化工原理傳熱練習(xí)題

化工原理傳熱練習(xí)題傳熱概念：1、傳熱的三種根本方式2、如何測定及如何提高對流傳熱的總傳熱系數(shù)K4、如何強(qiáng)化傳熱計(jì)算公式熱量衡算〔有相變、無相變〕K的計(jì)算、平均溫度差、總傳熱速率方程、傳熱面積的計(jì)算〔判別是否合用〕〔例4－8〕流體在圓形管內(nèi)作強(qiáng)制湍流流淌時(shí)α計(jì)算式〔公式、條件〕，粘度μ對α〔3〕試驗(yàn)測K4－9)〔4〕換熱器操作型問題〔求流體出口溫度，例4－10〕二試驗(yàn)題〔10〕利用過熱蒸汽進(jìn)展傳熱試驗(yàn)的過程中，假設(shè)運(yùn)行一段時(shí)間后，傳熱膜系數(shù)下降，可能的緣由是什么？如何解決？蒸汽冷凝傳熱時(shí)，為什么要排放不凝性氣體？內(nèi)管壁溫接近于哪一側(cè)流體的溫度？為了提高換熱器的總傳熱系數(shù) K，應(yīng)提高空氣側(cè)，還是水側(cè)的和S？為什么？換熱器中冷熱流體的流淌方向有幾種，中選擇流向時(shí)應(yīng)如何考慮？4．闡述液體沸騰曲線的根本外形，一般沸騰應(yīng)處于什么狀態(tài)才能到達(dá)較好的換熱效果？1、〔4分〕換熱器中冷熱流體的流淌方向有：逆流，并流，折流和錯流。〔1〕當(dāng)承受逆流時(shí)，在傳熱量和總換熱系數(shù)肯定的狀況下，換熱器的傳熱面積較小，另外，承受逆流還可以節(jié)約加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。通常，換熱器盡可能承受逆流操作。〔1分〕當(dāng)某些特別工藝要求時(shí)，對流體的溫度有所限制，如冷流體被加熱時(shí)不能超過某一溫度，或熱流體被冷卻時(shí)不能低于某一溫度時(shí)，可承受并流?！?分〕承受折流或錯流時(shí)，主要是為了滿足換熱器的構(gòu)造要求，或提高總傳熱系數(shù)?！?分〕2、〔6分〕液體沸騰曲線主要包括自然對流、泡狀沸騰和膜狀沸騰。〔3〕一般沸騰應(yīng)處于泡狀沸騰狀態(tài)才能到達(dá)較好的效果，此時(shí)傳熱系數(shù)和熱通量都較大?！?〕5．灰體的定義及特點(diǎn)6、設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)裝置要求既可以測量總傳熱系數(shù)，又可同時(shí)測量對流傳熱系數(shù)，標(biāo)注儀表、儀器名稱。并簡要說明試驗(yàn)步驟，需要測量那些參數(shù)。？三計(jì)算題〔60〕3〔20分〕在一列管式換熱器內(nèi)用水冷卻苯。苯走管程，流量為kg/s，由80oC被冷卻至30oC。冷卻水在殼程內(nèi)呈湍流流淌，且與苯逆流流淌，其進(jìn)口溫度為20oC，出口溫度為50oC。已估算出苯側(cè)和水側(cè)的對流傳熱系數(shù)分別為 900W/(m2K)、1700W/(m2K)；苯的平均比熱為1.9kJ/(kg.K)。假設(shè)列管為φ25×2.5mm的鋼管，長3米，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m2K)，并無視污垢熱阻及換熱器的熱損失，試求：所需換熱器的列管數(shù)為多少？假設(shè)其它條件不變，冷卻水的流量變?yōu)樵瓉淼膬杀叮瑩Q熱器的列管數(shù)又為多少？2.解：mmtLdKntKSQ?=?=0π(3其中，)(21TTCWQphh-==1.5?1.9?103〔80-30〕=142.5〔kW〕(20001αλα++=miiddddK=170015.224525105.2209002513++?-=490.5[W/(m2K)](3 分)2121lntttttm-?==1030ln1030-=18.2(C?)(3故7.672.18310255.49014.3105.142330==?=-mtLKdQn 〔根〕(2分)〔2〕假設(shè)其它條件不變，87.2959170028.0”=?=αW/(m2K)(2同理可得，”K”00111αλα++=middb=559.1[W/(m2.K)](3則4.59””0=?=mtLdKQnπ〔根〕(22、〔20分〕用一傳熱面積為 3m2〔以外外表積為準(zhǔn)〕，由Φ25?2.5mm管子組成的單程列管式換熱器，用初溫為10℃的水將機(jī)油由200℃冷卻至100℃，水走管內(nèi)，油走管間。水和機(jī)油的質(zhì)量流量分別為 1000kg/h和 1200kg/h，其比熱容分別為4.18kJ/(kg?K)和2.0kJ/(kg?K)，水側(cè)和油側(cè)的對流外表傳熱系數(shù)分別為2023W/(m2?K)和250W/(m2?K)，兩側(cè)可視為呈逆流流淌，如不計(jì)算管壁及污垢熱阻：〔1〕試計(jì)算說明該換熱器是否合用？〔2〕夏天，水的初溫達(dá)到30℃時(shí)，該換熱器是否合用？〔假設(shè)K不轉(zhuǎn)變〕，如不合用，如何解決？四。計(jì)算題：.〔20分〕解：〔1〕m00pcCphhtAKtCWTCWQ?=?=?=36001000)10t(18.4100036001000)100200(0.212023?-??=?-??[W]∴4.67t2=℃〔3〕200→10067.4←103.1112906.132tm=+=℃132.690Km/21W.21620252023125011dd111K2i0i00?=+=+=αα〔3〕∴A3.11121.21636001000)100200(0.21200??=?-??A=2.77m23m2,合用.〔3〕(2)水初溫30℃36001000)30t(18.4100036001000)100-200(0.21200Q2?-??=?=4.87t2=℃200→10087.4←303.912706.112tm=+=℃〔4〕112.670A3.9121.21636001000)100200(0.21200??=?-??〔3〕A=3.37m2＞3m2不合用.可增加換熱面積,兩臺串聯(lián)使用.〔4〕4.〔15分〕某車間有一臺運(yùn)轉(zhuǎn)中的單程列管換熱器，熱空氣走管120?C80?C其對流傳熱系數(shù)α1=50W/m2??C。殼程的水被加熱，水進(jìn)口溫度為15?C，出口升至90?Cα2=2023W/m2??C。管壁熱阻、壁厚及污垢熱阻可不計(jì)，換熱器系逆流操作，水的流量為2700kg/h，平均比熱為4.18kJ/kg?K，試計(jì)算換熱器的傳熱面積。解：〔1〕CmWK=+=+=221/8.48202315011111Ctttttm?= =-?=3.45901202380ln)901201580(ln2121p5C(9015)27004.18100075/36002.3510QWW=-==? 水水254.1063.458.481035.2mtKQAm〔10〕六．〔20分〕逆流換熱器中，用初溫為20℃的水將1.25Kg/s的液體〔1.9KJ/(Kg·℃),850Kg/m3〕，由80℃30℃，φ25×2.5mm，水0.85和1.70kw/(m2·℃)，污垢熱阻可無視。①假設(shè)水的出口溫度不能高于50℃，求換熱器的傳熱面積；②換熱器使用一段時(shí)間后，管壁兩側(cè)均有污垢生成，水側(cè)污垢熱阻Rsi=0.00026m2·℃/w，油側(cè)污垢熱阻Rs0=0.000176m2·℃/w，求此時(shí)基于管外外表的總傳熱系數(shù)K0。③產(chǎn)生污垢后熱阻增加的百分?jǐn)?shù)λ=45w/(m·℃)121.251.9(8030)119hphQWCTTkW=-=??-=〔3〕000200.00252525111117004522.58502011472/miiddbddKWmCαλα===??+?+?+?+?〔3分〕21122112(8050)(3020)18.28050lnln3020mTtTttCTtTt ?===?----〔3〕32023191013.947218.2mQSmKt〔3〕2．0000001120.00252525251117004522.5850202311381.53/0.0001760.00026imiiidddbssdddKRRWmCαλα=++?+?+?==??++?+?+?〔5〕3．產(chǎn)生污垢后熱阻增加百分?jǐn)?shù)為：425200.002525251117004522.5850200.0001760.000265.011023.63%0.00212-+??==+?+?〔3〕〔20分〕φ25×2.5mm鋼管300根，2m將8000Kg/h空氣于管程內(nèi)由20℃加熱到85℃，承受108℃的飽和蒸汽于殼程冷凝加熱，冷凝熱在飽和溫度下排出，蒸汽冷凝傳熱系1×104w/(m2·℃)，90w/(m2·℃)，管壁及兩側(cè)污垢熱阻可無視，不計(jì)熱損失，空氣在平均溫度1KJ/(Kg·℃)。求基于管外外表的總傳熱系數(shù)K02.核算該換熱器是否滿足要求。用一段時(shí)間后管內(nèi)產(chǎn)生了污垢，使空氣出口溫度變?yōu)?0℃，1．WCmddKii??=?+?=?+=24000014.020259011011111ααCmWK??=2049.71〔3〕2．CtTtTtTtTtm=-----=-----=44.488510820108ln)8510820238(ln)(2121〔3〕2312/1044.144)2085(100036008000)(mWttCWQpcc?=-??=-=〔3〕23071.4144.4849.711044.144mtKQSm〔2〕201.472025.0300mldnS===ππ 實(shí)際實(shí)際SS<0該換熱器合用。〔2〕3．””322180001000(5020)66.6710/3600cpcQWCttWm=-=-=?〔2〕””121”2(10820)(10850)7210820lnln10850mTtTttCTtTt〔2〕00”00111iiiiddRsKddαα=+?+”3”20”66.671019.66/47.172mQKWmCSt?=== 〔1〕20”000111201(0.014)0.0295/2519.66iiiiddRsmCWdKdαα=--?=-=??〔2分〕3〔20分〕在一列管式換熱器內(nèi)用水冷卻苯。苯走管程，流量為1.25kg/s80oC30oC20oC，出口溫度為50oC。已估算出850W/(m2K)、1700W/(m2K)的平均比熱為1.9kJ/(kg.K)。假設(shè)列管為φ25×2.5mm的鋼管，長3米，其導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m2K)，并無視污垢熱阻及換熱器的熱損失，試求：〔1〕傳熱速率為多少？〔3〕總傳熱系數(shù)K為多少？〔2〕所需換熱器的列管數(shù)為多少？3：mmtLdKntKSQ?=?=0π其中，)(21TTCWQphh-==1.5*1.9*103*〔80-30〕=142.5〔kW〕000111++=miiddbddK=170015.224525105.2209002513++?-=490.5[W/(m2.K)]2121lntttttm-?==1030ln1030-=18.2(C?)故7.672.18310255.49014.3105.142330==?=- mtLKdQnπ〔根〕〔20〕有一逆流套管換熱器，由φ57×3.5mm與φ89×4.5mm鋼管組成。甲醇在管內(nèi)流淌，流量為5000kg/h60℃冷卻到30℃，甲醇側(cè)的對流傳熱系數(shù)為1512W/m2·℃，冷卻水在環(huán)隙流過，入口溫度20℃，出口溫度35℃，無視熱損失、管壁及污垢熱阻，且甲醇平均比熱為2.6kJ/kg·℃，定性溫度下水的黏度為0.84cp，導(dǎo)熱系數(shù)0.61W/m2·℃，比熱為4.174kJ/kg·℃，1000Kg/m3,冷卻水在環(huán)隙中流淌的對流傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：4.08.0)(023.0λμλαpeeoCRd=，求：1．冷卻水用量。2．總傳熱系數(shù)K。3．所需套管長度。五、〔20〕冷熱流體均無相變，且無熱損失，所以：WTt5321phh12pcC10083.1)3060(106.23600/5000)T(CW)t(CWQ?=-=-=-= 〔3〕sKgttCQWpcC/73.1)2035(10174.410083.1)(3512=-=-= 〔2〕環(huán)隙當(dāng)量直徑：mdDdoie023.0057.0)0045.02089.0(=-?-=-=〔2分〕smdDVuoiS/7.0)057.008.0(785.0100073.1)(785.02222=-?=-?=〔2〕smude/7.0)057.008.0(785.0023.07.01000Re22=-==μρ75.561.010174.41084.033==- λμpC則CmWCRdpeeo??===24.08.044.08.0/7.327975.5)1092.1(023.061.0023.0)(023.0μλα〔2分〕C??=+=+=2i0i00m/W4.9445057151213279.711dd111Kαα〔3〕3．603035202510Ctttttm?=-=-?=4.161025ln1025ln2121〔3〕mmtldKtKSQ?∏=?=0mtdKQlm1.394.16057.014.34.94410083.150==?∏=〔 3〕六、(20分)在一臺套管換熱器中，冷卻水在φ25×2.5mm的內(nèi)管中流淌，以冷凝環(huán)隙間的某飽和0.4m/s和0.8m/s時(shí)，測得基于內(nèi)管外1200W/m2?K和1700W/m2?K。水在管內(nèi)為湍流，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為45w/m?K。水流速轉(zhuǎn)變后可認(rèn)為環(huán)隙間冷凝的傳熱膜系數(shù)不變，試求：〔1〕當(dāng)水的流速為0.4m/s時(shí)，管壁對水的對流傳熱系數(shù)為多少？〔2〕管外蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)為多少？〔3〕假設(shè)操作一段時(shí)間后，水流速仍維持0.4m/s，但測得的總傳熱系數(shù)比操作初期下降10%，試分析可能的緣由，并論述此時(shí)蒸汽的10%。六、〔20分〕解：對于換熱器，可無視污垢熱阻，有omoiiodbdddKαλα11++=其中mdi02.0)20235.0025.0(=?-=mdo025.0=mdm0224.0223.0005.002.0025.0ln02.0025.0==-=冷卻水流速為sm/4.0oiαα10224.045025.00025.002.0025.012023+??+?=oi110620.025.11033.844+?+=?--oiαα125.11071.74+=-〔1〕〔5〕流速為sm/8.0uu2=”iiiααα74.128.0==”oiαα10224.045025.00025.002.074.1025.017001+??+?=oiαα110620.0718.01088.544+?+=?--oi1718.01026.54+=-〔2〕〔5〕求水的流速為0.4m/s時(shí)，管壁對水的對流傳熱系數(shù)式(1)-式(2)，得i532.01083.14=-KmWi?=2/2907α〔3〕求管外蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)將〔1〕的計(jì)算結(jié)果帶入式(1)中，得oα1290725.11071.74+=-oα11030.41071.744+=?--KmWo?=?-=-24/293310)30.471.7(1α〔3分〕〔3〕操作一段時(shí)間后，水流速仍維持0.4m/s，但測得的總傳熱系數(shù)比操作初期下降10%，其緣由可能是污垢熱阻造成的。依據(jù)rWttCpWtSKQhccm”=-”=?”=”)(12KK9.0=”時(shí)，Q2t”也會減小，從而mt?也隨之減小，所以QQ9.0<”，hhWW9.0<”即，蒸汽的冷凝量下降超過10%?！?分〕三、〔20分，08考研〕有一單程管殼式換熱器，內(nèi)裝有Φ25×2.5mm的鋼管3002m。要求將流量為8000kg/h的常壓空氣于管程由20℃加熱到85℃，殼方選用108℃的飽和蒸汽冷凝。假設(shè)蒸汽側(cè)冷凝的對流傳熱系數(shù)為1×104W/(m2.℃)，無視管壁及兩側(cè)污垢熱阻和熱損失。空氣在平均溫度下的物性常數(shù)為cp=1kJ/(kg.℃)，λ＝2.85×10－2W/(m.℃)，μ＝1.98×10-5Pa.s。試求：〔1〕空氣在管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)；〔2〕換熱器的總傳熱系數(shù)〔以管子外外表為基準(zhǔn)〕；通過計(jì)算說明該換熱器能否滿足要求；〔4〕計(jì)算說明管壁溫度接近哪一側(cè)的流體溫度。三、〔20分，05考研〕在套管換熱器中用120℃的飽和蒸汽于環(huán)隙間冷凝以加熱管內(nèi)湍流的苯。苯的流量為4000kg/h1.9kJ/(kg·℃)，溫度從30℃升至60℃。蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為1×104W/(m2·℃),換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻為4×10-4m2·℃/W，無視管壁熱阻、換熱管外側(cè)污垢熱阻及熱損失。換熱管為φ54×2mm的鋼管，有效長度為12m。試求：〔1〕飽和蒸汽流量〔其冷凝潛熱為2204kJ/kg〕；〔2〕管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)αi；〔3〕當(dāng)苯的流量增加50%、但其他條件維持不變時(shí)，苯的出口溫度為假設(shè)干？三、〔20分，06考研〕一列管式換熱器，管徑為 φ25mm×2.5mm10m2〔按管外徑計(jì)〕。今擬用于使80℃的飽和苯蒸氣冷凝、冷卻到50℃。苯走管外，流量為1.25kg/s；冷卻水走管內(nèi)與苯逆流，流量為6kg/s，進(jìn)10℃。現(xiàn)已估算出苯冷凝、冷卻時(shí)1600W/(m2·K)850W/(m2·K)；水的對流傳熱系數(shù)為2500W/(m2·K)。無視管壁兩側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻。水和苯〔液體〕的比熱容分別為4.18×103J/(kg·K)1.76×103J/(kg·K)，80℃的冷凝潛熱為395×103J/kg三、〔20分，07考研〕有一套管換熱器，某流體走殼程，水走管程，逆流換熱。工藝上要求將流量為870kg/h的此流體從120℃冷卻至70℃，其比熱容為3.36kJ/(kg?℃)，它對管壁的對流傳熱系數(shù)為2326W/(m2?℃)，并可視為不變。內(nèi)管為Ф57×3.5mm的鋼管，水的進(jìn)口溫度為20℃。此換熱器剛投入使用時(shí)很清潔，當(dāng)流體出口溫度為70℃時(shí)，測得水出口溫度為50℃，873W/(m2?℃)，水的比熱容為4.174kJ/(kg?℃)，水的密度為994kg/m3。由于冷卻水的水質(zhì)問題，管內(nèi)壁結(jié)垢，使用一年后致使水的出口溫度降為45℃。管壁熱阻及外壁污垢熱阻可無視不計(jì)，且管內(nèi)外對流傳熱系數(shù)可視為不變。試求：〔1〕工況〔結(jié)垢后〕時(shí)的熱流體出口溫度；〔2〕該換熱器面積；〔3〕工況時(shí)的內(nèi)壁污垢熱阻系數(shù)。解：〔1〕〔8分〕