2022年化工原理培训传热练习.pdf

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1、一、计算练习题1. 有一碳钢制造的套管换热器，内管直径为89mm，流量为2000kg/h 的苯在内管中从 80冷却到50。冷却水在环隙从15升到 35。苯的对流传热系数h=230W/（m2K） ，水的对流传热系数c=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。解苯的平均温度6525080T，比热容cph=103J/（kgK）苯的流量Wh=2000kg/h ，水的平均温度2523515t，比热容cpc=103J/（kgK） 。热量衡算式为)(

2、)(1221ttcWTTcWQpccphh（忽略热损失）热负荷43101.3)5080(1086.136002000QW冷却水消耗量1335)1535(10178. 43600101.3)(3412ttcQWpcckg/h以内表面积Si为基准的总传热系数为Ki，碳钢的导热系数=45W/ （mK）089.0290082.00855.045082. 00035. 0230111ocimihidddbdK=103+105+103=103m2K/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 50 2.341565ln1565并mt传热面积81.62.3

3、4133101 .34并并miitKQSm265151535精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 逆流操作80 50 4023545逆mt传热面积83.540133101. 34逆逆miitKQSm2因逆并逆并故iimmSStt,。17.1并逆逆并mmiittSS逆流操作Si=，2.3481. 6133101.34iimSKQt设冷却水出口温度为t2，则80 50 2.34235 ttm， t，t2=80=水的平均温度t=（15+）/

4、2=，cpc=103J（kg）冷却水消耗量846)156.46(10174.43600101.3)(3412ttcQWpcckg/h逆流操作比并流操作可节省冷却水：%6.3610013358461335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35变为，在热负荷相同条件下，冷却水消耗量减少了%。2.在逆流换热器内，用 20的水 (比热容 (kg K)将流量为 4500kg/h 的液体由 80冷却 30，其比热容为(kg K)，液体走壳程，对流传热膜系数为1700W/(m2 K)；已知换热器由直径为25 的钢管组成，钢管的导热系数=45 W/(mK)；管程走水，对流传热膜

5、系数为850 W/(m2 K)，若水的出口温度不超过50。假设污垢热阻、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) 4500 (8030)= qml (5020) qml=3393kg/h (2)传热面积 A传热基本方程Q=KA tm 求传热速率（热负荷）：热损失不计，则Q=Qr=qmrCPr(t2-t1)= 4500 (8030)/3600= 453535152tt3515精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - -

6、 -第 2 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 求平均推动力tm=(Tt2)(Tt1)/ln(Tt2)/ (Tt1) = (8050)(3020)/In(30/10)= 传热系数Ko= W/(m2 K) 求传热面积A=1000/=3、在单管程单壳程列管换热器中，用120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 20升至 50，其比热容为 (kg)。测得有机液的对流传热系数为790W/(m2 )， 蒸汽冷凝传热系数为1104 W/(m2 )，换热管的直径为25。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=

7、KA tm求传热速率 （热负荷） Q=QL=qmLCPl(t2-t1)= 15000(5020)/3600=220kW求平均推动力 tm=(Tt2)(Tt1)/ln(T t2)/ (Tt1)= (12020)(12050)/In100/70=求传热系数1/Ko=do/i di +Ri bdo/ dm +Ro 1/o1/Ko=25/207901/100001/Ko= Ko=595 W/(m2K) 求传热面积Ao=2201000/595=4、某列管式加热器由多根25的钢管组成。将苯由20加热到50，苯在管内流动， 其流量为 15m3/h ，苯的比热为 (kgK)，密度为 858kg/m3。加热剂为

8、130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=KA tm （1）求传热速率（热负荷）Q=QL= qmLCPl(t2-t1)= 15 858 (5020)/3600= （2）求平均推动力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1)= (13020)(13050)/In110/ 80= （3）已知传热系数Ko=700W/(m2 )（4）求传热面积Ao=1000/700 = 2 4、某列管式加热器由18 根长 3 米 25的钢管组成。将苯由20加热到 60，苯在管内流动， 其流量为16m3/

9、h，苯的比热为 (kg K)，密度为 858kg/m3。加热剂为120 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3oooiimo11252.5 10251850 2045 22.51700dbdKdd精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 900W/(m2 K)，水蒸汽的对流传热膜系数为13000 W/(m2 K)。试校核该换热器能否使用解：求 A传热基本方程Q=KA

10、 tm 、求传热速率（热负荷）Q=QL= qmLCPl(t2-t1)= 16858 (6020)/3600= 、求平均推动力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1)= (12020)(12060)/In100/ 60=(或 80K) 、已知蒸汽的膜系数远大于苯的膜系数，所以Ko900W/(m2K)、求传热面积Ao=1000/900=、校核：换热器的面积为AO*= ndOL=18 3= m2 故该换热器能满足要求5、在逆流换热器内，用20的水将流量为4500kg/h 的液体由 80冷却 30，其比热容为 (kg K)，液体走壳程，对流传热系数为1700W/(m2 K)；已

11、知换热器由直径为 25 的钢管组成，钢管的导热系数=45 W/(mK)；管程走水，对流传热系数为850 W/(m2 K)，若水的出口温度不超过50。假设污垢热阻、热损失可忽略，试计算传热面积。解：传热面积A传热基本方程Q=KA tm 求传热速率（热负荷）：热损失不计，则Q=Qr=qmrCPr(t2-t1)= 4500 (8030)/3600= 求平均推动力tm=(Tt2)(Tt1)/ln(Tt2)/ (Tt1)= (8050)(3020)/In(30/10)= 传热系数Ko= W/(m2 K) 求传热面积A=1000/=6、有一列管换热器由25的 120 根钢管组成。 110的饱和水蒸气在壳方

12、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kJ/kg K，由 15加热到90。管内对流传热系数为ai=800W/m2 K，蒸气冷凝的对流传热系数ao=104W/m2 K，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=KA tm求传热速率（热负荷）Q=Qr= GrR= 2100 2232/3600=1302kw求平均推动力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1)= (11015)(11090)/In95/20=求传热系数3oooiim

13、o11252.5 10251850 2045 22.51700dbdKdd精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 1/Ko=do/i di1/o1/Ko=25/208001/110001/Ko= Ko=606 或 1/Ko=1 /i1/o求传热面积Ao=13021000/606=8、一套管换热器，管内为mm254，套管为mm4116的钢管，内管中苯被加热，苯进口温度为50，出口温度为80，流量为hKg /4000。环隙为的饱和水蒸气冷凝

14、，其汽化热为有KgKJ /1.2168，冷凝传热膜系数为KmW2/11630。 苯 在50 80 之 间 的 物 性 参 数 平 均 值 为 密 度3/880mKJ，比热KgKJcp/86.1，粘度23/1039.0mNs，导热系数KmW /134.0，管内壁垢阻为Wcm /000265.02，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：)(1222ttcwDrphkgDD/103)5080(86.140001.2168（2）内管中苯的流速：smd

15、wu/643.005.0785.08803600/4000785.0/222243210245.71039.0880643.005.0udRe湍流精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 17 页 - - - - - - - - - - CmWPRdcPrepr024. 08. 044.08. 02233/937)41.5()10254.7(05.0134. 0023. 0023.041.5134.01039.01086. 1则以内管外表面计的传热系数为：000265.050545093

16、754116301112212211sRddddk2/656mWK2.67803.133503.133ln5080ln2112tTtTtttm21131122241.12.67656)5080(1086.1)36004000()(mAAtKAttcwmp（3）苯的流量增加50%，而进出口温度不变，则383.15.18.02222/1296937383.1mW2212211ddkddk5093754501296546561)1(1221221ddddKK2/830mWK（以内管外表面计）精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - -

17、 - - - - - -第 6 页，共 17 页 - - - - - - - - - - mptAKttcw)(5 .111222211211222ln)(5 .1tTtTttAKttcwp即：12122ln5.1AKtTtTcwp41.18308050ln1086.1)36004000(5 .13TT解得：2 .145T即苯的流量增加50%而温度不变时，加热蒸汽的温度应为。9、在套管换热器中用饱和水蒸汽加热苯液，苯在mm254的钢管内流动。kPa196的饱和水蒸汽在环隙冷凝。已测出苯的进口温度为30，出口温度为60，流量为4000hkg /，苯和水蒸气的对流传热系数分别为kmw2/500和k

18、mw24/10，管内壁的污垢热阻为wkm/2，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kkgkJ /9.1（ 2 ）kPa196时 的 蒸 汽 温 度 为120 ， 汽 化 潜 热 为2204kPakgkJ137,/时的蒸汽温度为109。解： （1）饱和水蒸汽消耗量D：)(1222ttCwDrphkgD/1032204)3060(9. 14000（2）套管长度L：精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - -

19、- - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 0 .746012030120ln3060ln2112tTtTtttm5410501045001114411222ddRKs2/401mwK（以内表面计）mptldkttCw21222)(0.7405.0401)3060(109. 1)36004000(3lml6.13（3）管壁平均温度：wtKAQm41034.60 .746.1305.0401)(wTTAQ外蒸即：)120(6.13054.0101034.644wT117wT（4）若蒸汽压力减至)109(1

20、37TKPa时：211221222ln)(tTtTttldKttCwpldktTtTCwp22122ln即：6.13054.040110930109109.0)36004000(23t解得：0 .582t即苯液的出口温度为10、某固体壁厚b=500mm,其导热系数mW /(0.1)。已知壁的一侧流体温度 230C ,其对流传热系数a1=50W/(m. );另一侧流体温度t=30,对流精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 传热系数/(1

21、002Wm2).若忽略污垢热阻，试求：（1）热通量 q; （2）距热壁面mm 处的壁温 tx。解：方法一先求热通量，然后以（tx）为传热推动力，?xt（ba11）为对应热阻，求出xt。即将热流体与壁b面对流传热与xb厚壁面的导热综合考虑。（1） 热通量 q 图 3-3 图21111abaK=2(53.0100115. 0501m)/Wq=2/37853. 0302301mWKtAQ(2) 壁温xtq=xxbatTKt111)1(1xxbqTt=230-378()1025.0501=213T2a1a精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 -

22、 - - - - - - - - -第 9 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 3-8511、立式换热器规格如下：管长3m，管数 30 根，管径为5.225mm，管程为 1。现拟选用此换热器冷凝、冷却2CS饱和蒸气，使之从饱和温度46 降至 10 ，走管外，其流量W=s，其冷凝潜热为356kJ/kg，比热容为 (kg) 。水走管内，且与2CS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/2001wK(2m ) 和/1002wK(2m)。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

23、，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1A和冷却段所需面积2A，而1A、2A的求得又须以1mt、2mt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：2007.73025.014.330mLdnA（1）求所需的传热面积冷凝段与冷却段的传热量kWrWQ9 .2435607.0kWTTcWQsPhh2065104605.107.022两段的平均温差总传热量：kW

24、QQQ5.2765.29.2421冷却水用量skgttCQWcpc/263.053018. 45 .2712冷却水离开冷却段的温度CS2CS2水冷却段冷凝段K1K2精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 4 .718.4263.065.2521CpCCWQtt冷凝段的平均温差46466.384 .716304 .16166.38ln166.381mt冷却段的平均温差4646556.384.74.1656.38ln56.382mt所需传

25、热面积冷凝段2311184. 47.25200109.241mtKQAm冷却段2322261. 14.161001065.22mtKQAm22145.661.184.4mAAAAA，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。CS2水精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 【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（m）及（ m）。待操作稳定后，测得炉膛的内表面温度为700

26、，外表面温度为130。为了减少燃烧炉的热损失，在普通砖外表面增加一层厚度为40mm、导热系数为（m）的保温材料。操作稳定后，又测得炉内表面温度为740，外表面温度为90。设两层砖的导热系数不变，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1SQ此时为双层平壁的热传导，其导热速率方程为：22447.01.09.01.01307002211311bbttSQW/m2加保温层后单位面积炉壁的热损失为2SQ此时为三层平壁的热传导，其导热速率方程为：2332211412W/m7060600407010901090740.bbbttSQ故加保温层后热损失比原来减少的

27、百分数为：%.%SQSQSQ56810022447062244100121精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 【例 4-3】在外径为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390，保温层外表面温度不大于40。保温材料的与 t 的关系为=+（t 的单位为，的单位为W/（m） 。若要求每米管长的热损失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=

28、 t2=390t3=40先求保温层在平均温度下的导热系数，即143. 02403900002. 01.0W/ （m）（1）保温层温度将式（ 4-15）改写为LQttrr/2ln322307.0ln45040390143.02ln3r得r3=故保温层厚度为b=r3r2=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45007.0ln390143.02rt解上式并整理得t=501lnr942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25mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由 20被加热至80

29、，苯的流量为s。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50802021mt下的物性可由附录查得：密度=860kg/m3；比热容 cp= （kg） ；粘度=s；导热系数=（m） 。加热管内苯的流速为810380207850860328422.ndquivm/s精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 30960104508608100203.udRei79514010450

30、108133.cPrp以上计算表明本题的流动情况符合式4-32 的实验条件，故408040807953096002014002300230.i.PrRed.1272W/ （m2）若忽略定性温度的变化，当苯的流量增加一倍时，给热系数为2215212728.08.0uuW/（m2）【例 4-5】在预热器内将压强为的空气从10加热到50。预热器由一束长度为，直径为86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 列，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/s。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：空气的定性温度=

31、21（10+50）=30查得空气在30时的物性如下：=10-5Pas =m3=10-2W/（m）cp=1kJ/（kg）所以43100108611651808605.duRe701067210861101253.cPrp空气流过 10 排错列管束的平均对流传热系数为：330603306007043100086002670330330.PrRed.=55W/（m2）空气流过 15 排管束时，由表（4-3）查得系数为，则= =55=56W/ （m2）【例 4-6】热空气在冷却管管外流过，2=90W/（m2） ，冷却水在管内流过，精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - -

32、- 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 1=1000W/（m2） 。冷却管外径do=16mm，壁厚 b=，管壁的=40W/（m） 。试求：总传热系数Ko；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1增加一倍，总传热系数有何变化解：由式 4-70 可知21111moiooddbddK9015.1416400015.013161000118.8001111.000004. 000123.01W/（m2）可见管壁热阻很小，通常可以忽略不计。CmW/4147902100123012.Ko传热系

33、数增加了%。CmW/385011110131610002112.Ko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NTUNTU1（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120降至80，其对流传热系数1=50W/（m2K） 。壳程的冷却水从15升至 90，其对流传热系数2=2000W/ （m2K） ，管壁热阻及污垢热阻皆可不计。当冷却水量增加一倍时， 试求水和空气的出口温度t2和 T2， 忽略流体物性参数随温度的变化；传热速率Q比原来增加了多少精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - -

34、- - - - - - - -第 15 页，共 17 页 - - - - - - - - - - 解：水量增加前T1=120， T2=80， t1=15，t2=90，1=50W/ （m2K） ，2=2000W/ （m2K） ，K)W/(m8.48200015011111221KC3.45158090120ln)1580()90120(ln)()(12211221tTtTtTtTtmmpccphhtKSttcWTTcWQ)()(1221ScWcWpccphh3 .458.487540（a）水量增加后28 .022)KW/(m3.492000215011211128.028. 01K15120ln

35、)15()120(ln)()(222212211221TtTttTtTtTtTtmmpccphhtSKttcWTTcWQ)(2)(122115120ln151203 .49)15(2)120(222222TtTtStcWTcWpccphh（b）)15(2751204022tT或)120(80751522Tt（c）15120ln)15(1203.493.458.481204022222TttTT（d）式 （ c ） 代 入 式 （ d ）， 得0558. 015120ln22Tt057.115120ln22Tt精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载

36、名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 17 页 - - - - - - - - - - （e）由式（ c）与（ e）得t2=T 2=25.1801209.691202121TTTTQQ即传热速率增加了25%。【例 4-9】在一传热面积为的逆流套管换热器中，用油加热冷水。 油的流量为s，进口温度为110；水的流量为s，进口温度为35。油和水的平均比热容分别为(kg)及 kJ/(kg)。换热器的总传热系数为320W/（m2）试求水的出口温度及传热量。解：本题用NTU 法计算。Whcph=1900=5415W/ Wccpc=4180=2788W/ 故水（冷流体）为最小热容量流体。515.054152788maxminCC8.127888.15320)(minminCKSNTU查图 4-27 得=。因冷流体为最小热容量流率流体，故由传热效率定义式得73. 01112tTtt解得水的出口温度为t2=(11035)+35=换热器的传热量为8.152)358 .89(4180667.0)(12ttcWQpcckW精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 17 页，共 17 页 - - - - - - - - - -