化工原理培训传热练习

1、、计算练习题1.有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为巾89mmx3.5mm,流量为2000kg/h的苯在内管中从80c冷却到50Co冷却水在环隙从15c升到35Co苯的对流传热系数ah=230W/(m2,K),水的对流传热系数ac=290W/(m2K)。忽略污垢热阻。试求：冷却水消耗量；并流和逆流操作时所需传热面积；如果逆流操作时所采用的传热面积与并流时的相同，计算冷却水出口温度与消耗量，假设总传热系数随温度的变化忽略不计。苯的流量Wh=2000kg/h,水的平均温度t103J/(kgK)。热量衡算式为QWhCphdT2)WcCpcttj热损失)热负荷Q20001.86103(8050)3.1

2、104W3600以内表面积S为基准的总传热系数为Ki,碳钢的导热系数=45W/(m-K)11bdidi10.00350.0820.082Kihdmcdo230450.08552900.089co=4.35X103+7.46X105+3.18X103=7.54X103m2-K/WKi=133W/(m2K),本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小，可忽略不计。并流操作80一1565-50-3515tm并6515雨34.2,65In15传热面积S并Q3.11046.81m2Kitm并13334.2解苯的平均温度T805065c,2比热容Cph=1.86X103J/(kgK)153525c,比热容Cpc=

3、4.178X2(忽略冷却水消耗量WcQcpc(t23)_43.110436004.178103(3515)1335kg/h逆流操作80550t4535y4nc35,15rrte4024535传热面积S逆Q3.110425.83m2Kitm13340因tm并tm，故SiSS并SiStm逆1.17tm并4逆流操作S=6.81m2,tQ-31竺一342cmKS1336.81设冷却水出口温度为t2,则t35.tm34.2,t33.4C,2t2=8033.4=46.6C(15+46.6)/2=30.8C,cpc=4.174X103J(kgC)Q3.11043600846kg/hcpc(t2t1)4.17

4、4103(46.615)逆流操作比并流操作可节省冷却水：1335846100366%1335若使逆流与并流操作时的传热面积相同，则逆流时冷却水出口温度由原来的35c变为46.6C,在热负荷相同条件下，冷却水消耗量减少了36.6%。2.在逆流换热器内，用20c的水(比热容4.2kJ/(kgK)将流量为4500kg/h的液体由80c冷却30C,其比热容为1.9kJ/(kgK),液体走壳程，对流传热膜系数为1700W/(m2K);已知换热器由直径为中25X2.5mm勺钢管组成，钢管的导热系数狂45W/(mK);管程走水，对流传热膜系数为850W/(m2K),若水的出口温度不超过50Co假设污垢热阻、

5、热损失可忽略，试计算：(1)水的用量；(2)传热面积。解：(1)水用量：qmrCPr(t2-t1)=qmlCPl(t2-t1)4500X1.9(8030)=qmlM.2(5020)qml=3393kg/h(2)传热面积A传热基本方程Q=KAAtm求传热速率(热负荷)：热损失不计，则Q=Qr=qmrCPr(t2-t1)=4500仅9和030)/3600=118.75kW求平均推动力atm=E(T-t2)-(T-ti)3/ln(T12)/(Tti)=(8050)(3020)/In(30/10)=18.2K80-50t215t35水的平均温度t=冷却水消耗量W传热系数Q1dobdo1252.5103

6、251Koididmo850204522.51700Ko=471.6W/(m2K)求传热面积A=118.75X1000/471.6X8.2=13.8m23、在单管程单壳程列管换热器中，用120c的饱和水蒸汽加热管内的有机液体。管内液体总流量为15000kg/h,温度由20c升至50C,其比热容为1.76kJ/(kgC)。 测得有机液的对流传热系数为790W/(m2C),蒸汽冷凝传热系数为1X104W/(m2),换热管的直径为25x2.5mm)忽略管壁热阻、污垢热阻及热损失，试计算传热面积。解：传热面积A传热基本方程Q=KAAtm求传热速率(热负荷)Q=QL=qmLCPl(t2-t1)=1500

7、0 x1.76X(5020)/3600=220kW求平均推动力4tm=R(T12)(T3)1/ln(Tt(T11)=(12020)(12050)/In100/70=84.1K求传热系数1/Ko=do/aidi+Ri+bdo/入dm+Ro+1/ao1/Ko=25/20X790+1/100001/Ko=0.00168Ko=595W/(m2-K)求传热面积Ao=220X1000/595X84.1=4.39m24、某列管式加热器由多根中25X2.5mm的钢管组成。将苯由20c力口热至I50C,苯在管内流动，其流量为15m7h,苯的比热为1.76kJ/(kg K),密度为858kg/m3。加热剂为130

8、c的饱和水蒸汽，在管外冷凝。已知加热器以外表面积为基准的总传热系数为700W/(m2K)。试求换热器面积。解：求A传热基本方程Q=KAAtm(1)求传热速率(热负荷)Q=QL=qmLCPl(t2-t1)=15858M.76(50-20)/3600=188.76kW(2)求平均推动力tm=E(T1-t2)-(T2-t1)3/ln(T112)/(T211)=(13020)(13050)/In110/80=94.2K(3)已知传热系数Ko=700W/(m2C)(4)求传热面积Ao=188.761000/70094.2=2.86m24、某列管式加热器由18根长3米25X2.5mm勺钢管组成。将苯由20

9、c加热到60C,苯在管内流动，其流量为16m3/h,苯的比热为1.76kJ/(kgK)；密度为858kg/m3。加热剂为120c的饱和水蒸汽， 在管外冷凝。 已知苯在管内的对流传热膜系数为900W/(m2K),水蒸汽的对流传热膜系数为13000W/(m2K)。试校核该换热器能否使用？解：求A传热基本方程Q=KAAtm、求传热速率(热负荷)Q=Q=qmLCPi(t2-ti)=16X858X1.76X(6020)/3600=268.46kW、求平均推动力4tm=R(TIt2)(T2匕)1/ln(T112)/(T2，)=(12020)(12060)/In100/60=78.3K(或80K)、已知蒸汽

10、的膜系数远大于苯的膜系数，所以K)=900W/(m2-K)、求传热面积Ao=268.46X1000/900X78.3=3.81m2(3.82m2)、校核：换热器的面积为AO*=n兀dL=18X3.14X0.025X3=4.24m2故该换热器能满足要求5、在逆流换热器内，用20c的水将流量为4500kg/h比热容为1.9kJ/(kgK),液体走壳程， 对流传热系数为由直径为中25x2.5mm的钢管组成，钢管的导热系数流传热系数为850W/(m2K),若水的出口温度不超过失可忽略，试计算传热面积。解：传热面积A传热基本方程Q=KAAtm求传热速率(热负荷)：热损失不计，则Q=Qr=qmrCPr(t

11、2-t1)=4500仅9和030)/3600=118.75kW求平均推动力4tm=R(T12)(T11)1/ln(T12)/(T11)=(8050)(3020)/In(30/10)=18.2K传热系数Q1dobdo1252.5103251Koididmo850204522.51700Ko=471.6W/(m2K)求传热面积A=118.75X1000/471.6X8.2=13.8m26、有一列管换热器由中25X2.5mm的120根钢管组成。110c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。已知液体平均比热为4.187kJ/kgK,由15c加热到90C。管内对

12、流传热系数为ai=800W/n2K,蒸气冷凝的对流传热系数a=1.1x1c4W/niK,忽略污垢热阻、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R=2232kJ/kg,试求传热面积。解：求A传热基本方程Q=KAAtm1求传热速率(热负荷)Q=Qr=GrR=2100X2232/3600=1302kw2求平均推动力tm=E(T1-t2)-(T2-t1)3/ln(T112)/(T211)的液体由80c冷却30C,其1700W/(m2K);已知换热器入=45W/(mK);管程走水，对50Co假设污垢热阻、热损=(11015)(11090)/In95/20=48.1K求传热系数

13、1/Ko=do/aidi+1/a01/Ko=25/20X800+1/110001/Ko=0.00165Ko=606或1/Ko=1/ai+1/ao求传热面积Ao=1302X1000/606X48.1=44.7m28、一套管换热器，管内为542mm,套管为1164mm的钢管，内管50C,出口温度为80C,流量为4000Kg/h。环隙其汽化热为有2168.1KJ/Kg,冷凝传热膜系数为332880KJ/m， 比热Cp1.86KJ/KgC,粘度0.3910Ns/m,导热系数0.134W/mK,管内壁垢阻为0.000265cm2/W,管壁及管外侧热阻不计。试求：(A)加热蒸汽消耗量；(B)所需的传热面积

14、(以内管外表面计)。(C)当苯的流量增加50%要求苯的进出口温度不变，加热蒸汽的温度应为多少？解：(1)加热蒸汽消耗量：Drw2cp2色L)D2168.140001.86(8050)D103kg/h(2)内管中苯的流速：4000/3600_28800.7850.05Re绢 F 产7245104湍流中苯被加热，苯进口温度为为133.3C的饱和水蒸气冷凝,2一.11630W/m2K。苯在50C80C之间的物性参数平均值为密度w2/u20.785d20.643m/s工1.861030.391035.410.1340.80.420.023RePrd20.0230134(7.254104)08(5.41

15、)0.4937W/m20C0.05则以内管外表面计的传热系数为：Prd1d12d2d211163054937500.00026550一一2cK656W/mCtmt2t18050lnTt2,133.350ln133.38067.2cW2cp2(t2L)KAItm40003()1.8610(8050)656Al67.23600.，2AI1.41m贝U-1.50.81.383221.3839371296W/m2C1d2d1k2d2k2d21,1d1、d15454(一)KK2d22d2656129650937502K830W/mc（以内管外表面计）解：（1）饱和水蒸汽消耗量DrW2Cp2（t2t1）（

16、2）套管长度L:D:D40001.9(6030)2204103kg/h40003T501.5（）1.86103In8301.413600T80解得：T145.2c即苯的流量增加50碗温度不变时，加热蒸汽的温度应为145.2C。9、在套管换热器中用饱和水蒸汽加热苯液，苯在542mm的钢管内流动。196kPa的饱和水蒸汽在环隙冷凝。已测出苯的进口温度为30C,出口温度为60C,流量为4000kg/h,苯和水蒸气的对流传热系数分别为500W/m2k和4,2,2,10w/mk,管内壁的污垢热阻为0.0004mk/w,忽略管壁及管外污垢的热阻,试求：饱和水蒸气的消耗量；套管的长度；套管的平均温度；现由于

17、某种原因，蒸汽压力减至137kpa，假定苯的物性和蒸汽的对流传热系数不变。求苯液的出口温度。注：（1）操作条件下苯的比热为SkJ/kgk（2）196kPa时的蒸汽温度为120c,汽化潜热为2204kJ/kg，137kpa时的蒸汽温度为109Co1.5w2cp2(t2tl)KA%1.5W2cp2&ti)KAt2tilnTti)Tt2即:1.5W2cp2InTtiFTKAQ蒸A卜(TTw)温度T=230C,其对流传热系数a1=50W/(m.C);另一侧流体温度t=30C,对流tmt2t1TLlnTt26030,12030ln1206074.0-Rs22d211dl5004105041054

18、2K401w/mc(以内表面计)w?Cp2(t2t1)kd2ltm40003()1.9103(603600l13.6m(3)管壁平均温度：30)4010.05174.0QKAtm4010.0513.674.06.34104w即：6.341041040.054 13.6(120Tw)Tw117c(4)若蒸汽压力减至137KPa(T109)时:W2Cp2(t2L)Kd1t2Ld2lTTln-一1Tt2w2cp2InT%Tt2kd2l(即：40003600)0.910310930109t24010.05413.6解得：匕58.0c即苯液的出口温度为58.0C10、某固体壁厚b=500mm其导热系数1

19、.0W/(mC)。已知壁的一侧流体解：方法先求热通量，然后以(Ttx)为传热推动力,1b(一一)为对应热阻，求出tx。即将热流体与壁a1b面对流传热与bx厚壁面的导热综合考虑。(1)热通量q1a2Ttx1bxa1txTq(-bx)110.025、=230-378(-)=213C501传热系数100W/(n2c),若忽略污垢热阻，试求:11)热通量q;(2)距热壁面25mm处的壁温tx。3-8511、立式换热器规格如下：管长3m管数30根，管径为()252.5mm,a2q=150QA0.51tTK1100210.53(mc)/w230300.532378W/m2(2)壁温txq=图3-3图管程为

20、1。现拟选用此换热器冷凝、冷却CS2饱和蒸气，使之从饱和温度46C降至10C,走管外，其流量W=0.07kg/s,其冷凝潜热为356kJ/kg，比热容为1.05kW/(kgC)。水走管内，且与CS2呈逆流流动。冷却水进出口温度为5C和30C。已知冷凝和冷却段基于换热管外表面的总传热系数分别为22Ki200w/(mC)和K2100w/(mC)。问此换热器是否合用？分析：判断一台换热器是否合用，一般可以采用比较传热速率或传热面积的方法，本例采用后一种方法：分别计算已有换热器面积和所需换热器面积，比较二者后即可以得出结论。本例不同之点在于：该换热器既作冷凝器又作冷却器，需分段计算所需面积，即冷凝段所

21、需面积A和冷却段所需面积A2,而A1、A2的求得又须以tm1、tm2为前提。因此，解决该题的重点在于求出冷凝、冷却段交界处的冷却水温度，即冷却水离开冷却段的温度to解：(1)以管子外表面为基准计算已有换热器的传热面积：2And0L303.140.02537.07m2(1)求所需的传热面积冷凝段与冷却段的传热量QWr0.0735624.9kWQ2WhcPTsT20.071.0546102065kW两段的平均温差总传热量：QQ1Q224.92.6527.5kW冷却水用量WcQCpj2t27.54.183050.263kg/s冷却水离开冷却段的温度2.657.4c0.2634.1810CS2冷凝段的

22、平均温差4646c307.438.616Ctm116.4C1638.6,38.616冷却段的平均温差4646c2AA1A24.841.616.45m_.AA,即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。117.45-C38.65tm238.65,38.6In516.4所需传热面积冷凝段鼠Q1KitmiQ9冷却段A2Q2K2tm224.910320025.72.6510310016.4_24.84m1.61m2【例4-2】某平壁燃烧炉是由一层耐火砖与一层普通砖砌成，两层的厚度均为100mm,其导热系数分别为0.9W/(mC)及0.7W/(mC)。待操作稳定后，测得炉膛的内表面温度为700C

23、,外表面温度为130C。为了减少燃烧炉的热损失，在普通科外表面增加一层厚度为40mm、导热系数为0.06W/(mC)的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740C,外表面温度为90Co设两层科的导热系数不变，试计算加保温层后炉壁的热损失比原来的减少百分之几？解：加保温层前单位面积炉壁的热损失为QS1此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：Qtit37001302244w/m2S1如坛0.10.1120.90.7加保温层后单位面积炉壁的热损失为Q此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为:Qt1t47409027/-706W/mS2b1b2b30.10.10.041230.90.70.06

24、故加保温层后热损失比原来减少的百分数为:【例4-3】在外彳至为140mm的蒸气管道外包扎保温材料，以减少热损失。蒸气管外壁温度为390C,保温层外表面温度不大于40C。保温材料的人与t的关系为入=0.1+0.0002t(t的单位为C,入的单位为W/(mC)。若要求每米管长的热12100%22447062244100%68.5%损失Q/L不大于450W/m，试求保温层的厚度以及保温层中温度分布。解：此题为圆筒壁热传导问题，已知：r2=0.07mt2=390Ct3=40C先求保温层在平均温度下的导热系数，即0.10.0002390400.143W/(mC)2(1)保温层温度将式(4-15)改写为3

25、2t2t3in2Q/L20.14339040in0.07450得r3=0.141m故保温层厚度为b=r3r2=0.1410.07=0.071m=71mm(2)保温层中温度分布设保温层半径r处的温度为t,代入式(4-15)可得in解上式并整理得t=501inr-942计算结果表明，即使导热系数为常数，圆筒壁内的温度分布也不是直线而是曲线。【例4-4】有一列管式换热器，由38根625mmx2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20c被加热至80C,苯的流量为8.32kg/so外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的传热系数。当苯的流量提高一倍，传热系数有何变化。解：苯在平均温度tm120805

26、0c 下的物性可由附录查得：2密度 p=860kg/m3;比热容Cp=1.80kJ/(kgC)；粘度 w=0.45mPa-s;导热系数入=0.14W/(m-)。加热管内苯的流速为8.3286J0.81m/s0.7850.02238inr320.143390t450u-!d2n4Rediu0.020.818600.451030960PrCP1.81030.45103c5.790.1413以上计算表明本题的流动情况符合式4-32的实验条件，故0.80.40.140.8_rc0.40.023Re.Pr.0.023309605.79di0.021272W/(m2 C)若忽略定性温度的变化，当苯的流量增

27、加一倍时，给热系数为a0.8127220.82215W/(m2c)u【例4-5】在预热器内将压强为101.3kPa的空气从10c加热到50C。预热器由一束长度为1.5m,直径为()86x1.5mm的错列直立钢管所组成。空气在管外垂直流过，沿流动方向共有15行，每行有管子20歹U,行间与列间管子的中心距为110mm。空气通过管间最狭处的流速为8m/so管内有饱和蒸气冷凝。试求管壁对空气的平均对流传热系数。解：1空气的定性温度=1(10+50)=30C2查得空气在30c时的物性如下:w=1.86x10-5Pa-s入=2.67x10-2W/(mC)空气流过10排错列管束的平均对流传热系数为：0603

28、30.02670.60.33RePr0.3343100d00.086=55W/(m2 C)空气流过15排管束时，由表(4-3)查得系数为a=1.02a=1.02X55=56W/(m2C)【例4-6】热空气在冷却管管外流过，2=90W/(mC),冷却水在管内流过，oc1=1000W/(m2。C)。冷却管外径do=16mm,壁厚b=1.5mm,管壁的入=40W/(mC)。试求：总传热系数K。；管外对流传热系数“2增加一倍，总传热系数有何变化？管内对流传热系数a1增加一倍，总传热系数有何变化？14P=1.165kg/m3Cp=1kJ/(kgC)所以Redu0.08681.16551.86104310

29、0Prcp351101.861022.671020.70.330.71.02,则解:由式4-70可知K。工bj1didm21160.00151611000134014.590可见管壁热阻很小，通常可以忽略不计。147.4W/m1C1900.001230.000040.0111180.8W/(m12.C)2)Ko传热系数增加了82.4%。K。11160.011112100013传热系数只增加了6%,说明要提高K值，应提高较小的“2值。及(4-91a)【例4-8】有一台运转中的单程逆流列管式换热器，热空气在管程由120c降至80C,其对流传热系数a1=50W/（m2。K）。壳程的冷却水从15c升至90C,其对流传热系数“2=2000W/（m2-K）,管壁热阻及污垢热阻皆可不计。当冷却水量增加一倍时，试求水和空气