“化工原理”第4章 - 《传热》 - 复习题

“化工原理”第五章 传热 复习题

一、填空题

1.（2分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃, 而环境温度为20℃, 采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=0.57W/（m.K）,此时单位面积的热损失为_______。(注:大型容器可视为平壁) ***答案*** 1140W

2.（2分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为___________________.当管内水的流速为0.5m/s时,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kW/（m2.K）).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为0.8m/s时,此时传热系数α=_____________. ***答案*** α=0.023(λ/d)Re0.8Pr0.4；α=3.81(kW/（m2.K）) 3.（2分）牛顿冷却定律 的表达式为_________，给热系数（或对流传热系数）α的单位是_______。 ***答案*** q=αA△t ；W/（m2.K）

4.某并流操作的间壁式换热器中,热流体的进出口温度为90℃和50℃,冷流体的进出口温度为30℃和40℃,此时传热平均温度差△tm =_________. ***答案*** 27.9K

5.（2分） 在列管式换热器中,用饱和蒸气加热空气,此时传热管的壁温接近________流体的温度,总传热系数K接近______流体的对流给热系数. ***答案*** 蒸气；空气

6.（2分）实现传热过程的设备主要有如下三种类型___________、_____________、__________________. ***答案*** 间壁式； 蓄热式； 直接混合式。 7.（2分） 热量传递的方式主要有三种:_____、_______、__________. ***答案*** 热传导 ； 热对流；热辐射。 8．（2分）强化传热的方法之一是提高K值. 而要提高K值,则应提高对流传热系数_______________________. ***答案*** 提高给热系数较小一侧的给热系数。 9．（2分） 平壁总传热系数K与间壁两侧对流传热系数α1,α2以及间壁导热系数λ的关系为________________.当平壁厚4mm,导热系数为45( W/( m.K))时,两侧给热系数分别为8000(W/（m2.K）)和600(W/（m2.K）)时,总传热系数K=_____________. ***答案*** (1/K)=(1/α1+δ/λ+1/α2)； 532(W/（m2.K）)

10.（2分）间壁传热的总传热速率方程为_____.某换热过程中,要求 q=30 kW, K=555(W/（m2.K）)△t=25K,则传热面积为______. ***答案*** q=K×A×△tm ；2.16m2

11.（2分）化工生产中常用三种换热方法, 其特征是＿＿＿＿＿＿＿＿____________。 ***答案*** 冷热两种流体直接混合、冷热两种流体不允许直接接触而是通过间壁换热和流体通过炉内吸走热量。

12.（2分）传导传热的傅立叶定律为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿___＿＿其各项表示为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿, ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿, ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

***答案*** ｄQ/ｄτ＝－λAｄt/ｄδ,ｄQ/ｄτ表示单位时间传递的热量,－表示温度向降低方向传递,A表示传热面积,λ表示导然系数和ｄt/ｄδ表示温度梯度。

13.影响传导传热系数的因素有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ***答案*** 物质种类和组成,物质的内部结构和物理状态、温度、湿度、压强等。 14.（2分）对流传热牛顿冷却定律为＿＿＿＿＿＿＿, 其各项表示为＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿ 和＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ***答案*** Q＝αA（T－tw）, Q表示传热速度、α表示传热系数、A表示对流传热面积、T表示热流体主体平均温度和tw表示为低温流体壁面温度。

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15. （2分） 影响给热系数α的因素有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿。 ***答案*** 流体种类、流体性质、流体流动状态和传热壁面的几何尺寸

16.（2分） 对流传热中的努塞特准数式是＿＿＿＿＿＿, 它反映了＿＿____________。 ***答案*** Nu＝αｌ/λ,对流传热过程几何尺寸对α的影响。

17.（2分） 对流体传热中普兰德准数式为＿＿＿＿＿＿＿, 它反映了＿___________ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ***答案*** Pｒ＝μCｐ/λ,流体的物理性质对α的影响。 18.（2分） 厚度不同的三种材料构成三层平壁,各层接触良好,已知 b1>b2>b3;导热系数λ1<λ2<λ3。在稳定传热过程中，各层的热阻R1______R2______R3;各层导热速率Q___Q___Q。 ***答案*** R1>R2>R3 ；Q1=Q2=Q3 19.（2分）一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应＿＿＿＿＿＿，主要原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

***答案*** 降低； 因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。

20.（2分）用冷却水将一定量的热流体由100℃冷却到40℃，冷却水初温为15℃，在设计列管式换热器时，采用两种方案比较，方案Ⅰ是令冷却水终温为30℃，方案Ⅱ是令冷却水终温为35℃，则用水量 W1＿＿W2，所需传热面积A1＿＿＿A2。 ***答案*** 大于； 小于

21.（2分） 列管式换热器的壳程内设置折流挡板的作用在于___________________，折流挡板的形状有____________________，____________________等。

***答案***提高壳程流体的流速, 使壳程对流传热系数提高,园缺形（弓形）,园盘和环形 22.（5分） 在确定列管换热器冷热流体的流径时， 一般来说，蒸汽走管______； 易结垢的流体走管______；高压流体走管______；有腐蚀性流体走管______；粘度大或流量小的流体走管______。 ***答案*** 外； 内； 内； 内 ；外。

23.（2分）列管换热器的管程设计成多程是为了________________________；在壳程设置折流挡板是为了______________________________________。 ***答案*** 提高管程α值； 提高壳程α值 。

24. 85.（2分） 题号4088 第4章 知识点 100 难度 容易

有两种不同的固体材料，它们的导热系数第一种为λ1》第二种为 λ2，若作为换热器材料，应选用_________种；当作为保温材料时，应选用__________种。 ***答案*** 第一 ； 第二

25.. 当水在圆形直管内作无相变强制湍流对流传热时，若仅将其流速提高1倍，则其对流传热系数可变为原来的_________倍。***答案*** 20.8

26..（2分） 沸腾传热中，保持__________沸腾是比较理想的。 ***答案*** 泡核

27.（2分） 进行换热的两流体，若α1》α2时，要提高K值，应设法提高_______；当α1≈α2时，要提高K值，应使_________________。 ***答案*** α2；α1与α2同时提高。 28.（2分） 水垢的热阻较大的原理，主要是________________________。 ***答案*** 垢层的导热系数很小。

二、选择题

1.（2）穿过三层平壁的稳定导热过程，如图所示，试比较第一层的热阻 R1与第二、三层热阻R2、R3的大小( )。 A. R1>(R2+R3) B. R1<(R2+R3) C. R1=(R2+R3) D. 无法比较

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***答案*** C

2.（2分） 在反应器的单根冷却蛇管内通冷却水，其进、出口温度分别为t1、t2，蛇管外有热流体稳定流过,借搅拌器作用，使热流体保持均匀温度T(T为热流体出口温度) ，如冷却蛇管长度增大一倍,其它条件不变,问出口水温t2应( )。 A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 不一定 ***答案*** A； ∵ms2Cp2(t2-t1）=KA△tm

ms2Cp2(t2-t1）=KπdL{[（T-t1）-（T-t2）]/[ln(T-t1）/（T-t2）]} 上式可简化为 ms2Cp2/Kπd =L/[ln[ln(T-t1）/（T-t2）；此等式左边为定值，则右边也应为定值，当L增大一倍，ln（T-t1）/（T-t2） 也增大一倍，而T，t均恒定，故t必增大

3.（6分）套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时:

（1）传热系数K应 :A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （2）空气出口温度: A 增大 B 减小 C 基本不变 ( ) （3）壁温 A 增大B 略有减小 C 基本不变 ( ) ***答案*** （1） A （2） A （3） B

4.（2分） 在平壁导热过程中q＝λA（t1-t2）／δ，传热推动力是（ ）。 A. λ; B. （t1-t2）; C. δ ***答案*** B

5.（2分） 有一列管换热器，用饱和水蒸汽（温度为120 ℃）将管内一定流量的氢氧化钠溶液由20℃加热到80℃，该换热器的平均传热温度差Δtm为（ ）。 A. -60/ln2.5; B. 60/ln2.5; C. 120/ln5 ***答案*** B 6.（2分） 将1500 kg/h，80℃的硝基苯通过换热器冷却到40℃，冷却水初温为30℃，出口温度不超过35℃，硝基苯比热为1.38kJ/(kg.K)，则换热器的热负荷为（ ）。 A. 19800kJ/h; B. 82800kJ/h; C. 82800 kW; ***答案*** B

7.（2分） 在比较多的情况下，尤其是液－液热交换过程中，热阻通常较小可以忽略不计的是（ ）。

A. 热流体的热阻; B. 冷流体的热阻;

C. 冷热两种流体的热阻; D. 金属壁的热阻。 ***答案*** D

8.（2分） 湍流体与器壁间的对流传热（即给热过程）其热阻主要存在于（ ）。

A. 流体内; B. 器壁内; C. 湍流体滞流内层中; D. 流体湍流区域内。 ***答案*** C 9．（2分） 对一台正在工作的列管式换热器，已知α1＝116W/(m2.K),α2＝11600 W/(m2.K)，要提高传热系数（K），最简单有效的途径是（ ）。

A. 设法增大α1; B. 设法增大α2; C. 同时增大α1和α2。**答案*** A

10.（2分） 流体与固体壁面间的对流传热，当热量通过滞流内层时，主要是以（ ）方式进行的。

A. 热传导 B. 对流传热 C. 热辐射。***答案*** A 11.（4分） 物质的导热系数，一般来说：金属的λ（ ），非金属的λ（ ）， 液体的λ（ ），气体的λ（ ）。

A. 最小 B. 最大 C. 较小 D. 较大 ***答案*** B； D ； C； A 。 12.（2分） 用-10℃的冷冻盐水冷却某溶液，使用列管式换热器应将冷冻盐水安排走（ ）。 A. 壳程 B. 管程 C. 壳、管程均可。 ***答案*** B 13.（2分） 蒸汽中不凝性气体的存在，会使它的对流传热系数α值（ ）。 A. 降低 B. 升高 C. 不变。 ***答案*** A

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14.（3分） 在下面几种换热器中，传热系数较大的是（ ）；能适用于高温高压场合的是（ ）；单位传热面积的金属耗较大的是（ ）。

A. 套管式 ； B. 列管式；C. 板式 。 ***答案*** C； B； A。 15.（2分） 蒸汽冷凝时，膜状冷凝的α( )滴状冷凝的α。 A. 等于 ； B. 大于 ； C. 小于。 ***答案*** B。

三、判断题

1.（2分）凡稳定的圆筒壁传热，热通量为常数。( )***答案*** × 2.（2分）强化传热过程最有效的途径是增大传热面积，提高传热温度差。（ ）*答案* × 3.（2分）导热系数和给热系数都是物质的属性之一。（ ） ***答案*** ×

4.（2分）当保温材料的厚度加大时，内外壁面的总温度差增大，总的热阻也增大，总推动力与总阻力之比为定值，即导热速率不变 。（ ） ***答案*** × 5.（2分）在相同条件下，采用逆流操作比采用并流操作，所需传热面积要小。（）答案：√ 6.（2分）无相变的折，错流换热器，其平均温度差△t都比逆流时为小。（ ）*答案* √ 7.（2分） 换热器的导热管，应选用导热系数值大的材料。（ ） *答案* √

8.（2分） 计算对流传热速率Q=αA△t时，若为圆管，则式中的传热面积应取管内、外表面积的平均值（ ） ***答案*** ×

9.（2分）在列管换热器管间装设了两块横向折流档板，则该换热器变成为双壳程的换热器（ ） ***答案*** ×

10.（2分） 列管换热器采用多管程的目的是提高管内流体的对流传热系数α（ ） ***答案*** √

四、问答题

1.（5分）试述对流传热的机理?

***答案*** 热流体流过管道时, 在湍流主体中,流体剧烈拢动,形成漩涡, 使质点强烈混合而交换热量，温度较均匀，几乎不存在温度梯度；但在紧靠管壁，有一层很薄的作层流流动的流体层（层流底层），在这层薄层内，热量传递以导热方式进行，从微观上言，是靠分子传递。由于流体的导热系数很小，故热阻丝要集中层流底层内。对管内层流流动，热量传递也是主要靠导热。但由于温度存在（轴向的，径向的），有密度差，会引起质点的对流，比较复杂。

2.（5分） 强化传热过程应采取哪些途径?

***答案*** 根据Q＝KA△tm方程, 指任一个K、A、△t都能提高强化传热

(1) 增加传热面积,如在管内外壁装上翅片,采用螺旋管或粗糙管代替光滑管；(2)增大传热温差△tm可采用逆流操作,因为当T1，T2，t1，t2四个温度一定时，逆流传热温差△tm最大； (3)提高传热系数K由 K＝1/（1/αo＋1/αi＋Σ（δ/λ）） 提高α1、α2降低δ,都能强化传热,要提高α由单层改为多层,或在壳程中增设档板，对于蛇管中,加入搅拌装置或在蛇管圈中增设杯状物（强化圈）在列管换热器中可,还可采用导热系数大的流体作载热体。

3.（5分） 为什么工业换热器的冷、热流体的流向大多采用逆流操作? ***答案***

操作可以获得较大的平均传热温度差，从传递相同热负荷言，须较小的传热面积，节省设备费用。此外，逆流热流体出口温度T可接近冷流流体进口温度t，对相同热负荷言，需加热剂少；同样，就冷流体而言，逆流体出口温度t可接近热流体进口温度T，对相同热负荷言，需要冷却剂少，故对逆流就加热剂或冷却剂用量考虑，逆流操作费小。

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4.（5分） 什么是稳定传热和不稳定传热?

***答案*** 在传热过程中，传热面上各点的温度不随时间变化，称为稳定传热。稳定传热时，传热速率为定值。 反之，若传热面上各的温度随时间而变，则为不稳定传热。不稳定传热时，传热速率也随时间而变。

5. （5分）说明流体流动类型对给热系数的影响。

***答案*** 流体为层流时，传热是以导热方式进行的。则此时给热系数较小。当为湍流时，传热是以对流方式进行的，此时给热系数增大。所以流体的传热，多在湍流情况下进行。

6.（6分） 给热系数受哪些因素影响?

***答案*** 流动类型：湍流时的给热系数大。流体的物性：粘度μ、密度ρ、比热Cp，导热系数λ均对给热系数有影响。传热面的形状、大小和位置：管子的排列、折流都是为了提高给热系数。流体的对流情况，强制对流比自然对流的给热系数大，流体在传热过程有无相变，有相变α大。 分析α＝0.023λ/dRe0.8Pr03~0.4也可以回答上列问题。 7.（3分） 提高传热系数时,为什么要着重提高给热系数小的这一侧? ***答案*** 当忽略金属壁面的导热热阻时，

1/K=1/α1+1/α2=(α1+α2)/(α1×α2)； 若α1>>α2,则α1+α2≈α1 ∴K≈α2 即K接近α小的数值。

8（5分） 列管换热器由哪几个基本部分组成？各起什么作用？

***答案*** 主要由壳体、管束、管板和顶盖（又称封头）等基部分组成。壳体和管束作为冷热两流体的流动空间，通过管壁进行换热。管束安装在管板上，通过管板使管束与壳体连成一体。顶盖（封头）上有管程流体进出口，且有分程、密封，封头可拆卸，便于管子清洗等作用。

9.（8分） 简要指出换热器强化有那些途径？

***答案*** 根据传热方程：Q=KA△tm可知强化换热器途径有：

(1)增大传热平均温度差△tm，△tm的提高，应在工艺条件允许的范围内，尽可能增大，所以受到一定的限制。

(2)增大单位体积的传热面积A，增大A，往往会使投资费用增大，设备尺寸增大，占地面积增大，所以要从换热器结构上改进，使换热器的单位体积的传热面积增大。

(3)增大抟热系数K，增大K值是强化传热的主要途径。主要设法提高对流传热系数小的值，其措施是增大该侧流体流动的湍动程度。根据换热器工作的实际情况，可采取不同的措施，以提高K值。

10.（5分） 有一高温炉，炉内温度高达1000℃以上，炉内有燃烧气体和被加热物体，试定性分析从炉内向外界大气传热的传热过程。 ***答案***

炉内以对流和辐射并联联合传热，将热量传给炉的内壁面。在炉壁内通过传导传热，将热量以炉的内壁面传到炉的外壁面，它与炉内对流与辐射传热相串联。炉外通过对流与辐射并联联合传热，将热量从炉的外壁面传到大气中，它与炉壁内的传导传热相串联，所以该传热过程的特点是：（1）传导、对流、辐射三种传热方式同时存在；（2）并联、串联的联合传热同时存在。

五、计算题

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1.（12分） 有一壁厚为10mm的钢制平壁容器, 内盛80℃的恒温热水。水对内壁面的对流传热系数为240W/(m2.K)。现在容器外表面复盖一层导热系数为0.16W/(m.K),厚度为 50mm 的保温材料。保温层为10℃的空气所包围,外壁对空气的联合传热系数为10 W/(m2.K)。试求：(1)每小时从每m2面积所损失的热量kJ(h.m2);(2)容器内表面的温度T(钢材的导热系数为45W/(m.K))

***答案***

1. q=K△tm △tm=80-10=70℃

K=1/(1/α0+1/αi+b1/λ1+b2/λ2) =1/(1/10+1/240+0.01/45+0.05/0.16)=2.399W/(m2.K) q=2.399×70=167.9W/m2 每小时散热量 qh=3600×168/1000=604.4kJ/(m2.h) 2.q=αi(80-Tｗ) 80-Tｗ=167.9/240=0.7; ∴Tｗ=79.3℃ 2.（10分）100℃ 的水蒸汽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2039W/(m2.K)，传热面积为12.75m2,15℃的冷却水以2.25×105kg/h的流量在管内流过,设总传热温差可以用算术平均值计算,求水蒸汽冷凝量kg/h? ***答案*** Q=Gc·Cpc(t2-t1)=KA△tm,

△tm=[(100-15)+(100-t2)]/2=(185-t2)/2 Q=2.25×105×4.18×103×(t2-15)/3600 =2039×12.75×(185-t2)/2 t2=23.1℃； Q=2039×12.75×(185-23)/2=2105kw D=2105×3600/2258.4=3355kg/h 3.（15分） 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℃，其平均比热为2.38kJ/(kg.K),环隙走冷却水,其进出口温度分别为40℃和50℃,平均比热为4.174kJ/(kg.K), 基于传热外面积的总传热系数K=2000W/(m2K),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。

***答案***

（1） 冷却水用量：

W1ｃ1（T1－T2）＝W2ｃ2（t2－t1）； 3500×2.38×（100－60）＝W2×4.174×（50－40） ∴W2＝7982kg/h

Δtm逆＝（50－20）/ｌｎ（50/20）＝32.75 Δtm并＝（60－10）/ｌｎ（60/10）＝27.9 Q＝KAΔtm Q＝333200kJ/h A逆＝333200×103/（2000×32.75×3600）＝1.41m2 πｄl＝1.41 3.14×0.18×l＝1.41 ∴l＝2.5l m

A并＝333200×103/（2000×27.9×3600）l＝1.66 m2 3.14×0.18×l＝1.66 ∴l＝2.93 m

4.（15分） 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。

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***答案***

W1cp1（420－370）＝W2cp2（310－285） W1cp1（420－350）＝W2cp2（t2－285） 两式相比得 t2＝320K

Δtm1＝((420-285)-(370-310))/ln(420-285)/(370-310)＝75/0.81＝92.5K Δtm2＝((420-285)-(350-320))/ln(420-285)/(350-320)＝105/1.5＝69.8K Q1＝W1cp1（420－370）＝KoπｄlΔtm1 Q2＝W1cp1（420－350）＝Ko'πdl'Δt'

油、水的流量,物性常数及管径均不变,故Ko=Ko' 两式相比得

（420-370）/（420-350）＝（l/ l'）×（Δtm1/Δtm2） l'＝70/50×92.5/69.8×1＝1.855m

5.（16分） 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。已知气体侧的对流传热系数远小于冷却水侧的对流传热系数。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。

***答案***

（1）冷却水用量 Q＝2000×1.02（150－80)＝W2×4.17（65－15） ＝14.3×105kJ/h W2＝14.3×105/（4.17×（65－15））＝685kg/h （2）由题知 αi<<αo ∴ 原情况 Q=Ki.Ai.△tm=αi.Ai.△tm (1) 新情况 Q'=Ki'.Ai'.△tm'=αi'.Ai'.△tm' (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: △tm=△tm' 原情况 Δ1=150-65=85℃ Δ2=80-15=65℃ △1/△2=85/65=1.3<2 Δtm＝(85+65)/2=75℃ 新情况 Δ1=150-t2' Δ2'=80-20=60℃ △tm'=[(15 0-t2')+60]/2=75℃ 解得 t2'=60℃ △1'=150-60=90℃

△1'/△2'=90/60=1.5, 故△tm'用算术平均值计算是可以的. 新情况的热衡算: W'×4.17×(60-20)=2000×1.02×(150-80) W'=856kg/h 即将水量调至856kg/h,水的出口t2' 既符合热衡算关系也符合传热速率关系.

6.（16分） 用一传热面积为3m2由φ25×2.5mm的管子组成的单程列管式换热器,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);水侧和油侧的对流传热系数分别为2000W/(m2.K)和250W/(m2.K),两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻。(1)计算说明该换热器是否合用? (2)夏天当水的初温达到30℃,而油的流量及冷却程度不变时,该换热器是否合用?(假设传热系数不变)

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***答案*** (1) Q1=1200×2×(200-100)=240000kJ/h; Q2=Q1, t2=t1+Q1/(mρ2·Cp2)=10+240000/(1000×4.18)=67.4℃ △tm=(132.6-90)/ln(132.6/90)=110℃ 1/K1=1/α1+d1/(α2·d2)=1/250+25/(2000×20) ; K1=2 16.2 W/(m2.K) A1=Q1/(K△tm) =240000×103/(216.2×3600×110) =2.8 m2<3m2 故适用 (2) t1=30℃时; t2=30+240000/(1000×4.18)=87.4℃ △tm=(112.6-70)/ln(112.6/70)=89.6℃; A1=240000×103/(3600×89.6×216.2)=3.45m2>3 m2不适用.

7.（18分） 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, 其冷凝传热系数为14000W/(m2.K).冷却水于16℃及5000kg/h的流量进入套管内管(内径为50mm)作湍流流动，其对流传热系数为1740W/(m2.K)。水的比热可取为4.19kJ/(kg.K)：(1)试计算冷却水的出口温度及套管管长。(2)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。

***答案***

（1）由热量衡算得： Q＝Gr＝W.Cp（t出－16） ∴t出＝Gr/（WCp）＋16) ＝2000/3600×363×103/5000/3600×4.19×103+16＝50.65℃ 取K＝1/[(1/1740)+(1/14000)]=1548W/(m2.K) Q＝Gｒ＝2000/3600×363×103＝2.02×105W Δt1＝110－16＝94℃, Δt2 ＝110－50.65＝59.35℃ Δtm＝（Δt1 ＋Δt2 ）/2＝（94＋59.35）/2＝76.8℃ 又Q＝KAΔtm ＝Kπd0lΔtm ∴ 管长l＝Q/（Kπd0Δtm ） ＝2.02×105 /（1548×3.14×0.05×76.8）＝10.82m （2）水温升高(忽略物性变化) 传热面积A＝πd0l＝3.14×0.05×10.8＝1.7m2 Q'=KA△tm' 其中Q'=5000/3600×4.19×103 (t2'-25) △tm'=[(110-25)+(110-t2')]/2=97.5-0.5t2' ∴ 5000/3600×4.19×103 (t2'-25) =1548×1.7(97.5-0.5t2') , 解得 t2'=56.4℃ Q'=5000/3600×4.19×10(56.4-25)=1.83×105w (Q-Q')/q×100%==9.4% 8.（20分）现要将某液体从140℃冷却至40℃，液体处理量为7000kg/h（比热为2.3kJ/(kg.K)）用河水作冷却剂，河水进口温度为20℃，出口温度30℃，采用逆流操作。若传热系数K=700W/(m2.K)，忽略热损失，试求：(1)冷却水的耗用量，以m3/h表示（水的比热为4.18kJ/(kg.K)，密度1000kg/m3)(2)现仓库有一台单程列管式换热器，内有φ19×2mm的钢管60根，管长3m，试核算该换热器可否满足上述工艺要求？

***答案***

Q=ms1Cp1(T1-T2)=7000×2.3×(140-40) =1.61×106kJ/h

Q= ms2Cp2 (t2-t1); ms2=Q/ Cp2 (t2-t1)=1.61×106/[4.18×(30-20)] =3.852×104kg/h Vs=3.852×104/103=38.52m3/h; Ao=πdoln=π×19×10-3×3×60=10.74m2 △tm=(△t1-△t2)/ln(△t1/△t2)=(110-20)/ln(110/20) =52.7℃

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A'=Q/(K×△tm)=1.61×106×103/(3600×700×52.7) =8.73m2 ∵A > A'; ∴此换热器可满足上述工艺要求

9.（18分） 某换热器由若干根长为3m，直径为φ25×2.5mm的钢管组成。要求将流量为1.25kg/s的某液体从77℃冷却到20℃，用17℃的水在管内与某液体逆流流动。已知水侧和管外侧的对流传热系数 α1和α2分别为0.85和1.70kW/(m2.K),污垢热阻可忽略，若维持冷水的出口温度不超过47℃（某液体的Cp为1.9kJ/(kg.K),管壁的导热系数λ=45W/(m.K)）试求：（1）传热外表面积Ao（2）所需的管子数n

***答案*** △t1=77-47=30℃; △t2=20-17=3℃

△tm=(△t1-△t2)/[ln(△t1 /△t2)]=(30-3)/ln(30/3)=11.72℃ Ko=1/[do/(α1di)＋(δdm)/(λdo)＋(1/α2)] =1/（1/1700+0.0025×25/45×22.5+25/850×20）=471.6W/(m2K) Q=ms1×Cp1(T1-T2) =1.25×1.9×103×(77-20)=1.354×105W A=(1.354×105)/(471.6×11.72)=24.5m2 n=24.5/(πdoL)=24.5/(π×25×10-3×3) =104根

10.（22分） 某化工厂用一热交换器，每小时冷凝3.4T/h工业酒精。已知酒精温度80℃，汽化潜热为1072kJ/kg,酒精蒸汽在管外冷凝，测得其α1=2268W/(m2.K),冷却水在管内流动，水流速度为0.4 m/s,进口水温度为20℃，流量为34500kg/h, 钢管规格：φ30×2.5mm,长2m，钢管导热系数46.5W/(m.K),设过程无热损失，并忽略垢层热阻，试求：（1）传热速率（2）冷却水出口温度 （3）换热器传热面积（4）欲使传热速率Q提高，有人认为只要提高α1即可，你的看法如何？（水的ρ=1000kg/m3,Cp=4.18kJ/(kg.K),μ=1cp,λ=0.65W/(m2.K))

***答案*** （1）Q=3.4×103×1072×103/3600=1.012×106W （2 ）1.012×106=34500×4.18×103(t2-20)/3600; t2=45.26℃ （3）Re=dup/μ=(25×10-3×0.4×103)/(1×103)=104 pr=Cp.μ/λ=(4.18×103×1×10-3)/0.65=6.431 L/d=2/(30×10-3)=66.67＞60 αi=0.023(λ/di)Re0.8Pr0.4 =0.023×(0.65/0.025)×(104)0.8×(6.431)0.4 =1996W/(m2.K) △t1=80-20=60℃;△t2=80-45.26=34.74℃;△tm=(60＋34.74)/2=47.37℃ Ko =1/[(do/αidi)＋(doδ)/(dmλ)＋1/αo] =1/[30/(25×1996)＋(30×2.5×10-3)/(27.5×46.5)＋1/2268] =908.4W/(m2.K) A=Q/(K△tm)=(1.012×106)/(908.4×47.37) =25.6m2

（4）要提高Q，不能单纯提高α1，因为α1与α2数值相近，必须同时提高α1与α2，才能使K增大，从而使Q能显著提高。

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