化工原理传热题库(2)

Ko?1(1?o?0.4?1?o?0.7?0.41?o1800)由题给数据， ?1(1800?0.4?21800

)?0.7?0.4??476.2W/m??C ?tm??t1??t2ln?t1?t2?(72?17)?(72?37)ln72?1772?37?44.25?C

则任务所需的传热外表面积为： So So换热管总根数为： n??QKo?tm?3940.4762?44.25?18.7m2

??doln

18.7?79.4So?dol???0.025?3

取 n?80

(2) 换热器的管程数。 由题意管程数为： Nt

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

?nn1?4

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 （1）

使用一年后 （2）

两式相比（2）/（1），得

(110?T2?)(110?40)?(38?20)(45?20)??t1)?WhCph(T1?T2?)?KS?tm?Q??2WcCpc(t2Q?WcCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)?KS?tm

则：T2?=59.6℃ （2）总传热系数K?/K

?tm?(T1?t2)?(T2?t1)lnT1?t2T2?t1110?3859.6?20(38?20)(45?20)??65?20ln6520??34.2?C

???tm(110?38)?(59.2?20)ln72?39.6ln7239.6

?54.2?C方程(2)式/(1)式，得：

K?54.2?K38.2 故

K?K?0.50%

（3）冷热流体的出口温度t2??及T2??

一年后

??t1)?WhCph(T1?T2?)?K??S?tm?Q??WcCpc(t2 （3）

???t1)?WhCph(T1?T2??)?K??S?tm??Q???2WcCpc(t2 （4）

方程（4）式/（3），得：

110?T2??110?59.6????20)2(t238?20?K????K?54.21??)?(T2???20)(110?t2ln??110?t2T2???20

整理前半式的方程 又因 ?水???空气，K由等比定理

???39.6?0.179T2?? t2 （5）

K??K?????空??空?1

??空气， 故

??154.2???20)(110?T2??)?(t2110?59.6?9???)?(T2???20)(110?t2ln??110?t2T2???20

则

ln??110?t2T2???20?41.454.2

（6）

???29.4?Ct2整理得，

???153?T2?? t2联立（5）和（6），可得：

， T2???57.5?C

（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)ln110?29.457.5?20?56.354.2?1.04?80.6?37.5ln80.637.5?56.3?C

则

Q??Q?????tm??tm

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 清洗后传热量

Q?Wh?KA?tm （1） （2）

Q??2Wh?K?A?tmK??2K（1）式与（2）式比较得：

Rs?1K?1K??1K?12K?12K清洗前后总热阻的差值是污垢热阻Rs 所以

RsR总1?2K?0.5?501K

%

(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?t?m?160?20?160?602?120 增加一倍，这样即可满足

其换热器的热负荷不变。

5有一换热器，管内通90℃的热流体，膜系数?1为1100w/m2??C，管外有某种液体沸腾，沸点为50℃，膜系数?2为5800w/m2??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0.005m2??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：

T?Tw1?Tw?t1

90?Tw11100?Tw?5015800

?1?2 则 （2） 同理

Tw?56.4?C

T?Tw1?Tw?t1

90?Tw11100?Tw?5015800?0.005

?1?2?R0 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

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