化工原理刘志奎第四章课后习题.pdf

第四章 传 热 热传导热传导 【4-1】有一加热器，为了减少热损失，在加热器的平壁外表面，包一层热导率为 0.16W/(m)、厚度为 300mm 的绝热材料。已测得绝热层外表面温度为 30，另测得距加 热器平壁外表面 250mm 处的温度为 75，如习题 4-1 附图所示。试求加热器平壁外表面温 度。 解解 23 75, 30tt= 计算加热器平壁外表面温度 1 t，./()Wm=0 16 2312 12 tttt bb = 1 757530 0 250 05 0 160 16 t = . . 1 45 0 2575300 0 05 t =+= 【4-2】有一冷藏室，其保冷壁是由 30mm 厚的软木做成的。软木的热导率 =0.043 W/(m)。若外表面温度为 28，内表面温度为 3，试计算单位表面积的冷量损失。 解解 已知.(),. 12 3, 28, =0 043 0 03ttWmbm=， 则单位表面积的冷量损失为 ()() . ./ . qttWm b = 2 12 0 043 32835 8 0 03 【4-3】用平板法测定材料的热导率，平板状材料的一侧用电热器加热，另一侧用冷水 冷却，同时在板的两侧均用热电偶测量其表面温度。若所测固体的表面积为 0.02m2，材料 的厚度为 0.02m。 现测得电流表的读数为 2.8A， 伏特计的读数为 140V， 两侧温度分别为 280 和 100，试计算该材料的热导率。 解解 根据已知做图 热传导的热量 . 2 8 140392QI VW= () 12 A Qtt b = . ().() 12 392 0 02 0 02 280 100 Qb A tt = ()./2 18Wm= 【4-4】燃烧炉的平壁由下列三层材料构成：耐火砖层，热导率 =1.05W/(m)，厚度 230bmm=；绝热砖层，热导率 =0.151W/(m)；普通砖层，热导率 =0.93W/(m)。 耐火砖层内侧壁面温度为 1000，绝热砖的耐热温度为 940，普通砖的耐热温度为 130。 (1) 根据砖的耐热温度确定砖与砖接触面的温度，然后计算绝热砖层厚度。若每块绝热 习题 4-1 附图 习题 4-3 附图 39 砖厚度为 230mm，试确定绝热砖层的厚度。 (2) 若普通砖层厚度为 240mm，试计算普通砖层外表面温度。 解解 (1)确定绝热层的厚度 2 b 温度分布如习题 4-4 附图所示。 通过耐火砖层的热传 导计算热流密度 q。 () 1 12 1 qtt b = . ()/ . Wm= 2 1 05 1000940274 0 23 绝热砖层厚度 2 b的计算 () 2 23 2 qtt b = . ().bm= 2 0 151 940 1300 446 274 每块绝热砖的厚度为023m，取两块绝热砖的厚度为. 2 0 23 2046bm= 。 (2) 计算普通砖层的外侧壁温 4 t 先核算绝热砖层与普通砖层接触面处的温度 3 t . . . 2 32 2 274 0 46 940105 3 0 151 qb tt = 3 t小于 130，符合要求。 通过普通砖层的热传导，计算普通砖层的外侧壁温 4 t。 () 3 34 3 qtt b = . . 3 43 3 274 0 24 105 334 6 0 93 qb tt = 【4-5】有直径为382mmmm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为 1mm 的水垢，水垢 的热导率 =1.163W/(m)。试计算水垢的热阻是黄铜管热阻的多少倍黄铜的热导率 =110W/(m)。 解解 因 38 2 32 雷诺数 Re. . 4 3 0 015 1 998 2 1 49 10 1 004 10 du = 湍流 对流传热系数的计算，水被加热，Pr 的指数. 0 4n = . .RePr.( .)( .) . 0 80 440 80 4 0 599 0 0230 0231 49 107 02 0 015d = =4367 W/(m2) 【4-9】空气以4m s的流速通过75 53 75mmmm的钢管，管长5m。空气入口温度为 32，出口温度为 68。(1)试计算空气与管壁间的对流传热系数。(2)如空气流速增加一倍， 其他条件均不变，对流传热系数又为多少？(3)若空气从管壁得到的热量为578W，钢管内壁 的平均温度为多少。 解解 已知/ ,., 12 4 0 068 5 32 68um sdmlmtt= (1)对流传热系数计算 空气的平均温度 3268 50 2 m t + = 查得空气在50时的物性数据./ 3 1 093kg m=， .,./(),./() p Pa sWmckJkg = 52 1 96 10 2 83 10 1 005 Pr0698= ，空气被加热，Pr 的指数04n = 雷诺数 Re. . 4 5 0 068 4 1 093 1 52 10 1 96 10 du = 湍流 . . 5 73 560 0 068 l d = 对流传热系数 . .RePr 0 80 4 0 023 d = . .( .)( .)./() . Wm = 2 40 80 42 2 83 10 0 0231 52 100 69818 4 0 068 (2)空气流速增加一倍，对流传热系数为 42 ./() u Wm u = 0 80 8 2 2 18 432 1 (3)若空气从管壁得到的热量为578W，计算钢管内壁平均温度 用式 wm QA tt=（）计算钢管内壁的平均温度 w t。 已知空气进出口平均温度 50 m t= 在第(1)项中已计算出对流传热系数 ./() 2 18 4Wm= 钢管内表面积为 2 0 068 51 07Adlm= 钢管内壁平均温度 . 578 5079 4 18 4 1 07 ww Q tt A =+=+= 【4-10】温度为 10、压力为 101.3kPa 的空气，以/10m s的流速在列管式换热器管间 沿管长方向流动，空气出口温度为 30。列管式换热器的外壳内径为 190mm，其中装有 37 根的192mmmm钢管，钢管长度为 2m。试求钢管外表面对空气的对流传热系数。 解解 已知空气压力.101 3kPa=，温度, 12 10 30tt=， 空气的平均温度 1030 20 2 m t + = 查得空气在 20的物性数据为：密度./ 3 1 128kg m=，比热容./( 3 1 005 10) p cJkg=， 热导率 2 2.76 10()Wm =，黏度. 5 1 91 10 Pa s =，普朗特数Pr. 0 699=，空气被加热，Pr 的指数. 0 4n = 空气流动的截面积 () 22 0 1937 0 019 4 湿润周边 ( .)0 1937 0019+ 当量直径 ( ) . ( ) 22 40 1937 0 019 4 0 0255 0 1937 0 019 e d = + . . 2 78 460 0 0255 e l d = 已知空气的流速 /10um s= 雷诺数 . Re. . 4 5 0. 0255 10 1 128 =1 51 10 1 91 10 e d u = 湍流 对流传热系数 () . . . RePr.( . 2 0 4 0 80 440 8 2 76 10 =0.0230 0231 51 10 ）0 699 0 0255 e d = ./() 2 47 5 Wm= 【4-11】有一套管式换热器，内管为.382 5mmmm，外管为573mmmm的钢管，内管 的传热管长为 2m。质量流量为/2530kg h的甲苯在环隙中流动，进口温度为 72，出口温度 为 38。试求甲苯对内管外表面的对流传热系数。 43 解解 甲苯的温度 , 12 72 38TT=，平均温度 12 7238 55 22 m TT T + = 甲苯在 55的物性数据有：密度/ 3 830kg m=，比热容./() 3 1 83 10 p cJkg=，热导率 =0.128W/(m)，黏度. 4 4 3 10Pa s = 甲苯的质量流量 / 1 2530 m qkg h= 体积流量 /./ vm qqmh= 3 11 2530 8303 05 甲苯在环隙中的流速u计算 套管的内管外径 1 0038dm= ，外管内径. 2 0 051dm=， 流速 . ./ ( ) um s = 22 3 05 0 933 36000 0510 038 4 甲苯对内管外表面的对流传热系数计算 套管环隙的当量直径 21 0051 00380013 e dddm= . 2 15460 0 013 l d = Re. . 4 4 0 013 0 933 830 2 34 10 4 3 10 e d u = 湍流 Pr. . 34 1 83 104 3 10 6 15 0 128 p c = 甲苯被冷却 . 0 3n = RePr 0 80 3 0 023 de = ()() . . /(Wm = = 0 8 0 3 4 2 0 128 0 0232 34 106 15 0 013 1222 ) 【4-12】 甲苯在一蛇管冷却器中由 70冷却到 30，蛇管由.452 5mmmm的钢管 3 根并联而成，蛇管的圈径为 0.6m。若甲苯的体积流量为/mh 3 3，试求甲苯对钢管内表面的 对流传热系数。 解解 甲苯的温度,TT= 12 70 =30 平均温度 7030 50 2 m T + = 甲苯在 50时的物性数据为：密度/ 3 836kg m=，黏度. 4 4 4 10Pa s =，热导率 0.129()Wm=，比热容./() 3 1 77 10 p cJkg= 甲苯在 3 根并联蛇管中的流速u计算 体积流量 / v qmh= 3 3，蛇管内径. 0 04dm=， 44 流速 / ./ .( .)22 3 3600 0 221 0 7850 043 3 4 V q um s d = 雷诺数 Re. . 4 4 004 0221 836 =1 68 10 4 4 10 du = 湍流 普朗特数 Pr. . 34 1 77 104 4 10 6 04 0 129 p c = 弯管效应校正系数 . . . 0 04 1 1 771 1 771 24 0 3 R d R = += += 对流传热系数计算 甲苯被冷却 . 0 3n = RePr 0 80 3 0023 R d = () . . . .( .) . 0 3 40 8 0 129 0 0231 68 106 041 24379 0 04 = W/(m2) 【4-13】质量流量为 1650kg/h 的硝酸，在管径为.802 5mmmm、长为 3m 的水平管中 流过。管外为 300kPa（绝对压力）的饱和水蒸气冷凝，使硝酸得到. 4 3 8 10 W的热量。试求 水蒸气在水平管外冷凝时的对流传热系数。 解解 在计算水蒸气在水平管外冷凝的对流传热系数时，需要知道管外表面温度 w t。 如何假设 w t? 水蒸气冷凝的值一般为()500015000 Wm 按题意，饱和水蒸气冷凝传给硝酸的热量为. 4 3 8 10QW= 取()1000 Wm=，估算壁温度 w t 300kPa（绝对压力）时，水蒸气的饱和温度. s t =1333。 用式() sw QA tt=估算壁温度 w t . . . 4 3 8 10 133 3128 100000 08 3 ws Q tt A = 先假设128 w t = 定性温度为膜温 . 133 3 128 131 22 sw tt t + = 冷凝水膜的物性参数 / 3 934 kg m= .,./()Pa sWm = 41 2 16 10 6 86 10 .133 3 s t =时水的比汽化热 / 3 2168 10 rJkg= 水蒸气在水平管外冷凝的值计算 . 23 0 0 725 gr dt = 45 .( .) . (.) /()Wm = = 1 21 33 4 4 2 9349 816 86 102168 10 0 725 2 16 100 08133 3 128 11558 用式() sw QA tt=计算 Q 值 ()QW= =115580 08 3133 3 12846164 此 Q 值大于硝酸吸收的热量，说明假设的 w t偏小。 重新用() 2 11558 Wm=估算 w t。 . . . 4 3 8 10 133 3=129 115580 08 3 ws Q tt A = 假设129 w t = 膜温 .133 3 129 131 22 sw tt t + = 与前面计算的膜温基本一样，故冷凝水膜的物性数据也一样，只是计算式中的 133 3 1294 3 sw ttt =不同。 值计算 .( .) . (.) 1 21 33 4 4 9349 816 86 102168 10 0 725 2 16 100 08133 3 129 = ()Wm=11216 用() 2 11216 Wm=验算壁温 . . . ws Q tt A = 4 3 8 10 133 3129 112160 08 3 与前面假设的相同。 【4-14】水在大容器内沸腾，如果绝对压力保持在200pkPa=，加热面温度保持 130， 试计算加热面上的热流密度q。 解解 ,.,200 120 2 130 sw pkPatt= 130 120 29 8 ws ttt = 水沸腾的对流传热系数计算 () . . . 0 5 2 330 52 333 0 1230 123 9 8200 10tp= .() 42 1 12 10 Wm= 加热面上的热流密度q ./ 4522 1 12 109 81 1 10110 Q qtWmkWm A = = 46 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算 【4-15】载热体的流量为/1500kg h，试计算下列各过程中载热体放出或吸收的热量。(1) 100的饱和水蒸气冷凝成 100的水；(2)苯胺由 383K 降温至 283K；(3)比热容为 ./()3 77kJkg K的NaOH水溶液从 290K 加热到 370K； (4)常压下 20的空气加热到150； (5)绝对压力为 250kPa 的饱和水蒸气，冷凝冷却成 40的水。 解解 / m qkg s= 1500 3600 (1) 水蒸气冷凝 比汽化热/2258rkJkg= 放热量 m Qq rkW= 1500 2258941 3600 (2) 苯胺 平均温度 383283 333 2 m TK + = 比热容 ./()2 19 p ckJkg K= 放热量 ()() 12 1500 =2 1938328391 3 3600 mp Qq cTTkW= (3) NaOH水溶液 比热容()./3 77 p ckJkg K= 吸热量 ()(). 12 1500 3 77370290126 3600 mp Qq cTTkW= (4) 空气加热平均温度 20150 85 2 m t + = 比热容 ()./1 009 p ckJkg= 吸热量 ()() 21 1500 =1 0091502054 7 3600 mp Qq cttkW= (5) 饱和水蒸气250pkPa=，饱和温度. s t =127 2，比汽化热/2185rkJkg=， 冷凝水从.127 2 s t =降至 2 40t =，平均温度 . . 127 240 83 6 2 m t + = 比热容 ()./4 196 p ckJkg= 放热量 2 （） mps Qqrctt=+ () 1500 21854 196127 2401063 3600 kW=+= 【4-16】用冷却水使流量为/kg h2000的硝基苯从 355K 冷却到 300K，冷却水由 15升 到 35，试求冷却水用量。若将冷却水的流量增加到./ 3 3 5mh，试求冷却水的出口温度。 解解 硝 基 苯 流 量/ 1 2000 m qkg h=， 平 均 温 度 ., 12 355300 = 327 5 22 m TT TK + =比 热 容 ()./ p ckJkg K= 1 1 58 47 硝基苯的放热量 () 1112mp Qq cTT= ()kW= 2000 1 5835530048 3 3600 (1) 冷却水用量计算 平均温度 1 2 1535 =25 22 m tt t + = 比热容()./ 2 4 179 p ckJkg=，密度/ 3 997kg m= . / ().() m p Q qkg h ctt = 2 221 48 3 3600 2080 4 179 35 15 ./ m v q qmh = 32 2 2 09 (2) 用水量./ v qmh= 3 2 3 5时，求 2 t =？ 用水量增大，水出口温度 2 t应降低。先假设水的比热容及密度不变。从上面的计算式可 知() 221v qtt与成反比，故 . ,. . 2 2 152 09 26 9 3 535 15 t t = 假设. 2 26 9t = 水的平均温度 . 21 26 915 21 22 m tt t + = 查得水的比热容()./4 182 p ckJkg=，密度/ 3 998kg m= 计算 2 t 21 2222pmpv QQ tt c qc q = . . 2 48 3 3600 1526 9 4 182 3 5 998 t =+= 与假设相符。 【4-17】在一换热器中，用水使苯从 80冷却到 50，水从 15升到 35。试分别计 算并流操作及逆流操作时的平均温度差。 解解 (1)并流操作 苯 12 8050TT= 水 12 1535tt= 12 6515tt= (2) 逆流操作 苯 12 8050TT= / 12 45 352tt= 21 3515tt= 水 12 4535tt= 【4-18】 在 1壳程 2管程列管式换热器中用水冷却油， 冷却水走管内， 进口温度为20， . lnln 12 并 1 2 65 15 34 1 65 15 tt t t t = 12 逆 4535 40 22 tt t + = 48 出口温度为 50。油进口温度为 120，出口温度为 60。试计算两种流体的传热平均温 度差。 解解 属于折流 / 1212 1205070,602040,70 402tttt= 12 7040 55 22 tt t + = 逆 12 21 1206060 2 502030 TT R tt = . 21 11 502030 0 3 12020100 tt P Tt = 查得温差校正系数 . 0 91= . 逆 0 91 5550 mm tt= = 【4-19】 用绝对压力为 300kPa 的饱和水蒸气将体积流量为 3 80mh的苯胺从 80加热到 100。苯胺在平均温度下的密度为/ 3 955kg m，比热容为./()2 31 kJkg。试计算：(1)水蒸 气用量(/ )kg h；(2)当总传热系数为() 2 800Wm 时所需传热面积。 解解 (1)水的比汽化热/2168rkJkg=，苯胺体积流量/ 3 2 80 v qmh=， 苯胺吸收的热量为 ()(). 3 221 80 955 2 31 1010080 vp Qqctt= ././ . 96 5 3 53 103 53 10 9 8 10 JhkJh W = = 水蒸气用量 . / m Q qkg h r = 6 1 3 53 10 1628 2168 (2) 计算传热面积 A 已知/()KWm= 2 800，水蒸气的,.300 133 3pkPat=。 水蒸气 133.3 133.3 苯胺 12 80100 53 333 3tt = . 12 53 333 3 43 3 22 m tt t + = . . . m Q Am Kt = 5 2 9 8 10 28 3 800 43 3 【4-20】有一套管式换热器，内管为18010mmmm的钢管，内管中有质量流量为 /3000kg h的热水，从 90冷却到 60。环隙中冷却水从 20升到 50。总传热系数 /() 2 2000KWm=。试求：(1)冷却水用量；(2)并流流动时的平均温度差及所需传热面积； (3)逆流流动时的平均温度差及所需传热面积。 解解 (1)冷却水用量 2m q计算 49 热水平均温度 ,./() mp TT TckJkg + = 12 1 9060 75 4 191 22 冷水平均温度 ,./() mp tt tckJkg + = 12 2 2050 35 4 174 22 热量衡算 ()(). 338 2 4 174 1050203000 4 191 1090603 77 10 m qJh= / m qkg h= 2 3012 (2) 并流 热水 12 9060TT= 冷水 21 12 2050 7010 tt tt = = . ln 70 10 30 8 70 10 m t = 传热面积 ./ . . m Q Am K t = 8 2 3 77 103600 1 7 2000 30 8 (3) 逆流 热水 12 9060TT= 21 12 5020 4040 tt tt = = 冷水 40 m t= 传热面积 ./ 8 3 77 103600 2000 40 m Q A K t = .m= 2 1 31 【4-21】 有 1 壳程 2 管程列管式换热器，用 293K 的冷水 30t/h 使流量为 20t/h 的乙二 醇从 353K 冷却到 313K，设总传热系数为/() 2 1200WmK，试计算所需传热面积。 解解 乙二醇的平均温度 353313 333 2 m TK + =， 比热容()./ 3 1 2 6 10 p cJkg K= 乙二醇放出热量 1112 （） mp Qq cTT= () 3 35 20 10 2 6 103533135 78 10 3600 W = 从水的物理性质数据表上可知，水在3050范围内，比热容/()4174 p cJkg K=。假设 /() 2 4174 p cJkg K=，计算冷水出口温度 2 t。 () 2221mp Qq ctt= 习题 4-21 附图 50 . . 5 21 3 22 5 78 103600 293309 6 30 104174 mp Q tt q c =+=+= K 冷水的平均温度 . . 12 293309 6 =301 3 22 m tt tK + = .28 3= m t接近 30，所假设的 2p c可以。 逆流平均温度差 m t 逆计算 112 353309 643 4tTt= 221 31329320tTt= . . . ln 逆 43 420 =30 2 43 4 20 m t = 折流的平均温度差 m t计算 . 12 21 35331340 2 41 309 629316 6 TT R tt = . 21 11 309 629316 6 0 277 35329360 tt P Tt = .,.0 830 83 30 225 1 mm tt= 逆 传热面积 . . . m Q Am Kt = 5 2 5 78 10 19 2 1200 25 1 【4-22】 有一外径为 l00mm 的水蒸气管，水蒸气温度为 160。为了减少热量损失， 在管外包覆厚度各为 25mm 的 A、B 两层绝热材料保温层，A 与 B 的热导率分别为. 0 15与 .()0 05 Wm K。试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温 度为 20，保温层外表面对周围空气的对流（包括热辐射） 传热系数/() 2 15Wm=。 保温层内表面温度在两种情况下 都等于水蒸气温度。 解解 (1) A 在内层，B 在外层。以保温层外表面积为基准的 总传热系数为 1323 1122 1 1 mm K b db d dd = + () ./Wm = + = 2 1 0 025 0 20 025 0 21 0 15 0 1250 05 0 17515 1 1 习题 4-22 附图 51 热量损失 ()() 12312 QKA ttKd L tt= 单位长度的热损失为 () 312 Q qK dtt L = () ./Wm=1 10 21602096 7 (2) B 在内层，A 在外层，总传热系数为 1323 1122 11 0 025 0 20 025 0 211 0 05 0 1250 15 0 17515 mm K b db d dd = + ./()Wm= 2 0 946 ()()/ Q qK d ttWm L = 312 =0 9460 21602083 2 计算结果表明，热导率小的绝热材料放在内层，热损失小。 【4-23】测定套管式换热器的总传热系数。数据如下：甲苯在内管中流动，质量流量为 5000kg/h，进口温度为 80，出口温度为 50。水在环隙流动，进口温度为 15，出口温 度为 30。水与甲苯逆流流动，传热面积为. 2 2 5m。问所测得的总传热系数为多大？ 解解 甲苯/ , 112 5000 80，50 m qkg hTT=， 8050 65 2 m T + =, ./() 3 1 1 86 10 p cJkg K= 热负荷 () 33 5000 1 86 108050 = 77 5 10 W 3600 Q = 12 8050TT= 21 12 3015 5035 tt tt = = . 5035 42 5 2 m t + = . 2 2 5Am= () . / m Q KWmK A t = 3 2 77 5 10 729 2 5 42 5 【4-24】在一套管换热器中，内管中流体的对流传热系数() 2 1 200 WmK=，内管外侧 流体的对流传热系数() 2 2 350 WmK=。已知两种流体均在湍流条件下进行换热。试回答下 列两个问题：(1)假设内管中流体流速增加一倍；(2)假设内管外侧流体流速增加两倍。其他 条件不变，试问总传热系数增加多少？以百分数表示。管壁热阻及污垢热阻可不计。 解解 已知(),() 22 12 200 350 WmKWmK= (1) 内管中流体流速增加一倍，1 1 2uu= ( )() . . / u WmK u = 0 8 0 8 21 11 1 200 2348 52 /() 212 12 200 350 =127 200350 KWmK = + () / KWmK = + 212 12 348 350 174 348350 . 174127 0 37 127 KK K = 增加 37% (2) ( ) () . . , u uuWmK u = 0 8 0 8 22 2222 2 3 3503843 /() KWmK = + 212 12 200 843 162 200843 . 162 127 0 276 127 KK K = 增加 27. 6% 增大小者，对增大 K 有利。 【4-25】 有一套管式换热器，内管为573mmmm，外管为1144mmmm。内管中有 流量为/4000kg h的苯被加热，进口温度为 50，出口温度为 80。套管的环隙中有绝对压 力为 200kPa 的饱和水蒸气冷凝放热，冷凝的对流传热系数为/()WmK 42 10。已知内管的内 表面污垢热阻为./ 2 0 0004mK W，管壁热阻及管外侧污垢热阻均不计。试计算：(1)加热水蒸 气用量；(2)管壁对苯的对流传热系数；(3)完成上述处理量所需套管的有效长度；(4)由于某 种原因，加热水蒸气的绝对压力降至 140kPa。这时，苯出口温度有何变化？应为多少度（设 苯的对流传热系数值不变，平均温度差可用算术平均值计算） 。 解解 苯, 12 50 80 tt=平均温度,/() 2 5080 65 1840 2 mp tcJkg K + =，/ 2 4000 m qkg h= 热负荷 () 2221 4000 1840 （8050） 61330 3600 mp Qq cttW= (1) 水蒸气用量 1m q ,./200120 2,2205 pkPa TrkJkg= ./ 1 3 61330 0 0278100 2205 10 m Q qkg skg h r = (2) 苯的对流传热系数 ()/,.,. 3 832 0 38 0 13 kg mmPa sWmK= () ./ . um s = 2 4000 0 654 3600 8320 051 4 Re. . 4 3 0 051 0 654 832 7 3 10 0 38 10 du = 湍流 Pr. . 3 1840 0 38 10 5 38 0 13 p c = 苯被加热 . 0 4n = 53 RePr 0 80 4 0 023 d = () () . . . .( .)./ . WmK= 0 4 40 82 0 13 0 0237 3 105 38893 0 051 (3)管长 l ()() /,./ 4222 211 10 893 0 0004WmKWmKRmK W= 以管内表面积 A1为基准 /() . . . 2 1 1 14 122 11 621 11 0 05111 0 0004 8930 05710 d KWmK d R d = + 1122 120 25070 2, 120 28040 2tTttTt= . 70 240 2 55 2 2 m t + = . . 2 61330 1 8 621 55 2 m Q Am Kt = . . . A lm d = 1 8 11 2 0 051 (4) 水蒸气绝对压力140pkPa=时，苯的出口温度 2 t。 140pkPa=时，.109 2T = () () () . 2 2 109 250109 24000 184050 = 621 1 8 36002 t t + .75 2t = 【4-26】在一套管换热器中，用绝对压力为 200kPa 的饱和水蒸气使流量为/5000kg h的 氯化苯从 30加热到 70，氯化苯在内管中流动。因某种原因，氯化苯的流量减小到 /2500kg h，但进、出口温度欲保持不变。为此，想把水蒸气压力降低一些，试问水蒸气的 绝对压力应降到多少（两种情况下，管内氯化苯均为湍流流动，并且其对流传热系数比水 蒸气冷凝的对流传热系数小很多。因此，水蒸气冷凝的热阻及管壁热阻均可忽略不计）？ 解解 水蒸气绝对压力,.200 120 2pkPaT= , 12 120 23090 2120 27050 2tt= . 90 250 2 70 2 2 m t + = 氯化苯的流量 / m qkg h= 5000 热负荷 m Qq与成正比，5000Q 氯化苯的对流传热系数 m q与的关系为() . 0 8 5000 氯化苯的流量减小到/2500 m qkg h=， () . , 0 8 2500 2500Q 总传热系数 ,KK 54 mm mm KA tA tQ QK A tA t = () . . . . () 0 8 0 8 500070 25000 = 61 1 25002500 m m t t = () () . 3070 =61 1 2 m TT t + = 水蒸气温度 111T = 压力 .143 3pkPa= 【4-27】欲将体积流量为 3 3000mh（标准状况101 325，273 15pkPaTK =）的常压空 气，用绝对压力为 200kPa 的饱和水蒸气加热，空气从 10加热到 90。现有一列管式换 热器，其规格如下：钢管直径.252 5mmmm，管长 1.6m，管数 271 根。如用此换热器，使 空气在管内流动，水蒸气在管外冷凝，试验算此换热器面积是否够用？水蒸气冷凝时的对 流传热系数可取为/()WmK 2 10000。 解解 空气的平均温度 12 1090 50 22 m tt t + = 空气的物性参数 ./. 36 1 093，19 6 10kg mPa s = ()()./,. 23 2 83 10 1 005 10 p Wm KcJkg K =， Pr. 0 698= 空气流量 / . 3000 293884 22 4 m qkg h= /. 3 3884 1 0933554 Vm qqmh= 热负荷 ()(). 3 21 3884 1 005 1090 10 3600 mp Qq ctt=一.W= 4 8 67 10 水蒸气 .200120 2pkPaT=， 平均温度差 11 120 2 10110 2tTt= 22 120 29030 2tTt= . lnln . m tt t t t = 12 1 2 110 230 2 62 110 2 30 2 空气流速 ./ ( .) 22 3554 11 6 360036000 02271 44 v q um s d n = Re. . 4 6 002 11 6 1 093 1 29 10 19 6 10 du = 湍流 () . . RePr( .). . 2 0 4 0 840 8 2 83 10 =0.023=0.0231 29 100 698 0 02 n d ./()WmK= 2 54 8 ./() 2 54 8KWmK= 55 . . . m Q Am K t = 4 2 8 67 10 25 5 54 8 62 已有换热器的传热面积为 . 2 0 02 1 6 27127 2Adlnm= 够用 【4-28】有一钢制套管式换热器，质量流量为2000/kg h的苯在内管中，从 80冷却到 50。冷却水在环隙中从 15升到 35。已知苯对管壁的对流传热系数为() 2 600WmK， 管壁对水的对流传热系数为/()WmK 2 1000。计算总传热系数时，忽略管壁热阻，按平壁计 算。试回答下列问题：(1)计算冷却水消耗量；(2)计算并流流动时所需传热面积；(3)如改变 为逆流流动，其他条件相同，所需传热面积将有何变化？ 解解 总传热系数 K 的计算 已知 ()() 22 12 600 , 1000/ WmKWmK= /()KWmK = + 212 12 600 1000 375 6001000 苯 , m TTT + = 12 8050 80 =50, 65 2 ()./,/ 3 11 1 86 10 2000 pm cJkg Kqkg h= 热负荷 () 1112mp Qq cTT= ()W= 34 2000 1 86 1080503 1 10 3600 (1) 冷却水消耗量 2m q 12 1535 153525 2 m ttt + =， ()./ 3 2 4 179 10 p cJkgK= . ().() 4 2 3 221 3 1 103600 1335 4 179 1035 15 m p Q qkg h ctt = (2) 并流的传热面积 A , 111222 80 1565 503515tTttTt= . lnln 12 1 2 65 15 34 1 65 15 m tt t t t = . . . m Q Am K t = 4 2 3 1 10 2 42 375 34 1 (3) 逆流时的传热面积 A , 1122 803545 50 1535tTtt= 56 4535 40 2 m t + = . . m Q Am K t = 4 2 3 1 10 2 07 375 40 逆流与并流比较，由于逆流的温度差较大，所以传热面积小了一些。 【4-29】 在一传热面积为 20m2的列管式换热器中，壳程用 110的饱和水蒸汽冷凝以加热 管程中的某溶液。溶液的处理量为 2.5104kg/h，比热容为 4kJ/(kgK)。换热器初始使用时可将溶液 由 20加热至 80。 （1）该换热器使用一段时间后，由于溶液结垢，其出口温度只能达到 75， 试求污垢热阻值； （2）若要使溶液出口温度仍维持在 80，在不变动设备的条件下可采取何种措 施？做定量计算。 解：原工况条件下的对数平均温差： 21 1 2 8020 54.6 11020 lnln 11080 m tt t Tt Tt = 此操作条件下的总传热系数： ()() 21 25000 40008020 /3600 1526 20 54.6 m2p2 mm q cttQ K AtAt = W/ (m2K) （1）使用一年后，溶液出口温度下降至75，此时的对数平均温差为 2 .58 75110 20110 ln 2075 ln 2 1 12 m = = = tT tT tt t 总传热系数 ()() 21 25000 40007520 /3600 1313 20 58.2 m2p2 mm q cttQ K AtAt = W/(m2K) 污垢热阻 4 1111 1.063 10 13131526 d R KK = m2K/W （2）在不变动设备的条件下，可通过提高加热蒸汽的温度使溶液出口温度仍然维持在80。 此时传热温差为 ()() 21 25000 40008020 /3600 “63.5 20 1313 m2p2 m q cttQ t K AK A = 即 21 1 2 8020 “63.5 20 lnln 80 m tt t TtT TTt = 由此解得 “118.2T = 【4-30】有一单管程的列管式换热器，其规格如下：管径为.252 5mmmm，管长为 3m， 管数为 37 根。 今拟采用此换热器冷凝并冷却 2 CS的饱和蒸气， 自饱和温度 46冷却到 10。 2 CS在管外冷凝， 其流量为/300kg h， 比汽化热为/350kJkg。 冷却水在管内， 进口温度为 5， 出口温度为 32。 逆流流动。 已知 2 CS的冷凝和冷却时的总传热系数分别为() 2 1 291KWmK= 和/() 2 2 174KWmK=（以内表面积为基准） 。试问此换热器是否合适？ 57 解解 2 CS质量流量/ m qkg h= 1 300， 冷凝段 1 46T =， 2 CS的比汽化热/ 3 350 10rJkg= 冷凝段热负荷 3 11 300 350