5.计算题-题目9修订版)

5．传热-计算题（题目）

层次：A

如图所示,有一稳定导热的平壁炉墙,墙厚240mm ,导热率λ=0.2W/(m·℃),若炉墙外壁温度t3 =45℃,为

[2] j05a10067

测得炉墙内壁温度t1 ,在墙深 100mm处插入温度计,测得该处温度t2 = 100℃,试求炉墙内壁温度t1 。

[5] j05a10073

100℃的水蒸气在管壳式换热器的管外冷凝，冷凝潜热为2258.4kJ/kg ，总传热系数为2039W/(m·℃)，传热面积为12.75m，15℃的冷却水以2.25×10kg/h 的流量流进管内，水的比热为4.187kJ/(kg·C),求水蒸气冷凝量？

[9] j05a10203

常压下338K之甲醇蒸汽经冷凝器冷凝后,送入冷却器中冷却至300K。冷凝器与冷却器中所用冷却水的初温都是290K,终温都是305K。试安排两换热器中流体的流程及流向, 并计算平均温度差。(换热器均为单管程、单壳程)

[11] j05a10205

某平壁工业炉的耐火砖厚度为0.213m, 耐火砖导热率λ=1.038W/(m·℃)。其外用导热率为 0.07W/(m·℃)的绝热材料保温。炉内壁温度为980℃,绝热层外壁温度为38℃, 如允许最大热损失量为950W/m。求:

(1)绝热层的厚度;

(2)耐火砖与绝热层的分界处温度。

[13] j05a10208

在内管为φ180×10mm的套管换热器中,将流量为3500kg/h的某液态烃从100℃冷却到60℃,其平均比热cp=2.38kJ/(kg·℃),环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热cp=4.174kJ/(kg·℃)。基于传热外表面积的总传热系数K=2000W/(m·℃), 且保持不变。设热损失可以忽略。试求: (1)冷却水用量;

(2)计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。

[17] j05a10243

为了测定套管式甲苯冷却器的传热系数,测得实验数据如下:冷却器传热面积 A=2.8m,甲苯的流量W1=2000kg/h,由80℃冷却到40℃,甲苯的平均比热 cp1=1.84kJ/(kg·℃)。冷却水从20℃升高到30℃,两流体呈逆流流动,求所测得的传热系数K为多少?若水的比热cp2=4.18kJ/(kg·℃),问

2

2

2

2

5

o

2

1

5．传热-计算题（题目）

水的流量为多少?

层次：B

[4] j05b10071

①方型窑炉的炉壁由两层砖砌成，内层为 240mm耐火砖[λ=0.9W/(m·K)]，外层为 240mm红砖[λ

=0.6W/(m·K)]，炉膛内壁面温度为 700℃，外壁面温度为60℃，试求单位面积(ｍ)的散热速率及两层交界面的温度。

②上题中若炉气向壁面的对流给热系数α1为30W/(m·K)，壁面向外界空气的对流辐射联合给热系数α

2

2

2

为20W/(m·K), 求炉膛内炉气温度和外界空气温度。

2

[6] j05b10074

有一段管径为φ108×4mm的蒸汽管道，裸露于气温为20℃的环境中，管内通以100℃的饱和水蒸气。测得每米管长的冷凝水量为0.70kg/h ，钢的导热率为45W/( m·K),蒸汽冷凝潜热为2258kJ/kg，取蒸汽冷凝给热系数为104 W/( m2· K)。试计算： A)管外壁温度tw ；

B)辐射散热量占总热量损失的百分率,已知管外壁面黑度为0.8 。

[12] j05b10108

一套管换热器,由φ48×3mm和φ25×2.5mm的钢管组成,两种流体在内管和环隙流过，分别测得对流给热系数为α1和α2，若两流体的流量保持不变，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。 求:将内管改为φ32×2.5mm后,管内对流给热系数有何变化?(假设流动状态皆为湍流)

[17] j05b10193

在管长为1m的冷却器中,用水冷却油。已知两流体作并流流动,油由420K冷却到370K,冷却水由285K加热到310K。欲用加长冷却管子的办法,使油出口温度降至350K。若在两种情况下油、水的流量,物性常数,进口温度均不变,冷却器除管长外,其他尺寸也均不变。试求管长。

[20] j05b10212

在逆流换热器中,将油从25℃加热到50℃,热水的进口温度为80℃,出口温度为35℃,求该换热器的效率。

[21] j05b10213

某列管换热器，用100℃水蒸气将物料由20℃加热至80℃，传热系数Ｋ＝100W／(ｍ·K)。经半年运转后，由于污垢的影响，在相同操作条件下物料出口温度仅为70℃，现欲使物料出口温度仍维持80℃，问加热蒸汽温度应取何值？

[24] j05b10246

用175℃的油将300kg/h的水由25℃加热至90℃, 水的比热取4.2kJ/(kg·℃)。已知油的比热为2.1kJ/(kg·℃),其流量为400kg/h,今有以下两个传热面积均为0.72m的换热器可供选用。 (1)换热器1:K1=625W/(m·℃),单壳程,双管程,ψ=0.7; (2)换热器2:K2=500W/(m·℃),单壳程,单管程,Δtm按逆流计。 为保证满足所需换热量应选用那一个换热器。

22

2

2

2

5．传热-计算题（题目）

[26] j05b15075

某平壁炉炉壁由耐火砖、保温砖和建筑砖三种材料组成，相邻材料之间接触密切，各层材料的厚度和导热率依次为b1=250mm,λ1=1.4W/(m·K), b2=130mm,λ2=0.15W/(m·K),b3=200mm,λ3=0.8W/(m·K)。已测得耐火砖与保温砖接触面上的温度 t2=820℃ ，保温砖与建筑砖接触面上的温度t3=260℃，试求： (A)各种材料层的单位面积计的热阻； (B)通过炉壁的热量通量；

(C)炉壁导热总温差及其在各材料层的分配。

[27] j05b15078

炉壁由绝热砖Ⅰ和普通砖Ⅱ两层平壁组成。已知λ(绝热)=0.2W/(m·K) ，厚b(绝热)=200mm,λ(普通)=0.7W/(m·K),普通砖外侧壁温t3=50℃,两砖交界面温度t2=200℃, 外界空气温度t =10℃, 炉外壁对大气的联合给热系数为10W/(m·K)。 (A)求单位面积炉壁热损失Q/A;

(B)假如t1,t及联合给热系数不变, 两层砖位置互换, 热损失(Q/A)'如何变化? 两砖 交界面温度t2及保温层外侧温度t3如何变化? 由计算结果得出什么结论?

2

[30] j05b15083

① 车间内有一高和宽各为1m的炉门, 其黑度为0.78, 炉门的辐射散热量为20kW。若车间内温度为25℃, 则炉门的温度为多少?黑体的辐射系数C0=5.67W/(m·K)

② 有一套管换热器, 长10m,管间用饱和蒸汽加热, 空气在一定流量下由内管流过, 温度可升至某指定温度。现将空气流量增加一倍(即Wc′=2Wc),并近似认为加热面的壁温不变,要使空气出口温度仍达到原指定温度, 则套管加热器的长度应为原来的几倍?

[32] j05b15087

一单壳程单管程列管换热器, 由多根φ25×2.5mm 的钢管组成管束, 管程走某有机溶液, 流速为0.5m/s，流量为15T/h,比热为1.76kJ/(kg·K),密度为858kg/m,温度由20℃加热至50℃。壳程为130℃的饱和水蒸气冷凝。管程、壳程的对流给热系数分别为700W/(m·K)和10000W/(m·K)。钢导热率为45W/(m·K)。垢层热阻忽略不计。 求: (A)总传热系数; (B)管子根数及管长;

(C)在冷流体进口温度不变的情况下，若要提高此设备的传热速率，你认为要采取什么措施？

2

2

3

2

4

3

5．传热-计算题（题目）

[33] j05b15088

在传热面积为20m的某换热器中, 用温度为20℃, 流量为13200kg/h 的冷却水,冷却进口温度为110℃的醋酸, 两流体逆流流动。换热器刚投入使用时,冷却水出口温度为45℃, 醋酸出口温度为40℃, 运转一段时间后, 冷热流体流量不变, 进口温度不变, 而冷却水的出口温度降至38℃, 试求传热系数下降的百分率。水的比热cp=4.2kJ/(kg·℃),热损失可忽略。

[35] j05b15103

某车间有一台换热面积(以外表面积计)为2.5m的单程列管换热器。用180℃的热废气预热轻油,轻油走管外,其流量为200kg/h,比热为2kJ/(kg·℃), 温度由30℃升至80℃。轻油与热气体作逆流流动。热废气出口温度为70℃。求:

(A)换热器的热负荷和传热系数。

(B)若由于长期运转,轻油在管外结垢,已知污垢热阻为总热阻的10%,若仍要求轻油出口温度不变，试估算在其他条件基本不变的情况下,轻油处理量如何变化?（略去热气出口温度的变化）

[36] j05b15109

90℃的正丁醇，在逆流换热器中被冷却到50℃，换热器的换热面积为6ｍ，传热系数K=230W/(m·℃)，正丁醇的流量为1930kg/h。冷却介质为18℃水,热损失可以忽略。 求：(A)冷却水出口温度； (B)冷却水消耗量。

正丁醇cp1＝2.98kJ/(kg·℃) 水 cp2＝4.187kJ/(kg·℃)

[38] j05b15187

在一列管换热器内，用110℃的饱和水蒸气加热管内湍流流动的空气，使其从30℃升至45℃，若将空气的流量增加一倍而入口温度不变，试求加热蒸汽用量为原用量的倍数。

忽略管壁热阻、垢层热阻及热损失，并忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。

[39] j05b15190

流量为2000kg/h的某气体在列管式换热器的管程通过,温度由150℃降至80℃;壳程冷却用软水,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。已知气体侧的对流给热系数远小于冷却水侧的对流给热系数。 试求:

1.冷却水用量;

2.如进口水温上升为20℃,仍用原设备要达到相同的气体冷却程度,此时出口水温将为多少度?冷却水用量为多少?

管壁热阻、污垢热阻和热损失均可忽略不计。气体的平均比热为1.02kJ/(kg·K),水的比热为4.17kJ/(kg·K),不计温度变化对比热的影响。 解:(1)冷却水用量

Q=W1cp1(T1-T2)=W2cp2(t2-t1)

Q=2000×1.02(150-80)=W2×4.17(65-15) =14.3×10kJ/h

W2=14.3×10/(4.17×(65-15))=685kg/h

44

2

2

2

2

4

5．传热-计算题（题目）

(2)由题知 αi<<αo

∴ 原情况 Q=Ki·Ai·Δtm=αi·Ai·Δtm (1) 新情况 Q'=Ki'·Ai'·Δtm'=αi'·Ai'·Δtm' (2) 因气体的冷却任务没有变化 Q=Q' 气体的流量及管子尺寸没有变化 αi=αi' 两种情况都用同一设备 Ai=Ai' 比较式1及式2 得: Δtm=Δtm'

原情况 Δt1=150-65=85℃ Δt2=80-15=65℃ Δt1/Δt2=85/65=1.3<2 Δtm=(85+65)/2=75℃

新情况 Δt1’=150-t2' Δt2'=80-20=60℃ Δtm'=[(150-t2')+60]/2=75℃ 解得 t2'=60℃ Δt1'=150-60=90℃ Δt1’/Δt2’ =90/60=1.5 故Δtm'用算术平均值计算是可以的. 新情况的热衡算:

W2'×4.17×(60-20)=2000×1.02×(150-80) W2'=856kg/h 需将水量调至856kg/h。

[43] j05b15201

有一台套管换热器,内管为φ38×2.5mm钢管,外管为φ57×3mm钢管,换热管总长36m,逆流操作,管内走水,将管间4200kg/h的苯液从65℃冷却到35℃,水温从25℃升到35℃,现已知苯侧对流给热系数为2030W/(m·K),水侧对流给热系数为6610W/(m·K),苯侧垢层热阻为0.18(m·K)/kW,苯液比热

2

2

2

cP1=1.80kJ/(kg·K),钢导热率λ=45W/(m·K)。试计算 (1)该换热器传热系数K

(2)水侧垢层热阻Ra2

Q=W1cp1(T1-T2)

=(4200/3600)×1.8×1000×(65-35)=63000W A1=πd1L=3.14×0.038×36=4.295m Δtm=(Δt1-Δt2)/Ln(Δt1/Δt2)

=((65-35)-(35-25))/Ln(30/10)=18.2℃ K1=Q/(A1Δtm)=63000/(4.295×18.2) =805.95W/(m·K)

(2) Rs2=1/K-(1/α1+bA1/(λAm)+Rs1+A1/(α2A2))

=1/805.95-(1/2030+0.0025×38/(45×35.5)+0.18/1000+38/(6610×33)) =0.000334(m·K)/W

22

2

[44] j05b15214

拟在单程逆流列管换热器中用35℃的冷水将流量为1kg/s、温度为150℃的热油冷却至65℃,油走管内,软水走壳程,水的出口温度为75℃,已知油与水均处在湍流,并知此条件下对流给热系数分别为水:2000W/(m·℃),油1000W/(m·℃), 油的平均比热为4kJ/kg℃,若换热器传热面积为11m,热损失、垢层及管壁热阻均可不计,试求: 1.该换热器是否可用?

2.若油的流量增至1.2kg/s,油、水出口温度及其他条件均不变,仅将流程改为双程并知双程时温差校

2

2

2

5

5．传热-计算题（题目）

正系数为0.85,该换热器能否用? 略去水侧对流给热系数的变化。

[47] j05b20089

用一传热面积为3m由φ25×2.5mm的管子组成的单管程单壳程列管式换热器, 用初温为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃, 水走管内, 油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h, 其比热分别为4.18kJ/( kg·K) 和2.0kJ(kg·K);水侧和油侧的对流给热系数分别为2000W/(m·K) 和250W/(m·K), 两流体呈逆流流动, 忽略管壁和污垢热阻。

(A)计算说明该换热器是否合用?

(B)夏天当水的初温达到30℃, 而油的流量及冷却程度不变时, 水流量亦不变，该换热器是否合用? 如何解决? (假设传热系数不变)

2

2

2

QW1cp1T1T212002(200100)2.4105kJ/h

W1cp1(T1T2)W2cp2(t2t1)12002(200100)10004.18(t210)t267.4C

Δtm=(132.6-90)/Ln(123.6/90)=110℃

1/K1=1/ 1+d1/( 2·d 2)=1/250+25/(2000×20) K1=216.2W/(m·K) A1=Q1/(KΔtm)= 2.40×10/(216.2×3600×110)=2.8m<3m 故适用 (2) t1=30℃时

t2=30+2.40×10/(1000×4.18)=87.4℃ Δtm=(112.6-70)/Ln(112.6/70)=89.6℃

A1=2.40×10/(3600×89.6×216.2)=3.44m>3m 不适用 解决办法是调大水量, 使t2↓,Δtm↑,并使α↑, K↑

[48] j05b20092

有一列管式换热器, 装有φ25×2.5mm 钢管300 根, 管长为2m。要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20℃加热到85℃, 选用108℃ 饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。若水蒸气的冷凝给热系数为1×10W/(m·K), 管壁及两侧污垢的热阻均忽略不计, 而且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数为cp=1kJ/(kg·K), λ=2.85×10W/(m·K), μ=1.98×10(Pa·S), Pr=0.7。试求: (A)空气在管内的对流给热系数;

(B)求换热器的总传热系数(以管子外表面为基准); (C)通过计算说明该换器能否满足需要?

(D)计算说明管壁温度接近于哪一侧的流体温度。

[49] j05b20098

有一列管换热器,由φ25×2.5mm长为2m的26根钢管组成。用120℃饱和水蒸气加热某冷液体,该液体走管内,进口温度为25℃,比热为1.76kJ/(kg·℃),流量为18600kg/h。管外蒸汽的冷凝给热系数为1.1×10W/(m·℃), 管内对流给热热阻为管外蒸汽冷凝给热热阻的6倍。求冷液体的出口温度。

(设换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可略去不计)

[51] j05b20100

有一换热器由φ25×2mm钢管组成,管外为常压下的苯饱和蒸汽冷凝,苯的沸点为80℃,管内走冷却水,温度由10℃升高到30℃。已知,苯的冷凝给热系数为 600W/(m·K), 水的对流给热系数为400W/(m·K),钢的

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2

4

2

-5

-2

4

2

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2

2

5

8

2

2

2

6

5．传热-计算题（题目）

导热率为50W/(m·K), 忽略垢层的热阻。求: (A)热流体一侧的平均壁温; (B)冷流体一侧的平均壁温。

(热、冷侧壁温各自为恒值)

[52] j05b20101

16℃的盐水以3840kg/h的流率通过套管换热器的内管而被加热。内管为φ38×2.5mm的钢管，每段长6m。105℃的热水以4m3 /h的流率在环隙内流过，而被冷却至48℃。两流体作逆流流动。热水对管壁的对流给热系数αo 为 5000W/(m2·℃)，已知盐水物性(平均温度下)ρ=1200kg/m3 ，cp =3.3kJ/(kg·℃)，μ=0.95×10 – 3 Pa·s,λ=0.56W/(m·℃)，管内外污垢热阻分别为Rs1 =1/3788 (m2·℃)/W，Rs o =1/3846 (m2·℃)/W。求盐水出口温度和所需套管的段数。忽略管壁热阻及热损失。(热水在平均温度下的cp=4.18kJ/(kg·℃) ,ρ=1000 kg/m3)

[55] j05b20145

某厂用120℃饱和水蒸气, 通过φ25×2.5mm,长3m的单管程列管式换热器,将列管内的17.2[m3/h]水溶液从 20℃加热到 75℃,冷凝水于饱和温度下排出。 已知:管侧水溶液1=2500[W/(m2·℃)],壳侧蒸汽α

2

℃)], 0=10000[W/(m·

溶液在管内呈湍流,试问换热器的管数为若干?水溶液密度ρ=1050kg/m3,比热为

4.17kJ/(kg·℃)。热损失及管壁、垢层热阻均可忽略。检修时发现该换热器有三根管子已坏, 拟将坏管堵塞再继续使用, 试问此方案是否可行?(通过计算或推导说明)。

[56] j05b20194

有一单程列管式冷凝器,安装有φ25×2.5mm,长2m的钢管60根。水蒸气在管间冷凝,冷凝温度为100℃。冷却水走管内,流量为50m/h,其进、出温度分别为20℃和40℃,试计算此冷凝器的总传热系数K值。

在保持原来冷凝量的前提下,为节约水,要求冷却水量减少一半。今拟将水侧由单程改为3程。设管壁两侧的污垢热阻及管外蒸汽冷凝热阻均忽略不计,换热器热损失不计,试通过计算说明该方案从传热原理上是否可行。

计算中取水的平均物性为:cp=4.187kJ/(kg·℃),ρ=996kg/m,黏度μ=1cP。

[57] j05b20196

有一套管换热器由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm钢管组成,5000kg/h的甲醇在内管中流动,其温度由60℃冷却至30℃,甲醇对内管壁的对流给热系数为α1=1500W/(m·K)。冷却水在环隙内流动,其进、出口温度分别为20℃和35℃,甲醇和冷却水逆流操作,忽略热损失及垢层热阻,试求: (1)冷却水用量(kg/h) (2)所需套管长度

甲醇物性数据为:cp1=2.6kJ/(kg·K),

冷却水物性数据为:cp2=4.18kJ/(kg·K)，ρ=996.3kg/m, λ2=0.603W/(m·K),μ=0.845×10Pa·S 钢导热率:λ=45W/(m·K)

[58] j05b20202

采用传热面积为4.48m单程管壳式换热器,进行溶剂和某水溶液间的逆流传热,溶剂为苯,流量为3600kg/h, 比热为1.88kJ/(kg·℃)的苯, 80℃冷却至50℃, 水溶液由20℃被加热到30℃。忽略热损失。试求:

2

-3

3

23

3

7

5．传热-计算题（题目）

(1)传热系数K

(2)因前工段的生产情况有变动,水溶液进口温度降到10℃, 但由于工艺的要求,水溶液出口温度不能低于30℃。若两流体的流量及苯的进口温度不变, 原换热器是否能保证水溶液的出口温度不低于30℃? 两种情况下两流体的物性常数可视为不变。

层次：C

[2] j05c10220

某蒸汽管外包有两层厚度相等的绝热材料，已知第二层的平均直径相当于第一层的平均直径的两倍，而第二层的导热率为第一层的二分之一。如将两层材料的位置调换，调换后第一、二层的平均直径与原来第一、二层的相同，则每米管长的热损失将如何变化？设钢管外壁温度及最外层绝热材料的外壁温度不变。

[4] j05c10254

欲将夹套加热器中的某溶液进行加热,使其从30℃加热至60℃,溶液量为6000kg, 传热面积为6m,容器内有搅拌器,因此器内液体各处的温度可视为均匀的, 加热蒸汽为0.1MPa的饱和水蒸气,传热系数为800W/(m·℃),求将溶液由30℃加热至60℃所需要的时间? 已知溶液比热为5kJ/(kg·℃),热损失忽略不计。

[5] j05c15096

有一列管式换热器，列管由薄壁钢管制成。壳程通入温度为120℃的饱和水蒸汽。管内走空气，空气流量为2.5×10kg/h，呈湍流流动，进口温度为30℃，出口温度为80℃，现将空气流量提高50%，进口温度不变。问此时的换热量为多少？空气比热Cp=1005J/kg·K，假设空气的物性保持不变。

[6] j05c15117

拟设计由φ25×2mm的136根不锈钢管组成的列管换热器。平均比热为 4187J/(kg·℃)的某溶液在管内作湍流流动,其流量为15000kg/h,并由15℃加热到100℃。温度为 110℃的饱和水蒸气在壳层冷凝。已知单管程时管壁对溶液的对流给热系数αi= 520W/(m·℃),蒸汽冷凝时的对流给热系数α0=1.16×10W/(m·℃),不锈钢管的导热率λ=17W/(m·℃),忽略垢层热阻和热损失。试求: (A)管程为单程时的列管长度(有效长度,下同);

(B)管程为4程时的列管长度(总管数不变,仍为136根)。

[9] j05c15200

某厂精馏塔顶冷凝器中有φ25×2.5mm的管50根,长2m,管内通冷却水,流速为1.0m/s,其进、出口温度分别为20℃和40℃,管外为蒸汽冷凝,试求: (1)管壁对冷却水的对流给热系数α;

(2)该厂仓库有一台与上述传热面积相同,管径相同,但管数为60根的换热器拟作备品。若要求维持原有的加热任务,加热蒸汽温度也不变, 问该换热器是否合用? 水物性数据可取为:

cp=4.174kJ/(kg·K),ρ=995.7kg/m, λ=0.617W/(m·K),μ=0.8cP

[11] j05c15247

现有两台单壳程单管程的传热面积均为20m的列管式空气加热器,每台加热器均由64根φ57×3.5mm

2

3

2

4

2

4

2

2

8

5．传热-计算题（题目）

钢管组成,壳程为170℃的饱和水蒸气冷凝(冷凝潜热r=2054kJ/kg),空气入口温度t1=30℃,流量为2.5kg/s,以湍流方式通过管内。

(1)若两台换热器并联使用,通过每台换热器的空气流量均等,此时空气的对流给热系数为38W/(m·℃),求空气的出口温度t2及水蒸气的总冷凝量w0为多少?

(2)若二台换热器改为串联使用,问此时空气的出口温度t2’及水蒸气的总冷凝量w0’为多少? 假定空气的物性不随温度压力而变化,视为常量，cp=1kJ/(kg·℃)。忽略热损失。

[16] j05c20093

有一套管换热器, 内管为φ54×2mm,外管为φ116×4mm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4000kg/h。环隙为133.3℃ 的饱和水蒸气冷凝, 其汽化热为2168.1kJ/kg,冷凝给热系数为11630W/(m·K)。

苯在50℃～80℃之间的物性参数平均值为密度ρ=880kg/m, 比热cp=1.86kJ/(kg·℃),黏度μ=0.39×10Pa·S, 导热率λ=0.134W/(m·K), 管内壁垢阻为0.000265(m·℃)/W,管壁及管外侧垢阻不计。试求:

(A)加热蒸汽消耗量; (B)所需的传热面积

(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?

(1) Q=Wcp(t2–t1)=4000×1.86(80–50)=2.232×105kJ/h D=2.232×105/2168.1=103kg/h

(2) u=4000/(3600×0.785×0.052×880)=0.643m/s Re=(0.05×0.643×880)/(0.39×10–3)=7.25×104>104 Pr=1.86×103×0.39×10–3/0.134=5.41

i=0.023(0.134/0.05)(7.25×104) 0.8(5.41) 0.4=936.3W/(m2·K)

-3

23

2

2

111di1150Ri0.000265 Kii0d0936.311630542

∴Ki=707.9W/(m·K) tm805067.2℃ .350ln133133.3802

A=Q/(KΔtm)= 2.232×105/(707.9×67.2×3.6)=1.30m W'=1.5W=1.5×4000=6000kg/h

Q'=1.5Q=2.232×105×1.5=3.348×105kJ/h αi'=(1.5)

0.8

α=936.3×1.383=1295W/(m·K)

2

111di1150R0.000265iKi'i'0d0129511630542

Ki′=895.4W/(m·K)

Δtm'=Q'/(AK')= 3.348×105/(895.4×1.30×3.6)=79.9℃

'tm805079.9 ∴T’=145.6℃ T'50lnT'80

9

5．传热-计算题（题目）

[17] j05c20095

某厂用一套管热交换器,每小时冷凝2000kg甲苯蒸汽,冷凝温度为110℃,甲苯的汽化潜热为363kJ/kg,其冷凝给热系数为14000W/(m·℃)。冷却水于16℃及5000kg/h的流量进入内管(内径为50mm)作湍流流动,其对流给热系数为1740W/(m℃)。水的比热可取为4.19kJ/(kg·℃)。忽略壁及垢层的热阻且不计热损失。

(A)试计算冷却水的出口温度及套管管长。 (B)由于气候变热, 冷却水进口温度升为

25℃,试计算在水流量不改变的情况下, 该冷凝器的生产能力的变化率。

[18] j05c20104

有一列管换热器,用-15℃的液氨蒸发来冷却空气。空气在换热器的薄壁列管内作湍流流动,由40℃冷却到 -5℃,液氨侧的对流给热系数为1880W/(m·K),空气侧的对流给热系数为:46.5W/(m·K)。忽略管壁和污垢热阻。求 (A)平均温度差; (B)总传热系数;

(C)若空气流量增加20%,其他条件不变,总传热系数将变为多少?

(D)为保证空气流量增加后的冷却程度不变,在以后设计换热器时,可采取什么措施?

Δtm =((40-(-15))-(-5-(-15)))/Ln(55/10)=26.4℃ 1/K=1/46.5 + 1/1880 K≈45.4W/(m·K) 如流量增加20% 由于Nu =0.023RePr  α2/α1=(W2/W1)

∴α2=α1(1.2/1)=1.157×46.5=53.8W/(m·K) 此时 1/K2=1/53.8+1/1880 K2=52.3W/(m·K) 流量增加后,要求空气的冷却程度不变。 W1cpΔt1=K1 A1Δtm1 W2cpΔt2 =K2A2Δtm2 其中W2=1.2W1 Δtm1=Δtm2

则W1/W2 =K1A1/K2A2 ∴ A2/A1 =1.2×45.4/52.3=1.042

故设计换热器时若使面积有4%的裕量,可以保证空气量增加20%后仍达到原定的 冷却程度。

[19] j05c20111

在φ57×3mm的蒸汽管(管材的λ1=45W/(m·K))外壁包了一层25mm厚, 导热率 λ蒸汽管的内壁温度为2=0.2W/(m·K)的石棉层。

175℃,石棉层外表面温度为50℃,试求每米蒸汽管单位时间所

损失的热量。现欲在石棉层外再加一层导热率为0.07W/(m·K)的氧化镁保温材料,使热损失为原来的一半,设总温度差保持不变, 试问此保温材料应多厚？

[20] j05c20113

一套管换热器,外管为φ83×3.5mm,内管为φ57×3.5mm的钢管,有效长度为 60m。 用 120℃的饱和水蒸气冷凝来加热内管中的油。蒸汽冷凝潜热为2205kJ/kg。已知油的流量为7200kg/h,密度为810kg/m,比热为 2.2kJ/(kg·℃), 黏度为5cP,进口温度为30℃,出口温度为80℃。试求: (A)蒸汽用量; (不计热损) (B)传热系数;

(C)如油的流量及加热程度不变,加热蒸汽压力不变,现将内管直径改为Φ47×3.5mm的钢管。求管长为多少? 已知蒸汽冷凝给热系数为1.2×10W/(m· K),管壁及污垢热阻不计, 管内油的流动类型为湍流。

4

2

3

2

0.8

2

0.8

0.8

0.322

2

22

10

5．传热-计算题（题目）

(1) 蒸汽用量D： Q =Wcp (t2-t1)

=7200×2.2×(80-30)=7.92×10kJ/h ∴ D=7.92×10/2205≈359.2kg/h (2) 传热系数的计算 由Q=KAΔtm

Δtm =((120-30)- (120-80))/Ln((120-30)/(120-80)) =50/Ln(90/40)=61.66℃ ∴ Ki=Q/(AiΔtm)

=7.92×10/[60×π×0.050×61.66]≈1363 （kJ/h·m·℃) =378.6 (W/(m·℃)) (3) 1/Ki=Ai/(αo Ao)+1/αi

1/αi=1/Ki-Ai/(αo Ao)=1/378.6 - 50/(1.2×10×57) αi=389.4W/(m·℃)

2

4

2

5

2

5

5

i'd(i')1.8idi501.8)389.4582W/(m2℃)404

2

i'( 1/Ki =1/αi+di/(αo do)=40/(1.2×10×47)+1/582 ∴ Ki=559W/(m·℃) 由于 Q=KAΔtm

∴ Ai=Q/KΔtm =(7.92×10×1000/3600)/(559×61.66)=6.38m 又 Ai=πdi L

∴ L=Ai/πdi=6.38/(3.14×0.04)=50.8(m)

[23] j05c20116

有一套管换热器,内管为φ54×2mm,外管为φ116×4mm的钢管。现用120℃的饱和水蒸气加热苯, 将苯由50℃加热至80℃,苯在内管中以4000kg/h的流量流动,试求: (A)加热蒸汽消耗量; (B)所需套管的有效长度;

(C)由于某种原因,加热蒸汽的温度降为110℃,苯的出口温度将变为多少?(假设α苯不变) (在50～80℃范围内,苯的物性为:cP=1.86kJ/(kg·℃), μ=3.9×10Pa·s,λ=0.145W/(m·℃),ρ=880kg/m ,

钢的导热率为45W/( m·℃),120℃时水蒸气冷凝潜热r=2205kJ/kg, 蒸汽侧对流给热系数α=10000W/(m·℃),壁两侧垢层热阻及换热器热损失均可忽略, 加热蒸汽冷凝液在饱和温度下排出。)

[26] j05c20120

某厂用套管换热器每小时冷凝甲苯蒸汽1000kg,冷凝温度为 110℃,冷凝潜热为363kJ/kg,冷凝给热系数α0=2000W/(m·℃), 冷却水初温为16℃,以 2500kg/h的流量进入内管内(φ57×3.5mm),作湍流流动,膜系数α1=2160W/(m·℃), 水的比热取为4.19kJ/(kg·℃),忽略壁阻及污垢热阻。 试求:(A)冷却水出口温度及管长;

(B)如在夏季,冷却水入口温度将升至25℃,使换热器传热能力下降,为此建议将水流量增加一倍,那么,该换热器能否完成任务?定量地说明。

22

2

汽

-4

3

5

2

11

5．传热-计算题（题目）

[27] j05c20121

在列管式换热器中,用饱和水蒸气将空气由10℃加热到90℃,该换热器由38根φ25×2.5mm长1.5m的铜管构成,空气在管内作湍流流动,其流量为740kg/h,比热为1.005×10J/(kg·℃),饱和水蒸气在管间冷凝。 已知操作条件下的空气对流给热系数为70W/(m·℃),水蒸气的冷凝给热系数为8000W/(m·℃),管壁及垢层热阻可忽略不计。

(A)试确定所需饱和水蒸气的温度;

(B)若将空气量增大25%，通过原换热器, 在饱和水蒸气温度及空气进口温度均不变的情况下,空气能加热到多少度?(设在本题条件下空气出口温度有所改变时,其物性参数可视为不变)

[30] j05c20124

欲设计一列管式换热器,用110℃的饱和水蒸气将1400kg/h的常压空气由20℃预热到95℃。 (A)若初步选定采用单管程换热器,空气走管程, 管束由120根φ25×2.5mm的铜管组成。试确定所需的管束长度。

(B)若选用双管程浮头式列管换热器。管子总数、管长及直径同上。空气流量及进口温度不变。则空气的出口温度有无变化?试确定之。

在计算中,冷凝液膜的热阻、管壁及其两侧污垢热阻可忽略不计,其空气平均温度下的物性可取:黏度μ=0.02cP,比热:cP=1.0kJ/(kg·℃),导热率λ=0.029W/(m·℃),密度ρ=1.076kg/m。

[31] j05c20125

在一传热外表面积为90m2 的再沸器中,用95℃热水加热某有机液体,使之沸腾以产生一定量的蒸气。有机液体沸点为45℃,已知热水在管程流速为0.5m/s(质量流量为1.26×105 kg/h)。出口水温为75℃,再沸器中列管管径为φ25×2.5mm。

(A)计算该再沸器在上述操作情况下的传热系数K, 热水侧对流给热系数α1 ,沸腾侧对流给热系数α性与沸腾侧给热系数可视为不变)

以上计算,热水物性:ρ=970kg/m3 ,μ=3.35×10- 4 Pa·S,cp =4.2kJ/kg·K,λ=0.677W/(m·K) Pr =2.08，污垢热阻:Rs 1 =Rs 2 =0.2(m2·K)/kW,管壁热阻可忽略不计并不考虑热损失。

[32] j05c20126

有一套管换热器,由内管为 φ54×2mm,套管为φ116×4mm的钢管组成。内管中苯自50℃被加热至80℃,流量为4000kg/h。环隙中为2at(绝)的饱和水蒸气冷凝。蒸汽冷凝给热系数为10000W/(m·℃)。 已知:苯在50～80℃之间的物性数据平均值为: ρ=880kg/m, cp=1.86kJ/(kg·℃) λ=0.134W/(m·℃), μ=0.39cP 管内侧污垢热阻 R1=0.0004(m·℃)/W 管壁及管外侧污垢热阻不计。 蒸汽温度与压强关系如下表所示 压强at(绝) 温度℃ 试求:(A)管壁对苯的对流给热系数; (B)套管的有效长度;

(C)若加热蒸汽压力为1at(绝),问苯出口温度应为多少?

[50] j05c25131

1.0 99.1 2.0 120 3.0 133 2

3

2

3

2

2

3

2 。

(B)若管程中热水流速增为1.5m/s,热水入口温度不变, 试估算上升蒸气量增大的百分率。(假定热水物

12

5．传热-计算题（题目）

某溶液在新清洗的套管换热器中用冷水进行冷却。溶液的流量为 1000kg/h, 比热为3.34kJ/(kg·℃),从150℃被冷到80℃,溶液向管壁的对流给热系数为1163W/(m·℃)。水在内管内与环隙的溶液呈逆流流动, 从15℃升到65℃。平均温度下水的比热为4.18kJ/(kg·℃),密度ρ=992.2kg/m,导热率λ=0.634W/(m·℃),黏度μ=0.653×10Pa·s,内管直径为φ25×25mm。忽略热损失及管壁热阻。试求: (A)以外表面计的总传热系数K;

(B)换热管使用6个月后,由于生成水垢而影响换热效果,在测得水的流量不变的情况下, 水的出口温度降至60℃, 求水垢的热阻;

(C)若仍希望溶液冷却到80℃,将冷却水量提高一倍,问能否达到要求? (设水的物性参数不变)

-3

3

2

层次：D

[6] j05d20223

在一新的套管式换热器中,冷却水在φ25×2.5mm的内管中流动,以冷凝环隙间的某蒸汽。当冷却水流速为0.4m/s和0.8m/s时,测得基于内管外表面的总传热系数分别为K1=1200W/(m·℃)和K2=1700W/(m·℃)。水在管内为湍流,管壁的导热率λ=45W/(m·℃),水流速改变后,可认为环隙间蒸汽冷凝的给热系数不变。试求:

1.当水流速为0.4m/s时,管壁对水的对流给热系数为多少? 2.该蒸汽冷凝的对流给热系数为多少?

3.若操作一时期后,水流速仍保持为0.4m/s,但测得的K值比操作初期下降10%,试分析原因。并论述此时蒸汽的冷凝量是否也下降10%?

2

2

13