化工原理传热练习题

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）

3 （20分）在一列管式换热器内用水冷却苯。苯走管程，流量为1.5kg/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：Q?KS?tm?Kn?d0L?tm (3分)

其中，Q?WhCph(T1?T2)=1.5?1.9?103?（80-30）=142.5（kW） (2分) K?11==490.5[W/(m2K)] (3分) ?31d0bd01252.5?10?251?????idi?dm?0900?2045?22.51700??t1??t230?10==18.2(?C) (3分)

30?t1lnln10?t2 ?tmQ142.5?103 故 n? (2分) ??67.7（根）?3?Kd0L?tm3.14?490.5?25?10?3?18.2（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，则?0W/(mK) (2分)

2

'?20.8?1700?2959.87

同理可得，K'?12

=559.1 [W/(m.K)] (3分)

1bd01??'?i?dm?0 则 n'?Q?59.4（根） (2分)

?K'd0L?tm

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/(m2?K)和250W/(m2?K)，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）Q?WhCph?T?WCCpc?t 1200?2.0?(200?100)? ∴

?K0A0?tm

10001000?1000?4.18?(t2?10)? [W] 36003600t2?67.4℃ （3分）

200 → 100

67.4 ← 10 ?tm 132.6 90

?132.6?90?111.3℃ 2K0?11??216.21W/m2?K （3分）

112511d0???0?idi2502000201000?216.21?111.3?A 3600∴1200?2.0?(200?100)? A= 2.77 m2 ＜ 题给3 m2 , 合用. （3分）

(2) 水初温30℃

Q?1200?2.0?(200-100)?

10001000?1000?4.18?(t2?30)? 36003600t2?87.4℃

200 → 100

87.4 ← 30 ?tm 112.6 70

?112.6?70?91.3℃ （4） 21200?2.0?(200?100)?2

A=3.37 m＞

3 m2 不合用. 可增加换热面积,两台串联使用. （4分）

1000?216.21?91.3?A （3分） 3600

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/m2??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/m2??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?11?1?2

?1?111?502000?48.8W/m2??C

?tm??t1??t2(80?15)?(120?90)??45.3?C ?t180?15lnln120?90?t2

Q?W水Cp水(90?15)?2700?4.18?1000?75/3600?2.35?10W5Q2.35?105A???106.4m2 （10分）

K?tm48.8?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（比热为1.9KJ/(Kg·℃),

密度为850 Kg/ m），由80℃冷却到30℃，换热器列管直径为φ25×2.5 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·℃)，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=0.00026 m·℃/w，油侧污垢热阻Rs0=0.000176 m·℃/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=45 w/(m·℃)

2

22

3

Q?WhCph(T1?T2)?1.25?1.9?(80?30)?119kW （3分） K0?1bd01d0????0?dm?i?di1?12 ?472W/m??C （3分）

0.0025252511????17004522.585020?tm?(T2?t1)?(T1?t2)(80?50)?(30?20)??18.2?C （3分）

T2?t180?50lnln30?20T1?t2Q119?103 S0???13.9m2 （3分）

K0?tm472?18.22．

K0?

1d0bd011d0?0?Rs0???dm??i?di?Rsi?di12525251?0.000176?0.002545?22.5?850?20?0.00026?20 （5分）

?11700?381.53W/m2??C3． 产生污垢后热阻增加百分数为：

250.000176?0.00026?205.01?10?4 ??23.63% （3分）

0.00252525110.002121700?45?22.5?850?20（20分）现有一列管式换热器，内有φ25×2.5 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，冷凝热在饱和温度下排出，蒸汽冷凝传热系数1×10 w/(m·℃)，空气对流传热系数为90 w/(m·℃)，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·℃)。

1． 求基于管外表面的总传热系数K0 2. 核算该换热器是否满足要求。

2． 用一段时间后管内产生了污垢，使空气出口温度变为50℃，求此时管内污垢热阻。 1．

2

4

2

111d011252???????0.014m??CW K0?0?idi1?1049020K0?71.49Wm2??C （3分）

2．?tm?(T?t1)?(T?t2)(108?20)?(108?85)??48.44?C （3分）

T?t1108?20lnln108?85T?t28000?1000?(85?20)?144.44?103W/m2 （3分） 3600

Q?WcCpc(t2?t1)?Q144.44?103 S0? ??41.71m2 （2分）

K?tm71.49?48.44该换热器合用。（2分） S实际?n?d0l?300???0.025?2?47.1m2 S0?S实际 所以，3．Q''?WcCpc(t2?t1)?8000?1000?(50?20)?66.67?103W/m2 （2分） 3600'(T?t1)?(T?t2)(108?20)?(108?50)?t???72?C （2分）

T?t1108?20lnln'108?50T?t2'md0111d0Q'66.67?103' '????Rsi K0???19.66W/m2??C （1'K0?0?ididiS?tm47.1?72分）

Rsi?di111d0201('???)?(?0.014)?0.0295m2??C/W （2d0K0?0?idi2519.66

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