化工原理 第六章 传热2

第六章 传热

一、填空题

1. 冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为90 ℃，出口温度为50 ℃，冷水进口温度为15 ℃，出口温度为53 ℃，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性相同，则热损失占传热量的 ________。

2. 100℃的热水在一钢管内流过，钢管暴露在大气中，大气温度为20℃，则钢管壁的温度大约是 ℃，产生上述答案的理由说明如下： 。

3. 圆筒壁总传热系数K与间壁两侧对流传热系数α1，α2以及间壁导热系数λ的关系为_________。当间壁管规格为φ108×4，导热系数为45W·m-1·K-1时，管内外两侧的对流传热系数分别为8 000 W·m-2·K-1和1200 W·m-2·K-1时，总传热系数K1=_____ W·m-2·K-1，总传热系数

K2=_______ W·m-2·K-1。

4．用常压蒸馏塔的塔底重油加热原油。重油的初始温度为300℃，最终温度为220℃；原油的初始温度为25℃，最终温度为180℃；若采用并流操作，其平均温差为____，若采用逆流操作，其平均温差为_____。由上述结果可知：当热交换双方流体无相变，且进出口温度不变时，采用___操作的传热平均温差比___操作的传热平均温差大，对热交换有利。

二、选择题

1. 有一套管换热器，在内管中空气从20℃被加热到50℃，环隙内有120℃的水蒸气

冷凝，则内管壁的温度接近 ℃。

(A) 35 (B) 77.5 (C) 120 (D) 100

2. 冷热流体在换热器中进行无相变逆流传热，换热器用久后形成垢层，在同样的操作条件下，与无垢层相比，结垢后的换热器的K ，tm 。

A. 变大 B. 变小 C. 不变 D. 不确定

3. 在蒸气—空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中的_____工程上可行。

A. 提高蒸气流速 B. 提高空气流速

C. 采用过热蒸气以提高蒸气温度 D. 在蒸气一侧管壁加装翅片，增加冷凝面积

三、计算题

1. 某列管式冷凝器的列管规格为Φ25 mm×2.5 mm。有机蒸汽在管外冷凝，管内通冷却水，冷却水的流量为2.5 kg/s。在新使用时，冷却水的进、出口温度分别为20℃和30℃。使用一段时间后，由于生成垢层，在冷却水进口温度和流量不变的情况下，冷却水的出口温度降为26℃。已知基于外表面的传热面积为16.5 m2，有机蒸汽的冷凝温度为80℃，求水垢层的热阻。

2．某车间需要安装一台换热器，将流量为30 m3/h，浓度为10℅的某溶液由20℃预热至60℃。加热剂为127℃的饱和蒸汽。该车间现库存一台两管程列管式换热器，其规格为：管径Φ25mm×2mm，管长3 m，总管数72根。问库存的换热器能否满足传热

任务？已知定性温度下，溶液的物性数据为：ρ=1100 kg/m3；λ=0.58 W/(m·℃)；CP=3.77 kJ/(kg·℃)；μ=1.5×10-3 Pa·S。钢的导热系数为46.5 W/(m·℃)；设污垢热阻总和为∑R

垢=0.0003(m

2·℃)/W；蒸汽走管外，其冷凝对流传热系数为

α0=1×104

W/(m2·℃)。

3. 拟用150℃的饱和水蒸汽将流量为90 000kg/h的某溶液产品由25℃升温到35℃。现有一台单管程列管式换热器，换热管规格为φ25mm×2.5mm，传热面积为15m2。已知蒸汽在其壳程冷凝，传热系数为12 000W/(m2.K)；溶液走管程，其对流传热系数估计为330 W/(m2.K)，比热容为1.9 kJ/(kg.K)。壳程污垢热阻和管壁热阻忽略不计，管程污垢热阻估计为 0.0001 m2.K/W。试问这台换热器是否能够满足上述换热要求？如不能满足换热要求，采用加隔板的方式将该换热器变为双管程换热器，问能否满足换热要求？（由于粘度较大，溶液在管程流动为层流，故其对流传热系数与流速的1/3次方成正比)

4. 某厂采用一套管式换热器冷凝2 000 kg/h甲苯蒸气，冷凝温度为110℃，甲苯的气化潜热为363kJ/kg，其冷凝传热系数为5 600 W/m2.℃。冷却水于20℃及5 000 kg/h的流量进入套管内管(内管尺寸为φ57 mm×3.5 mm)。水的物性可取为：密度为995 kg/m3；比热容为4.174 kJ/(kg.K)；导热系数为0.62 W/(m.K)；粘度为8×10-4 Pa.s。忽略壁及垢层的热阻，且不计热损失。求：

⑴ 冷却水的出口温度及套管管长；

⑵ 由于气候变热，冷却水进口温度升为30℃，在水流量不变情况下，该冷凝器能冷凝多少苯蒸气。

练习题练习答案

一、填空题

1. 5%

2.100℃；热水与管壁之间的传热系数远大于管壁与空气之间的传热系数]

3．

ddd1122ln2K21d12d12 1018 943

4. 121.9 154.5 逆流 并流

二、选择题

1．C 2、BA 3、B

三、计算题

1. 解：(1) 换热器新使用时

传热速率 Qqmccpc(t2t1)2.54.187(3020)104.7 kW

t2t1302054.8 Tt18020lnln8030Tt2tm对数平均推动力 ℃

Q104.7103K0116 W/(m2℃)A0tm16.554.8总传热系数

总热阻

R=113==8.6210（m2℃）/WK0116

(2) 换热器使用一段时间后 传热速率 Qqmccpc(t2t1)2.54.187(2620)62.8 kW

tm对数平均推动力

t1t2262056.9 Tt18020lnln8026Tt2℃

Q62.8103K066.9 W/(m2℃)16.556.9A0tm总传热系数

总热阻

R=112==1.4910（m2℃）/WK066.9

(3) 水垢层热阻Rsi

d0RR1.491028.621036.28103diRsi

故

Rsi6.281030.020.00502 m2C/W0.025

2．解： 完成该传热任务所需的传热面积A0，必须先求Q、K0、tm

(1)求tm

t大t小(12720)(12760)tm85.4t大12720lnln12760t小℃

(2)求K0

①先求管内溶液一侧的i

qVh3600undi2.42du30360072(0.021)2420.67 m/s

Re0.0210.671100103001000031.510，湍流。

3.771031.5103pr9.750.58，符合0.7cpl314360d0.021，且

NaOH水溶液被加热，n取0.4。

i0.023(Re)0.8(pr)0.4d0.58 0.023(10300)0.8(9.75)0.42560W/(m2℃)0.021

②求K0

1d0bd10R垢ididm010.0250.0020.02510.000325600.02146.50.02310000

K0＝＝1097W/(m2℃)

(3)求Q。

3011003.77103(6020)138200 W1382 kW3600 Qqmccpc(t2t1)(4)所需传热面积A0。

Q1382103A014.75 m2K0tm109785.4

2、库存换热器所能提供的传热面积A0。

A0ndL723.140.025316.96 m2

由于A0A0，故库存的换热器能够满足传热任务。

3. 解：在指定的溶液进、出口温度及饱和蒸汽温度下，换热器对数平均推动温差：

tmt2t13525120Tt115025lnln15035Tt2℃

换热器的热负荷

Qqm2cp2(t2t1)900001900(3525)4.75105 W3600

完成指定换热任务所需换热器的KA值为：

(KA)需要Q4.75105 =3958 W/Ktm120

原换热器的总传热系数

11= =250 W/(m2.K)d12512511do0.0001RSio2033020odiidi12000

K该换热器的KA值：KA152503750 W/K<3958 W/K

原单管程换热器不合用。

用单管程换热器改成双管程换热器后：

111 =311 W/(m2.K)1251250.00011/31200020233020KoRSido1do1/3di2idi=

该换热器的KA值：KA153114665W/K>3958 W/K

故改造为双管程换热器方案可行。

4. [解] ⑴ 由热量衡算可求出冷却水出口温度t2。

热量衡算式为

Q吸=Q放

代入已知量，得

2 0003635 0004.174t220 得 t2=54.8 ℃

由传热速率方程计算套管管长

cp4.1741038104Pr5.390.62 (在

0.6~160范围内)

4qdm22dudRe

45 0004.42104-48100.053 600 (＞104，为湍流)

设套管足够长，可由下式求水侧的传热系数i：

i0.023Re0.8Pr0.4d (水被加热，n取0.4)

0.80.620.44.421045.390.052 912 W/m2K0.023

111do11575.7104 m2K/WKoidi5 6002 91250

K1 754.2 W/m2K

tm

t1t21102011054.871.2t111020lnln11054.8t2 ℃

AdL0.157 1L

将上述各量代入传热速率方程：

QKAtm

2 000363103/3 600L10.3 m1 754.20.157 171.2得

L10.320650d0.05校核：

可见，上述计算结果有效。

⑵ 根据题意，可认为总传热系数K不变，则由

Q吸=Q传

t305 000301 754.20.157 110.324.174103t2110303 600ln110t2

得 t64.2℃

故此时换热器的冷凝量为

5 0004.17464.230363

qm11 967 kg/h