化工原理传热练习题DOC.docx
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化工原理传热练习题DOC
传热
概念：
1、传热的三种基本方式
2、如何测定及如何提高对流传热的总传热系数K
4、如何强化传热
计算公式
（1）热量衡算（有相变、无相变）K的计算、平均温度差、总传热速率方程、传热面积的
计算（判别是否合用）（例4－8）
（2）流体在圆形管内作强制湍流流动时α计算式（公式、条件），粘度μ对α的影响。
（3）实验测K（例4－9）
（4）换热器操作型问题（求流体出口温度，例4－10）
二实验题（10）
1.利用过热蒸汽进行传热实验的过程中，若运行一段时间后，传热膜系数下降，
可能的原因是什么？
如何解决？
2.蒸汽冷凝传热时，为什么要排放不凝性气体？
内管壁温接近于哪一侧流体的温度？
3.为了提高换热器的总传热系数K，应提高空气侧，还是水侧的和S？
为什么？
换热器中冷热流体的流动方向有几种，当选择流向时应如何考虑？
4．阐述液体沸腾曲线的基本形状，一般沸腾应处于什么状态才能达到较好的换热效果？
1、（4分）换热器中冷热流体的流动方向有：
逆流，并流，折流和错流。
（1分）
当采用逆流时，在传热量和总换热系数一定的情况下，换热器的传热面积较小，另外，采
用逆流还可以节省加热介质或冷却介质的用量。
通常，换热器尽可能采用逆流操作。
（1分）
当某些特殊工艺要求时，对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不能超过某一温度，
或热流体被冷却时不能低于某一温度时，可采用并流。
（1分）
采用折流或错流时，主要是为了满足换热器的结构要求，或提高总传热系数。
（1分）
2、（6分）液体沸腾曲线主要包括自然对流、泡状沸腾和膜状沸腾。
（3分）
一般沸腾应处于泡状沸腾状态才能达到较好的效果，此时传热系数和热通量都较大。
（3分）
5．灰体的定义及特点
6、设计一套实验装置要求既可以测量总传热系数，又可同时测量对流传热系数，标注仪表、
仪器名称。
并简要说明试验步骤，需要测量那些参数。
？
三计算题（60分）
1.5kg/s，由
3（20分）在一列管式换热器内用水冷却苯。
苯走管程，流量为
80oC被冷却至30oC。
冷却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，其进口温
度为20oC，出口温度为50oC。
已估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为
900W/（m2K）、1700W/（m2K）；苯的平均比热为1.9kJ/（kg.K）。
若列管为φ25×2.5mm
的钢管，长3米，其导热系数为45W/（m2K），并忽略污垢热阻及换热器的热损失，
试求：
（1）所需换热器的列管数为多少？
（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，换热器的列管数又为多
少？
2.解：
QKStmKnd0Ltm（3分）
其中，QWhCph（T1T2）=1.51.9103（80-30）=142.5（kW）（2分）
1
252.5103251
900204522.51700
Kd0Ltm
W/（m2K）（2分）
2、（20分）用一传热面积为3m2（以外表面积为准），由252.5mm管子组成的单程列管式
换热器，用初温为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃，水走管内，油走管间。
已知水和
机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h，其比热容分别为4.18kJ/（kgK）和2.0kJ/（kgK），
水侧和油侧的对流表面传热系数分别为2000W/（m2K）和250W/（m2K），两侧可视为呈逆流流
动，如不计算管壁及污垢热阻：
（1）试计算说明该换热器是否合用？
（2）夏天，水的初温达到30℃时，该换热器是否合用？
（假设K不改变），如不合用，
如何解决？
四。
计算题：
.（20分）
解：
（1）QWhCphTWCCpctK0A0tm
t267.4℃
200→100
132.690
12002.0（200100）1000216.21111.3A
3600
A=2.77m2<题给3m2,合用.（3分）
（2）水初温30℃
Q12002.0（200-100）100010004.18（t230）1000
360023600
t287.4℃
200→100
112.670
87.4←30tm91.3℃（4）
m2
112.670
12002.0（200100）1000216.2191.3A（3分）
3600
A=3.37m2>3m2不合用.可增加换热面积,两台串联使用.（4分）
4.（15分）某车间有一台运转中的单程列管换热器，热空气走管程，由120C降至80C，
其对流传热系数1=50W/m2C。
壳程的水被加热，水进口温度为15C，出口升至90C，
其对流传热系数2=2000W/m2C。
管壁热阻、壁厚及污垢热阻可不计，换热器系逆流
操作，水的流量为2700kg/h，平均比热为4.18kJ/kgK，试计算换热器的传热面积。
解：
（1）K1148.8W/m2C
1111
12502000
QW水Cp水（9015）27004.18100075/3600
2.35105W
Q2.351052
10分）
A106.4m
Ktm48.845.3
六．（20分）逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25Kg/s的液体（比热为1.9KJ/（Kg·℃）,
密度为850Kg/m3），由80℃冷却到30℃，换热器列管直径为φ25×2.5mm，水走管内。
水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85和1.70kw/（m2·℃），污垢热阻可忽略。
①若水的出口温度不能高于50℃，求换热器的传热面积；②换热器使用一段时间后，
管壁两侧均有污垢生成，水侧污垢热阻Rsi=0.00026m2·℃/w，油侧污垢热阻
Rs0=0.000176m2·℃/w，求此时基于管外表面的总传热系数K0。
③产生污垢后热阻增
加的百分数
注：
管壁导热系数为λ=45w/（m·℃）
3分）
QWhCph（T1T2）1.251.9（8030）119kW
2．
0.0001760.0002622055.01104
2023.63%
10.002525125.
17004522.5850200.00212
20分）现有一列管式换热器，内有φ25×2.5mm钢管300根，管的有效长度为2m，要求
将8000Kg/h空气于管程内由20℃加热到85℃，采用108℃的饱和蒸汽于壳程冷凝加热，
90w/（m2·℃），管壁及两侧污垢热阻可忽略，不计热损失，空气在平均温度下比热为
1KJ/（Kg·℃）。
2分）
2
S实际nd0l3000.025247.1m2S0S实际所以，该换热器合用。
分）
3（20分）在一列管式换热器内用水冷却苯。
苯走管程，流量为1.25kg/s，
由80oC被冷却至30oC。
冷却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，其进口
温度为20oC，出口温度为50oC。
已估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为
850W/（m2K）、1700W/（m2K）；苯的平均比热为1.9kJ/（kg.K）。
若列管为φ25×2.5mm
的钢管，长3米，其导热系数为45W/（m2K），并忽略污垢热阻及换热器的热损失，
试求：
（1）传热速率为多少？
（3）总传热系数K为多少？
（2）所需换热器的列管数为多少？
3解：
QKStmKnd0Ltm
其中，QWhCph（T1T2）=1.5*1.9*103*（80-30）=142.5（kW）
=490.5[W/（m2.K）]
142.5103
Kd0Ltm3.14490.525103318.2
五、（20分）
有一逆流套管换热器，由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm钢管组成。
甲醇在管内流动，流
2
量为5000kg/h，由60℃冷却到30℃，甲醇侧的对流传热系数为1512W/m·℃，冷却水在环
隙流过，入口温度20℃，出口温度35℃，忽略热损失、管壁及污垢热阻，且已知甲醇平均
比热为2.6kJ/kg·℃，定性温度下水的黏度为0.84cp，导热系数为0.61W/m2·℃，比热为
4.174kJ/kg·℃，密度为1000Kg/m3,冷却水在环隙中流动的对流传热系数可由下式计算：
C
08p04
o0.023Re0.8（p）0.4，求：
de
1．．冷却水用量。
2．总传热系数K。
3．所需套管长度。
五、（20分）
1．冷热流体均无相变，且无热损失，所以：
QWCCpc（t2t1）WhCph（T1T2）5000/36002.6103（6030）1.083105W（3分）
10000.70.023
220.7m/s
0.785（0.0820.0572）
Cp0.841034.174103
5.75
0.61
则o0.023Re0.8（Cp）0.40.0230.61（1.92104）0.85.750.43279.7W/m2C（2分）
de0.023
3．6030
3520
QKStmKd0ltm
六、（20分）在一台新套管换热器中，冷却水在φ25×2.5mm的内管中流动，以冷凝环隙间的某饱和
蒸汽。
当冷却水的流速为0.4m/s和0.8m/s时，测得基于内管外表面的总传热系数分别为1200W/m2K和
1700W/m2K。
水在管内为湍流，管壁的导热系数为45w/m?
K。
水流速改变后可认为环隙间冷凝的传热膜
系数不变，试求：
（1）当水的流速为0.4m/s时，管壁对水的对流传热系数为多少？
（2）管外蒸汽冷凝的对流传热系数为多少？
（3）若操作一段时间后，水流速仍维持0.4m/s，但测得的总传热系数比操作初期下降10%，试分析
可能的原因，并论述此时蒸汽的冷凝量是否也下降
10%
六、（20分）解：
对于新换热器，可忽略污垢热阻，有
1dobdo1
Kididmo
其中
di（0.0250.00252）0.02m
do0.025m
dm
0.0250.02
ln0.025
0.02
0.005
0.223
0.0224m
冷却水流速为0.4m/s时
1
1200
0.0250.00250.0251
i0.02450.0224
1.251
8.331040.620104
io
4
7.71104
1.25
1）（5分）
流速为0.8m/s时u2u
0.8
i2i1.74i
10.0250.00250.0251
17001.74i0.02450.0224o
1.83104
0.532
i
3分）
i2907W/m2K
2）求管外蒸汽冷凝的对流传热系数
将
（1）的计算结果带入式
（1）中，得
441
7.711044.30104
12
o42933W/m2K（3分）
o（7.714.30）104
（3）操作一段时间后，水流速仍维持0.4m/s，但测得的总传热系数比操作初期下降10%，其原因可能是
污垢热阻造成的。
根据QKStmWcCpc（t2t1）Whr
K0.9K时，Q也必定减小，而t2也会减小，从而tm也随之减小，所以
Q0.9Q，Wh0.9Wh
4分）
即，蒸汽的冷凝量下降超过10%
三、（20分，08考研）有一单程管壳式换热器，内装有Φ25×2.5mm的钢管300根，管长
为2m。
要求将流量为8000kg/h的常压空气于管程由20℃加热到85℃，壳方选用108℃的
饱和蒸汽冷凝。
若蒸汽侧冷凝的对流传热系数为1×104W/（m2.℃），忽略管壁及两侧污垢热
阻和热损失。
空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/（kg.℃），λ＝2.85×10－2W/（m.℃），μ＝
1.98×10-5Pa.s。
试求：
（1）空气在管内的对流传热系数；
（2）换热器的总传热系数（以管子外表面为基准）；
（3）通过计算说明该换热器能否满足要求；（4）计算说明管壁温度接近哪一侧的流体温度。
（20分，05考研）在套管换热器中用120℃的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的
苯。
苯的流量为4000kg/h，比热容为1.9kJ/（kg·℃），温度从30℃升至60℃。
蒸汽冷凝
传热系数为1×104W/（m2·℃）,换热管内侧污垢热阻为4×10-4m2·℃/W，忽略管壁热阻、
换热管外侧污垢热阻及热损失。
换热管为φ54×2mm的钢管，有效长度为12m。
试求：
（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为2204kJ/kg）；
（2）管内苯的对流传热系数αi；
（3）当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？
（20分，06考研）一列管式换热器，管径为φ25mm×2.5mm，传热面积为10m2（按管外
径计）。
今拟用于使80℃的饱和苯蒸气冷凝、冷却到50℃。
苯走管外，流量为1.25kg/s；
冷却水走管内与苯逆流，流量为6kg/s，进口温度为10℃。
现已估算出苯冷凝、冷却时
的对流传热系数分别为1600W/（m2·K）和850W/（m2·K）；水的对流传热系数为
2500W/（m2·K）。
忽略管壁两侧污垢热阻和管壁热阻。
已知水和苯（液体）的比热容分
别为4.18×103J/（kg·K）和1.76×103J/（kg·K），苯蒸气在80℃的冷凝潜热为395×
103J/kg。
问此换热器是否合用？
（20分，07考研）有一套管换热器，某流体走壳程，水走管程，逆流换热。
工艺上要求将
流量为870kg/h的此流体从120℃冷却至70℃，其比热容为3.36kJ/（kg?
℃），它对管壁的对
流传热系数为2326W/（m2?
℃），并可视为不变。
已知内管为Ф57×3.5mm的钢管，水的进口
温度为20℃。
此换热器刚投入使用时很清洁，当流体出口温度为70℃时，测得水出口温度
为50℃，管壁对水的对流传热系数为873W/（m2?
℃），水的比热容为4.174kJ/（kg?
℃），水的
密度为994kg/m3。
由于冷却水的水质问题，管内壁结垢，使用一年后致使水的出口温度降
为45℃。
管壁热阻及外壁污垢热阻可忽略不计，且管内外对流传热系数可视为不变。
试求：
（1）新工况（结垢后）时的热流体出口温度；
（2）该换热器面积；（3）新工况时的内
壁污垢热阻系数。
解：
（1）（8分）从已知条件看，不能从冷热流体的热量衡算中求出t2，可考虑联合热量衡算
方程和传热速率方程来求取t2。
联立冷流体的热量衡算方程和传热速率方程：
QWccpct2t1KStm（2分）
所以
将T=110℃，t1=25℃及上述条件代入得：
110250.387
e
110t2
解出：
t2=52.28℃。
（2分）
（2）（6分）忽略管壁热阻，所以管壁内外温度可认为相同。
整个传热过程为管壁内外侧对
流传热的串联：
QiSitwtoSoTtw（2分）
其中的t为水的平均温度t=（t1+t2）/2=（25+52.28）/2=38.64℃，所以
将T=110℃，t=38.64℃，αo=1.1×104W/（m2.℃），αi=1000W/（m2.℃），di=20mm，do=25mm代
入上式：
110twtw38.64
1125
1.1104100020
解得：
tw=105.16℃，接近管外侧蒸汽的温度。
（2分）
（3）（6分）此时的冷水出口温度为t2’=t2-5=52.28-5=47.28℃，依照第一问的同样步骤得到：
K'S
Tt1Wccpc
e
Tt2'
变换为：
将WCCpc=14513.9W/℃、S=7.536m2、T=110℃、t1=25℃、t2’=47.28℃代入上式得：
K’=585.43W/（m2.℃）（2分）
又因为水侧出现污垢，将影响总传热系数：
K'1do
idi
1
bdo1
Sidio
所以
1do
bK'idio
1do
11251
4
585.431000201.110588105m
125
2分）
Sidi
0.220
2510
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