化工原理传热习题解答(3)

??110?45???40.6?20? ?tm??38.6oC

110?45ln40.6?2033000?4.187?103?45?20?o

?497W/（m2· K??C）

3600?50?38.6传热面两侧总污垢热阻分别为

111???K?0?i?RS?1 254

（a）

1111??? K??0?i497 （b）

式a减式b，得

?RS?11o

C/W ??1.925?10?3 m2·

25449717. 在一单程列管换热器中，用饱和蒸汽加热原料油。温度为160 oC的饱和蒸汽在壳程冷凝（排出时为饱和液体），原料油在管程流动，并由20 oC加热到106 oC。列管换热器尺寸为：列管直径为?19×2mm，管长为4m，共有25根管子。若换热器的传热量为125kW，蒸气

oo冷凝传热系数为7000W/（m2·C），油侧污垢热阻可取为0.0005 m2·C /W，管壁热阻和蒸汽侧

垢层热阻可忽略，试求管内油侧对流传热系数。

又若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍，试求油的出口温度。假设油的物性不变。

解：（1）管内油侧αi： ?tm??t2??t1?160?20???160?106???90oC ?t160?20lnln2160?106?t1Q1.25?105o

Ki?W/（m2·C） ??295Si?tm25???0.015?4?90

di11??Rsi? Ki?i?0d01115??0.0005? 295?i7000?19 即

o

解得 αi=360 W/（m2·C）

（2）油的出口温度t2：

? 新条件下的物理量用“'”表示。由热量衡算得

? Q??2Wcp??t2?20?? ?? 而 Q?Wcp?106?20??1.25?105

o

Wcp?1450W/（m2·C）

? 所以 Q??2900??t2?20??

?? 由总传热速率方程得

（a）

? Q??KiSi?tm?1.75?295?25??0.015?4???160?20????160?t2???160?20ln?160?t2

?

?2433??t2?20?4.942?ln??160?t2???? （b）

联合式a和式b，得

? ln??160?t2???4.103

?? t2?100oC

18. 在一逆流套管换热器中，冷、热流进行热交换。两流体的进、出口温度分别为t1=20

o

?C、t2=85 oC，T1=100 oC、T2=70 oC。当冷流体的流量增加一倍时，试求两流体的出口温度

和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数可视为相同，换热器热损失可忽略。

解：原工况下： 由热量衡算得 t2?t1?WhcphWccpc?T1?T2?

（a）

由传热速率方程得 Whcph?T1?T2??KS?T1?t2???T2?t1??KS?T1?T2???t2?t1?

T?tln12T2?t1T?tln12T2?t1 （b）

将式a代入式b，得 lnT1?t2KS?T2?t1Whcph?Whcph?1??Wccpc??? ??

Whcpht2?t1W?T?85?20?2.17

ccpc1?T2100?70 新工况下：

lnTt?1?2?KS??Wc?? T??1?hph2?t1Whcph?2Wccpc? ?由式c和式d，得

??T??1?Whcph?ln1?t2?lnT1?t2?2Wccpc???ln100?85?1?1.09???0.T?2?t1T2?t1??Whcph?1??70?20??1?2.17??093

?Wccpc??T?t?12?0.91或

T?T?2?130?1.1t?2 2?t1由热量衡算得

t?Whcph2?t1????T???2W1?T2????20?1.09???100?T2????129?1.09T2

ccpc联合式e和式f，得

t??2?63.8oC， T2?59.8oC 两种情况下传热量之比：

Q?Whcph???T1?T?2???Q??100?59.8W70?1.34

hcph?T1?T2?100?用NTU-ε法，计算如下。 原工况下：??t2?t1T?t?85?20?20?0.81 11100

WccpcW?100?70hcph85?20?0.46

查图，得NTU=2.23 新工况下：

W?ccpc2WccpcW?hcphWhc?0.92（冷流体仍为最小值流体）

ph（c）

（d）

（e）

（f）

KS2.23??1.2

2Whcph2查图，得 ε=0.54，即

??t2?t1t2?20 ?? ?T1?t1100?20 所以 t2?0.54?80?20?63.2oC

?2Wccpc??o

T2?T1??t2?t1???100?0.92?63.2?20??60.3C

?Whcph?? 两种计算方法结果相近，误差是由读图引起的。NTU法简便，宜用于估算，但误差稍大。

19. 某冷凝器传热面积为20m2，用来冷凝100 oC的饱和水蒸气。冷液进口温度为40 oC，

oo

流量0.917㎏/s，比热容为4000J/（㎏·C）。换热器的传热系数K＝125W/（m2·C），试求水

蒸气冷凝量。

o

已知：A＝20m2，T=100 oC，t1＝40 oC，qm2＝0.917㎏/s，cp2＝4000J/（㎏·C），K＝125W/

o

（m2·C）

求：水蒸汽量qm

解：查100 oC水蒸汽r＝2258kJ/kg ∵qm2cp2?t2?t1??KAt2?t1?qm?r T?t1lnT?t2?T?t2KA?125?20????exp??exp??∴???0.506 ?qc?T?t10.917?4000???m2p2?∴t2?T??T?t1??0.506?100??100?40??0.506?69.7?C

qm?qm2cp2?t2?t1?r?0.917?4000??69.7?40??0.0482kg/s

2258?10320. 有一套管换热器，内径为?19×3mm，管长为2m，管隙的油与管内的水的流向相反。油的流量为270㎏/h，进口温度为100 oC，水的流量为360㎏/h，入口温度为10 oC。若忽略

o

热损失，且知以管外表面积为基准的传热系数K＝374W/（m2·C），油的比热容ocp=1.88kJ/(㎏·C)，试求油和水的出口温度分别为多少?

o

已知：内管?19×3mm，L=2m，逆流，qm1＝270㎏/h，T1＝100 oC，cp1=1.88kJ/(㎏·C)，

o

qm2＝360㎏/h，t1＝10 oC，K＝374W/（m2·C）

求：T2，t2

解：水的定性温度未知，先取水的比热cp2＝4.18KJ/kg oC

由热效率公式

?1?1?exp?NTU1(1?R1)? R?exp?NTU1?1?R1??R1?qm1cp1qm2cp2?270?1.88?0.337

360?4.18NTU1?KA374?3.14?0.019?2??0.317

qm1cp1270?3600?1.88?103得

T1?T21?exp?0.317?1?0.337????1??0.26 T1?t10.337?exp?0.317?1?0.337??100?T2?0.26 T2?76.6?C

100?10∴

∵ qm1cp1?T1?T2??qm2cp2?t2?t1? ∴ t2?查t?qm1cp1qm2cp2?T1?T2??t1?0.337??100?76.6??10?17.9?C

t1?t210?17.9??14?C下水的cp?4.188kJ/kg??C，偏差不大，计算有效。 2221. 用热电偶温度计测量管道中的气体流速。温度计读数为300 oC ，黑度为0.3。气体与热电偶间的对流传热系数为60 W/（m2·K），管壁温度为230 oC 。试求：（1）气体的真实温度；（2）若要减少测温误差，应采用那些措施？

已知：热电偶t1＝300 oC ，tw＝230 oC，ε＝0.3，?＝60 W/（m2·K），?p＝1500kg/m3 求： tg＝？及减少误差的措施 解： 与壁面相比，热电偶面积很小

故辐射

??T1?4?Tw?4???573?4?503?4?Q???C0??W/m2 ??????0.3?5.67?????????745A????100??100?????100??100???对流

Q???tg?t1?，且定态时辐射与对流Q相等 A

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