慮：空氣流量增加20%而進出口溫度不變，即Q增加20%。因為蒸汽的冷凝系數(shù)遠大于空氣的對流傳熱系數(shù),所以總傳熱系數(shù)K接近空氣的對流傳熱系數(shù)。空氣流量增加后，總傳熱系數(shù)增大，但其增大的幅度不能滿足熱負荷增大的要求，故可以改變的只有 及A。 解： ，又管壁較薄可忽略其熱阻 在物性不變的前提下 (a) 由題意，n為常數(shù)（a）式代入： （b） （a）、（b）二式中、均為比例系數(shù)。 設“1”，“2”分別代表工況改變前后的情況，由（b）式： 已知： 1.2(b) 比較（a）、（b）二式得 將已知數(shù)據(jù)代入 增加冷凝量為 即蒸氣冷凝量增加了64。 此例可以幫助我們

7、加深對控制熱阻的理解。 由于原來的冷卻水出口溫度已經(jīng)很低，冷卻水流量加倍后，平均溫差即傳熱推動力增加很少，這可由與的比較看出。但因蒸氣冷凝給熱系數(shù)遠大于冷卻水的對流傳熱系數(shù)，所以管內(nèi)對流傳熱熱阻就成為整個冷凝過程的控制熱阻。冷卻水流量加倍后，管內(nèi)對流傳熱系數(shù)增大到原來的倍，控制熱阻相應降低，導致總傳熱系數(shù)幾乎以與管內(nèi)對流傳熱系數(shù)相同的幅度增大，結果使冷凝液大量增加，由此可見，降低控制熱阻，是增大傳熱速率的一個重要途徑。3-92 某廢熱鍋爐由25mm2。5mm的鍋爐鋼管組成。管外為水沸騰，絕對壓強為2。8Mp，管內(nèi)走合成轉(zhuǎn)化氣，溫度由550降至450。已知轉(zhuǎn)化氣一側(cè)，）水側(cè)）。若忽略污垢熱阻，求

8、換熱管的壁溫及。 解：方法一（1） 先求總傳熱系數(shù)（以管子內(nèi)表面為基準） （2） 平均溫度差 2.8Mp下水的飽和溫度為230。（3）熱通量（4）管壁溫度1） 先著眼于管內(nèi)的對流傳熱。由牛頓冷卻定律：又 再眼于管外的對流傳熱 方法(1) 先求傳熱過程的總熱阻及分熱阻（基于內(nèi)表面） =0.00413()/W (2) 再求管壁溫度 在連續(xù)傳熱過程中，溫降與熱阻成正比。故 已知：t = 2300c T = = 500 tw = T- = tw = t + = 兩種解法結果相同 分析：由于管內(nèi)外水沸騰傳熱系數(shù)較大，管內(nèi)合成轉(zhuǎn)化氣對流傳熱系數(shù)相對要小得多,所以壁溫接近水的溫度。又因為管壁的熱阻較小，所以

9、溫降也小，也就是說管壁兩側(cè)溫度比較接近。兩種方法略作比較可以發(fā)現(xiàn)，第二種方法更簡捷、直觀。壁溫的估算對工程技術人員十分重要。無論選擇換熱器類型還是選定換熱器都需要知道壁溫，一些對流傳熱系數(shù)的計算也需要知道壁溫。3-93 質(zhì)量流率相同的兩種液體通過某套換熱器的管程并被加熱，其對流傳熱系數(shù)都可以用下式表示：若定性溫度下兩流體的物性 = 4.2 ， l1 = 3.2l2為了簡化計算，其它物性可認為相同，問二者的對流傳熱系數(shù)有多大差別？解：由給熱系數(shù)的計算公式知： aµ0.4 l0.6 即二者的對流傳熱系數(shù)之比為3.57倍。 分析：在相同的質(zhì)量流率下，由于兩種液體的物性不同，其對流傳熱系數(shù)相

10、差是很大的。換言之，流體的物性對對流傳熱系數(shù)的影響是甚大，這點我們應予以充分注意。至于氣體與液體之間，這種區(qū)別就更大。例如定性溫度為50 °c時，在相同的流動狀態(tài)下，水和空氣的對流傳熱系數(shù)相差700倍以上。因此在一般操作情況下，空氣的流速往往比水的流速要大幾倍甚至十幾倍。3-94 在列管換熱器中用蒸汽加熱空氣，蒸汽走完程，空氣走管程且作湍流流動，若其它條件不變，僅將：(1)空氣的壓強加倍；(2)傳熱管的數(shù)目加倍 試估算/tm將如何變化？解：（1） a蒸汽a空氣 K » a空氣由 Q =KAtm得 Q/ Re=由上可知，當壓強加倍后，管內(nèi)空氣的r，u將有所改變，具體說r增大

11、u減少，但質(zhì)量流速G = u r不變。即Re=m不變。又 Rr= 不變 a不變 Q/tm亦不變化（2）傳熱管數(shù)目加倍。 傳熱管數(shù)目加倍，則傳熱面積A加倍；但流通面積增大1倍后，流速相應減少1倍，管內(nèi)對流傳熱系數(shù)減至原來倍。 3-95 一長度為3m、管外徑為131mm、管內(nèi)通有123飽和蒸汽的豎直加熱管。管外壁的溫度為120，周圍空氣的溫度為20，試求：（1） 每米管道因自然對流而產(chǎn)生的熱損失為多少?（2） 若管外包一層40mm的保溫層后,保溫層外表面溫度降至60,上述熱損失減至多少? 解: (1)定性溫度=,在此溫度下空氣的物性為 ） 查表得： =6。84W/（m2）（3） 加保溫后定性溫度，

12、在此溫度下： ） Pr'=0.699 Gr'= =1.17×1011Gr'·Pr'=1.17×1011×0.699 =8.17×1010 '= =5.39 W/(m2·) =5.39×3.14×0.131(60-20)=88.7W/m 即加了保溫層后，每米管道的熱損失由原來的281W/m減至88.7W/m。 此題亦可采取簡化的方法：如上求出=6.84W/(m2·)后，因為保溫前后均屬自然對流，假定物性不變，則保溫前后對流系數(shù)的關系為 W/(m2·) 簡化計

13、算的結果與前面計算相差 分析：=可以發(fā)現(xiàn)：當n=1/3時，定性尺寸（此例中既蒸汽管的長度）可以消去。利用這種自然對流與定性尺寸無關的特點，可以在較小尺寸的模型上進行自然對流傳熱研究，即所謂的“自?；睂嶒灒瑥亩鵀閷嶒灩ぷ鲙碇T多方便。 3-96平均溫度為270的機油從一108mm×6mm的鋼管中流過。已知油對管壁的對流傳熱系數(shù)為340W/(m2·)，大氣溫度為12。試求：(1)每米管長的熱損失： (2)若管外包以導熱系數(shù)為0.045W/(m·)，厚度為20mm的玻璃棉作保護層，此時的熱損失又為多少？ 假設管壁及污垢熱阻可以忽略不計，外壁對空氣的對流輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)

14、可用aT=8+0.05tW來計算。其中tW表示壁溫，；T的單位為W/(m2·)。 解：（1）設油和空氣的溫度分別為t1、t2。 從熱油和空氣的傳熱來看 Q=KA(t1-t2) 欲求Q必先知K，而K又與T有關。由T的計算式可以看出，求解tW是關鍵。但從外壁對周圍環(huán)境的聯(lián)合傳熱方程QT=TA(tW-t)分析，要想求得tW又須知QT。如此應采取試差法求解。 設未保溫時管外壁溫度為265則 T=8+0.05×265=21.3 W/(m2·) 每米鋼管的外表面積 A=dL=3.14×0.108×1=0.339m2 散熱量 QT=TA(tW-t) =21.

15、3×0.339(265-12)=1827W 校核壁溫由 Q=KA(t1-t2)其中: =0.0499（m2）/W K=20W/(m2·)又 Q=20×0.339(270-12)=1753W 穩(wěn)定傳熱時，QT應等于Q；現(xiàn)QT>Q，說明假設的壁溫偏高。 重設tW=250 T=8+0.05×250=20.5W/(m2·K) QT=20.50×0.339(250-12)=1654W 校核壁溫 =0.0517(m2·)/W K=19.3W/(m2·K) Q19.3×0.339(250-12)=1688W QT

16、Q,說明所設壁溫合理。 故每米鋼管的損失約為=1671W。 (2)設保溫后外壁溫度為50 T=8+0.05×50=10.5W/(m2·) 此時每米管長的外表面積 AT=(0.108+0.04)×1=0.465m2 散熱量 QT=10.5×0.465(50-12)=186W 校核壁溫 由于增加了保溫層的熱阻，總熱阻 =0.543(m2·)/W K=1.84W/(m2·) 傳熱面積取保溫層內(nèi)、外表面積的平均值 A=0.402m2 Q=KA(t1-t2) =1.84×0.402(270-12)=190W QQT，說明所設壁溫合理。

17、故保溫后每米鋼管熱損失僅有=188W，為不保溫時的=11.3%。分析：比較保溫前后可以看出：保溫前總熱阻為0.0517(m2·)/W，保溫后總熱阻為0.543(m2·)/W，大了一個數(shù)量級；保溫前鋼管外壁溫度為250，保溫后保溫層表面溫度降至50，下降了200。本例提示我們：高溫設備經(jīng)保溫可極大限度地減少熱損失，因此是十分必要的。3-97 有兩條48mm×3mm的蒸汽管道，管內(nèi)飽和蒸汽的溫度皆為120。不同的是管線甲外包有一層=0.75W/(m2·)、厚10mm的絕熱層，而管線乙沒有。設周圍空氣為20，空氣的對流傳熱系數(shù)a=10W/(m2·)。

18、試比較哪一個管道的散熱速率大。請說明原因。解：因為管壁的熱阻很小，故管壁外表面溫度可取作120。求單位管長的熱損失：(1) 管線甲甲管外包有絕熱層，因此總散熱損失包括單位時間內(nèi)通過絕熱層的導熱量與空氣對流傳熱熱量二者之和，即 = =185W/m(2) 管線乙 乙管外無絕熱層，總散熱損失即單位時間內(nèi)管壁與空氣的對流傳熱量。 =d1(t1-t3)=10×0.048(120-20)=151W/m 由以上計算可以看出，包有絕熱層的管甲的散熱量反而裸管乙要大。 為什么會出現(xiàn)這樣的結果呢？分析：由(a)式我們不難看出，管甲的散熱總熱阻R為導熱熱阻和對流傳熱熱阻之和。隨著絕熱層厚度的增加即r2增大

19、，導熱熱阻增大，對流傳熱熱阻減小。當絕熱層厚度從零開始增大時，總熱阻R先是降低到某一個臨界值后又逐漸增大。臨界半徑可由求出： 令 =0 則臨界半徑 r2= 本題中，臨界半徑r2=0.075m=75mm，管道中的絕熱層厚度為10mm，其半徑為4mm，在臨界半徑之內(nèi)，此時隨絕熱層厚度增大，熱損失增大。 由r2=還可以看出，對于直徑較小的管道特別是導線，一定要選用絕熱或絕緣性能好(大)的材料做絕熱或絕緣層，否則就會事與愿違。 3-98在管道中心裝有熱電偶以測量管內(nèi)空氣的溫度。由于熱電偶溫度上升后對管壁進行輻射傳熱，測溫元件的溫度t1低于空氣的真實溫度ta。(1) 試推導計算測量誤差的關系式。 (2)

20、已知熱偶的指示溫度t1=220，管道內(nèi)壁溫度tW=120，熱偶的黑度為0.8，空氣對流傳熱系數(shù)=40W/(m2·)·。試求真實的空氣溫度。 解 (1) 熱電偶的絕對溫度T1=(t1+273)K 管壁的絕對溫度TW=(tW+273)K 空氣與熱電偶的對流傳熱為 q=(ta-t1) 熱電偶與管壁之間的輻射傳熱為 則 穩(wěn)態(tài)下，二者熱通量相等，即： 相對誤差 將已知數(shù)據(jù)代入上式： 絕對誤差 空氣的真實溫度 相對誤差 分析：由計算結果知，相對誤差較大。由式可以看出，減小誤差的方法有： 減小熱電偶的黑度； 增大空氣的對流傳熱系數(shù)。為此應增大空氣流速，或?qū)犭娕及卜旁诠苤行奶帲?將管壁保

21、溫以提高壁溫；在熱電偶處加一遮熱罩，限制熱電偶與管道內(nèi)壁的輻射傳熱。3-99 為了減小測量誤差，在上題熱電偶處加一黑度為0.55的遮熱罩，空氣的對流傳熱系數(shù)管 遮熱罩壁溫度和空氣的真實溫度不變。求熱電偶指示的溫度。 熱電偶分析如圖3-7，熱偶加遮熱罩后，熱偶對管道內(nèi)壁的輻射傳熱被抑制， 空氣變?yōu)闊崤紝φ跓嵴謨?nèi)壁的輻射。當空氣對熱偶的對流傳熱速率與熱偶 圖 3-7 3-99 附圖對遮熱罩的輻射傳熱速率相等時，熱電偶指示的溫度即為所求。但因遮熱罩的溫度為未知，必須建立一個新的熱平衡關系，即空氣對遮熱罩的對流傳熱速率加上熱偶對遮熱罩的輻射傳熱速率等于遮熱罩對管道內(nèi)壁的輻射傳熱速率。 由于熱偶對遮熱罩

22、的輻射傳熱速率遠小于空氣對遮熱罩的對流傳熱速率，在計算熱罩熱平衡時可以忽視不計。 解：遮熱罩的熱平衡計算 設A為遮熱罩兩側(cè)的平均表面積，為遮熱罩的溫度。 空氣對遮熱罩的對流傳熱速率 遮熱罩對管壁的輻射傳熱速率 平衡時，式式將已知數(shù)據(jù)代入即可求得遮熱罩的溫度 熱電偶熱平衡計算設熱電偶的外表面積為，黑度為。 空氣對熱電偶的對流傳熱速率 熱電偶對遮熱罩的輻射傳熱速率 平衡時，式式 將已知數(shù)據(jù)代入，即可求得熱偶的指示溫度 相對誤差 僅為不加遮熱罩時的可見在熱偶外安裝遮熱罩可使熱偶的指示溫度更接近氣體的真實溫度，明顯地降低了測量誤差，是一種行之有效的方法。3-100 擬在列管式換熱器中用120的飽和蒸氣

23、將存放在常壓貯槽中的溫度為20比熱容為2.09kJ/(kg·)質(zhì)量為的重油進行加熱。采用輸油能力為6000kg/h的油泵將油從貯槽送往換熱器，經(jīng)加熱后再返回，油循環(huán)流動。若要求經(jīng)4h后油溫升至80，試計算所需換熱器的傳熱面積。假定整個加熱過程中均可取作350W/（），而且任一瞬間槽內(nèi)溫度總是均勻的。分析：此為一不穩(wěn)定傳熱過程。因為重油離開換熱器的出口溫度總是隨著進口溫度（即槽內(nèi)溫度）變化。因此，可先通過熱量衡算和總傳熱速率方程先求出與的關系，然后將此關系再代入熱平衡方程，得到的關系式，再根據(jù)題中給定的條件（既在4h內(nèi)油溫從20升至80）進行積分，既可求得所需的傳熱面積。解：設G為槽內(nèi)

24、油的質(zhì)量（kg）,W為泵的輸油能力（kg/h）,T為飽和蒸氣的溫度，根據(jù)題意，由熱平衡方程和總傳熱速率方程 化簡： 由瞬間熱平衡方程 將 式代入 分離變量： 變量置換 將已知數(shù)據(jù)代入，積分： 解得 3-101將一銅球投入T=350的恒溫油槽中。已知銅球的初始溫=20，質(zhì)量m =1kg，表面積，比熱容c=0.406,油與球外表面的對流傳熱系數(shù)=60W/(。設可忽略銅球內(nèi)部的導熱熱阻，求6min后銅球的溫度。 分析：銅球投入油中后，隨即開始吸熱升溫過程。由于油溫不變，隨著球溫上升，傳熱推動力即溫差減小，傳熱速率下降。而傳熱速率下降反過來又影響銅球的吸熱，使得球溫上升速度漸減。所以銅球與油品之間的傳

25、熱為一非定態(tài)傳熱過程。解：設t為銅球的瞬時溫度，秒時間內(nèi)，球溫升高攝氏度。銅球的吸熱速率為 油對銅球的傳熱速率為 由題意，式=式 ，即 分離變量 對 式進行積分 故 代入已知數(shù) 6min后銅球升至156。 3-102用傳熱面積=的蛇管加熱器加熱容器中的某油品，擬將油溫從升至。已知加熱器的總傳熱系數(shù)，油品質(zhì)量，比熱容。容器外表面散熱面積 ,空氣溫度,空氣與器壁的對流傳熱系數(shù)，加熱蒸汽的壓強為。試求：（1） 所需加熱時間；（2） 油品能否升至。不考慮管壁熱阻及油與壁面的對流傳熱熱阻。分析：顯然，這也是個不定態(tài)的問題。蒸氣通過蛇管加熱器使油品不斷升溫，當油品溫度超過容器外空氣溫度后在自身升溫的同時又

26、不斷向器外空氣散熱。器內(nèi)器外傳熱推動力都隨時間不斷變化。但不管情況如何改變，熱平衡關系卻總是成立的。因此，求解本題的關鍵在于找出其間這樣一個平衡關系：蒸氣的加熱速率等于油品的吸熱速率與容器向外散熱速率之和。又：油溫升高的過程即為器壁向環(huán)境散熱量不斷增加的過程，直至這兩個過程速率相等。此時的油品溫度即為其可能達到的最高溫度。解：油品從升至所需時間查表得， 時蒸氣的飽和溫度蛇管加熱器的傳熱速率 式中 t 任一瞬間油品溫度， 油品的吸熱速率 器壁的散熱速率 由熱平衡關系 故 將已知條件代入 整理 積分 (2) 油品可能升至的最高溫度令加熱器的傳熱量與器壁的散熱量相等即 代入數(shù)據(jù) 解之 t=86.9&

27、lt;90由計算結果知：油品從20升至80需2.17h。油溫最高升至86.9，不能達到90。3103 用一設有攪拌器的夾套式換熱器將質(zhì)量m=800kg的上例油品從80冷卻至40。已知夾套式換熱器的總傳熱系數(shù)，傳熱面積，冷卻水的流量，入口溫度。試求：（1） 所需時間；(2) 此時冷卻水的出口溫度。假設熱損失可以忽略不計，傳熱推動力可用對數(shù)平均溫差公式計算。分析：本題與上例既有相識之處，又有較大差別。上例加熱劑蒸汽溫度不變，只是被 t2 t2(冷卻水) 油 t(冷卻水)加熱介質(zhì)油品溫度變化；本例中不僅是冷卻介質(zhì)油品溫度變化，冷卻劑的溫度亦隨之改變，因此較上例更為復雜一些。只有找出任一瞬間油品溫度T

28、與冷卻水出口溫度t2之間的關系，才能完成所求。而找出上述二者的關系則需借助傳熱基本方程和熱平衡方程。解（1）傳熱基本方程 (a)熱平衡方程 (b)將(a)、(b)兩式聯(lián)立 整理得 (c)令 則 (d)又 （e） 將(e)式代入(b)式 分離變量 積分 （f）為了計算方便起見，先求出A 將A與其他已知數(shù)據(jù)代入(f)式解之將A值代入(d)式 由計算結果可知，油溫從80降至40需1.88h，此時水的出口溫度為33.6。J04c10221 3-104求電熱器中電熱絲的表面溫度。已知電熱絲直徑0.5，全長2.5，表面黑度，周圍反射器的溫度為15，電熱器的功耗為。不計對流傳熱。解電熱絲被反射器所包圍 其中

29、 則 即電熱絲的表面溫度為917j04c10254 3-105欲將一容器中的溶液進行加熱，使其從30加熱至60，容器中的液量為6000，用夾套加熱，傳熱面積為，容器內(nèi)有攪拌器，因此器內(nèi)液體各處的溫度可視為均勻的，加熱蒸氣為的飽和水蒸氣，傳熱系數(shù)為，求將溶液由30加熱至60所需要的時間？已知溶液比熱為，熱損失忽略不計。解：溶液從30被加熱到60所需的熱量：而夾套的傳熱效率：其中，對于的飽和水蒸氣，則 j04c15096 3-106有一列管式熱換器，列管由薄壁鋼管制成。殼方通入溫度為720的飽和水蒸汽。管內(nèi)走空氣，空氣流量為，呈湍流流動，進口溫度為30，出口溫度為80?，F(xiàn)加大空氣流量為原來的1.5

30、倍，進口溫度不變。問此時的換熱量為多少？空氣比熱，假設空氣的物性保持不變。解：原工況： 其中： 現(xiàn)工況：則 由 （2）/（1）得： 解得：則此時的換熱量為：j04c15117 3-107一列管式換熱器，由的136根不銹鋼管組成。平均比熱為的某溶液在管內(nèi)作湍流流動，其流量為，并由15加熱到100。溫度為110的飽和水蒸氣在殼方冷凝。已知單管程時管壁對溶液的給熱系數(shù)，蒸汽對管壁的給熱系數(shù),不銹鋼管的導熱系數(shù)，忽略垢層熱阻和熱損失。試求：A）管程為單程時的列管長度（有效長度，下同）；B）管程為4程時的列管長度（總管數(shù)不變，仍為136根）。解：（1）單程時，（以外表面計）即單程時列管的有效長度為。（2

31、）4程時，則 不變，為37.8。即管程為4程時的列管長度為3.56。j04c15198 3-108冷、熱水在傳熱面積為 的換熱器中進行熱交換，進口熱水溫度為85，流量為，冷水在25下進入，流量為。兩者按逆流流動。已知傳熱系數(shù)。不計熱損失。求傳熱量及冷、熱水的出口溫度。（冷熱水物性數(shù)據(jù)可視為相同，取平均比熱為。解： 冷水為最小熱容流體，則 熱效率： 即：傳熱量為，冷水出口溫度為64.8，熱水出口溫度為55.2。J04c15217 3-109某列管熱換器用109.2的飽和水蒸氣加熱管內(nèi)空氣，使它由20升到80，現(xiàn)空氣流量增加一倍，問在傳熱面積和空氣進、出口溫度不變的情況下，加熱蒸汽溫度應改變?yōu)槎嗌?/p>

32、？解：則原工況： （1）流量加倍后，空氣進、出口溫度不變： （2）（2）/（1）得：解得：。 即加熱蒸汽應上升為116.5。J04c15247 3-110現(xiàn)有兩臺單殼程單管程的傳熱面積均為的列管式空氣加熱器，每臺加熱器均由64根鋼管組成。殼程為170的飽和水蒸氣冷凝（冷凝潛熱），空氣入口溫度，流量為，以湍流方式通過管內(nèi)。（1）若兩臺換熱器并聯(lián)使用，通過每臺熱換器的空氣流量均等，此時空氣的對流傳熱系數(shù)為，求空氣的出口溫度及水蒸氣的總冷凝量為多少？（2）若二臺換熱器改為串聯(lián)使用，問此時空氣的出口溫度及水蒸氣的總冷凝量為多少？假定空氣的物性不隨溫度壓力而變化，視為常量。解：（1）兩臺并聯(lián)使用：對于其

33、中一臺： 即： 解得：即空氣的出口溫度為93.8兩臺的傳熱量：蒸汽總冷凝量：（2）兩臺串聯(lián)使用：即 又 即： 即空氣的出口溫度總傳熱量：水蒸汽總冷凝量：J04c20090 3-111溫度為20比熱為的溶劑以的流率流過套管換熱器內(nèi)管，被加熱至64，環(huán)隙內(nèi)為170飽和水蒸氣冷凝。換熱器內(nèi)管直徑，總長，材料為鋼，計算傳熱系數(shù)。如果將內(nèi)管改為的鋼管，其他條件不變，求所需管長。假設兩種情況下蒸汽冷凝膜系數(shù)均為液體在管內(nèi)均為湍流，不考慮污垢熱阻及熱損失。鋼的導熱系數(shù)。解：（1）（以外表面計）（2）內(nèi)管改為的鋼管。原工況： 現(xiàn)工況：由原工況可得： 解得：則現(xiàn)工況：（以外表面計）即管長為。J04c20093

34、3-112有一套管換熱器，管內(nèi)為，套管為的鋼管，內(nèi)管中苯被加熱，苯進口溫度為50，出口溫度為80，流量為。環(huán)隙為133.3的飽和水蒸氣冷凝，其汽化熱為，冷凝傳熱膜系數(shù)為。苯在5080之間的物性參數(shù)平均值為密度，比熱，粘度，導熱系數(shù)，管內(nèi)壁垢阻為，管壁及管外側(cè)熱阻不計。試求：（A）加熱蒸汽消耗量；（B）所需的傳熱面積（以內(nèi)管外表面計）。（C）當苯的流量增加50%，要求苯的進出口溫度不變，加熱蒸汽的溫度應為多少？解：（1）加熱蒸汽消耗量：（2）內(nèi)管中苯的流速：湍流則以內(nèi)管外表面計的傳熱系數(shù)為： （3）苯的流量增加50%，而進出口溫度不變，則 （以內(nèi)管外表面計）即：解得：即苯的流量增加50%而溫度不

35、變時，加熱蒸汽的溫度應為145.2。j04c20114 3-113有一傳熱實驗，在套管換熱器中用飽和水蒸氣加熱空氣，空氣走內(nèi)管，蒸汽在環(huán)隙冷凝。已知，兩側(cè)均無垢，內(nèi)管為，長的紫銅管。今測得：空氣：進口溫度：20 出口溫度70 流量： （進口狀態(tài)之值） 粘度： （45下）蒸汽：溫度：110 （冷凝潛熱：2250） 冷凝量：（A）試求該套管換熱器向大氣散失的熱量占蒸汽放出熱量的百分數(shù)。（B）估計管內(nèi)空氣的傳熱膜系（）（C）如空氣進口溫度不變，流量增到（進口狀態(tài)），為了維持其出口溫度仍為70，需要調(diào)節(jié)蒸汽壓力，問此時蒸汽溫度應為多少，方可滿足要求？注：在實驗溫度范圍內(nèi)，空氣的比熱變化很小，可取 空氣

36、可視為理想氣體，操作壓力可取為，分子量為29。解：（1）空氣在進口狀態(tài)下的密度為： 空氣在內(nèi)管的質(zhì)量流量：空氣所獲得的熱量： 而蒸汽冷凝放出的熱量：向大氣散失的熱量占蒸汽放出熱量的百分數(shù)為：（2） 湍流 空氣傳熱膜系數(shù)：（3） 空氣流量增到時， （以內(nèi)表面計）則 即：蒸汽溫度應為128才能滿足要求。J04c20115 3-114某廠用兩臺結構完全相同的單程列管換熱器（由44根、長的管子構成），按并聯(lián)方式預熱某種料液。122飽和蒸汽在兩換熱器管外加熱，料液以等流量在兩換熱器管內(nèi)流過。料液的比熱為，密度為，當料液總量為時（料液在管內(nèi)呈湍流流動）料液由22被加熱到102，若蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)為，管壁

37、及污垢熱阻均可忽略不計。試問：（A）料液對流傳熱膜系數(shù)為多少？（B）料液總量與加熱條件不變，將兩臺換熱器由并聯(lián)該為串聯(lián)使用，料液能否由22加熱到112。（C）兩臺換熱器由并聯(lián)該為串聯(lián)后，總流量不變的情況下，流經(jīng)換熱器的壓力降將增加多少倍（湍流時可按考慮）。解：（1）（以外表面計）管壁及污垢熱阻可忽略。 即料液的對流傳熱膜系數(shù)為（2）改為串聯(lián)后：（以外表面計）即：解得：112 即料液不能被加熱到112（3）壓力降：則串聯(lián)時， 并聯(lián)時，倍。 即串聯(lián)的壓力降將增加5.73倍。J04c20116 3-115有一套管換熱器，內(nèi)管為，外管為的鋼管?，F(xiàn)用120的飽和水蒸氣加熱苯，使苯由50加熱至80，苯在內(nèi)

38、管中以的流量流動，試求：（A）加熱蒸汽消耗量；（B）所需套管的有效長度；（C）由于某種原因，加熱蒸汽的溫度降為110，苯的出口溫度將變?yōu)槎嗌?？（假設苯不變,在50-80范圍內(nèi)，苯的物性為，鋼的導熱系數(shù)為，120時水蒸氣冷凝潛熱，蒸汽側(cè)對流傳熱系數(shù)，壁兩側(cè)垢層熱阻及換熱器損失均可忽略，加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出。）解：（1）加熱蒸汽消耗量： （2）套管的有效長度：湍流則以內(nèi)管外表面計的傳熱系數(shù)：（3）當時，不變，也可視為不變。則 即：解得：j04c20118 3-116欲將流量的苯蒸汽在附圖所示的直立單殼程單管程換熱器的殼程先冷凝后冷卻。苯蒸汽壓力，相應的冷凝溫度，潛熱為。液苯的出口溫度要求

39、低于。液苯的平均比熱為。換熱器內(nèi)裝有，長的無縫銅管38根，銅的導熱系數(shù)為。苯蒸汽在管外冷凝的傳熱膜系數(shù)，液苯在管外的傳熱膜系數(shù)。冷卻水走管內(nèi)，每管外苯逆流，水的入口溫度，出口溫度。水在管內(nèi)各處的傳熱膜系數(shù)均為：式中，U為水的流速，；為管的內(nèi)徑，為管內(nèi)進、出口水溫的算術平均值，。如果熱損失及污垢熱阻均可忽略不計，試問：（A）冷卻水需用量為多少？（B）換熱器能否完成苯蒸汽的冷凝、冷卻任務？解：（1）傳熱量其中： 冷卻水用量： （2）設苯蒸汽內(nèi)部冷凝時，對應的水溫度為則由：解得：水在管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)：冷凝段的傳熱系數(shù)：（以外表面計）平均溫差： 冷凝所需傳熱面積冷卻段的傳熱系數(shù)：（以外表面計）平均溫差

40、： 冷卻所需傳熱面積所需總換熱面積：而實際換熱器面積： 此換熱器能完成任務。J04c20119 3-117某一列管式換熱器，將一定量的空氣加熱?？諝庠诠軆?nèi)作湍流流動，飽和水蒸氣在管外冷凝。今因生產(chǎn)任務加大一倍，除用原換熱器外，尚需加一臺新?lián)Q熱器。如果使新舊兩臺換熱器并聯(lián)使用，且使二臺換熱器在空氣流量、進、出口溫度及飽和蒸汽溫度都相同的條件下操作。原換熱器列管數(shù)為，管徑為，管長為，而新?lián)Q熱器管數(shù)為，管徑為。試問新?lián)Q熱器管長為原換熱器管長的幾倍。解：二臺換熱器的空氣流量、進、出口溫度及飽和蒸汽溫度都相同，且，原換熱器： (1) 新?lián)Q熱器： (2)（2）/（1）得：其中：原換熱器管內(nèi)流速，新?lián)Q熱器管

41、內(nèi)流速，則 即新?lián)Q熱器管長為原換熱器管長的倍。J04c200120 3-118某長用套管換熱器每小時冷凝甲苯蒸汽，冷凝溫度110，冷凝潛熱為，冷凝膜系數(shù)，冷卻水溫16，以的流量進入內(nèi)管內(nèi)（內(nèi)徑50），作湍流流動，膜系數(shù)，水的比熱取為，忽略壁阻及污垢熱阻。試求A）冷卻水出口溫度及管長； B）如在夏季，冷卻水入口溫度將升至25，使換熱器傳熱能力下降，為此建議將水流量增加一倍，那么，該換熱器的傳熱能力能否增加？定量地說明。解：（1）冷卻水出口溫度： 管長： （2）當時。而流量加倍時， 即：則傳熱能力 原傳熱能力 換熱器的傳熱能力能增加。J04c20121 3-119 在列管式換熱器中，用飽和水蒸氣將

42、空氣由10加熱到90,該換熱器由38根,長1.5m的銅管構成,空氣在管內(nèi)作湍湍流動,其流量為740Kg/h,比熱為1.005,飽和水蒸氣在管間冷凝.已知操作條件下的空氣對流給熱系數(shù)(或稱對流傳熱膜系數(shù))為70W/.,水蒸氣的冷凝給熱系數(shù)為8000W ,管壁及垢層熱阻可忽略不計。A） 試確定所需飽和水蒸氣的溫度；B） 若將空氣量增大25%通過原換熱器，在飽和水蒸氣溫度及空氣進口溫度均不變的情況下，空氣能加熱到多少度？（設在本題條件下空氣出口溫度有所改變時，其物性參數(shù)可視為不變）解：（1）飽和水蒸氣的溫度T:其中： (以外表面計) T=124(2) 若空氣量增大25%,則 由式（）可知： 解得：即

43、空氣加熱到 J04c20123 3-119-2  如圖所示的套管換熱器,空氣進口溫度,出口溫度,空氣的質(zhì)量流量W=50Kg/h,定性溫度下空氣的物性參數(shù):,;內(nèi)管為的無縫鋼管,長度為2.0m,設飽和水蒸氣的冷凝傳熱系數(shù),試求:A) 飽和蒸汽的溫度 ();B) 若空氣質(zhì)量流量減少50%,其他參數(shù)不變,則總傳熱系數(shù)值為多少。參見附圖：j04c123.t解：（1）飽和蒸汽溫度：管內(nèi)空氣流速：湍流 而 （2）當空氣流量減少50%時， 過渡流解得： 即出口溫度為106。J04c20124 3-120欲設計一列管式換熱器，用110的飽和水蒸氣將的常壓空氣由20預熱到95。A.若初步選定采用單管程

44、換熱器，空氣走管程，管束由120根的銅管組成。試確定所需管束長。B.若選用雙管程浮頭式列管換熱器。管子總數(shù)、管長及直徑同上。則空氣的出口溫度有無變化？試確定之。在計算中，冷凝液膜的熱阻、管壁及其兩側(cè)污垢熱阻可忽略不計，其空氣平均溫度下的物性可?。赫扯?，比熱：，導熱系數(shù)，密度。解：（1）管長： 管內(nèi)流速：=9.59湍流冷凝液膜熱阻，管壁及兩側(cè)污垢熱阻可忽略不計，（以內(nèi)表面計）則 即管束長2.0m（2）若改為雙管程： 即： 由（1）式可知： 解得: 因現(xiàn)蒸汽溫度>,所以此蒸汽能滿足傳熱要求.J04c20125 3-121在一傳熱面積為的再沸器中，用95熱水加熱某有機液體，使之沸騰以產(chǎn)生一定量的蒸汽。有機液體沸點45，已知熱水在管程流速（質(zhì)量流量）。出口水溫75 ，再沸器中列管管徑。A.計算該再沸器在上述操作情況下的傳熱系數(shù)，熱水側(cè)給熱系數(shù)，沸騰側(cè)給熱系數(shù)。 B.若管程中熱水流速增為，熱水入口溫