化工原理模拟试题(4)

由题意管程数为： Nt?n?4 n1

3 在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20℃和110℃。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45℃和40℃，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38℃，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（?水>>?空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？

解： 使用初期 使用一年后 110℃ 40℃ 110℃ T2? 45℃ 20℃ 38℃ 20℃ （1）空气出口温度T2?

题意可得：使用初期 Q?WcCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)?KS?tm 使用一年后 Q??2WcCpc(t?2?t1)?WhCph(T1?T2?)?KS?tm? 两式相比（2）/（1），得

(110?T2?)(110?40)?(38?20)(45?20)

则：T2?=59.6℃ （2）总传热系数K?/K

?t(T1?t2)?(T2?t1)65m?lnTt??20?34.2?C1?2Tln65

2?t120(110?38)?(59.2?20)

?t?m??72?39.6?54.2ln110?3872?C59.6?20ln39.6方程(2)式/(1)式，得：

(38?20)(45?20)?K?K?54.238.2 故 K?K?0.50%

（3）冷热流体的出口温度t?2?及T2?? 一年后 Q??WcCpc(t?2?t1)?WhCph(T1?T2?)?K??S?tm? （3） Q???2WcCpc(t?2??t1)?WhCph(T1?T2??)?K??S?tm?? （4）方程（4）式/（3），得：

1）

2） 16

（ （

???20)K??1(110?t2??)?(T2???20)110?T2??2(t2????

??110?t?110?59.638?20K54.22lnT2???20???39.6?0.179T2?? （5） 整理前半式的方程 t2又因 ?水???空气，K??空气， 故 K??由等比定理

K?????空??1 ?空???20)??)?(T2???20)(110?T2??)?(t21(110?t2???

??110?t2110?59.6?954.2lnT2???20??41.4110?t2?

T2???2054.2则 ln???153?T2?? （6） 整理得， t2???29.4?C， T2???57.5?C 联立（5）和（6），可得： t2（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？

??? ?tm(110?29.4)?(57.5?20)80.6?37.5??56.3?C

110?29.480.6lnln57.5?2037.5则

Q??Q?????tm??tm?56.354.2?1.04

4 有一蒸汽加热器，热方：为饱和蒸汽冷凝，T=100℃；冷方：为生垢液体升温，t1?20?C，

t2?60?C。

(1) 在测试中，维持以上温度条件不变，发现蒸汽凝液流量，在清洗前后之比为1：2。 问：

a 那些是控制热阻？管程宜走那一方流体？简述理由； b 清洗前，污垢热阻约为该时总热阻的多少分数？

(2) 在操作中，若要求改为维持该加热器的热负荷不变。 问：随着污垢的增加，调节饱和

蒸汽的温度和生垢液体的流量，是否都能达到要求？简述理由（定性分析）。 注：冷方流型为湍流、面积基准和物性变化可不考虑以及清洗后的垢阻为零。

解：(1) a 垢层是主要控制热阻，其次是垢层对液体的给热过程，因传热过程的传热量取决于热阻大的一方。管程宜走生垢液体，便于清洗，便于增大流速，可能减少垢层沉积在管子表面上，饱和蒸汽宜在管间（壳程）走，因流速对饱和蒸汽冷凝给热系数几乎无影响，而饱和蒸汽冷凝的表面又不要求清洗，且在壳程流动易于及时排除冷凝水和不凝性气体。 b 维持A,?tm不变时：

清洗前传热量 Q?Wh?KA?tm （1）

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清洗后传热量 Q??2Wh?K?A?tm （2） （1）式与（2）式比较得： K??2K 清洗前后总热阻的差值是污垢热阻Rs Rs?11111 ????KK?K2K2K1Rs所以 ?2K?0.5?50%

1R总K(2) 在操作中，调节生垢液体流量，企图减少垢层厚度来增加换热量，是不能满足的，因为

生垢液体以为湍流，再增加流量时，所增加的换热量决不能与所需要的热量相当，这时

会使出口温度下降。只有调节饱和蒸汽的温度来增加?tm，使其满足热负荷的要求。 假设垢层热阻的增加，使其换热量减少一半，（换热量再减少即不能操作），这时蒸汽的温度提高到160℃即可满足要求。

假设垢层的生成，其传热面积的变化忽略不计，而传热系数下降一半，则推动力

???tm

160?20?160?60?120 增加一倍，这样即可满足其换热器的热负荷不变。

225有一换热器，管内通90℃的热流体，膜系数?1为1100w/m??C，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，膜系数?2为5800w/m??C。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005m??C/w

解：忽略管壁热阻，并假设壁温为Tw

（1）当壁很薄时，根据壁两侧的对流传热方程式可得：

2290?TwTw?50T?TwTw?t? ?1111?1?211005800 则 Tw?56.4?C （2）同理

90?TwTw?50T?TwT?t??w 1111?R0?0.005?1?211005800 则 Tw?84?C

由此可知，壁温总是比较接近热阻小的那一侧流体的温度。

6 流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程流过，温度由150℃降至80℃；壳程冷却用水，进口温度为15℃，出口温度为65℃，与气体作逆流流动，两者均处于湍流。已知

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气体侧的对流传热膜系数远小于冷却水侧的对流传热膜系数，管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计，气体平均比热为1.02kJ/kg·℃，水的比热为4.17kJ/kg·℃，不计温度变化对比热的影响，试求：（1）冷却水用量；（2）如冷却水进口温度上升为20℃，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？（3）此时的出口水温将为多少？（4）此时的冷却水用量为多少？ 解：（1）冷却水用量； Q?WcCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)

Q?Wc?4.17(65?15)?2000?1.02(150?80) Wc?685kg/h

（2）如冷却水进口温度上升为20℃，仍用原设备达到相同的气体冷却程度，此时对数平均温差为多少？

原情况 Q?WcCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)?KSi?tm??iSi?tm (1)

??t1?)?WhCph(T1?T2)?K?Si?tm???i?Si??tm? (2) 新情况 Q??Wc?Cpc(t2因 ?水???空气， K??空气， 换热器与气体的情况未变，

???tm 则 Q?Q? ?i??i? Si??Si， 故 ?tm ?tm?(150?65)?(80?15)?75?C

2?)?(80?20)210?t2?(150?t2?

22?? ?tm?用算术平均值合适） ??60?C， （?t1??t2?<2， 则?tm则 t2对新情况下的热量进行衡算，Q??W??4.17?(60?20)?2000?1.02?(150?80) 故 Wc??856kg/h

7在套管换热器中用120℃的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为

4000kg/h，比热容为1.9kJ/(kg·℃)，温度从30℃升至60℃。蒸汽冷凝传热系数为1×42－42

10W/(m·℃)，换热管内侧污垢热阻为4×10m·℃/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为?54×2mm的钢管，有效长度为12m。试求：（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为2204kJ/kg）；（2）管内苯的对流传热系数?i；（3）当苯的流量增加50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？（4）若想维持苯的出口温度仍为60℃应采取哪些措施？作出定量计算。 解：（1）饱和蒸汽流量； Q?Whr?WcCpc(t2?t1)?4000?1.9?(60?30)?2.28?10kJ/h

5 19

Q2.25?105 Wh???103.4kg/h

r2204（2）管内苯的对流传热系数?i；

Q?WcCpc(t2?t1)?KoSo?tm?KoSo（T?t1)?(T?t2)t?t?KoSo21

T?t1T?t1lnlnT?t2T?t2整理得 lnT?t1T?t?KoSo （1）

2WcCpc S?d2o?oL?0.054?12???2.036m lnT?t1T?t?ln120?30?0.4055

2120?60 K0.4055?4000?1.9o?3600?2.036?0.4205kw/(m2??C)

1K?1??Rdodsi?o （2） oodi?idi

1420.5?1545410000?4?10?450?? i50 ?585w/(m2i???C)

（3）苯的流量增加50%，苯的出口温度为若干 ?0.8i??(1.5)?i?(1.5)0.8?585?809.1w/(m2??C)

将其代入（2）式得 K?o?535.7w/(m2??C) 代入（1）式得 ln120?30120?t??535.7?2.036?36001.9?1000?0.3444 24000?1.5? 解得 t?2?56.2?C （4）若想维持苯的出口温度仍为60℃应采取哪些措施？作出定量计算。

（a） 将管子加长， 由（1）式得

ln120?30K?60?0.4055?oS?o120?W

c?Cpc S??0.4055?1.5?4000?1.9?1000o3600?535.7?2.4m2

L??S?o/(?do)?2.4/(0.054?)?14.15m

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