化工原理传热题库(3)

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) ?685kg/h Wc

（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 (1)

新情况 (2)

因 ?水???空气， 则

Q?Q?

K??空气??t1?)?WhCph(T1?T2)?K?Si?tm???i?Si??tm?Q??Wc?Cpc(t2Q?WcCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)?KSi?tm??iSi?tm

， 换热器与气体的情况未变，

， 故

?75?C ?i?tm???i?

2Si??Si???tm?tm

(150?65)?(80?15)

???tm?)?(80?20)(150?t22??210?t22则 对

新

??60?Ct2， （?t1?下

的

??t2?用算术平均值合适）<2， 则?tm

情况热量进行衡算，

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1×104W/(m2·℃)，换热管内侧污垢热阻为4×10－4m2·℃/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 Wh?Qr?2.25?1022045?103.4kg/h

（2）管内苯的对流传热系数?i；

（T?t1)?(T?t2)t2?t1Q?WcCpc(t2?t1)?KoSo?tm?KoSo?KoSoT?t1T?t1lnlnT?t2T?t2

整理得

lnT?t1T?t2?KoSoWcCpc （1）

So??doL?0.054?12???2.036m2

lnT?t1T?t2Ko??ln120?30120?60?0.4055

2

0.4055?4000?1.93600?2.036?0.4205kw/(m??C)

1Ko1?1?o?Rsidodi?do?idi?4 （2）

?54420.5?110000?4?105450?i50

?i?585w/(m??C)

2（3）苯的流量增加50%，苯的出口温度为若干 ???(1.5)i0.8?i?(1.5)o0.8?585?809.1w/(m??C)

22将其代入（2）式得 K?代入（1）式得 ln 解得

?535.7w/(m??C)

120?30?120?t2?535.7?2.036?36004000?1.5?1.9?1000?0.3444

??56.2?Ct2

（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 ln

120?30120?60?0.4055??So?KoWc?Cpc

?2.4m2??So0.4055?1.5?4000?1.9?10003600?535.7

?/(?do)?2.4/(0.054?)?14.15mL??So

（b） 提高加热蒸气压强（温度） ln 解得

T??30T??60?535.7?2.036?36004000?1.5?1.9?1000?0.3444

T??133?C

8 一废热锅炉，由?25×2锅炉钢管组成，管外为水沸腾，温度为227℃，管内走合成转化气，温度由575℃下降到472℃。已知转化气一侧?i=300W/m2·K，水侧?o=10000W/m2·K，钢的导热系数为45W/m·K，若忽略污垢热阻，试求：

(1)以内壁面为基准的总传热系数Ki; (2)单位面积上的热负荷q(W/m2); (3)管内壁温度TW及管外壁温度Ti;

(4)试以计算结果说明为什么废热锅炉中转化气温度高达500℃左右仍可使用钢管做换热管。 解：（1）Ki

1Ki??130021

?i??bdi?dm?di?0d0?0.02110000?0.025

0.002?0.02145?0.023所以

Ki?289.2W/m?

（2）q Q?KiSi?tm

q?Ki?tm?289.2?(575?227)?(472?227)ln575?227472?2272?289.2?293.5

?84880（3）管内

.2W/m2?84.9kW/m

TW 及 管外壁温度Ti

575?472 因为

21?TW?TW?Tib?Ti?2271

?iSi575?472?TW?Sm?0S0 由上述方程可解出 TW21?TW?Ti0.00245?23?Ti?227110000?25

300?21?237.8?C， Ti?234.2?C

（4）由计算结果可知，钢管的内外壁温度接近水侧沸腾的温度，即接近于热阻小的一侧流体的温度。尽管废热锅炉中转化气温度高达500℃左右，而钢管的温度小于238℃，故仍可在此高温下使用钢管做换热管。

9 水以一定流速在直管中作湍流流动，若管壁温度不变为350K，水的进出口温度分别为290K及295K，若水的流速增加一倍，则水的出口温度变为多大？ 解：求

u?u=2，

?=？ t2 以知

tw?350K，

t1?290K，

t2?295K， 水湍流流动，

需对水侧作热量恒算可求t2?。一般情况，水的进出口温差小于10℃，那么温度对物性参数影响较小，因此可以认为水的物性参数保持不变。

由题意知，

流速改变前：（1）

Q?WcCpc(t2?t1)?WcCpc(295?290)??S?tm

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