化工原理传热练习题DOC.docx

1、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 K4、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 计算式（公式、条件） ，粘度 对 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

2、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

3、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

4、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 25 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： Q KS tm Kn d0 L tm (3 分 )其中， Q WhCph （T1 T2） =1.5 1.9 103 （ 80-30） =142.5（

5、kW） （2 分 ）125 2.5 10 3 25 1900 20 45 22.5 1700Kd0L tmW/（m2K） （2 分 ）2、 ( 20 分)用一传热面积为 3m2(以外表面积为准) ，由 25 2.5mm 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/(kg K)和 2.0kJ/(kg K)，水侧和油侧的对流表面传热系数分别为 2000W/(m 2 K)和 250W/(m 2 K)， 两侧可视为呈逆流流动，如不计算管壁及污垢热阻

6、：( 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） Q WhCph T WCCpc t K0A0 tmt2 67.4200 100132.6 901200 2.0 (200 100) 1000 216.21 111.3 A3600A= 2.77 m 2 3 m2 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 120 C 降至 80 C，其对流传热系数 1=50 W/m

7、 2 C。 壳程的水被加热， 水进口温度为 15 C， 出口升至 90 C，其对流传热系数 2= 2000W/m 2 C。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/kg K，试计算换热器的传热面积。解： （ 1） K 1 1 48.8W/m2 C111 11 2 50 2000Q W水 Cp水 (90 15) 2700 4.18 1000 75/ 36002.35 105WQ 2.35 105 210 分）A 106.4mK tm 48.8 45.3六 （ 20 分） 逆流换热器中， 用初温为 20的水将 1.25Kg/s 的液体

8、 （比热为 1.9KJ/（Kg ）,密度为 850 Kg/ m3） ，由 80冷却到 30，换热器列管直径为 25 2.5 mm，水走管内。水侧和液体侧的对流传热系数分别为 0.85 和 1.70 kw/（m 2 ），污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于 50，求换热器的传热面积；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 =0.00026 m 2 /w，油侧污垢热阻Rs0=0.000176 m2 /w，求此时基于管外表面的总传热系数 K0。产生污垢后热阻增加的百分数注：管壁导热系数为 =45 w/（m ）3 分）Q WhCph(T1 T2) 1.25 1.9 (80

9、30) 119kW20.000176 0.00026 2205 5.01 10 420 23.63%1 0.0025 25 1 25 .1700 45 22.5 850 20 0.0021220 分） 现有一列管式换热器，内有 25 2.5 mm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，90 w/（m 2 ） ，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）2S实际 n d0l 300 0.025 2 47.1m2 S0 S实际 所以， 该换热器合用。分

10、）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 25 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： Q KS tm Kn d0 L t

11、m其中， Q WhCph（T1 T2） =1.5*1.9*10 3*（ 80-30 ） =142.5 （ kW）=490.5W/(m 2.K)142.5 103Kd0L tm 3.14 490.5 25 10 3 3 18.2五、 （ 20 分）有一逆流套管换热器，由 57 3.5mm与 89 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 2.6 kJ/kg ，定性温度下水的黏度为 0.84cp ，导热系数为 0.

12、61W/m2，比热为4.174 kJ/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：C08 p 04o 0.023 Re0.8（ p）0.4，求：de1 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：Q WCCpc（t2 t1） WhCph（T1 T2） 5000/ 3600 2.6 103 （60 30） 1.083 105W （ 3分）1000 0.7 0.0232 2 0.7m/s0.785 (0.082 0.0572)Cp 0.84 10 3 4.174 1035.750.61则 o 0.0

13、23 Re0.8( Cp )0.4 0.023 0.61 (1.92 104)0.8 5.750. 4 3279.7W/m2 C ( 2 分)de 0.0233 60 3035 20Q KS tm K d0l tm六、 （20 分 ） 在一台新 套管换热器中，冷却水在 25 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/m 2 K和1700W/m 2 K。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 0.4

14、m/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1do bdo 1K idi dm o其中di （0.025 0.0025 2） 0.02mdo 0.025mdm0.025 0.02ln 0.0250.020.0050.2230.0224m冷却水流速为 0.4m/ s时112000.025 0.0025 0.025 1i 0.02 45 0.02241

15、.25 18.33 10 4 0.620 10 4io47.71 10 41.251）（ 5 分）流速为 0.8m/s时 u 2u0.8i 2 i 1.74 i1 0.025 0.0025 0.025 11700 1.74 i 0.02 45 0.0224 o1.83 10 40.532i3 分）i 2907W /m2 K2）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4 417.71 10 4 4.30 10 412o 4 2933W/m2 K （ 3分）o （7.71 4.30） 10 4（ 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

16、操作初期下降 10% ，其原因可能是污垢热阻造成的。根据 Q K S tm WcCpc (t2 t1) WhrK 0.9K 时， Q 也必定减小，而 t 2也会减小，从而 t m也随之减小，所以Q 0.9Q ， Wh 0.9Wh4 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 25 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/（m 2. ），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

17、性常数为 cp=1kJ/（kg. ）， 2.85 10 2W/（m. ）， 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

18、热阻及热损失。换热管为 54 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 i；（ 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 25mm 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 850 W/（

19、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 395103J/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 3.36 kJ/（kg? ），它对管壁的对流传热系数为 2326W/（m 2? ），并可视为不变。已知内管为 57 3.5mm 的钢管，水的进口温度为 20。此换热器刚投入使用时

20、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 873 W/（m 2? ） ， 水的比热容为 4.174 kJ/（kg ? ）， 水的密度为 994 kg/m 3。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

21、量衡算方程和传热速率方程：Q Wccpc t2 t1 KS tm （ 2分）所以将 T=110， t1=25及上述条件代入得：110 25 0.387e110 t2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：Q iSi tw t oSo T tw （ 2分）其中的 t 为水的平均温度 t=（t 1+t2）/2=（25+52.28）/2=38.64 ，所以将 T=110 ， t=38.64 ， o=1.1 104W/(m 2. )， i=1000W/(m 2. )， di=20mm ， do=25

22、mm 代入上式：110 tw tw 38.641 1 251.1 104 1000 20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：KST t1 WccpceT t2变换为：将 WCCpc=14513.9W/、 S=7.536m2、 T=110、 t1=25、 t2=47.28代入上式得：K=585.43 W/（m 2. ） （ 2 分）又因为水侧出现污垢，将影响总传热系数：K 1 doi di1b do 1Si di o所以1 dob K i di o1 do1 1 25 14585.43 1000 20 1.1 10 588 10 5m1 252 分）Si di0.2 2025 10