化工原理传热习题课

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1、2021/6/16 1 习 题 课 2021/6/16 2 t1 T1 T2 t2 单 管 程 、 单 壳 程 操 作 型设 计 型习 题 课 (1)mQ KA t 1 2 (2)h hQ W c T T 2 1 (3)c cQ Wc t t 1 1 1 (4)osi si i m o obR RKA h A kA h A 2021/6/16 3 例 1 在 套 管 式 油 冷 却 器 里 ， 热 油 在 252.5mm的 金 属 管 内 流 动 ，冷 却 水 在 套 管 环 隙 内 流 动 ， 油 和 水 的 质 量 流 量 皆 为 216kg/h， 油 的 进 、 出 口 温 度 分 别

2、为 150 和 80 ， 水 的 进 口 温 度 为 20 。油 侧 对 流 传 热 系 数 为 1.5 KmkW 2 ， 水 侧 的 对 流 传 热 系 数 为 3.5 KmkW 2 ， 油 的 比 热 为 2.0 KkgkJ ， 试 分 别 计 算 逆 流 和并 流 操 作 所 需 要 的 管 长 。 忽 略 污 垢 热 阻 及 管 壁 导 热 热 阻 。 -设 计 型 问 题 举 例 习 题 课 水 t2 h2=3.5kW/m2K c p=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 c p=2.0 kJ/kgK， t1=20 h 1=1.5 k

3、W/m2K 2021/6/16 4 22.0 150 80 4.187 20t 2 53.4t C 2 121 76.9lnm t tt Ctt ， 逆 1 2216 2.0 150 80 8.43600h hQ Wc T T kJ s 解 ： 1 2 1 21 1 1 0.025 11.5 0.02 3.5A dK hA h hd h 外 外内 内 KmkWK 2894.0 逆逆外 mtLdKQ mL 56.1逆 逆 流 时 ： (以 外 表 面 为 基 准 ) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T 2=80 T1=150

4、 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 2021/6/16 5 2 53.4t C 2 121 65.1lnm t tt Ctt ， 并 mtdK QL m 83.1 并外并 并 流 时 ：、 2、 K skJQ 4.8 KmkWK 2894.0 (以 外 表 面 为 基 准 ) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K mL 56.1 逆 2021/6/16 6 T1 T2 t2 t1 0 A 并逆 ,

5、mm tt 1.83L m并 mL 56.1逆 2021/6/16 7 -操 作 型 问 题 举 例 【 例 2】 有 一 台 现 成 的 卧 式 列 管 冷 却 器 ， 想 把 它 改 作 氨冷 凝 器 ， 让 氨 蒸 汽 走 管 间 ， 其 质 量 流 量 950kg/h， 冷 凝温 度 为 40 ， 冷 凝 传 热 系 数 h1=7000K W/m2K 。 冷 却 水 走管 内 ， 其 进 、 出 口 温 度 分 别 为 32 和 36 ， 污 垢 及 管 壁热 阻 取 为 0.0009 m2K /W（ 以 外 表 面 计 ） 。 试 校 核 该 换 热器 传 热 面 积 是 否 够 用

6、 。 列 管 式 换 热 器 基 本 尺 寸 如 下 ： 换 热 管 规 格 252.5mm 管 长 l=4m 管 程 数 m=4 总 管 数 N=272根 外 壳 直 径 D=700mm附 ： 氨 冷 凝 潜 热 r=1099kJ/kg34 下 水 的 物 性 ： 32 994 mkg 2 4.174c kJ kg K sPa 52 102.74 2 0.6236k W m K 97.4Pr2 2021/6/16 8 氨 T=40 ， 950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272根 ,m=

7、4, D=700mm 四 管 程 列 管 式 实需 、比 较 AA24.85 2724025.0m NldA 外实 1 950 1099 290.03600Q W r kW 21 2 2 1Q Wr Wc t t 2 17.37 /W kg s 2 1211 2 21ln 5.77lnm t tt ttt t CT tT t ， 逆mtKQA 需 解 ： (外 表 面 积 ) 2021/6/16 9 22 22 214 17.371 272994 0.024 40.818 /Wu Nd mm s 内 452 102.21916 102.74 02.0818.0994Re 4.08.0 PrRe

8、023.0Nu 0.8 0.422 2 20.023 Re Prh d 内 )160Pr7.0( 2 KmW 2 4.08.05.4043 97.42.2191602.06236.0023.0 32 994 mkg2 4.174c kJ kg K sPa 52 102.742 0.6236k W m K 97.4Pr2 氨 T=40 ， 950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根 ,m=4, D=700mm 四 管 程 列 管 式 2021/6/16 10 2 22 1 2 11 1

9、10.025 1 0.00094043.5 0.02 7000A dRs RsK h A h h d h 外 外内 内mtKQA 需 23 0.6877.56.739 100.290 m 24.85 mA 实 实需 AA 换 热 面 积 够 用 KmWK 26.739(以 外 表 面 为 基 准 ) 氨 T=40 ， 950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根 ,m=4, D=700mm 四 管 程 列 管 式 2021/6/16 11 【 例 7-5】 (P) 在 一 逆 流 换 热

10、 器 中 将 热 气 体 从 150 冷 却至 60 ， 气 体 流 经 管 内 ， 冷 却 剂 为 水 ， 温 度 从 15 升至 35 ， 气 侧 给 热 系 数 为 50W /(m2 )， 水 侧 给 热 系 数为 5000W /(m2 ), 现 工 厂 扩 大 生 产 能 力 ， 气 体 的 流 量增 加 25%， 冷 却 水 的 进 口 温 度 不 变 ， 忽 略 管 壁 和 污 垢热 阻 ， 试 求 ： 冷 却 水 的 流 量 不 变 ， 气 体 的 出 口 温 度 和 冷 却 水的 出 口 温 度 ； 气 体 流 量 增 加 后 ， 拟 通 过 调 节 冷 却 水 的 流 量 以

11、使 气 体 出 口 温 度 保 持 在 60 不 变 ， 调 节 后 水 的 流 量和 冷 却 水 的 出 口 温 度 。 2021/6/16 12 解 ： 气 体 流 量 增 加 前 ， 根 据 传 热 基 本 方 程 ： (1)mQ KA t 1 2 (2)h hQ W c T T 2 1 (3)c cQ Wc t t 1 2 2 11 1 1 2 1 22 1P T t T tWC T T KA T tLnT t 1 2 2 1 2 1 1 1 1 21PT t KA t tlnT t WC T T 2021/6/16 13 热 量 衡 算 和 传 热 速 率 t1 T1 T2? t2?

12、 套 管 式 W1 习 题 课 -操 作 型 分 析例 3： 无 相 变 的 冷 、 热 流 体 在 套 管 式 换 热 器 中 进 行 换热 ， 今 若 热 流 体 的 质 量 流 量 增 大 ， 而 其 它 操 作 参 数 不变 ， 试 定 性 分 析 K、 Q、 t2、 T2、 tm的 变 化 趋 势 2021/6/16 14 K ： 0.811 1 10.023 Re Prnh d 内0.81 1h u K Q： 排 除 法假 设 Q不 变 ， 由 式 1 得 mt 由 式 2 得 2T ， 由 式 3 得 不 变2t ， mt 出 现 矛 盾 的 结 果 ， 故 假 设 不 成 立

13、W1h2不 变 T1 t2 T2 t1 0 A (1)mQ KA t 1 2 (2)h hQ W c T T t1 T 1 T2? t2? 套 管 式 W1 2 1 (3)c cQ Wc t t 2021/6/16 15假 设 Q变 小 ， 由 式 1 得 mt由 式 2 得 2T ， 由 式 3 得 2t ， mt 故 假 设 不 成 立Qt2： 由 式 3 知 2t T1 T2 0 A (1)mQ KA t 1 2 (2)h hQ W c T T 2 1 (3)c cQ Wc t t 1 1 1 (4) osi si i m o obR RKA h A kA h A t1 T1 T2? t

14、2? 套 管 式 W1 2021/6/16 16 排 除 法假 设 T 2不 变 ， T2： T 1 T2 0 A 假 设 T 2变 小 ， 2T 2t mt 2t mt 2021/6/16 17 :mt 无 法 判 断 T 1 T2 t 2 t1 0 A T 1 T2 t 1 t2 0 A 逆 流 并 流 2021/6/16 18 1 1 2 2, , , mW h K Q t T t 不 定 快 速 分 析 ： 2021/6/16 19 t1 T1 T2？ t2？ 套 管 式 K不 变Q 2T t2： K ：Q： T2：mt 1 2h 、 h 不 变 排 除 法 mt T1 T 2 0 A

15、 2t练 习 1无 相 变 的 冷 、 热流 体 在 套 管 式 换 热 器 中进 行 换 热 ， 今 若 冷 流 体的 进 口 温 度 t1下 降 ， 而其 它 操 作 参 数 不 变 ， 试定 性 分 析 K、 Q、 t2、 T2、tm的 变 化 趋 势 。 2021/6/16 20K： 不 变 。Q蒸 汽 温 度 T2t mt 练 习 2：在 一 列 管 式 换 热 器 中 用 饱 和 水 蒸 汽 预 热 某 有 机 溶 液 （ 无 相变 ） ， 蒸 汽 走 壳 程 ， 今 若 蒸 汽 压 力 变 大 ， 而 其 它 操 作 参 数不 变 ， 试 定 性 分 析 K、 Q、 t2、 tm

16、的 变 化 趋 势 。 2021/6/16 21 t1T 2 T1 t2 双 管 程 列 管 式 练 习 3：无 相 变 的 冷 、 热 流 体 在 列 管 式 换 热 器 中 进 行 换 热 ，今 若 将 单 管 程 变 成 双 管 程 ， 而 其 它 操 作 参 数 不 变 ，试 定 性 分 析 K、 Q、 T2、 t2、 tm的 变 化 趋 势 。 2021/6/16 22 t1T2 T1 t2 双 管 程 列 管 式1 0.81 1, , , , ,A n h nn h K KA mttTQK , 22 练 习 4：无 相 变 的 冷 、 热 流 体 在 列 管 式 换 热 器 中 进

17、 行 换 热 ，因 长 期 使 用 ， 部 分 管 子 内 壁 集 结 大 量 污 垢 而 无 法 正常 传 热 ， 现 将 这 些 管 子 堵 死 ， 而 其 它 操 作 参 数 不 变 ，试 定 性 分 析 K、 Q、 T2、 t2、 tm的 变 化 趋 势 。 2021/6/16 23 1、 有 一 列 管 换 热 器 由 25 2.5mm的 120 根 钢 管组 成 。 110 的 饱 和 水 蒸 气 在 壳 方 冷 凝 以 加 热 在 管 内作 湍 流 流 动 的 某 液 体 ， 且 冷 凝 水 在 饱 和 温 度 下 排 出 。已 知 液 体 平 均 比 热 为 4.187 kJ/

18、kg ， 由 15 加 热 到90 。 管 内 对 流 传 热 系 数 为 hi=800W/m2 ， 蒸 气 冷凝 的 对 流 传 热 系 数 ho=1.1 104W/m2 ， 忽 略 污 垢热 阻 、 壁 阻 和 热 损 失 ， 每 小 时 收 集 冷 凝 水 2100kg，在 饱 和 温 度 下 蒸 气 冷 凝 潜 热 r=2232kJ/kg， 试 求（ 1） 每 小 时 可 处 理 的 液 体 量 ；（ 2） 管 程 单 程 时 的 列 管 有 效 长 度 ；（ 3） 其 它 条 件 均 保 持 不 变 ， 将 120根 钢 管 改 为 两管 程 ， 列 管 有 效 长 度 为 多 少

19、。 2021/6/16 24 2100 2232 1302kw3600Q w r 凝 Q 1302c t W 4.146kg/sc t 4.187 90 15Q w 401 1 1 1 1 251.1 10 800 20oo i idK d 2604.81w/m .koK 解 ： （ 1）（ 2） 11011015 90 90 15 48.1395ln20 mt C 3 21302 10 44.73604.81 48.1344.73 4.75 5120 3.14 0.025o o moQA mK tAl m mn d 2021/6/16 25 0.8 4 0.801 1 1 1 1 252 1

20、.1 10 800 2 20oo i idK d 21011.81w/m .koK 3 21302 10 26.641011.81 48.1326.64 1.41 2240 3.14 0.025o o m oQA mK tAl m mn d （ 3） 两 管 程 ， 列 管 有 效 长 度 2021/6/16 26 三 、 （ 30） 某 生 产 过 程 ， 需 将 2400kg/h的 空 气 从 20加 热 到 80 ， 空 气 的 平 均 比 热 容 为 1.0kJ/（ kg. ） ，平 均 密 度 为 1.1kg/m3。 120 的 饱 和 蒸 汽 在 壳 层 加 热 。空 气 在 管

21、内 作 强 制 湍 流 流 动 ， Re104。 采 用 的 单 管 程列 管 式 换 热 器 尺 寸 如 下 ： 25mm 2.5mm， 管 长 为 3m，管 子 数 为 100根 。 试 求 ：(1)上 述 换 热 器 的 总 传 热 系 数 为 多 少 ？(2)现 仓 库 里 有 一 台 19mm 2mm， 管 长 为 3m， 管子 数 为 100根 的 单 管 程 列 管 式 换 热 器 ， 试 核 算 该 换 热器 是 否 能 代 替 上 述 换 热 器 ？(3)若 用 该 换 热 器 代 替 上 述 换 热 器 ， 空 气 的 出 口 温 度为 多 少 ？注 ： 计 算 可 忽 略

22、 管 壁 及 污 垢 热 阻 ； 温 度 对 物 性 影 响 可 忽略 ； h 蒸 汽 h空 气 ， 可 以 作 必 要 的 合 理 简 化 假 设 。 2021/6/16 27 W40000101)2080(36002400 3 Q Ctm 48.6540100ln 40100 2m56.233025.014.3100 ldnA oo )K.m/(W92.2548.6556.23 40000 2 mo tAQK 解 ： 1、 加 热 蒸 汽 120 120空 气 20 80换 热 面 积 为 总 传 热 系 数 为 2021/6/16 28 2、 饱 和 蒸 汽 加 热 空 气 时 ， ih

23、K 。 流 量 不 变 ， 所 以2 dduu 4.08.0023.0 kcdudkh pi 68.11520 8.18.12.08.022.08.0 dddddddduuhhKK 而 所 以 mmmmmm tttttKA tAKQQ 277.1251968.1 )( 12 ttcWQ pi )( 12 ttcWQ pi 又 2080 20)40/100ln(/)2080( )120/(100ln/)20(277.1277.1 212 1222 ttt ttttttQQ mm 1120100ln 40100ln277.1 2 t 解 得 ： CCt 800.892 因 此 ， 仓 库 里 的

24、单 管 程 列 管 式 换热 器 能 代 替 原 有 的 换 热 器 。 2021/6/16 29 2021/6/16 30 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 习 题 课 -换 热 器 的 组 合 操 作 计 算【 例 4】 如 图 所 示 ， 两 个 完 全 相 同 的 单 管 程 列 管 式 换 热 器 ， 内 各有 180根 191.5mm的 管 子 ， 每 根 长 3米 ， 管 内 走 流 量 为 2000 kg/h的 冷 流 体 ， 与 热 流 体 分 别 进 行 单 程 逆 、 并 流 换 热 ， 其 进

25、口温 度 为 30 。 已 知 (W2C2) / (W1C1) = 0.5 （ 下 标 2代 表 冷 流 体 ，下 标 1代 表 热 流 体 ） 。 冷 流 体 的 C2=1.05kJ/(kg )，2=210-2cP， k2=0.0289W/(m )， 热 流 体 的 进 口 温 度 为T1=150 ， 热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 试 求 热 流 体的 出 口 温 度 T 2。 T 2 2T 2021/6/16 31 对 第 一 个 换 热 器 （ 逆 流 ） ， 有 ：解 :180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) =

26、0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 4 42 2 22 52 2 24 4 2000 3600Re 1.229 10 10180 2 10 0.016u d WN d 2 522 2 1050 2 10Pr 0.727 0.70.0289pck 0.8 0.422 2 2 20.023 Re Prkh d KmW 235.681 21 1 2 21 1

27、1mbRs RsKA h A kA h A )(35.68 2 以 内 表 面 计KmW 2( )K h 以 内 表 面 计 2021/6/16 32 1 2 2 11 2 2 1 2 1 21 1 2 2 2 11 2 2 1 1 2 2 12 1 21 1 2 2 2 11 1 ln1 1 lnT t T tT T t t KA T tWc Wc T tT t T t T t T tKA T tWc Wc T t 对 第 一 个 换 热 器 ， 有 ： 1 2 2 11 1 1 2 2 2 2 1 2 1 22 1lnT t T tQ Wc T T Wc t t KA T tT t 180

28、根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 2021/6/16 33 1 2 22 1 1 1 2 21 1lnT t KAT t Wc W c 204.030150 2 2 T t 将 A2=Nd内 L 180 0.016 3=27.130m2 (W2C2) / (W1Cp1) = 0.5

29、 W2C2=2000 1050/3600=583.33W/( ) t1=30 , T1=150代 入 得 ： )(35.68 2 以 内 表 面 计KmWK 22 902.429.765 tT （ 1） 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T 2 T2 T2 2021/6/16 34 （

30、 1） 1 1 1 2 2 2 2 1Wc T T Wc t t 又 305.0150 22 tT 22 5.0165 tT （ 2）22 902.429.765 tT 联 立 求 解 式 1、 2得 ： CT Ct 82.96 37.136 22 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T

31、 2 T2 T2 2021/6/16 35 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T 2 T2 T2 对 第 二 个 换 热 器 （ 并 流 ） ， 有 ： )(35.68 2 以 内 表 面 计KmW 2( )K h 以 内 表 面 计 1 2 2 21 2 2 2 2 1 21 1 2

32、 2 2 21 2 2 2 1 2 2 22 1 21 1 2 2 2 21 0.5 1 ln1 0.5 1 lnT t T tT T t tQ KA T tWc Wc T tT t T t T t T tKA T tWc Wc T t A2=Nd内 L 180 0.016 3=27.130m2 2021/6/16 36 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W

33、 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T 2 T2 T2 95.57637.136150 22 tT将 已 知 条 件 代 入 得 ： 22 0236.0 tT （ 1）1 2 22 2 1 1 2 21 1ln 0.5T t KAT t Wc W c 1 1 1 2 2 2 2 20.5Wc T T Wc t t 又 37.136150 22 tT 37.28622 tT （ 2）联 立 求 解 式 1、 2得 ： CT Ct 19.14317.14322 2021/6/16 37 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) =

34、 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T 2 T2 T2 CT Ct 82.96 37.13622 CT Ct 19.14317.14322 CTTT 28.1125.05.11 222 2021/6/16 38 180根 191.5mm， 长 3米 ， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )，2=210-2cP，k2=0.0289W/(m )，热 流 体 侧 、 管 壁 及 垢 层 的 热 阻 可 忽 略 。 T1 =150 1.5W 1 cp1 W 1 0.5W1 t 1=30 t2 t2 W 2 =2000kg/h T 2 T2 T2 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！