化工原理习题解答

管外水侧热阻 Rs1=0.21?10-3 (m2?K/W) (1)总传热系数(以外表面积计)

d11bd11d1??Rs1??Rs21?K1?1?dmd2?2d2?10.00250.0250.02510.025?0.21?10?3???0.53?10?3??? 3000450.02250.02400.02?3.25?10?2m2?K/WK1?30.7W/(m2?K)(2)管内CO2气体的对流传热系数增大一倍,即??2=80W/(m2?K)

d11bd11d1??Rs1??Rs21?K1?1?dmd2??2d2 ?10.00250.0250.02510.025?0.21?10?3???0.53?10?3??? 3000450.02250.02800.02?1.69?10?2(m2?K)/WK1?59.2W/(m2?K)??K159.2?30.7K1??100%?92.8% ?K130.7总传热系数增加92.8%

(3)若管外水的对流传热系数增大一倍,??1=6000W/(m2?K)

d11bd11d1??Rs1??Rs21??K1?1?dmd2?2d2?10.00250.0250.02510.025?0.21?10?3???0.53?10?3??? 6000450.02250.02400.02?3.23?10?2(m2?K)/WK1?30.9W/(m2?K)总传热系数增加0.7%

22、在一内管为?25?2.5mm的套管式换热器中,用水冷却苯,冷却水在管程流动,入口温度为290K,对流传热系数为850W/(m2?℃)。壳程中流量为1.25kg/s的苯与冷却水逆流换热,苯的进、出口温度为350K、300K,苯的对流传热系数为1700W/(m2?℃)。已知管壁的导热系数为45W/(m?℃),苯的比热为cp=1.9kJ/(kg?℃),密度为ρ=880kg/m3。忽略污垢热阻。

试求:在水温不超过320K的最少冷却水用量下,所需总管长为多少?(以外表面积计) 解:冷却水的平均温度tm?290?320?305K, 2查得305K时水的比热容为cp?4.174kJ/(kg?oC)

热负荷 Q?ms1?cp1?(T1?T2)?1.25?1.9?103?(350?300)?118.8kW

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冷却水用量:ms2平均温度差为

?tm逆?Q118.8?103???0.949kg/s cp2(t2?t1)4.174?103?(320?290)?t1??t230?10??18.2oC ?t30ln()ln(1)10?t2350

320 30 300 290 10

基于外表面积的总传热系数K1

11bd11d110.00250.02510.025?????????2.12?10?3(m2?K)/WK1?1?dm?2d21700450.02258500.02K1?471.6W/(m2?K)Q118.8?103总传热面积:A???13.84m2K?tm471.6?18.2总管长:l?A13.84??176.3m?d3.14?0.025

23、一套管式换热器,用饱和水蒸气加热管内湍流的空气,此时的总传热系数近似等于空气的对流传热系数。若要求空气量增加一倍,而空气的进出口温度仍然不变,问该换热器的长度应增加多少? 解:总传热量:Q?KA?tm?K?tm??dl 空气量增加一倍后:Q??2Q

??20.8??2?1.74?2?1.74K 此时总传热系数K???2???tm ∴空气的进出口温度不变,∵?tmQ?l?2?K???1.149 Ql1.74K则管长要增加15%。

24、有一单管程列管式换热器,该换热器管径为? 25×2.5mm,子数37根,管长3米。今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2和蒸汽,自饱和温度46℃冷却到10℃。CS2在壳程冷凝,其量为300kg/h,冷凝潜热为351.6kJ/kg。冷却水在管程流动,口温度为5℃,出口温度为32℃,逆流流动。已知CS2在冷

2?K)及和冷却时的传热系数分别为K1=291W/(m管饱流进凝

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2K2=174W/(m?K)。问此换热器是否适用?(传热面积A及传热系数均以外表面积计)

解:已知列管尺寸?25?2.5mm;l?3m;n?37 题中所给的两个K值均以外表面积为基准。 现有传热面积:

A实???d1?l?n?3.14?0.025?3?37?8.71m总传热量Q?Q1?Q2

2

(式中Q1为冷凝段热负荷,Q2为冷却段热负荷) 已知r?351.6kJ/kg 查得

46?10?28℃时 2CS2的比热cp1?0.963kJ/(kg?K)

Q?ms1r?ms1cp1?46?10??29.3?289.?3219.kW其中Q1?29.3kW;Q2为求A1、A2就应求出两段交界处冷却水温度t?

?2.89kW

ms2cp2?32?5??Q

?ms2?Q32.19??0.285kg/s

cp2?32?5?4.187?27t/℃ 46 32

Q1,A1

Q2,A2

对于冷凝段

Q1?ms2cp2?32?t?

?t?32?Q129.3?32??7.45℃

ms2cp24.187?0.285t

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7.45 38.55 10 5 5

K1

K2

A

10 5

?tm1?38.55?14?24.24℃ 38.55ln1438.55?5?16.43℃ 38.55ln546 32 14 46 7.45 38.55

?tm2?A需?A1需?A2需?3Q1Q2?K1?tm1K2?tm23?29.3?102.89?10??4.16?1.01?5.17m2291?24.24174?16.43?A实?A需

?此换热器可满足生产要求。

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传热面积富裕

8.71?517. ?685%.517.25、由?25?2.5mm的锅炉钢管组成的废热锅炉,壳程为压力2570kPa(表压)的沸腾水。管内为合成转化气,温度由575℃下降到472℃。已知转化气侧?2=300 W/(m2?℃),水侧?1=104 W/(m2?℃)。忽略污垢热阻,试求平均壁温TW和tW。

解:以外表面积为基准的总传热系数

11bd11d1???K1?1?dm?2d2?10.00250.02510.025?????4.33?10?3(m2?K)/W 10000450.02253000.02K1?231W/(m2?K)平均温度差:

压力2570kPa(表压)下水的饱和温度为:226.4℃ ?tm逆??t1??t2348.6?245.6??297.1oC 22传热量 Q?K1A1?tm?231?297.1?A1?6863A10 管内壁壁温(T取热流体进出口平均温度T?TW575

226.4 348.6 472 226.4 245.6

575?472?523.5oC) 268630???d1?lQ68630?0.025?T??523.5??523.5??237.5oC

?2A2300???d2?l300?0.02管外壁壁温

tW?TW?bQ0.002568630A10.002568630?25?237.5???237.5???233.3oC ?Am45Am4522.526、有一单壳程、双管程列管式换热器。壳程为120℃饱和水蒸气冷凝,常压空气以12m/s的流速在管程内流过。列管为?38?2.5mm钢管,总管数为200根。已知空气进口温度为26℃,要求被加热到86℃。又已知蒸汽侧对流传热系数为104W/(m2?K),壁阻及垢阻可忽略不计。试求:

(1) 换热器列管每根管长为多少米?

(2) 由于此换热器损坏,重新设计了一台新换热器,其列管尺寸改为?54?2mm,总管数减少20%,但每根管长维持原值。用此新换热器加热上述空气,求空气的出口温度。

解:(1) 由热量衡算式和传热速率方程计算完成任务所需的传热面积,然后在计算出管长。 查t定??26?86?2?56℃时, 空气的物性

cp2?1.005kJ/(kg?K),

?2?2.861?10?2W/(m?K)

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