化工原理传热习题xw081119

1、例题：有一列管式换热器，传热面积为40m2, 列管规格为 25 2.5 mm的钢管。用饱和蒸汽将处理量为2.5 104 kg/h的油 从40 C加热到80 C。油走管程，流动状态为湍流，油的平均 比热CP=2.1 10 3 J/(kgK)；蒸汽走壳程，水蒸汽压力为 1.96 105 Pa（绝压，下同），冷凝传热膜系数h=1.2 104 W/(m2K) ，忽略管壁及污垢热阻。 1当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保 持油的出口温度仍为80C，换热器是否够用？ 2若不够用，可采取哪些措施？ 3并联或串联多大的换热器才够用？要考虑哪些问题? 4. 当油的处理量加大一倍时，若将加热蒸汽压

2、力提高到 2.94 105 Pa ，能否保证油的出口温度？ 5 油的处理量不变，若油的粘度增大一倍，仍为湍流流动，其 它物性不变，则油的出口温度为多少？ 6 由于换热器运行时间较长，使管壁增加了一层油垢，其厚度 为1mm、导热系数 =0.2 W/(mK)，此时油的出口温度为多少？ 大气温度为 C，管壁对空气的传热膜系数按 hT=9.4+0.052(tW - t) W/(m2K)计算，换热器对流的壳体外径 为 mm，保温后壁温为 C ，保温材料的导热系 数 . W/(mK) 。保温层厚度为多少？保温后每月 可节约多少公斤蒸汽？换热管长度3m 。 例题：有一列管式换热器，传热面积为40m2, 列管

3、规格为 25 2.5 mm的钢管。用饱和蒸汽将处理量为2.5 104 kg/h的油 从40 C加热到80 C。油走管程，流动状态为湍流，油的平均 比热CP=2.1 103 J/(kgK)；蒸汽走壳程，水蒸汽压力为 1.96 105 Pa（绝压，下同），冷凝传热膜系数h=1.2 104 W/(m2K) ，忽略管壁及污垢热阻。 02. 0,025. 0 40 0 2 i dd mA C120T C80 2 t C40 1 t hkgqm/25000 )./(12000 2 0 KmWh 3 101 . 2 P C)./(KkgJ 0, 0 )0,( b Rd i 已已 知知 条条 件件 1.当油的

4、处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保 持油的出口温度仍为持油的出口温度仍为80 C，换热器是否够用？，换热器是否够用？ m tAK )( 12 ttcq pcmc 02. 0,025. 0 40 0 2 i dd mA C120T ?2t C40 1 t mcmc qq2 )./(12000 2 0 KmWh )/(101 . 2 3 KkgJCP 分析一下K如何变化？ 0 0 11 hdh d K ii 20 251 i hK 热阻主要集中在管程 )./(9 .315 2 KmWhi 当流量增加一倍时，uu2 4 . 08 . 0 0

5、23. 0 re i i PR d h 8 .0 )( u u h h i i 同样可以认为 20 25 1 i hK KK u u h h K K i i 741. 1即741. 12)( 8 . 08 . 0 分析一下K如何变化？ i i h h K K :1096. 1 5 饱和蒸汽查出Pa Cts120 Kt8040120 1 Kt4080120 2 K t t tt tm7 .57 ln 2 1 21 mccpcmc tKAttcq )( 12 KmWK 2 34 /253 7 .57403600 )4080(101 . 2105 . 2 原操作情况原操作情况 kgkJr/2 .22

6、05 传供需 稳态操作时 02. 0025. 0 40 0 2 i dd mA C120T C80 2 t C40 1 t 计算原工况下的K？ )( )( ln )( )( ln )()( ln 2 1 12 2 1 21 2 1 21 tT tT tt tT tT tTtT t t tt tm )( )( ln 2 1 12 tT tT tt t m m tAK )( 12 ttcq pcmc )( 12 ttcqtAK pcmcm )( )( )( ln 74. 1 12 2 1 12 ttcq tT tT tt KA pcmc 当油的处理量增加一倍时当油的处理量增加一倍时: 2 )( )

7、(2 12 12 ttcq ttcq Q Q pcmc pcmc 22 40m46m 741. 1 402 741. 1 2 A A 2 741. 1 A A tKA tAK Q Q m m 因此该换器不够用。因此该换器不够用。 )( )( ln 74. 1 2 1 tT tT cq KA pcmc 另外一种方法：另外一种方法： 设出口温度仍为80 C ，看需要 Ct2 .762 因此该换器不够用。因此该换器不够用。 A 2. 若换热器不够用，可采取哪些措施？若够用，若换热器不够用，可采取哪些措施？若够用， 则该采取何种措施？则该采取何种措施？ （定性）（定性） 采取的措施可分为两方面的变化：

8、采取的措施可分为两方面的变化： 在设备变化：结构上的变化在设备变化：结构上的变化管程数变化管程数变化 数目上的变化数目上的变化加加1个个 在操作条件上的变化：在操作条件上的变化：加热蒸汽温度变化加热蒸汽温度变化 和温差改变K m tK A （1 1）设备形式（数目）的变化设备形式（数目）的变化 完成传热任务，需要完成传热任务，需要 46m2 的换热器，的换热器， 串联一台串联一台 6m2 的换热器，条件是流通截面积要相同。的换热器，条件是流通截面积要相同。 完成传热任务，并联完成传热任务，并联 操作，流股分流，需要操作，流股分流，需要 并并 联一台联一台 40m2 的换热器，的换热器， 条件是

9、流通截面积要相同。条件是流通截面积要相同。 3. 如不够用，并联或串联多大面积的换热器才够用？如不够用，并联或串联多大面积的换热器才够用？ 此时要考虑哪些问题此时要考虑哪些问题?（定量）（定量） (1) 单管程变为双管程：单管程变为双管程： 双管程固定管板换热器双管程固定管板换热器 031. 34 8 . 0 i i h h K K )./(7667 .252031. 3 2 KmWK x x xpccm t t tcq 120 80 ln )120()40120( 40766)40( Ct x 02.92 （2） 单管程变为双管程：单管程变为双管程： 流量加倍流量加倍流速变为原来的流速变为原

10、来的四倍（四倍（2 2* *2 2）。仍用原温度的蒸汽。仍用原温度的蒸汽。 4 S q S q u u mc mc 若要求油出口温度仍为80C,则要降低加热蒸汽压力。 80 40 ln )80()40( 40766)4080(2 T T TT cq pcmc CT5 .101 （2）变成为双管程：）变成为双管程： 80 40 ln )80()40( 407 .252741. 1)4080(2 T T TT cq pcmc 80 40 ln )4080( 407 .252741. 1 3600 )4080(101 . 2105 . 22 34 T T 6034. 0 80 40 ln T T C

11、T29.128 (3) 提高加热蒸气温度提高加热蒸气温度 mccpcmc tAKttcq)( 12 或： 80120 40120 ln )80120()40120( 80 40 ln )80()40(T 741. 1 )4080( )4080(2 KA T T T KA cq cq pcmc pcmc Cth29.128 mccpcmc tKAttcq )( 12 4.4.处理量加大一倍，若将加热蒸汽压力提高到处理量加大一倍，若将加热蒸汽压力提高到 2.94 105 Pa，能否保持油的出口温度为能否保持油的出口温度为8080 C C ？ 上问中，加热蒸汽温度为上问中，加热蒸汽温度为128.9

12、C时，满足出口时，满足出口 C的要求。的要求。 2.94 105 Pa水蒸汽的饱和温度为水蒸汽的饱和温度为132.3 C 128.9 C 故：加热蒸汽压力提高到故：加热蒸汽压力提高到2.94 105 Pa时，油的出口时，油的出口 温度会高于温度会高于80 C 。可调节油温度至。可调节油温度至80 C。 如何调？如何调？ 758. 05 . 0)()( 4 . 0 4 . 0 4 . 0 8 . 0 4 . 0 8 . 0 r r e e i i P P R R h h K K )40( mxpcmc tAKtCq x xx t tt 120 80 ln )120()40120( 407 .25

13、2758. 0 3600 )40(101 . 2105 . 2 34 5254. 0 101 . 2105 . 2 3600407 .252758. 0 120 80 ln 34 x t Ct x 69.72 5. 油的处理量不变，若油的粘度增大一倍，仍为湍油的处理量不变，若油的粘度增大一倍，仍为湍 流流动，其它物性不变，则油的出口温度为多少？流流动，其它物性不变，则油的出口温度为多少？ ii o dh d K 1 或： 80120 40120 ln )80120()40120( 120 40120 ln )201 ()40(120 )758. 0( )4080( )40( cx oo cx

14、cx oo pcmc pcmc AK t t AK cq tcq Ctcx69.72 mccpcmc tKAttcq )( 12 6 由于换热器运行时间较长，使管壁增加了一层由于换热器运行时间较长，使管壁增加了一层 油垢，其厚度为油垢，其厚度为1mm、导热系数、导热系数 =0.2 W/(mK) ， 此时油的出口温度为多少？此时油的出口温度为多少？ 4 102 . 1 1 192 . 0 25001. 0 20316 251 K mcxPCmc tAtCq 2 .94)40( )./(2 .94 2 KmWK b R di 0 0 11 hd d R dh d K i o di ii 258.

15、0 101 . 2105 . 2 3600402 .94 120 80 ln 34 cx t 295. 1 120 80 cx t Ctcx2 .58 cx cxcx t tt 120 80 ln )120()40120( 402 .94 3600 )40(101 . 2)105 . 2( 34 未长油垢时，未长油垢时，tcx=76.24 C （倍流量） 粘度增大一倍时粘度增大一倍时，tcx= 72.69 C （倍流量） 内壁长油垢后：tcx=58.2 C （1 倍流量） 大气温度为 C，壳壁对空气的对流传热膜系数按 hT=9.4+0.052(tW - t) W/(m2K)计算，换热器的壳体外

16、径为 400 mm，保温后壁温为 C ，保温材料的导热系数 0.058W/(mK) 。保温层厚度为多少？保温后每月可节 约多少公斤蒸汽？换热管长度3m 。 TT m tAh b tA 解：若忽略管壁热阻，则壳体外壁温度为解：若忽略管壁热阻，则壳体外壁温度为120 C ，保温层外壁，保温层外壁 温度为温度为30 C ，当稳态传热时：，当稳态传热时： )30120()4 . 0( 058. 0 Lb b )1030()24 . 0()1030(052. 04 . 9 Lb 保温层保温层 厚度厚度 为保温层平均为保温层平均 面积面积 005. 281.73)(2 .403 2 bb 00051. 0

17、183. 0 2 bb mmb6 .24 保温后：单位壳长单位时间的热损失为 )./(15.305)1030(45. 0)1030(052. 04 . 9msJQP 30243600 102 .2205 15.3056 .2173 3 r QQ Pe )./(6 .2173)10120(4 . 0)10120(052. 04 . 9msJQe 保温前：单位壳长单位时间的热损失为 7 保温后每月可节约多少公斤蒸汽？保温后每月可节约多少公斤蒸汽？ )/(2 .2196mkg月 321 2 3 1 t 2 t 3 t 4 t 多层平壁一维稳态导热已知 41 tt 试定性画出温度分布 为减少圆管热损失

18、，采用三层保温材料， 厚度一致，包覆的顺序依次为 cba 导热系数小的放在里层 比较下列不同对流传热过程的表面传热系数的大小。 空气自然对流h1、空气强制对流（u3m/s） h2 、水强制 对流h3（u3m/s） 、水蒸气冷凝h4 4321 hhhh 管内强制湍流，如果流量增加一倍，表面传热系数变化多少。 如果管径减少一半，表面传热系数变化多少。 74. 1 8 . 0 1 2 1 2 u u h h 2 . 0 8 . 0 4 . 0 6 . 04 . 08 . 0 023. 0 d u c h p 2 . 0 2 1 8 . 0 1 2 1 2 d d u u h h 48. 324 2

19、. 08 . 0 1 2 h h 单壳程无相变换热器，管壳程质量流量一定，均处于高 度湍流区。 现将单管程变为双管程，管程表面传热系数如何变化， 压降如何变化。 74. 1 8 . 0 1 2 1 2 u u h h 用饱和水蒸气在套管换热器中加热冷空气，此时壁温接 近于哪一侧的温度 结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。 在换热器设计中，如果, c1h2h1mh tttq 一定 冷流体流量增大一些，则 AttK, c2m 如何变化 在换热器操作中，如果, c1h1mh ttq 一定 冷流体流量增大一些，则 h2c2m ,tttKA 如何变化

20、某换热器，用循环冷却水冷却热油，热油入口流量、温 度不变。夏天冷却水入口温度升高，问采用什么办法保 证热油出口温度不变。 某换热器，用0.4MPa饱和水蒸气加热工艺物流。由于操 作不当，造成换热器结垢严重，使工艺物流出口温度下 降。为了保证生产的连续性，不能除垢和换热器改造， 问可采用什么办法。 AttK, c2m 1. 某炉膛的平壁由两层厚度相等、材质不同的耐火砖组成 ，若A层的热导率为B层热导率的2倍，则稳态传热时A层的 温差是B层温差的 倍； 填 空 题 2. 某管式换热器的管内、外两侧流体的表面传热系数分别为 5800 w/m2K和640 w/m2K，请选择最有效的强化传热的 措施 ；

21、 A在管内侧加扰流子； B在管外侧加翅片； C提高管内流体的流速。 3. 温度为127 的黑体的发射能力为 ； 4. 外加保温层的蒸汽管道放置在20 空气中，当管内蒸汽 压力升高时，其向外散热的热损失和保温层外表面的温度 会 ；（A升高；B降低；C不变） 5. 气体热辐射的特点为 和具有波长选择性； 6. 计算传热效率时，应使用热容量流率相对 的流体； 7. 列管换热器中用饱和蒸汽加热某腐蚀性液体，则腐蚀性 液体一般应通过 程； 8. 提高液体的过热度，以及 都可以使大容积饱 和沸腾更加剧烈； 9. 列管式换热器可以分为 、 、 以及固定管板式等三种型式； 10. 用饱和水蒸汽加热水，经过一定

22、时间（短时间）后，发 现传热的阻力迅速增大，这可能是由于所引起的； 11. 某一套管换热器用管间饱和水蒸汽加热管内空气，已知 蒸汽的温度为100 0C，空气进口温度为20 0C 、出口温度为60 0C ，则此套管换热器的内壁温度应接近 ； 12. 固定管板式列管换热器中用饱和蒸汽加热某高压液体，则 高压液体应通过 程； 14. 当流体横向流过管束时，错列排列的管束的表面传热系数 直列排列的管束的表面传热系数； 13. 大容积饱和沸腾的壁面如果被油脂玷污，则其表面传热系 数会； 15. 黑体的发射能力与绝对温度的次方成正比； 四、（30分）有一新的单管程单壳程列管式换热器，传热管规 格为 25

23、2.5 mm的钢管，总数为161根，L/d 50。现用该换热 器以0.2MPa的饱和水蒸汽将流量为4000kg/h 的CO2气体由20 加热到80，饱和水蒸汽走壳程，CO2气体走管程。已知 0.2MPa饱和水蒸汽的温度为120，汽化潜热为2205kJ/kg，冷 凝表面传热系数为 1.0 104 W/（m2）。CO2气体的密度为3.4 kg/m3，定压比热容为 0.9 kJ/（kg），粘度为 0.0165 10-3 Pas，热导率为 0.0206 W/（m）。 假设管壁热阻忽略不计，忽略热损失试求： 1、蒸汽的消耗量；（6分） 2、该换热器的总传热系数和换热管管长；（8分） 3、当CO2气体的流

24、量加大一倍时，CO2气体的出口温度为多少 ？（8分） 4、在原工况下，换热器运行一段时间后，由于管内壁产生污 垢而影响传热效果（壳程污垢热阻仍可忽略），测得CO2气体 出口温度为70C（假设冷热流体物性参数不变），此时总传热 系数为多少？污垢热阻为多少？如果需要维持CO2气体的出口 温度为80，可采取哪些措施（定性指出两个）？（8分） rqttcq mccpcmc )( 12 kWqm602205)2080(9 . 04000 skghkgqm/0272. 0/0 .98 解答：解答： 1、蒸汽的消耗量； 2、该换热器的总传热系数和换热管管长；、该换热器的总传热系数和换热管管长； K=?; h

25、i =? 4 . 08 . 0 Re023. 0pr d h i i 44 3 2 101066. 2 100165. 0 02. 0 20002. 0785. 03600 4000 Re iiii dGud 721. 0 0206. 0 0165. 09 . 0 p r c p )/(72Re023. 0 24 . 08 . 0 CmWpr d h i i iiii d d hhd d hK 0 0 0 1111 )/(3 .57 2 CmWK Ctm 5 .65 80120 20120 ln )80120()20120( 2 3 0 .16 5 .652 .48 1060 m tK A m ldnA 0 m dn A l26. 1 025. 014. 3161 0 .16 0 0 0 11 hdh d K ii 20 251 i hK 热阻主要集中在管程 当流量增加一倍时，uu2 4