化工原理 培訓傳熱練習

1、1、 計算練習題1. 有一碳鋼制造的套管換熱器，內管直徑為89mm×3.5mm，流量為2000kg/h的苯在內管中從80冷卻到50。冷卻水在環(huán)隙從15升到35。苯的對流傳熱系數h=230W/（m2·K），水的對流傳熱系數c=290W/（m2·K）。忽略污垢熱阻。試求：冷卻水消耗量；并流和逆流操作時所需傳熱面積；如果逆流操作時所采用的傳熱面積與并流時的相同，計算冷卻水出口溫度與消耗量，假設總傳熱系數隨溫度的變化忽略不計。解 苯的平均溫度，比熱容cph=1.86×103J/（kg·K）苯的流量Wh=2000kg/h，水的平均溫度，比熱容cpc=4.

2、178×103J/（kg·K）。熱量衡算式為 （忽略熱損失）熱負荷 W冷卻水消耗量 kg/h以內表面積Si為基準的總傳熱系數為Ki，碳鋼的導熱系數=45W/（m·K） =4.35×103+7.46×105+3.18×103 =7.54×103m2·K/W Ki=133W/（m2·K），本題管壁熱阻與其它傳熱阻力相比很小，可忽略不計。 并流操作 80 50 傳熱面積 m2 逆流操作 80 50 傳熱面積 m2 因。 逆流操作 Si=6.81m2，設冷卻水出口溫度為t'2，則 80 50 ，33.4，

3、 t'2=8033.4=46.6水的平均溫度t'=（15+46.6）/2=30.8，c'pc=4.174×103J（kg·）冷卻水消耗量kg/h逆流操作比并流操作可節(jié)省冷卻水：若使逆流與并流操作時的傳熱面積相同，則逆流時冷卻水出口溫度由原來的35變?yōu)?6.6，在熱負荷相同條件下，冷卻水消耗量減少了36.6%。2.在逆流換熱器內，用20的水(比熱容4.2kJ/(kg·K)將流量為4500kg/h的液體由80冷卻30，其比熱容為1.9kJ/(kg·K)，液體走殼程，對流傳熱膜系數為1700W/(m2·K)；已知換熱器由直徑為

4、25×2.5mm的鋼管組成，鋼管的導熱系數=45 W/(m·K)；管程走水，對流傳熱膜系數為850 W/(m2·K)，若水的出口溫度不超過50。假設污垢熱阻、熱損失可忽略，試計算：(1)水的用量；(2)傳熱面積。解：(1)水用量：qmrCPr(t2-t1)= qmlCPl(t2-t1) 4500×1.9×(8030)= qml×4.2×(5020) qml=3393kg/h (2)傳熱面積A傳熱基本方程Q=KA tm 求傳熱速率（熱負荷）：熱損失不計，則Q=Qr=qmrCPr(t2-t1)= 4500×1.9

5、15;(8030)/3600=118.75kW 求平均推動力tm=(Tt2)(Tt1)/ln(Tt2)/ (Tt1) = (8050)(3020)/In(30/10)=18.2K 傳熱系數 Ko=471.6 W/(m2·K) 求傳熱面積A=118.75×1000/471.6×18.2=13.8m2 3、在單管程單殼程列管換熱器中，用120的飽和水蒸汽加熱管內的有機液體。管內液體總流量為15000kg/h，溫度由20升至50，其比熱容為1.76kJ/(kg·)。測得有機液的對流傳熱系數為790W/(m2·)，蒸汽冷凝傳熱系數為1×104

6、 W/(m2·)，換熱管的直徑為25×2.5mm。忽略管壁熱阻、污垢熱阻及熱損失，試計算傳熱面積。解：傳熱面積A傳熱基本方程Q=KA tm求傳熱速率（熱負荷）Q=QL=qmLCPl(t2-t1)= 15000×1.76×(5020)/3600=220kW求平均推動力tm=(Tt2)(Tt1)/ln(Tt2)/ (Tt1) = (12020)(12050)/In100/70=84.1K求傳熱系數1/Ko=do/i di +Ri bdo/ dm +Ro 1/o1/Ko=25/20×7901/100001/Ko=0.00168 Ko=595 W/(m

7、2·K) 求傳熱面積Ao=220×1000/595×84.1=4.39m2 4、某列管式加熱器由多根25×2.5mm的鋼管組成。將苯由20加熱到50，苯在管內流動，其流量為15m3/h，苯的比熱為1.76kJ/(kg·K)，密度為858kg/m3。加熱劑為130的飽和水蒸汽，在管外冷凝。已知加熱器以外表面積為基準的總傳熱系數為700W/(m2·K)。試求換熱器面積。解：求A傳熱基本方程Q=KA tm （1）求傳熱速率（熱負荷）Q=QL= qmLCPl(t2-t1)= 15×858×1.76×(5020)/

8、3600=188.76kW （2）求平均推動力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1) = (13020)(13050)/In110/80=94.2K （3）已知傳熱系數Ko=700W/(m2·)（4）求傳熱面積Ao=188.76×1000/700×94.2=2.86m 2 4、某列管式加熱器由18根長3米25×2.5mm的鋼管組成。將苯由20加熱到60，苯在管內流動，其流量為16m3/h，苯的比熱為1.76kJ/(kg·K)，密度為858kg/m3。加熱劑為120的飽和水蒸汽，在管外冷凝。已知苯在管內的對流傳熱膜系數為

9、900W/(m2·K)，水蒸汽的對流傳熱膜系數為13000 W/(m2·K)。試校核該換熱器能否使用？解：求A傳熱基本方程Q=KA tm 、求傳熱速率（熱負荷）Q=QL= qmLCPl(t2-t1)= 16×858×1.76×(6020)/3600=268.46kW 、求平均推動力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1) = (12020)(12060)/In100/60=78.3K(或80K) 、已知蒸汽的膜系數遠大于苯的膜系數，所以Ko900W/(m2·K)、求傳熱面積Ao=268.46×1000

10、/900×78.3=3.81m2 (3.82m2) 、校核：換熱器的面積為AO*= ndOL=18×3.14×0.025×3=4.24 m2 故該換熱器能滿足要求 5、在逆流換熱器內，用20的水將流量為4500kg/h的液體由80冷卻30，其比熱容為1.9kJ/(kg·K)，液體走殼程，對流傳熱系數為1700W/(m2·K)；已知換熱器由直徑為25×2.5mm的鋼管組成，鋼管的導熱系數=45 W/(m·K)；管程走水，對流傳熱系數為850 W/(m2·K)，若水的出口溫度不超過50。假設污垢熱阻、熱損失可

11、忽略，試計算傳熱面積。解：傳熱面積A傳熱基本方程Q=KA tm 求傳熱速率（熱負荷）：熱損失不計，則Q=Qr=qmrCPr(t2-t1)= 4500×1.9×(8030)/3600=118.75kW 求平均推動力tm=(Tt2)(Tt1)/ln(Tt2)/ (Tt1) = (8050)(3020)/In(30/10)=18.2K 傳熱系數 Ko=471.6 W/(m2·K) 求傳熱面積A=118.75×1000/471.6×18.2=13.8m2 6、有一列管換熱器由25×2.5mm的120 根鋼管組成。110的飽和水蒸氣在殼方冷凝以

12、加熱在管內作湍流流動的某液體，且冷凝水在飽和溫度下排出。已知液體平均比熱為4.187 kJ/kg·K，由15加熱到90。管內對流傳熱系數為ai=800W/m2·K，蒸氣冷凝的對流傳熱系數ao=1.1×104W/m2·K，忽略污垢熱阻、壁阻和熱損失，每小時收集冷凝水2100kg，在飽和溫度下蒸氣冷凝潛熱R=2232kJ/kg，試求傳熱面積。 解：求A傳熱基本方程Q=KA tm 求傳熱速率（熱負荷）Q=Qr= GrR= 2100×2232/3600=1302kw 求平均推動力tm=(T1t2)(T2t1)/ln(T1t2)/ (T2t1) = (1

13、1015)(11090)/In95/20=48.1K 求傳熱系數1/Ko=do/i di1/o 1/Ko=25/20×8001/110001/Ko=0.00165 Ko=606 或1/Ko=1 /i1/o 求傳熱面積Ao=1302×1000/606×48.1=44.7m28、一套管換熱器，管內為，套管為的鋼管，內管中苯被加熱，苯進口溫度為50，出口溫度為80，流量為。環(huán)隙為133.3的飽和水蒸氣冷凝，其汽化熱為有，冷凝傳熱膜系數為。苯在5080之間的物性參數平均值為密度，比熱，粘度，導熱系數，管內壁垢阻為，管壁及管外側熱阻不計。試求：（A）加熱蒸汽消耗量；（B）所

14、需的傳熱面積（以內管外表面計）。（C）當苯的流量增加50%，要求苯的進出口溫度不變，加熱蒸汽的溫度應為多少？解：（1）加熱蒸汽消耗量：（2）內管中苯的流速：湍流則以內管外表面計的傳熱系數為： （3）苯的流量增加50%，而進出口溫度不變，則 （以內管外表面計）即：解得：即苯的流量增加50%而溫度不變時，加熱蒸汽的溫度應為145.2。9、 在套管換熱器中用飽和水蒸汽加熱苯液，苯在的鋼管內流動。的飽和水蒸汽在環(huán)隙冷凝。已測出苯的進口溫度為30，出口溫度為60，流量為4000，苯和水蒸氣的對流傳熱系數分別為和，管內壁的污垢熱阻為0.0004，忽略管壁及管外污垢的熱阻，試求：飽和水蒸氣的消耗量；套管的長

15、度；套管的平均溫度；現由于某種原因，蒸汽壓力減至假定苯的物性和蒸汽的對流傳熱系數不變。求苯液的出口溫度。 注：（1）操作條件下苯的比熱為 （2）時的蒸汽溫度為120，汽化潛熱為2204時的蒸汽溫度為109。 解：（1）飽和水蒸汽消耗量D： （2）套管長度L：（以內表面計）（3）管壁平均溫度：即： （4）若蒸汽壓力減至時： 即：解得： 即苯液的出口溫度為58.010、某固體壁厚b=500mm,其導熱系數)。已知壁的一側流體溫度230C,其對流傳熱系數a=50W/(m.);另一側流體溫度t=30,對流傳熱系數m2).若忽略污垢熱阻，試求：（1） 熱通量q; （2）距熱壁面mm處的壁溫t。 解：方法

16、一 T 先求熱通量，然后以（t）為傳熱推動力， （）為對應熱阻，求出。即將熱流體與壁 b面對流傳熱與厚壁面的導熱綜合考慮。 （1）熱通量q 圖3-3 圖 =)/W q= (2) 壁溫 q= =230-378(=2133-85 11、立式換熱器規(guī)格如下：管長3m，管數30根，管徑為 mm，管程為1?，F擬選用此換熱器冷凝、冷卻 飽和蒸氣，使之從飽和溫度46 降至10 ， 走管外，其流量W=0.07kg/s，其冷凝潛熱為356kJ/kg，比熱容為1.05kW/(kg) 。水走管內，且與呈逆流流動。冷卻水進出口溫度為5 和30 。已知冷凝和冷卻段基于換熱管外表面的總傳熱系數分別為() 和()。問此換熱

17、器是否合用？分析：判斷一臺換熱器是否合用，一般可以采用比較傳熱速率或傳熱面積的方法，本例采用后一種方法：分別計算已有換熱器面積和所需換熱器面積，比較二者后即可以得出結論。本例不同之點在于：該換熱器既作冷凝器又作冷卻器，需分段計算所需面積，即冷凝段所需面積 和冷卻段所需面積 ，而 、 的求得又須以 、 為前提。因此，解決該題的重點在于求出冷凝、冷卻段交界處的冷卻水溫度，即冷卻水離開冷卻段的溫度t。解：（1）以管子外表面為基準計算已有換熱器的傳熱面積： （1） 求所需的傳熱面積 冷凝段與冷卻段的傳熱量水CS2冷凝段 K1兩段的平均溫差總傳熱量：冷卻水用量K2冷卻段 冷卻水離開冷卻段的溫度水CS2

18、冷凝段的平均溫差 冷卻段的平均溫差 所需傳熱面積冷凝段 冷卻段 A>，即已有傳熱面積大于所需傳熱面積，所以此換熱器合用?！纠?-2】 某平壁燃燒爐是由一層耐火磚與一層普通磚砌成，兩層的厚度均為100mm，其導熱系數分別為0.9W/（m·）及0.7W/（m·）。待操作穩(wěn)定后，測得爐膛的內表面溫度為700，外表面溫度為130。為了減少燃燒爐的熱損失，在普通磚外表面增加一層厚度為40mm、導熱系數為0.06W/（m·）的保溫材料。操作穩(wěn)定后，又測得爐內表面溫度為740，外表面溫度為90。設兩層磚的導熱系數不變，試計算加保溫層后爐壁的熱損失比原來的減少百分之幾？解：

19、加保溫層前單位面積爐壁的熱損失為此時為雙層平壁的熱傳導，其導熱速率方程為： W/m2加保溫層后單位面積爐壁的熱損失為此時為三層平壁的熱傳導，其導熱速率方程為： 故加保溫層后熱損失比原來減少的百分數為： 【例4-3】 在外徑為140mm的蒸氣管道外包扎保溫材料，以減少熱損失。蒸氣管外壁溫度為390，保溫層外表面溫度不大于40。保溫材料的與t的關系為=0.1+0.0002t（t的單位為，的單位為W/（m·）。若要求每米管長的熱損失Q/L不大于450W/m，試求保溫層的厚度以及保溫層中溫度分布。解：此題為圓筒壁熱傳導問題，已知：r2=0.07m t2=390 t3=40先求保溫層在平均溫度

20、下的導熱系數，即 W/（m·） （1）保溫層溫度 將式（4-15）改寫為 得 r3=0.141m故保溫層厚度為 b=r3r2=0.1410.07=0.071m=71mm（2）保溫層中溫度分布 設保溫層半徑r處的溫度為t，代入式（4-15）可得 解上式并整理得t=501lnr942計算結果表明，即使導熱系數為常數，圓筒壁內的溫度分布也不是直線而是曲線?！纠?-4】 有一列管式換熱器，由38根25mm×2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內流動，由20被加熱至80，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進行加熱。試求管壁對苯的傳熱系數。當苯的流量提高一倍，傳熱系數有何變化。解

21、：苯在平均溫度下的物性可由附錄查得：密度=860kg/m3；比熱容cp=1.80kJ/（kg·）；粘度=0.45mPa·s；導熱系數=0.14W/（m·）。加熱管內苯的流速為 m/s 以上計算表明本題的流動情況符合式4-32的實驗條件，故 W/（m2·）若忽略定性溫度的變化，當苯的流量增加一倍時，給熱系數為 W/（m2·）【例4-5】 在預熱器內將壓強為101.3kPa的空氣從10加熱到50。預熱器由一束長度為1.5m，直徑為86×1.5mm的錯列直立鋼管所組成?？諝庠诠芡獯怪绷鬟^，沿流動方向共有15行，每行有管子20列，行間與列間管

22、子的中心距為110mm?？諝馔ㄟ^管間最狹處的流速為8m/s。管內有飽和蒸氣冷凝。試求管壁對空氣的平均對流傳熱系數。解：空氣的定性溫度=（10+50）=30查得空氣在30時的物性如下： =1.86×10-5Pa·s =1.165kg/m3 =2.67×10-2W/（m·） cp=1kJ/（kg·）所以 空氣流過10排錯列管束的平均對流傳熱系數為： =55W/（m2·）空氣流過15排管束時，由表（4-3）查得系數為1.02，則 =1.02=1.02×55=56W/（m2·） 【例4-6】 熱空氣在冷卻管管外流過，2=90W/（m2·），冷卻水在管內流過， 1=1000W/（m2·）。冷卻管外徑do=16mm，壁厚b=1.5mm，管壁的=40W/（m·）。試求：總傳熱系數Ko；管外對流傳熱系數2增加一倍，總傳熱系數有何變化？管內對流傳熱系數1增加一倍，總傳熱系數有何變化？解： 由式4-70可知 W/（m2·）可見管壁熱阻很小，