冷凝液定性温度膜温t?150?110?130oC，查130℃时水的物性参数 2λ?0.6862W/(m?K),ρ?934.8kg/m3

μ?21.77?10?5Pa?s, (1)管垂直放置时

假设液膜中的液体作层流流动，由式3-31计算平均对流传热系数 ?r?2g?3??α?1.13???l?t???1/4?2119?103?934.82?9.81?0.68623???1.13???21.77?10?5?0.75?(150-110)???1/4

?6187W/(m2?K)验证Re：

4Sms)()bS?4Q?4??dol?t?4?l?t?4?6187?0.75?(150?110)?1609?1800 Re???dor??dor?r?2119?103?21.77?10?5(所以假设层流是正确的。 （3）管水平放置

由式（3-29）和式（3-31）可得单管水平放置和垂直放置时的对流传热系数??和?的比值为

??0.725l1/40.751/4?()?0.642()?1.062 ?1.13do0.1所以单根管水平放置时的对流传热系数为：

α??1.062?6187?6573W/(m2?K)

（3）管长为0.75m时，液膜流动的Re=1608，故管长增加一倍后，液膜成湍流状态。此时的对流传热系数为：

??2g?3?????0.0077??2???1/3Re0.4

所以

??2g?3???α?0.0077??2???1/3(4?l?t0.4)r?1/3?934.82?9.81?0.68623???0.0077???52??(21.77?10)???α?8639.5W/(m2?K)(4???1.5?402119?10?21.77?103?5)0.4

因此当液膜从层流转变为湍流时，冷凝对流传热系数急剧增加。

15、载热体流量为1500kg/h，试计算以下各过程中载热体放出或得到的热量。 （1）100℃的饱和水蒸气冷凝成100℃的水；

41

（2）110℃的苯胺降温至10℃；

（3）比热为3.77kJ/(kg·K)的NaOH溶液从370K冷却到290K； （4）常压下150℃的空气冷却至20℃；

（5）压力为147.1kPa的饱和水蒸气冷凝后并降温至50℃。 解：（1） 查饱和水蒸气ts?100oC, 汽化潜热r=2258kJ/kg Q?msr?1500?2258?3.39?106kJ/h?941kW （2） 定性温度t?110?10?60oC，查60℃时苯胺的物性参数 2 cp?2.198kJ/（kg?oC）Q?mscp(t1?t2)?1500?2.198?(110?10)?3.3?105kJ/h?91.6kW

（3）Q?mscp(t1?t2)?1500?3.77?(370?290)?4.52?105kJ/h?125.7kW （4）定性温度t?150?20?85oC，查85℃时空气的物性参数 2cp?1.009kJ/(kg?oC)

Q?mscp(t1?t2)?1500?1.009?(150?20)?1.97?105kJ/h?54.7kW

（5）压力为147.1kPa的水的饱和温度为ts?110.7oC, 汽化潜热r=2230.1kJ/kg

定性温度t?110.7?50?80.4oC，查80.4℃时水的物性参数 2cp?4.195kJ/(kg?oC)

Q?msr?mscp(t1?t2)?1500?(2230.1?4.195?(110.7?50))?3.73?10kJ/h?1035.2kW6

16、每小时8000m3（标准状况）的空气在蒸汽加热器中从12℃被加热到42℃，压强为400kPa的饱和水蒸气在管外冷凝。若设备的热损失估计为热负荷的5%，试求该换热器的热负荷和蒸气用量。 解：热量衡算：Q?1.05Q冷?1.05?ms2?cp2?(t2?t1) 查得标准状况下的空气物性参数

ρ?1.293kg/m3cp?1.005kJ/(kg?oC)400kPa饱和水蒸气的潜热r?2138.5kJ/kg

Q?1.05Q冷?1.05?

8000?1.293?1.005?(42?12)?91kW

360042

蒸汽用量：ms1?

Q91??0.0426kg/s r2138.517、在一套管式换热器中，用冷却水将1.25kg/s的苯由350K冷却至300K，冷却水进出口温度分别为290K和320K。试求冷却水消耗量。 解：由苯的定性温度t?350?300 ?325K，查苯的物性参数cp?1.84kJ/（kg?oC）2由苯计算热负荷Q?ms1?cp1?(T1?T2)?1.25?1.84?(350?300)?115kW 由冷却水的定性温度t?290?320 ?305K，查水的物性参数cp?4.18kJ/（kg?oC）2Q?ms2?cp2?(t2?t1)ms2? Q115??0.916kg/scp2?(t2?t1)4.18?(320?290)

18、在一列管式换热器中，将某溶液自15℃加热至40℃，载热体从120℃降至60℃。试计算换热器逆流和并流时的冷、热流体平均温度差。 解：（1）逆流时平均温度差为 ?tm逆??t1??t280?45??60.83oC ?t80ln()ln(1)45?t2?t1??t2105?20??51.3oC ?t105ln()ln(1)20?t2120

40 80 60 15 45

并流：?tm并?120 15 105 60 40 20

19、在一单壳程、四管程的列管式换热器中，用水冷却油。冷却水在壳程流动，进出口温度分别为15℃和32℃。油的进、出口温度分别为100℃和40℃。试求两流体间的温度差。 解： 先按逆流时计算，逆流时平均温度差为 ?tm逆??t1??t268?25??43.0oC ?t68ln()ln(1)25?t2100

32 68 40 15 25

'折流时的对数平均温度差为 ?tm???tm 其中φ?f(R,P) 逆 R?T1?T2100?40??3.53

t2?t132?15t2?t232?15??0.2

T1?t1100?1543

P?

由图3-27（a）查得φ?0.9，故?tm?0.9?43.0?38.7oC

20、在一内管为?180?10mm的套管式换热器中，管程中热水流量为3000kg/h，进、出口温度分别为为90℃和60℃。壳程中冷却水的进、出口温度分别为20℃和50℃，总传热系数为2000W/(m2?℃)。试求：（1）冷却水用量；（2）逆流流动时的平均温度差及管子的长度；（3）并流流动时的平均温度差及管子的长度； 解：（1）水的比热cp?4.186kJ/(kg?oC)

ms1?cp1?(T1?T2)?ms2?cp2?(t2?t1)ms2?ms1?cp1?(T1?T2)cp2?(t2?t1)? 3000?4.186?(90?60)?3000kg/h4.186?(50?20)（2）逆流时平均温度差为

?tm?40?40?40℃ 2Q?ms1?cp1?(T1?T2)?KA?tm90 50 40 60 20 40

A?l?ms1?cp1?(T1?T2)K?tm3000?4.186?103?(90?60)??1.31m2

3600?2000?40A1.31??2.32m?d3.14?0.18 （3）并流时平均温度差为

?tm逆??t1??t270?10??30.8oC ?t70ln()ln(1)10?t290

20 70 60 50 10

Q?ms1?cp1?(T1?T2)?KA?tm A?l?ms1?cp1?(T1?T2)K?tm3000?4.186?103?(90?60)??1.71m2

3600?2000?30.6A1.71??3.03m?d3.14?0.18

21、在一内管为?25?2.5mm的套管式换热器中，CO2气体在管程流动，对流传热系数为40 W/(m2?℃)。壳程中冷却水的对流传热系数为3000W/(m2?℃)。试求：（1）总传热系数；（2）若管内CO2气体的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（3）若管外水的对流传热系数增大一倍，总传热系数增加多少；（以外表面积计）

m,b?0.0025m 解：d2?0.02m,d1?0.025m,dm?0.0225α2?40W/(m2?K),α1?3000W/(m2?K)

查得碳钢的导热系数λ?45W/(m?K)

取管内CO2侧污垢热阻Rs2=0.53?10-3 (m2?K/W)

44