化工原理传热大题.doc

23、在单程列管式换热器内，用130的饱和水蒸汽将某溶液由20加热到60，单管呈列管换热器由100根25mm2.5mm，长为3m的钢管构成，溶液以每小时100m3的流量在管内流过，蒸汽在管外冷凝。试求：（1）总传热系数K；（2）溶液对流给热系数1和蒸汽冷凝对流给热系数2；（3）若溶液的质量流量增加到ms2，ms2ms2=x，1x104，为湍流）Pr=cp=3.31030.95510-30.465=6.78所以管内溶液给热系数11=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.0230.4650.022.2241040.86.780.4=3454 Wm2.以管外表面为基准面，所以1K=11d2d1+12代入数据得12107=134542520+12所以2=8872 Wm2.（3）当流量增加时，则增加后该流体仍然为湍流所以由公式1=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.023d1d1u0.8cp0.4即11=uu0.8=ms2ms20.8=x0.8所以K=11d2d1+12-1=13454x0.82520+18872-1=8872x08x08+3.211原工况ms2cp2t2-t1=KAtm新工况：TS、t2、t1不变，所以tm不变ms2cp2t2-t1=KAtm由上述两式得ms2ms2=x=KAKA=8872x082170x08+3.211AA整理得AA=x+3.211x0.24.211因为1x2，所以4.211x+3.211x0.21此时所需的传热面积要大于原工况（设备的传热面积）的传热面积，所以次换热器不能满足要求24、某列管换热器有33根192mm的管子，管长为3 m 。用温度为150的饱和蒸汽来加热原油，饱和蒸汽在壳程冷凝，原油在管内流动并由25加热到100.在操作条件下油的密度为890 kgm3，平均流速为0.82 ms，换热器的传热量为138 kW。已知蒸汽冷凝传热系数为6600 Wm2.K，油侧垢层热阻为0.00043m2.KW，忽略管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻，试求：（1）管内油侧的对流传热系数；（2）若油的流速增加一倍，此时换热器的总传热系数为原来的1.75倍，求油的出口温度。（假设油的物性参数不变）【答案解析】解：（1）由题意可知，该传热过程的对数平均温差为tm=150-25-150-100ln150-25150-100=81.9 传热面积为 A=nd2l=333.140.0193=5.91 m2根据传热速率方程，基于管外表面的总传热系数为K=QAtm=1385.9181.9=285 Wm2.K由于管壁和蒸汽侧垢层热阻均忽略，可得K=111d2d1+R1d2d1+12=1111915+0.000431915+16600=285解得，1=450 Wm2.K即管内油层侧的对流传热系数为1=450 Wm2.K（2）原工况下Q=qmCpt2-t1=138 kW故有 qmCp=Qt2-t1=138100-25=1.84 kWK新工况下，油的流速加倍时，油的出口温度t2应满足传热速率和热平衡关系，即Q=2qmCpt2-t1=21.84t2-25=3.68t2-25由题意，K =1.75K，由总传热速率方程可得，Q=K Atm=1.750.2855.91150-25-150-t2ln150-25150-t2=2.95t2-25ln125150-t2上面两式相等，则有3.68t2-25=2.95t2-25ln125150-t2即整理得，ln125150-t2=2.953.68解得，t2=93.9 所以油的出口温度变为t2=93.9 25、某列管式换热器内有52根25mm2.5mm的换热钢管。管外侧是流量为5.86kg/s的苯从380K降温至330K，管内的水与苯逆流换热，进、出口的水温分别为290K与320K。已知苯=2.70kWm2.K，苯的比热容Cp苯=1.89kJkg.K；水=990kgm3，Cp水=4.17kJkg.K，水=0.642Wm.K，水=0.533cP，管壁导热系数w=45Wm.K。若忽略污垢热阻与换热器的热损失，试求：（1）换热管内水的流型；（2）基于外表面的总传热系数K；（3）所需换热管的长度L。【答案解析】解：（1）先假设换热过程的流体水与苯分别为1流体和2流体，即qm1=5.86kgs，根据传热过程的热量衡算式，则换热量为Q=qm1Cp1t2-t1=qm2Cp2T1-T2=5.861.89380-330=554 KW则达到换热要求所需的水流量为qm1=QCp1t2-t1=5544.17320-290=4.43kgs换热管内水的流速为u1=qm10.785d2n=4.439900.7850.02252=0.274 ms雷诺数为Re=du111=0.020.2749900.53310-3=1.02104104（充分湍流）即换热管内为湍流流动（2）Pr=Cp111=4.171030.53310-30.642=3.46根据圆管内强制对流给热系数计算式，可得所求管壁对水的对流给热系数1为1=0.0231dRe0.8Pr0.4 =0.0230.6420.021.021040.83.460.4 =1.95 kWm2.K根据基于外表面的总传热系数K的计算式为1K=11+d22wlnd2d1+d21d1代入数据可得1K=12.70+0.02520.045ln0.0250.020+0.0251.950.020=1.07即K=0.932kWm2.K（3）传热平均温差为tm=380-320-330-290ln380-320330-290=49.3 K根据传热速率方程可求得换热面积，即Q=KAtm，故传热的外表面积A=QKtm=5540.93249.3=12.1 m2故所求的换热管长度为l=And2=12.13.140.02552=2.953 m26、某生产过程，需将2400kgh的空气从20加热到80，空气平均比热容为1.0kJkg.,平均密度为1.1kgm3。120的饱和蒸汽在壳层加热。空气在管内作强制湍流流动。采用的单管程列管式换热器尺寸为：25mm2.5mm，管长为3 m，管子数为100根。试求：（1）上述换热器的总传热系数为多少；（2）现仓库有一台19mm2mm，管长为3 m，管子数为100根的单管程列管式换热器，试核算该换热器是否能代替上述换热器；（3）若用该换热器代替上述换热器，空气的出口温度为多少？注：计算可忽略管壁及污垢热阻；温度对物性影响可忽略；蒸汽空气 【答案解析】解：（1）由能量衡算可得Q=W2Cp2t2-t1=KAtm其中tm=t1-t2lnt1t2=120-20-120-80ln120-20120-80=65.48 传热面积A=nd2l=1003.140.0253=23.55 m3所以总传热系数KK=W2Cp2t2-t1Atm=24003600100080-2023.5565.48=25.94 Wm.K（2）改变管径后，而流量不变，则空气的流速为uu=d1d12因为传热系数k蒸汽k空气，所以总传热系数Kk空气又因为空气在管内作强制对流（Re10000），所以k空气=0.023d1d1u0.8Pr0.4即新工况和原工况空气对流传热系数k空气k空气=KK=d1d1d1d10.8uu0.8=d1d11.8=20151.8=1.678又QQ=W2Cp2t2-t1W2Cp2t2-t1=KAtmKAtm，所以t2-t1t2-t1=KKAAtmtm=1.6781925tmtm式中tm=t2-20ln100120-t2所以代入相关数据得t2-2080-20=1.6781925t2-20ln100120-t2解得，t2=88.926 由于t2=88.926 80 ，所以该换热器能够代替原来的换热器（3）由题（2）解得t2=88.926 即空气的出口温度为t2=88.926 27、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用130的饱和水蒸汽将乙醇水溶液从25加热到80，列管换热器由90根25mm2.5mm，长为3m的钢管所构成，乙醇水溶液处理量为36000kgh，并在管内流动，饱和水蒸汽在管间冷凝。已知钢的导热系数为45Wkg.，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kgm3，黏度为1.2 CP，比热为4.02kJkg.，导热系数为0.42Wkg.，水蒸汽的冷凝传热系数为104Wkg.，在操作条件下，垢层热阻和热损失忽略不计，试求：（1）此换热器能否完成任务？（2）若乙醇水溶液处理量增加20%，在溶液进口温度和饱和水蒸汽温度不变情况下，仍在原换热器中加热乙醇溶液，则乙醇水溶液出口温度为多少（乙醇水溶液的物性可视为不变）【答案解析】：解：（1）由题意可知，总传热量Q为：Q=WCPt2-t1=3600036004.0280-25=2211 kW传热过程中，对数平均温度差为tm=TS-t1-TS-t2lnTS-t1TS-t2=130-25-130-80ln130-25130-80=74.13 因为该过程为双管程，则每根管中的流量为36000902=400kgh乙醇溶液在管内的流速为：u=40036008800.7850.022=0.804 ms所以雷诺数Re=du=0.020.8048801.210-3=1.18104可知为湍流流动，且有：i=0.023diRe0.8Ci0.4 =0.0230.420.021.181040.84.021.20.420.4 =2320 Wkg.所以总传热系数为K=1o+dodm+dodi1i-1 =110000+2522.50.002545+252012320-1 =1427 Wkg.由Q=2211 kW=KA需要tm解得，A需要=2211103142774013=20.90 m2因为A=90dol=903.140.0253=21.2 m2A需要=20.90 m2即该换热器可以完成任务。（2）若乙醇水溶液处理量增加20%，在溶液进出口温度和饱和水蒸汽温度不变情况下，则流速u=1.2u=1.20.804=0.965 ms 易知Re104，因此有：i=iuu0.8=23201.20.8=2684此时总传热系数K为K=1o+dodm+dodi1i-1 =110000+2522.50.002545+252012684-1 =1594Wkg.传热过程中，对数平均温度差tm为tm=TS-t1-TS-t2lnTS-t1TS-t2=130-25-130-t2ln130-25130-t2=t2-25ln105130-t2原工况：Q=WCPt2-t1=KAtm新工况：Q=1.2WCPt2-t1=KAtm由上述两式可得WCPt2-t11.2WCPt2-t1=KAtmKAtm整理并代入数据得80-251.2t2-25=142774.131594t2-25ln105130-t2解得，t2=77.37 即乙醇水溶液的出口温度为t2=77.37 28、在一单程列管换热器内用冷水将管内的高温气体从150C冷却至80C，两流体逆流流动且为湍流，气体的流量为2000kg/h，冬季冷却水的入口温度为15C，流量为684kg/h。试计算：（1）当夏季的冷却水入口温度为25C时，若要求气体的流量和冷却程度不变，求冷却水的用量（假设总传热系数K和冬季相同）；（2）若冬季的气体流量增加50%，而保持冷却程度不变，应如何调节操作参数并定量计算；（3）若将管程改为双程，冬季仍维持气体流量增加50%及冷却水的流量及入口温度不变，求冷却水和气体的出口温度。【答案解析】解：解题思路是以冬季工况为基准，分别求出Q、Dtm、KA，当操作条件变化时，分别比较上述参数的变化趋势并定量计算。对于气体和冷却水之间的换热，总传热系数可简化为换热器的热负荷为：解得冬季冷却水的出口温度为（1）夏季情况 在夏季操作时若要求传热速率Q不变，而K2A2也近似与冬季相同，故此时必须维持夏季的Dtm与冬季相同时才能完成任务。关键在于计算水的出口温度t2， t2可用不同方法计算。（a）试差法15080t225Dt2=150-t2Dt1=55用对数平均温差法进行试差，即试差求得夏季时冷却水的出口温度如果，可用简化（算术平均值）计算，即：解得说明假设（b）传热单元法为了避免试差，可采用传热单元数法计算。在此情况下，气体为最小值流体，则：由和查得用三种方法所得的计算结果有差别，其中算术平均温度差误差最大，传热单元数最简单。（2）冬季情况 冬季气体流量增加，若要维持冷却程度不变，可调节的操作参数是增加冷却水的流量。由流量改变后，总传热系数K与原K的比值：(a) 试差法(b) 传热单元法由和查得当空气流量增加50%时，冷却水流量需要增加137.9%。（3）管程改变的情况 当管程由单程变为双程时，管内流速加倍，Ki”提高，即：整理得：；上式相减：得：或 (a)热量衡算式：得： (b)联接式(a)和(b)得：即冷却水的出口温度比原工况增加15C，气体出口温度比原工况降低21C。29、在一套管式换热器中，用120的饱和水蒸气在环隙中冷凝放热，使内管中湍流流动的流量为的苯从20加热到80。当流量增加到时只能从20加热到76。试计算换热器的传热面积和流量为时的总传热系数K。（计算时，水蒸气冷凝的值取用。可忽略管壁热阻及污垢热阻，并可当平壁处理。两种情况下苯的比热容认为相同）。【答案解析】解：苯的流量 时水蒸气 T=120 T=120苯 苯的流量时水蒸气 T=120 T=120苯 传热速率方程苯的流速与流量的关系 苯的对流传热系数与流速的关系总传热系数与传热管内外两侧的对流传热系数与的关系为解得 故 由求传热面积用平均温度，查得苯的比热容也可以由求传热面积30、在由118根f252.5，长为3m的钢管组成的列管式换热器中，用饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。已知加热蒸汽的温度为132.9，空气的质量流量为7200kg/h，空气的进、出口温度分别20和60，操作条件下的空气比热为1.005 kJ/(kg)，空气的对流给热系数为50 W/(m2)，蒸汽冷凝给热系数为8000 W/(m2)，假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。试求：（1）加热空气需要的热量Q为多少？（2）以管子外表面为基准的总传热系数K为多少？（3）此换热器能否完成生产任务？【答案解析】解：（1） kJ/s（2） W/(m2)（3） m2 kJ/s，能够完成生产任务。31、现有一列管换热器，内有252.5mm的钢管300根，管的有效长度为2m。要求将8000kg/h的空气于管程有20加热到85，采用108的饱和蒸汽于壳程冷凝加热之，冷凝液在饱和温度下排出。蒸汽冷凝的传热系数为1104w/m2，空气的对流传热系数为9 0w/m2，管壁及两侧污垢热阻均可忽略，且不计热损失。空气在平均温度下的比热为1kJ/kg。试求：1 换热器的总传热系数K。2 通过计算说明该换热器能否满足要求。3 通过计算说明管壁温度接近那一侧流体的温度？【答案解析】解：1）总传热系数）2），该换热器能满足要求。3)接近蒸汽的温度。32、有一管程为单程的列管换热器，由252.5mm，长2.5m的20根钢管组成。用120饱和水蒸汽加热某冷液体（冷凝液在饱和温度下排出），该冷液体走管内，进口温度为25，比热为1.58kJ/kg，流量为15000kg/h，管外蒸汽的冷凝传热系数为1.0104 w/m2。管内对流传热的热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的6倍。求：1基于管外表面积的总传热系数K02冷液体的出口温度。（换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可忽略不计）【答案解析】解：1）总传热系数.2）33、有一列管式换热器由252.5mm，长3m的100根钢管组成。饱和水蒸气将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动，饱和蒸汽在壳方冷凝为同温度的水。今因生产任务增大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。换热器为192mm的120 根钢管组成。如果新旧两台换热器并联使用，且使两台换热器在空气流量、进