化工原理传热计算题专题训练

./第二部分计算题示例与分析某流体通过径为100mm圆管时的流传热系数为120W/<>,流体流动的雷诺数,此时的对流传热系数关联式为。今拟改用周长与圆管相同、高与宽之比为1：3的矩形扁管,而保持流速不变,试问对流传热系数有何变化？解：由对流传热系数的计算公式：〔Pr 当物性不变时, 求扁管的当量直径d： 设a、b,分别为矩形截面的宽与长 由题意2<a+b>=解之 a= b= d==设分别为圆管与扁管的对流传热系数,则∴=1.11=1.11100=111W/<℃>对流传热系数由原来的１００Ｗ／〔℃增至现在的１１１Ｗ／〔m℃分析：由以上的计算可以看出,由于矩形扁管的当量直径小于同周长圆的直径,其对流传热系数大于后者。因此用非圆形管道制成的换热器〔如最近开发的螺旋扁管换热器,一般都具有高效的特点。３－８４某固体壁厚b=500mm,其导热系数℃>。已知壁的一侧流体温度Ｔ＝230C,其对流传热系数a=50W/<m.℃>;另一侧流体温度t=30℃,对流传热系数m2℃>.若忽略污垢热阻,试求：热通量q;〔2距热壁面２５mm处的壁温t。解：方法一TT先求热通量,然后以〔Ｔ－t为传热推动力,〔为对应热阻,求出。即将热流体与壁b面对流传热与厚壁面的导热综合考虑。〔1热通量q图3-33-84附图=℃>/Wq=<2>壁温q==230-378<=213℃方法二用方法一求出热通量后,先由牛顿冷却定律求出热壁面的温度,然后再由傅立叶定律求出距热壁面处的,即分步计算法。热通量壁温由牛顿冷却定律得℃再由傅立叶定律得℃当然从冷流体算起还可以找到两种方法,即综合法和分步法。分析：此例想要强调的是,无论采取哪一种求解方法,都要十分注意传热推动力与热阻的对应关系。例如我们还可以找到第5种并不简捷的方法,即先从热流体着眼,求出冷壁面的温度,再从冷壁面求出距其处的壁温。则其传热推动力与热阻的对应关系应是：——、——。一立式换热器规格如下：管长3m,管数30根,管径为φmm,管程为1。现拟选用此换热器冷凝、冷却饱和蒸气,使之从饱和温度46℃降至10℃,走管外,其流量W=0.07kg/s,其冷凝潜热为356kJ/kg,比热容为1.05kW/<kg℃>。水走管,且与呈逆流流动。冷却水进出口温度为5℃和30℃。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<℃>和<℃>。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,即冷凝段所需面积和冷却段所需面积,而、的求得又须以、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t。解：〔1以管子外表面为基准计算已有换热器的传热面积：求所需的传热面积冷凝段与冷却段的传热量水CS2水CS2冷凝段冷凝段K1②K1总传热量：冷却水用量K2冷却段K2冷却段冷却水离开冷却段的温度水CS2℃水CS2冷凝段的平均温差℃℃℃冷却段的平均温差℃℃③所需传热面积冷凝段冷却段A>,即已有传热面积大于所需传热面积,所以此换热器合用。3-86将流量为2200kg/h的空气在蒸汽预热器从20℃加热到80℃。空气在管作湍流流动,116℃的饱和蒸汽在管外冷凝。现因工况变动需将空气的流量增加20%,而空气的进、出口温度不变。问采用什么方法才能完成新的生产任务？请作出定量计算〔要求：换热器的根数不作变化。分析：由传热基本方程着眼考虑：空气流量增加20%而进出口温度不变,即Q增加20%。因为蒸汽的冷凝系数远大于空气的对流传热系数,所以总传热系数K接近空气的对流传热系数。空气流量增加后,总传热系数增大,但其增大的幅度不能满足热负荷增大的要求,故可以改变的只有及A。解：,又管壁较薄可忽略其热阻在物性不变的前提下<a>由题意,n为常数〔a式代入：〔b〔a、〔b二式中、均为比例系数。设"1","2"分别代表工况改变前后的情况,由〔b式：已知：1.2<b>比较〔a、〔b二式得将已知数据代入增加冷凝量为即蒸气冷凝量增加了64％。此例可以帮助我们加深对控制热阻的理解。由于原来的冷却水出口温度已经很低,冷却水流量加倍后,平均温差即传热推动力增加很少,这可由与的比较看出。但因蒸气冷凝给热系数远大于冷却水的对流传热系数,所以管对流传热热阻就成为整个冷凝过程的控制热阻。冷却水流量加倍后,管对流传热系数增大到原来的倍,控制热阻相应降低,导致总传热系数几乎以与管对流传热系数相同的幅度增大,结果使冷凝液大量增加,由此可见,降低控制热阻,是增大传热速率的一个重要途径。某废热锅炉由25mm2。5mm的锅炉钢管组成。管外为水沸腾,绝对压强为2。8Mp,管走合成转化气,温度由550℃降至450℃。已知转化气一侧,℃水侧℃。若忽略污垢热阻,求换热管的壁温及。解：方法一先求总传热系数〔以管子表面为基准平均温度差2.8Mp下水的饱和温度为230℃。〔3热通量〔4管壁温度先着眼于管的对流传热。由牛顿冷却定律：又℃②再眼于管外的对流传热℃方法先求传热过程的总热阻及分热阻〔基于表面=0.00413<℃>/W<2>再求管壁温度在连续传热过程中,温降与热阻成正比。故已知：t=2300cT==500℃tw=T-=℃tw=t+=℃两种解法结果相同分析：由于管外水沸腾传热系数较大,管合成转化气对流传热系数相对要小得多,所以壁温接近水的温度。又因为管壁的热阻较小,所以温降也小,也就是说管壁两侧温度比较接近。两种方法略作比较可以发现,第二种方法更简捷、直观。壁温的估算对工程技术人员十分重要。无论选择换热器类型还是选定换热器都需要知道壁温,一些对流传热系数的计算也需要知道壁温。质量流率相同的两种液体通过某套换热器的管程并被加热,其对流传热系数都可以用下式表示：若定性温度下两流体的物性=4.2,=3.2为了简化计算,其它物性可认为相同,问二者的对流传热系数有多大差别？解：由给热系数的计算公式知：0.40.6即二者的对流传热系数之比为3.57倍。分析：在相同的质量流率下,由于两种液体的物性不同,其对流传热系数相差是很大的。换言之,流体的物性对对流传热系数的影响是甚大,这点我们应予以充分注意。至于气体与液体之间,这种区别就更大。例如定性温度为50c时,在相同的流动状态下,水和空气的对流传热系数相差700倍以上。因此在一般操作情况下,空气的流速往往比水的流速要大几倍甚至十几倍。3-94在列管换热器中用蒸汽加热空气,蒸汽走完程,空气走管程且作湍流流动,若其它条件不变,仅将：<1>空气的压强加倍；<2>传热管的数目加倍试估算Ｑ/∆tm将如何变化？解：〔1蒸汽》空气K空气由Q=KAΔtm得Q/Re=由上可知,当压强加倍后,管空气的,u将有所改变,具体说增大u减少,但质量流速G=u不变。即Re=不变。又r=不变不变Q/Δtm亦不变化〔2传热管数目加倍。传热管数目加倍,则传热面积A加倍；但流通面积增大1倍后,流速相应减少1倍,管对流传热系数减至原来倍。一长度为3m、管外径为131mm、管通有123℃饱和蒸汽的竖直加热管。管外壁的温度为120℃,周围空气的温度为20℃,试求：每米管道因自然对流而产生的热损失为多少?若管外包一层40mm的保温层后,保温层外表面温度降至60℃,上述热损失减至多少?解:<1>定性温度=℃,在此温度下空气的物性为℃℃查表得：=6。84W/〔m2℃加保温后定性温度℃,在此温度下：℃℃Pr'=0.699Gr'==1.17×1011Gr'·Pr'=1.17×1011×0.699=8.17×1010α'==5.39W/<m·℃>=5.39×3.14×0.131<60-20>=88.7W/m即加了保温层后,每米管道的热损失由原来的281W/m减至88.7W/m。此题亦可采取简化的方法：如上求出α=6.84W/<m·℃>后,因为保温前后均属自然对流,假定物性不变,则保温前后对流系数的关系为∴W/<m2·℃>简化计算的结果与前面计算相差％分析：α=可以发现：当n=1/3时,定性尺寸〔此例中既蒸汽管的长度可以消去。利用这种自然对流与定性尺寸无关的特点,可以在较小尺寸的模型上进行自然对流传热研究,即所谓的"自模化"实验,从而为实验工作带来诸多方便。3-96平均温度为270℃的机油从一φ108mm×6mm的钢管中流过。已知油对管壁的对流传热系数为340W/<m2·℃>,大气温度为12℃。试求：<1>每米管长的热损失：<2>若管外包以导热系数为0.045W/<m·℃>,厚度为20mm的玻璃棉作保护层,此时的热损失又为多少？假设管壁及污垢热阻可以忽略不计,外壁对空气的对流－辐射联合传热系数可用aT=8+0.05tW来计算。其中tW表示壁温,℃；αT的单位为W/<m2·℃>。解：〔1设油和空气的温度分别为t1、t2。从热油和空气的传热来看Q=KA<t1-t2>欲求Q必先知K,而K又与αT有关。由αT的计算式可以看出,求解tW是关键。但从外壁对周围环境的联合传热方程QT=αTA<tW-t>分析,要想求得tW又须知QT。如此应采取试差法求解。设未保温时管外壁温度为265℃则αT=8+0.05×265=21.3W/<m2·℃>每米钢管的外表面积A=πdL=3.14×0.108×1=0.339m2散热量QT=αTA<tW-t>=21.3×0.339<265-12>=1827W校核壁温由Q=KA<t1-t2>其中:=0.0499〔m2℃/W∴K=20W/<m2·℃>又Q=20×0.339<270-12>=1753W稳定传热时,QT应等于Q；现QT>Q,说明假设的壁温偏高。重设tW=250℃αT=8+0.05×250=20.5W/<m2·K>QT=20.50×0.339<250-12>=1654W校核壁温=0.0517<m2·℃>/W∴K=19.3W/<m2·K>Q≈19.3×0.339<250-12>=1688WQT≈Q,说明所设壁温合理。故每米钢管的损失约为=1671W。<2>设保温后外壁温度为50℃αT=8+0.05×50=10.5W/<m2·℃>此时每米管长的外表面积AT=π<0.108+0.04>×1=0.465m2散热量QT=10.5×0.465<50-12>=186W校核壁温由于增加了保温层的热阻,总热阻=0.543<m2·℃>/W∴K=1.84W/<m2·℃>传热面积取保温层、外表面积的平均值A==0.402m2Q=KA<t1-t2>=1.84×0.402<270-12>=190WQ≈QT,说明所设壁温合理。故保温后每米钢管热损失仅有=188W,为不保温时的=11.3%。分析：比较保温前后可以看出：保温前总热阻为0.0517<m2·℃>/W,保温后总热阻为0.543<m2·℃>/W,大了一个数量级；保温前钢管外壁温度为250℃,保温后保温层表面温度降至50℃,下降了200℃。本例提示我们：高温设备经保温可极大限度地减少热损失,因此是十分必要的。3-97有两条φ48mm×3mm的蒸汽管道,管饱和蒸汽的温度皆为120℃。不同的是管线甲外包有一层λ=0.75W/<m2·℃>、厚10mm的绝热层,而管线乙没有。设周围空气为20℃,空气的对流传热系数αa=10W/<m2·℃>。试比较哪一个管道的散热速率大。请说明原因。解：因为管壁的热阻很小,故管壁外表面温度可取作120℃。求单位管长的热损失：管线甲甲管外包有绝热层,因此总散热损失包括单位时间通过绝热层的导热量与空气对流传热热量二者之和,即==185W/m管线乙乙管外无绝热层,总散热损失即单位时间管壁与空气的对流传热量。=απd1<t1-t3>=10π×0.048<120-20>=151W/m由以上计算可以看出,包有绝热层的管甲的散热量反而裸管乙要大。为什么会出现这样的结果呢？分析：由<a>式我们不难看出,管甲的散热总热阻R为导热热阻和对流传热热阻之和。随着绝热层厚度的增加即r2增大,导热热阻增大,对流传热热阻减小。当绝热层厚度从零开始增大时,总热阻R先是降低到某一个临界值后又逐渐增大。临界半径可由求出：令=0则临界半径r2=本题中,临界半径r2==0.075m=75mm,管道中的绝热层厚度为10mm,其半径为３4mm,在临界半径之,此时随绝热层厚度增大,热损失增大。由r2=还可以看出,对于直径较小的管道特别是导线,一定要选用绝热或绝缘性能好<λ大>的材料做绝热或绝缘层,否则就会事与愿违。3-98在管道中心装有热电偶以测量管空气的温度。由于热电偶温度上升后对管壁进行辐射传热,测温元件的温度t1低于空气的真实温度ta。试推导计算测量误差的关系式。<2>已知热偶的指示温度t1=220℃,管道壁温度tW=120℃,热偶的黑度为0.8,空气对流传热系数α=40W/<m2·℃>·。试求真实的空气温度。解<1>热电偶的绝对温度T1=<t1+273>K管壁的绝对温度TW=<tW+273>K空气与热电偶的对流传热为q==α<ta-t1>热电偶与管壁之间的辐射传热为则稳态下,二者热通量相等,即：相对误差将已知数据代入上式：绝对误差空气的真实温度相对误差分析：由计算结果知,相对误差较大。由式可以看出,减小误差的方法有：①减小热电偶的黑度；②增大空气的对流传热系数。为此应增大空气流速,或将热电偶安放在管中心处；③将管壁保温以提高壁温；④在热电偶处加一遮热罩,限制热电偶与管道壁的辐射传热。为了减小测量误差,在上题热电偶处加一黑度为0.55的遮热罩,空气的对流传热系数﹑管遮热罩壁温度和空气的真实温度不变。求热电偶指示的温度。热电偶分析如图3-7,热偶加遮热罩后,热偶对管道壁的辐射传热被抑制,空气变为热偶对遮热罩壁的辐射。当空气对热偶的对流传热速率与热偶图3-73-99附图对遮热罩的辐射传热速率相等时,热电偶指示的温度即为所求。但因遮热罩的温度为未知,必须建立一个新的热平衡关系,即空气对遮热罩的对流传热速率加上热偶对遮热罩的辐射传热速率等于遮热罩对管道壁的辐射传热速率。由于热偶对遮热罩的辐射传热速率远小于空气对遮热罩的对流传热速率,在计算热罩热平衡时可以忽视不计。解：遮热罩的热平衡计算设A为遮热罩两侧的平均表面积,为遮热罩的温度。空气对遮热罩的对流传热速率遮热罩对管壁的辐射传热速率平衡时,式式将已知数据代入即可求得遮热罩的温度热电偶热平衡计算设热电偶的外表面积为,黑度为。空气对热电偶的对流传热速率热电偶对遮热罩的辐射传热速率平衡时,式式将已知数据代入,即可求得热偶的指示温度相对误差仅为不加遮热罩时的可见在热偶外安装遮热罩可使热偶的指示温度更接近气体的真实温度,明显地降低了测量误差,是一种行之有效的方法。拟在列管式换热器中用120的饱和蒸气将存放在常压贮槽中的温度为20﹑比热容为2.09kJ/<kg·>﹑质量为的重油进行加热。采用输油能力为6000kg/h的油泵将油从贮槽送往换热器,经加热后再返回,油循环流动。若要求经4h后油温升至80,试计算所需换热器的传热面积。假定整个加热过程中均可取作350W/〔℃,而且任一瞬间槽温度总是均匀的。分析：此为一不稳定传热过程。因为重油离开换热器的出口温度总是随着进口温度〔即槽温度变化。因此,可先通过热量衡算和总传热速率方程先求出与﹑的关系,然后将此关系再代入热平衡方程,得到﹑﹑的关系式,再根据题中给定的条件〔既在4h油温从20升至80进行积分,既可求得所需的传热面积。解：设G为槽油的质量〔kg,W为泵的输油能力〔kg/h,T为饱和蒸气的温度,根据题意,由热平衡方程和总传热速率方程化简：由瞬间热平衡方程将式代入分离变量：变量置换将已知数据代入,积分：解得3-101将一铜球投入T=350的恒温油槽中。已知铜球的初始温=20,质量m=1kg,表面积,比热容c=0.406,油与球外表面的对流传热系数=60W/<。设可忽略铜球部的导热热阻,求6min后铜球的温度。分析：铜球投入油中后,随即开始吸热升温过程。由于油温不变,随着球温上升,传热推动力即温差减小,传热速率下降。而传热速率下降反过来又影响铜球的吸热,使得球温上升速度渐减。所以铜球与油品之间的传热为一非定态传热过程。解：设t为铜球的瞬时温度,秒时间,球温升高摄氏度。铜球的吸热速率为油对铜球的传热速率为由题意,式=式,即分离变量对式进行积分故代入已知数6min后铜球升至156℃。3-102用传热面积=的蛇管加热器加热容器中的某油品,拟将油温从升至。已知加热器的总传热系数,油品质量,比热容。容器外表面散热面积,空气温度℃,空气与器壁的对流传热系数,加热蒸汽的压强为。试求：所需加热时间；油品能否升至。不考虑管壁热阻及油与壁面的对流传热热阻。分析：显然,这也是个不定态的问题。蒸气通过蛇管加热器使油品不断升温,当油品温度超过容器外空气温度后在自身升温的同时又不断向器外空气散热。器﹑器外传热推动力都随时间不断变化。但不管情况如何改变,热平衡关系却总是成立的。因此,求解本题的关键在于找出其间这样一个平衡关系：蒸气的加热速率等于油品的吸热速率与容器向外散热速率之和。又：油温升高的过程即为器壁向环境散热量不断增加的过程,直至这两个过程速率相等。此时的油品温度即为其可能达到的最高温度。解：油品从升至所需时间查表得,时蒸气的饱和温度蛇管加热器的传热速率式中t——任一瞬间油品温度,油品的吸热速率器壁的散热速率由热平衡关系故将已知条件代入整理积分油品可能升至的最高温度令加热器的传热量与器壁的散热量相等即代入数据解之t=86.9℃<90℃由计算结果知：油品从20℃升至80℃需2.17h。油温最高升至86.9℃,不能达到90℃。3—103用一设有搅拌器的夹套式换热器将质量m=800kg的上例油品从80℃冷却至40℃。已知夹套式换热器的总传热系数,传热面积,冷却水的流量,入口温度。试求：所需时间；<2>此时冷却水的出口温度。假设热损失可以忽略不计,传热推动力可用对数平均温差公式计算。分析：本题与上例既有相识之处,又有较大差别。上例加热剂蒸汽温度不变,只是被t2t2<冷却水>油t<冷却水>加热介质油品温度变化；本例中不仅是冷却介质油品温度变化,冷却剂的温度亦随之改变,因此较上例更为复杂一些。只有找出任一瞬间油品温度T与冷却水出口温度t2之间的关系,才能完成所求。而找出上述二者的关系则需借助传热基本方程和热平衡方程。解〔1传热基本方程<a>热平衡方程<b>将<a>、<b>两式联立整理得<c>令则∴<d>又〔e将<e>式代入<b>式分离变量积分∴〔f为了计算方便起见,先求出A将A与其他已知数据代入<f>式解之将A值代入<d>式由计算结果可知,油温从80℃降至40℃需1.88h,此时水的出口温度为33.6℃。J04c102213-104求电热器中电热丝的表面温度。已知电热丝直径0.5,全长2.5,表面黑度,周围反射器的温度为15℃,电热器的功耗为。不计对流传热。解电热丝被反射器所包围其中则℃即电热丝的表面温度为917℃j04c102543-105欲将一容器中的溶液进行加热,使其从30℃加热至60℃,容器中的液量为6000,用夹套加热,传热面积为,容器有搅拌器,因此器液体各处的温度可视为均匀的,加热蒸气为的饱和水蒸气,传热系数为℃,求将溶液由30℃加热至60℃所需要的时间？已知溶液比热为℃,热损失忽略不计。解：溶液从30℃被加热到60℃所需的热量：而夹套的传热效率：其中,对于的饱和水蒸气,℃℃则j04c150963-106有一列管式热换器,列管由薄壁钢管制成。壳方通入温度为720℃的饱和水蒸汽。管走空气,空气流量为,呈湍流流动,进口温度为30℃,出口温度为80℃。现加大空气流量为原来的1.5倍,进口温度不变。问此时的换热量为多少？空气比热,假设空气的物性保持不变。解：原工况：其中：现工况：则由〔2/〔1得：解得：℃则此时的换热量为：j04c151173-107一列管式换热器,由的136根不锈钢管组成。平均比热为℃的某溶液在管作湍流流动,其流量为,并由15℃加热到100℃。温度为110℃的饱和水蒸气在壳方冷凝。已知单管程时管壁对溶液的给热系数℃,蒸汽对管壁的给热系数℃,不锈钢管的导热系数℃,忽略垢层热阻和热损失。试求：A管程为单程时的列管长度〔有效长度,下同；B管程为4程时的列管长度〔总管数不变,仍为136根。解：〔1单程时,℃〔以外表面计℃即单程时列管的有效长度为。〔24程时,则℃不变,为37.8℃。即管程为4程时的列管长度为3.56。j04c151983-108冷、热水在传热面积为的换热器中进行热交换,进口热水温度为85℃,流量为,冷水在25℃下进入,流量为。两者按逆流流动。已知传热系数℃。不计热损失。求传热量及冷、热水的出口温度。〔冷热水物性数据可视为相同,取平均比热为。解：冷水为最小热容流体,则热效率：∵∴即：传热量为,冷水出口温度为64.8℃,热水出口温度为55.2℃。J04c152173-109某列管热换器用109.2℃的饱和水蒸气加热管空气,使它由20℃升到80℃,现空气流量增加一倍,问在传热面积和空气进、出口温度不变的情况下,加热蒸汽温度应改变为多少？解：则原工况：〔1流量加倍后,空气进、出口温度不变：〔2〔2/〔1得：解得：℃。即加热蒸汽应上升为116.5℃。J04c152473-110现有两台单壳程单管程的传热面积均为的列管式空气加热器,每台加热器均由64根钢管组成。壳程为170℃的饱和水蒸气冷凝〔冷凝潜热,空气入口温度℃,流量为,以湍流方式通过管。〔1若两台换热器并联使用,通过每台热换器的空气流量均等,此时空气的对流传热系数为℃,求空气的出口温度及水蒸气的总冷凝量为多少？〔2若二台换热器改为串联使用,问此时空气的出口温度及水蒸气的总冷凝量为多少？假定空气的物性不随温度压力而变化,视为常量℃。解：〔1两台并联使用：℃对于其中一台：即：解得：℃即空气的出口温度为93.8℃两台的传热量：蒸汽总冷凝量：〔2两台串联使用：℃即℃又即：∴即空气的出口温度总传热量：水蒸汽总冷凝量：J04c200903-111温度为20℃比热为℃的溶剂以的流率流过套管换热器管,被加热至64℃,环隙为170℃饱和水蒸气冷凝。换热器管直径,总长,材料为钢,计算传热系数。如果将管改为的钢管,其他条件不变,求所需管长。假设两种情况下蒸汽冷凝膜系数均为液体在管均为湍流,不考虑污垢热阻及热损失。钢的导热系数℃。解：〔1℃℃〔以外表面计〔2管改为的钢管。原工况：现工况：由原工况可得：解得：℃则现工况：℃℃〔以外表面计即管长为。J04c200933-112有一套管换热器,管为,套管为的钢管,管中苯被加热,苯进口温度为50℃,出口温度为80℃,流量为。环隙为133.3℃的饱和水蒸气冷凝,其汽化热为,冷凝传热膜系数为。苯在50℃~80℃之间的物性参数平均值为密度,比热℃,粘度,导热系数,管壁垢阻为,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〔以管外表面计。〔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：〔2管中苯的流速：湍流则以管外表面计的传热系数为：℃℃〔3苯的流量增加50%,而进出口温度不变,则℃℃〔以管外表面计即：解得：℃即苯的流量增加50%而温度不变时,加热蒸汽的温度应为145.2℃。j04c201143-113有一传热实验,在套管换热器中用饱和水蒸气加热空气,空气走管,蒸汽在环隙冷凝。已知,两侧均无垢,管为,长的紫铜管。今测得：空气：进口温度：20℃出口温度70℃流量：〔进口状态之值粘度：〔45℃下蒸汽：温度：110℃〔冷凝潜热：2250冷凝量：〔A试求该套管换热器向大气散失的热量占蒸汽放出热量的百分数。〔B估计管空气的传热膜系〔℃〔C如空气进口温度不变,流量增到〔进口状态,为了维持其出口温度仍为70℃,需要调节蒸汽压力,问此时蒸汽温度应为多少,方可满足要求？注：①在实验温度围,空气的比热变化很小,可取℃②空气可视为理想气体,操作压力可取为,分子量为29。解：〔1空气在进口状态下的密度为：空气在管的质量流量：空气所获得的热量：而蒸汽冷凝放出的热量：向大气散失的热量占蒸汽放出热量的百分数为：〔2湍流空气传热膜系数：℃〔3空气流量增到时,℃〔以表面计则℃即：蒸汽温度应为128℃才能满足要求。J04c201153-114某厂用两台结构完全相同的单程列管换热器〔由44根、长的管子构成,按并联方式预热某种料液。122℃饱和蒸汽在两换热器管外加热,料液以等流量在两换热器管流过。料液的比热为℃,密度为,当料液总量为时〔料液在管呈湍流流动料液由22℃被加热到102℃,若蒸汽冷凝传热膜系数为℃,管壁及污垢热阻均可忽略不计。试问：〔A料液对流传热膜系数为多少？〔B料液总量与加热条件不变,将两台换热器由并联该为串联使用,料液能否由22℃加热到112℃。〔C两台换热器由并联该为串联后,总流量不变的情况下,流经换热器的压力降将增加多少倍〔湍流时可按考虑。解：〔1℃℃〔以外表面计管壁及污垢热阻可忽略。℃即料液的对流传热膜系数为℃〔2改为串联后：℃℃〔以外表面计即：解得：℃〈112℃即料液不能被加热到112℃〔3压力降：则串联时,并联时,倍。即串联的压力降将增加5.73倍。J04c201163-115有一套管换热器,管为,外管为的钢管。现用120℃的饱和水蒸气加热苯,使苯由50℃加热至80℃,苯在管中以的流量流动,试求：〔A加热蒸汽消耗量；〔B所需套管的有效长度；〔C由于某种原因,加热蒸汽的温度降为110℃,苯的出口温度将变为多少？〔假设苯不变,在50--80℃围,苯的物性为℃,℃,,钢的导热系数为℃,120℃时水蒸气冷凝潜热,蒸汽侧对流传热系数℃,壁两侧垢层热阻及换热器损失均可忽略,加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出。解：〔1加热蒸汽消耗量：〔2套管的有效长度：湍流℃则以管外表面计的传热系数：℃℃〔3当℃时,不变,也可视为不变。℃则即：解得：℃j04c201183-116欲将流量的苯蒸汽在附图所示的直立单壳程单管程换热器的壳程先冷凝后冷却。苯蒸汽压力,相应的冷凝温度,潜热为。液苯的出口温度要求低于。液苯的平均比热为。换热器装有,长的无缝铜管38根,铜的导热系数为。苯蒸汽在管外冷凝的传热膜系数,液苯在管外的传热膜系数。冷却水走管,每管外苯逆流,水的入口温度,出口温度。水在管各处的传热膜系数均为：式中,U为水的流速,；为管的径,为管进、出口水温的算术平均值,。如果热损失及污垢热阻均可忽略不计,试问：〔A冷却水需用量为多少？〔B换热器能否完成苯蒸汽的冷凝、冷却任务？解：〔1传热量其中：冷却水用量：〔2设苯蒸汽部冷凝时,对应的水温度为则由：解得：水在管的传热膜系数：℃冷凝段的传热系数：〔以外表面计平均温差：℃冷凝所需传热面积冷却段的传热系数：〔以外表面计平均温差：℃冷却所需传热面积所需总换热面积：而实际换热器面积：此换热器能完成任务。J04c201193-117某一列管式换热器,将一定量的空气加热。空气在管作湍流流动,饱和水蒸气在管外冷凝。今因生产任务加大一倍,除用原换热器外,尚需加一台新换热器。如果使新旧两台换热器并联使用,且使二台换热器在空气流量、进、出口温度及饱和蒸汽温度都相同的条件下操作。原换热器列管数为,管径为,管长为,而新换热器管数为,管径为。试问新换热器管长为原换热器管长的几倍。解：二台换热器的空气流量、进、出口温度及饱和蒸汽温度都相同,且,原换热器：<1>新换热器：<2>〔2/〔1得：其中：原换热器管流速,新换热器管流速,则即新换热器管长为原换热器管长的倍。J04c2001203-118某长用套管换热器每小时冷凝甲苯蒸汽,冷凝温度110℃,冷凝潜热为,冷凝膜系数℃,冷却水温16℃,以的流量进入管〔径50,作湍流流动,膜系数℃,水的比热取为℃,忽略壁阻及污垢热阻。试求A冷却水出口温度及管长；B如在夏季,冷却水入口温度将升至25℃,使换热器传热能力下降,为此建议将水流量增加一倍,那么,该换热器的传热能力能否增加？定量地说明。解：〔1冷却水出口温度：℃管长：℃℃〔2当℃时。而流量加倍时,℃℃即：℃℃则传热能力原传热能力换热器的传热能力能增加。J04c201213-119在列管式换热器中,用饱和水蒸气将空气由10℃加热到90℃,该换热器由38根,长1.5m的铜管构成,空气在管作湍湍流动,其流量为740Kg/h,比热为1.005℃,饱和水蒸气在管间冷凝.已知操作条件下的空气对流给热系数<或称对流传热膜系数>为70W/.℃,水蒸气的冷凝给热系数为8000W℃,管壁及垢层热阻可忽略不计。试确定所需饱和水蒸气的温度；若将空气量增大25%通过原换热器,在饱和水蒸气温度及空气进口温度均不变的情况下,空气能加热到多少度？〔设在本题条件下空气出口温度有所改变时,其物性参数可视为不变解：〔1饱和水蒸气的温度T:其中：℃<以外表面计>T=124℃<2>若空气量增大25%,则℃由式〔１可知：解得：即空气加热到J04c201233-119-2如图所示的套管换热器,空气进口温度℃,出口温度℃,空气的质量流量W=50Kg/h,定性温度下空气的物性参数:,,;管为的无缝钢管,长度为2.0m,设饱和水蒸气的冷凝传热系数℃,试求:饱和蒸汽的温度<℃>;若空气质量流量减少50%,其他参数不变,则总传热系数值为多少℃。参见附图：j04c123.t解：〔1饱和蒸汽温度：管空气流速：湍流℃℃而℃℃〔2当空气流量减少50%时,过渡流解得：℃即出口温度为106℃。J04c201243-120欲设计一列管式换热器,用110℃的饱和水蒸气将的常压空气由20℃预热到95℃。A.若初步选定采用单管程换热器,空气走管程,管束由120根的铜管组成。试确定所需管束长。B.若选用双管程浮头式列管换热器。管子总数、管长及直径同上。则空气的出口温度有无变化？试确定之。在计算中,冷凝液膜的热阻、管壁及其两侧污垢热阻可忽略不计,其空气平均温度下的物性可取：粘度,比热：℃,导热系数℃,密度。解：〔1管长：管流速：==9.59湍流℃冷凝液膜热阻,管壁及两侧污垢热阻可忽略不计,℃〔以表面计℃则即管束长2.0m〔2若改为双管程：℃即：℃℃由〔1式可知：解得:℃因现蒸汽温度℃>℃,所以此蒸汽能满足传热要求.J04c201253-121在一传热面积为的再沸器中,用95℃热水加热某有机液体,使之沸腾以产生一定量的蒸汽。有机液体沸点45℃,已知热水在管程流速〔质量流量。出口水温75℃,再沸器中列管管径。A.计算该再沸器在上述操作情况下的传热系数,热水侧给热系数,沸腾侧给热系数。B.若管程中热水流速增为,热水入口温度不变,试估算上升蒸汽量增大的百分率。〔假定热水物性与沸腾侧给热系数可视为不变以上计算,热水物性：,污垢热阻：管壁热阻可忽略不计并不考虑热损失。解：〔1传热系数：其中：℃℃〔假设以外表面计热水侧的给热系数：湍流℃沸腾侧给热系数:℃<2>若热水流速为1.5,即质量流速为℃℃解得：℃流速为1.5时的传热量为：而流速为时的传热量为：则上升蒸汽量增大的百分数为：J04c201263-122有一套管换热器,管为,套管为的钢管。管中苯自50℃被加热到80℃,流量为。套管中为〔绝的饱和水蒸气冷凝。蒸汽冷凝传热膜系数〔给热系数为℃。已知：苯在50~80℃之间的物性数据平均值为：℃℃,管侧污垢热阻管壁及管外侧污垢热阻不计。蒸汽性质下压强关系如下表所示压强〔绝1.02.03.0温度℃99.1120133汽化热225922042168试求：A管壁对苯的传热膜系数；B套管的有效长度；C若加热蒸汽压力降为〔绝,问苯出口温度有何变化？应为多少？解：〔1管壁对苯的传热膜系数：湍流℃〔2套管的有效长度：℃〔以外表面计℃〔3当加热蒸汽压力为〔绝,即℃时,其中：不变。解得：℃即苯的出口温度降低为71.1℃J04c201293-123有一套管式换热器,甲流体〔走管间和乙流体〔走管间在其中逆流换热。生产要求将流量为810的甲流体〔℃从120℃冷却至70℃,管壁的对流膜系数℃,并可视作不变。乙流体由20℃被加热至50℃。35℃的水的粘度为0.72,已知管径为0.0508,乙流体的平均流速为0.15,管壁对乙流体的对流传热膜系数℃,管两端压强差为。如果管壁及污垢热阻不计,流体的物性常数及摩擦力系数均可视为常数。求当此换热器管两端压强差经调节增至3时,完成这一传热过程所需的传热面积。解：当管压强差为时,管压强差为3时,湍流当管压强差为3时,管流动也肯定为湍流则℃℃又由原工况：可得：℃热流体的流量,进出口温度不变〔生产要求解得：℃平均温差：℃则由可得：j04c201303-123-2有一套管式换热器,管为,外管为的钢管。管中苯由50℃被加热至80℃,其流量为。环隙中为〔绝饱和水蒸气冷凝,蒸汽冷凝的传热膜系数为。已知苯在50~80℃之间的平均物性数据为：；千卡/千克℃；；厘泊。管侧垢阻,管热阻及管外侧垢阻可以忽略不计。加热蒸汽压强与温度的关系如下：压强,〔绝压1.02.03.0温度,℃99.1120133汽化潜热,225922042163试求：以管表面积为准的传热系数？套管的有效长度；采用上述套管长度,若加热蒸汽压增至〔绝,问苯的出口温度将是多少度？〔值可以近似认为不变。解：〔1以管表面计的传热系数：湍流℃℃〔2套管的有效长度：即：〔3当蒸汽压力增至时〔℃,苯的出口温度：由〔1式可得：〔2/〔1得：解得：℃j04c201323-124在单程列管换热器,用120℃饱和蒸汽将流量为8500的气体从20℃加热到60℃,气体在管以流动,管子为的铜管,蒸汽冷凝膜系数为℃,管壁和污垢热阻可不计,试计算：基于管径的传热面积；如将气体流量增加一倍,气体出口温度为多少？〔气体进口温度和气体物性不变气体物性为：℃,,℃,。解：〔1基于管径的传热面积：湍流℃℃〔以表面计℃则：〔2流量增加一倍时,=1.741℃w/℃解得:℃即空气出口温度为55.8℃jo4c201333-125某厂库存有一台列管式换热器,其主要尺寸为:列管规格38管常4m,管数127根,欲利用这台换热器,用水蒸气加热空气.蒸汽走壳程,空气走管程,空气流量为6000标准/小时,要求自20℃加热至100℃以上。已知：空气侧对流传热系数为℃；蒸汽侧对流传热系数为11000w/℃污垢热阻和管壁热阻可以忽略不计;标准状况下,空气密度为1.29kg/,操作条件下饿比热取1.01kJ/kg.℃蒸汽的有关参数见附表.当采用压力为2kg/c<绝对>的加热蒸汽时,试核算此台换热器是否能满足要求。如果用压力为〔绝对的加热蒸汽,利用此台换热器,可以将空气自20℃加热至多少度？蒸汽消耗量为多少。附表：饱和水蒸气表绝对压力温度℃汽化热1.099.12260.452.0119.62206.443.0132.92169.18解：〔1蒸汽压力为〔=119.6℃时：℃〔以外表面计即；而实际换热器面积：此换热器不能满足要求。〔2当蒸汽压力为〔℃时,由式〔1得：解得：℃即空气自20℃加热到104℃。蒸汽消耗量：J04c201343-126在一型列管冷凝器中用饱和水蒸气预热有机溶剂,蒸汽在壳程中冷凝为同温度的饱和水。溶剂走管。已知：水蒸气：温度120℃,冷凝潜热冷凝传热膜系数：℃。溶剂：流量：45吨/时,入口温度42℃,出口温度82℃,平均温度下的比热℃。换热器：管子总数120根,管子规格,材料：钢〔导热系数℃以管外表面积为基准的传热面积,壳体没保温,壳外表面积。四周环境温度15℃,换热器外壳至周围环境的对流辐射综合传热膜系数℃。忽略壳壁热阻,估计蒸汽的冷凝量〔；若两侧无污垢,试求管溶剂的对流传热膜系数；若将上述四管程的换热器改为二管程操作〔管子总根数不变,并假定溶剂的流量、入口温度、蒸汽温度、蒸汽的冷凝膜系数均不变,溶剂物性变化可忽略,溶剂的出口温度。〔假定二管程时管流动为湍流状态解：〔1蒸汽的冷凝量总冷凝热量：蒸汽冷凝量<2>管溶剂的对流传热系数：即：℃〔以外表面计℃〔3换热器改为二管程：℃则℃由式〔1得：解得：℃则溶剂的出口温度为68.9℃J04c201483-127在一列管换热器,用110℃的饱和水蒸气加热管湍流流动〔的空气,空气温度从30℃升至45℃。若将空气流量增加一倍,试求此时空气的温度,并求加热蒸汽用量需增加为原来的几倍。计算时可忽略壁阻,垢阻,冷蒸汽侧热阻,且可忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。解：管壁,污垢及冷凝侧的传热热阻不计,对于原工况：流量加倍后：〔2/〔1得：解得：℃即空气的出口温度为43.2℃。加热蒸汽用量增加为原来的：倍。J04c201493-128在单管程列管式换热器,用130℃的饱和水蒸气将某溶液由20℃加热到60℃,单管程列管换热器由100根,长的钢管构成,溶液以每小时