化工原理传热习题课

1、 习题课习题课 t1 T1 T2 t2 单管程、 单壳程 操操作作型型设设计计型型习题课习题课(1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A例例1 在套管式油冷却器里，热油在在套管式油冷却器里，热油在 25 2.5mm 的金属管内流动，的金属管内流动，冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为 216kg/h，油，油的进、出口温度分别为的进、出口温度分别为 150和和 80，水的进口温度为，水的进口温度为 20。油侧对流传热系数为油侧对流传热系数为 1.5KmkW

2、 2，水侧的对流传热系数为，水侧的对流传热系数为3.5KmkW 2， 油的比热为， 油的比热为 2.0KkgkJ ， 试分别计算逆流和， 试分别计算逆流和并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。 -设计型问题举例 习题课习题课 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 22.0 150804.18720t253.4tC212176.9lnmtttCtt，逆122162.0150

3、808.43600h hQ Wc TTkJ s解：解：12121110.02511.5 0.023.5AdKhAhhdh外外内内KmkWK 2894. 0逆逆逆逆外外mtLdKQ mL56. 1 逆逆逆流时：逆流时：(以外表面为基准以外表面为基准) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 253.4tC212165.1lnmtttCtt，并mtdKQLm83. 1 并并外外并并 并流时：并流时：、2 2、K K skJQ4 . 8 Km

4、kWK 2894. 0(以外表面为基准以外表面为基准) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K mL56. 1 逆逆 T1 T2 t2 t1 0 A 并并逆逆,mmtt 1.83Lm并mL56. 1 逆逆-操作型问题举例 【例【例2】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量冷凝器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝，冷凝温度为温度为40，冷凝传热系数

5、，冷凝传热系数h1=7000KW/m2K。冷却水走。冷却水走管内，其进、出口温度分别为管内，其进、出口温度分别为32和和36，污垢及管壁，污垢及管壁热阻取为热阻取为0.0009 m2K/W（以外表面计）。试校核该换热（以外表面计）。试校核该换热器传热面积是否够用。器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下：列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格换热管规格 25 2.5mm 管长管长 l=4m 管程数管程数 m=4 总管数总管数 N=272根根 外壳直径外壳直径 D=700mm附：氨冷凝潜热附：氨冷凝潜热 r=1099kJ/kg34下水的物性：下水的物性：32994mkg 24.174ckJ

6、 kg KsPa 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 实实需需、比较比较AA24 .852724025. 0mNldA 外外实实19501099290.03600QW rkW21221Q WrWc tt217.37/Wkg s21211221ln5.77lnmtttttttCTtTt，逆mtKQA 需需解：解：(外表面积外表面积)222221417.371272

7、9940.02440.818/WuNdmm s内452102 .21916102 .7402. 0818. 0994Re 4 . 08 . 0PrRe023. 0 Nu0.80.422220.023RePrhd内)160Pr7 . 0(2 KmW 24 . 08 . 05 .404397. 42 .2191602. 06236. 0023. 032994mkg 24.174ckJ kg KsPa 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4

8、m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 2221211110.02510.00094043.5 0.027000AdRsRsKh Ahh dh外外内内mtKQA 需需230 .6877. 56 .739100 .290m 24 .85 mA 实实实实需需AA 换热面积够用KmWK 26 .739(以外表面为基准以外表面为基准) 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 【例【例7-5】(P) 在一逆

9、流换热器中将热气体从在一逆流换热器中将热气体从150冷却冷却至至60，气体流经管内，冷却剂为水，温度从，气体流经管内，冷却剂为水，温度从15升升至至35，气侧给热系数为，气侧给热系数为50W /(m2)，水侧给热系数，水侧给热系数为为5000W /(m2), 现工厂扩大生产能力，气体的流量现工厂扩大生产能力，气体的流量增加增加25%，冷却水的进口温度不变，冷却水的进口温度不变，忽略管壁和污垢忽略管壁和污垢热阻，试求：热阻，试求： 冷却水的流量不变，气体的出口温度和冷却水冷却水的流量不变，气体的出口温度和冷却水的出口温度；的出口温度； 气体流量增加后，拟通过调节冷却水的流量以气体流量增加后，拟通

10、过调节冷却水的流量以使气体出口温度保持在使气体出口温度保持在60不变，调节后水的流量不变，调节后水的流量和冷却水的出口温度。和冷却水的出口温度。 解：解： 气体流量增加前，根据传热基本方程：气体流量增加前，根据传热基本方程： (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt 122111121221PTtTtWCTTKATtLnTt12212111121PTtKAttlnTtWCTT热量衡算和传热速率 t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 习题课习题课-操作型分析操作型分析例例3：无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换：无相变的冷、热流体在套管式换热器中进行换

11、热，今若热，今若热流体的质量流量增大热流体的质量流量增大，而其它操作参数不，而其它操作参数不变，试定性分析变，试定性分析K、Q、t2、T2、 tm的变化趋势的变化趋势K：0.811110.023RePrnhd内0.811huKQ：排除法假假设设 Q 不不变变，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3 得不不变变2t， mt出现矛盾的结果，故假设不成立 W1h2不变 T1 t2 T2 t1 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 21(3)c cQW c tt假设假设 Q 变小，变小，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3

12、 得 2t， mt故假设不成立 Qt2：由式 3 知 2t T1 T2 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 排除法假假设设 T2不不变变，T2： T1 T2 0 A 假设假设 T2变小，变小， 2T2t mt2t mt:mt 无法判断 T1 T2 t2 t1 0 A T1 T2 t1 t2 0 A 逆流并流1122,mWhKQtTt 不定 快速分析：快速分析： t1 T1 T2？ t2？ 套管式 K 不变 Q 2Tt2：K：Q：T2：mt 12h

13、、h 不变排除法 mt T1 T2 0 A 2t练习练习1 无相变的冷、热无相变的冷、热流体在套管式换热器中流体在套管式换热器中进行换热，今若进行换热，今若冷流体冷流体的进口温度的进口温度t1下降下降，而，而其它操作参数不变，试其它操作参数不变，试定性分析定性分析K、Q、t2、T2、 tm的变化趋势。的变化趋势。K：不变。 Q蒸汽温度 T 2t mt练习练习2：在一列管式换热器中用饱和水蒸汽预热某有机溶液（无相在一列管式换热器中用饱和水蒸汽预热某有机溶液（无相变），蒸汽走壳程，变），蒸汽走壳程，今若蒸汽压力变大今若蒸汽压力变大，而其它操作参数，而其它操作参数不变，试定性分析不变，试定性分析K、

14、Q、t2、 tm的变化趋势。的变化趋势。 t1T2 T1 t2 双管程列管式练习练习3：无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，今若将单管程变成双管程今若将单管程变成双管程，而其它操作参数不变，而其它操作参数不变，试定性分析试定性分析K、Q、T2、t2、 tm的变化趋势。的变化趋势。 t1T2 T1 t2 双管程列管式10.811,An hnnhKKAmttTQK,22练习练习4：无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，无相变的冷、热流体在列管式换热器中进行换热，因长期使用，部分管子内壁集结大量污垢而无法正因长期使用，部分管子内壁集结大量污垢

15、而无法正常传热，现常传热，现将这些管子堵死将这些管子堵死，而其它操作参数不变，而其它操作参数不变，试定性分析试定性分析K、Q、T2、t2、 tm的变化趋势。的变化趋势。1、有一列管换热器由、有一列管换热器由 252.5mm的的120 根钢管根钢管组成。组成。110的饱和水蒸气在壳方冷凝以加热在管内的饱和水蒸气在壳方冷凝以加热在管内作湍流流动的某液体，且冷凝水在饱和温度下排出。作湍流流动的某液体，且冷凝水在饱和温度下排出。已知液体平均比热为已知液体平均比热为4.187 kJ/kg，由，由15加热到加热到90。管内对流传热系数为。管内对流传热系数为hi=800W/m2，蒸气冷，蒸气冷凝的对流传热系

16、数凝的对流传热系数ho=1.1104W/m2，忽略污垢，忽略污垢热阻、壁阻和热损失，每小时收集冷凝水热阻、壁阻和热损失，每小时收集冷凝水2100kg，在饱和温度下蒸气冷凝潜热在饱和温度下蒸气冷凝潜热r=2232kJ/kg，试求，试求（1）每小时可处理的液体量；）每小时可处理的液体量；（2）管程单程时的列管有效长度；）管程单程时的列管有效长度；（3）其它条件均保持不变，将）其它条件均保持不变，将120根钢管改为两根钢管改为两管程，列管有效长度为多少。管程，列管有效长度为多少。210022321302kw3600Qw r凝Q1302c tW4.146kg/sc t4.18790 15Qw40111

17、11251.1 1080020ooiidKd2604.81w/m .koK 解：（解：（1）（2）110110159090 1548.1395ln20mtC321302 1044.73604.81 48.1344.734.755120 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d0.840.80111112521.1 10800 220ooiidKd21011.81w/m .koK 321302 1026.641011.81 48.1326.641.412240 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d（3） 两管程，列管有效长度两管程，列管有效长度 三、（三、（30）某生

18、产过程，需将）某生产过程，需将2400kg/h的空气从的空气从20加热到加热到80，空气的平均比热容为，空气的平均比热容为1.0kJ/（kg. ），），平均密度为平均密度为1.1kg/m3。120的饱和蒸汽在壳层加热。的饱和蒸汽在壳层加热。空气在管内作强制湍流流动，空气在管内作强制湍流流动，Re104。采用的单管程。采用的单管程列管式换热器尺寸如下：列管式换热器尺寸如下： 25mm2.5mm，管长为，管长为3m，管子数为管子数为100根。试求：根。试求：(1)上述换热器的总传热系数为多少？上述换热器的总传热系数为多少？(2)现仓库里有一台现仓库里有一台 19mm2mm，管长为，管长为3m，管，

19、管子数为子数为100根的单管程列管式换热器，试核算该换热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？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，空气的出口温度若用该换热器代替上述换热器，空气的出口温度为多少？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注：计算可忽略管壁及污垢热阻；温度对物性影响可忽略；略；h蒸汽蒸汽h空气空气，可以作必要的合理简化假设。，可以作必要的合理简化假设。W40000101)2080(360024003QCtm48.6540100ln401002m56.233025. 014. 3100ldnAoo)K.m/(W92.2548

20、.6556.23400002motAQK解：1、 加热蒸汽加热蒸汽 120 120空气空气 20 80换热面积为换热面积为 总传热系数为总传热系数为 2、饱和蒸汽加热空气时，、饱和蒸汽加热空气时，ihK 。流量不变，所以。流量不变，所以2dduu4 . 08 . 0023. 0kcdudkhpi68. 115208 . 18 . 12 . 08 . 022 . 08 . 0dddddddduuhhKK 而而 所以所以 mmmmmmtttttKAtAKQQ277. 1251968. 1)(12ttcWQpi)(12ttcWQpi又又 208020)40/100ln(/ )2080()120/(1

21、00ln/ )20(277. 1277. 12121222tttttttttQQmm1120100ln40100ln277. 12t解得：解得：CCt800 .892 因此，仓库里的单管程列管式换因此，仓库里的单管程列管式换热器能代替原有的换热器。热器能代替原有的换热器。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 习题课习题课-换热器的组合操作计算换热器的组合操作计算【例【例4】如图所示，两个完全相同的单管程列管式换热器，内各】如图所示，两个完全相同的单管程列管式换热器，内各有有180根根 19 1.5mm的管子，每根长的管子

22、，每根长3米，管内走流量为米，管内走流量为2000 kg/h的冷流体，与热流体分别进行单程逆、并流换热，其进口的冷流体，与热流体分别进行单程逆、并流换热，其进口温度为温度为30。已知。已知(W2C2) / (W1C1) = 0.5 （下标（下标2代表冷流体，代表冷流体，下标下标1代表热流体）。冷流体的代表热流体）。冷流体的C2=1.05kJ/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体的进口温度为，热流体的进口温度为T1=150，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。试求热流体，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。试求热流体的出口温度的出口温度T2。T2 2T 对第一个

23、换热器（逆流），有：对第一个换热器（逆流），有：解解:180根根 19 1.5mm，长长3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 442222522244 2000 3600Re1.229 10101802 100.016u dWNd 252221050 2 10Pr0.7270.70.0289pck 0.

24、80.4222220.023RePrkhdKmW 235.68121122111mbRsRsKAh AkAh A)(35.682以内表面计以内表面计KmW 2()Kh以内表面计 122112212121 12 221122112212121 12 22111ln11lnTtTtTTttKATtWcWcTtTtTtTtTtKATtWcWcTt对第一个换热器，有：对第一个换热器，有： 12211 1122 22121221lnTtTtQ Wc TTWc ttKATtTt180根根 19 1.5mm，长长3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2

25、10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 122211 12 211lnTtKATtWcW c204. 03015022 Tt将将 A2=N d内内L180 0.016 3=27.130m2 (W2C2) / (W1Cp1) = 0.5 W2C2=2000 1050/3600=583.33W/() t1=30, T1=150代入得：代入得：)(35.682以内表面计以内表面计KmWK 22902. 4

26、29.765tT （1）180根根 19 1.5mm，长长3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 （1）1 1122 221Wc TTWc tt又305 . 015022 tT225 . 0165tT （2）22902. 429.765tT 联立求解式联立求解式1、2得：得：CTCt 82.9637.13

27、622180根根 19 1.5mm，长长3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 180根根 19 1.5mm，长长3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。热流体侧、管壁及垢层的热阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 对第二个换热器（并流），有：对第二个换热器（并流），有：)(35.682以内表面计以内表面计KmW 2