考研 化工原理 必备试题下册

化工基础C-热量传递过程3-3（共12题）

一、计算题 ( 共12题 125分 ) 1. 15 分 (3762) T3762

在列管式换热器中, 用饱和水蒸气加热水。列管内为湍流流动的水, 列管外为蒸气冷凝。列管由?25 mm×2.5 mm钢管组成。当水流速为1.0 m·s-1, 测得总传热系数K为2.20×103 W·m-2·K-1。当其它条件不变, 水的流速为1.5 m·s-1时, 测得K为2.70×103 W·m-2·K-1。若污垢层热阻略而不计, 试求蒸气冷凝一侧的传热膜系数。(钢管的导热系数?=45 W·m-1·K-1)

2. 5 分 (3763) T3763

在列管换热器中用水冷却油。冷却水在?19 mm×2 mm的列管内流动 , 并已知列管内冷却水一侧传热膜系数?1=3.50×103 W·m-2·K-1。热油在列管外壳程流动, 列管外热油一侧传热膜系数?2= 2.60×102 W·m-2·K-1。列管内外壁都有污垢, 水侧污垢层的热阻Rs,1=3.2×10-4 m2·K·W-1, 油侧污垢层的热阻Rs,2=1.08×10-4 m2·K·W-1。管壁的导热系数?=45.0 W·m-1·K-1。试求: (1)总传热系数;

(2)污垢层热阻占总热阻的百分率。

3. 10 分 (3764) T3764

在一传热面积为300 m2的单程列管换热器中, 300 ℃的原料气流过壳方被加热到 430 ℃, 反应后550 ℃的热气体作为加热介质在管方流动。冷热两种气体呈逆流流动, 流量

4-1-1

均为1.00×10 kg·h, 平均比定压热容均为1.05 kJ·kg·K-1。如果换热器的热损失按壳方气体实际获得热量的10%估算, 试求该传热过程的总传热系数。

4. 15 分 (3765) T3765

在一套管换热器中, 体积流量为20 m3·h-1的空气流经内径为20 mm的管子, 温度由 20 ℃升至80 ℃, 管外用120 ℃的饱和水蒸气加热, 问传热管需多长?

在定性温度下, 空气的物性数据: 密度?=1.093 kg·m-3, 粘度?=1.96×10-5 Pa·s,导热系数?=2.83×10-2 W·m-1·K-1, 比定压热容cp=1.005×103 J·kg-1·K-1。

5. 10 分 (3767) T3767

有一列管式换热器, 用壳程的饱和水蒸气加热管程的原油。列管由?53 mm×1.5 mm的

158

钢管组成。已知壳程蒸气一侧的传热膜系数为1.163×104 W·m-2·K-1, 管程原油一侧的传热膜系数为116 W·m-2·K-1, 钢管壁的导热系数为46.5 W·m-1·K-1, 垢层热阻为 0.00043 m2·K·W-1, 试求该换热器的总传热系数。

如果在保持原有其它条件不变的情况下, 只是将管程原油一侧的传热膜系数提高1倍, 试问总传热系数将提高多少倍?

6. 5 分 (3768) T3768

有一套管换热器, 内管通热水, 温度由58 ℃降至45 ℃。冷却水以逆流的方式流过管间, 流量为2.0×10-2 m3·h-1, 温度由15 ℃升至45 ℃。已知内管外径为100 mm, 长度为 1450 mm。冷却水在此温度范围内的平均密度为997 kg·m-3, 比热容为4.187 kJ·kg-1·K-1, 若热损失可略而不计, 试求以内管外表面积为基准的总传热系数。

7. 10 分 (3769) T3769

有一管式反应器需要将进入反应器前的原料气甲烷从20 ℃加热到70 ℃。现拟采用套管换热器, 用热水加热甲烷气。热水从100 ℃降到80 ℃。热水与甲烷呈逆流流动。已知热水一侧的传热膜系数为2510 kJ·m-2·h-1·K-1, 甲烷流过薄壁管子的内径为26 mm。甲烷流动时的雷诺数Re为5×104, 甲烷的导热系数为0.109 kJ·m-1·h-1·K-1, 甲烷的普朗特数Pr为1。管外水的质量流量为2000 kg·h-1, 比定压热容为4.18 kJ·kg-1·K-1。试求热交换器所需的面积。

如果改用并流操作, 其它条件均保持不变, 问热交换器所需的传热面积又为多少?

8. 15 分 (3771) T3771

有一单程列管换热器, 管外115 ℃的饱和水蒸气冷凝给热, 管内空气作湍流流动, 体积流量为80 m3·h-1。若空气的体积流量增加到92 m3·h-1, 而要求其进、出口温度仍是20 ℃和65 ℃, 问加热水蒸气的温度需提高多少度, 才可满足要求? (设空气的物性不变, 热损失不计)

9. 10 分 (3772) T3772

某双程列管换热器中, 壳程为148 ℃的饱水蒸气冷凝, 管程为湍流流动的空气。空气进出口温度分别为20 ℃和106 ℃。因双管程的压力降太大, 拟将此换热器改为单管程操作。若空气的流量不变, 且在管程流动仍属湍流流动, 求改单管程后, 空气的出口温度将变为多少? (设流体的物性不变, 热损失不计)

*. 10 分 (3774) T3774

在一内管为?19 mm×2 mm的套管换热器中, 热流体在管外流动, 其进、出口温度分别为85 ℃和45 ℃, 传热膜系数为5000 W·m-2·K-1。冷流体在管内流动, 其进、出口温度分别为15 ℃和50 ℃, 传热膜系数为50 W·m-2·K-1, 质量流量为20 kg·h-1, 比定压热容为

159

1.0 kJ·kg-1·K-1。冷热流体呈逆流流动。若换热器的热损失及管壁及垢层热阻均忽略不计, 试求换热器管长为多少米?

11. 10 分 (3775) T3775

在套管换热器中, 用120 ℃的饱和水蒸气加热苯。苯在?50 mm×2.5 mm不锈钢管内流动, 质量流量为3600 kg·h-1, 温度从30 ℃加热到60 ℃, 比定压热容可取为1.9 kJ·kg-1·K-1, 传热膜系数为500 W·m-2·K-1。若总传热系数近似等于管内苯一侧的传热膜系数, 试求:

(1)加热水蒸气消耗量(水蒸气冷凝相变热为2204 kJ·kg-1, 饱和冷凝液排出, 热损失不计);

(2)套管换热器的有效长度。

12. 10 分 (3776) T3776

一列管式换热器总传热系数等于管内湍流流动的传热膜系数。今若将?19 mm×2 mm的管子改为?25 mm×2.5 mm, 同时, 改变管子数目但使流速保持不变, 其它条件均维持不变。若要保证两流体出口温度不变, 则管长应为原来的多少倍?

C-热量传递过程3-3（共12题） 答案

一、计算题 ( 共12题 125分 ) 1. 15 分 (3762) D3762

设: 水流速为u时, 水侧传热膜系数为?2, 总传热系数为K 水流速为u' 时, 水侧传热膜系数为?2, 总传热系数为K'

' 1K=

1?+

1???+

1? ①

2 1K'=

1?+

1?+

1?'2 ②

两式相减可得:

1K-

1K'=(

1?-

12?'2)

160

11?-

=(

1-

1)=(

1110-5 ③

2?'2KK'2200-

2700)=8.42× 管内强制湍流流动时, ??Re0.8?u0.8 ?'?=(1.51)0.8=1.38, ?'222=1.38?2

1?-

11'=

1=8.42×10-5

2?2?-

21.38?2 ?2=3.27×103 W·m-2·K-1 将?2值代入①式可得: 12200=

10025?+

0.14.5+

13.27?103

?1=1.07×104 W·m-2·K-1。

2. 5 分 (3763) D3763 K=

11??Rs,1??1??Rs,2?1

?2=

11

260?0.00018?0.00245.0?0.00032?13500=214 W·m-2·K-1

污垢热阻Rs,1?Rs,20.00018?0.00032总热阻=

1K=

1214=0.107=10.7%。

3. 10 分 (3764) D3764

由冷气体一侧计算传热速率: ?=?'+?'l , ?l=0.1?,

?=q'''T'''''mcp(T2?1)+?l=1.1qmcp(T2?T1) =1.1×

1.00?1043600×1.05×103×(430-300) =4.17×105 W 由热气体一侧计算传热速率: ?=qmcp(T1?T2)

161

4.17×10=5

1.00?104×1.05×103×(550-T2)

3600 由上式解得: T2=407 ℃

?T2?T=

550?4301407?300=

120107<2,

?T??T2107?120m??T12=

2

=114 ℃(亦即114 K) K=

??105A?T=

4.17·m-2·K-1。

m300?114=12.2 W

4. 15 分 (3765) D3765

20 u=

qv3600?=

·s-1

4d2?=17.7 m4?0.022 Re=

du??=

0.02?17.7?1.0931.96?10?5=1.97×104＞104

c3?5 Pr=

p?1.005?10?1.96?10?=

2.83?10?2=0.7

空气一侧的传热膜系数

??0.42=0.023d Re 0.8 Pr

?2 =0.023×

2.83?100.02×(1.97×104)0.8(0.7)0.4

=76.9 W·m-2·K-1

蒸气一侧的传热膜系数?1, 通常情况下, ?1>1×104 若垢层和壁面的热阻忽略不计,则总传热系数: K≈?2=76.9W·m-2·K-1 由热量衡算和传热速率方程可得:

??q'''''''mcp(T2?T1)=?qvcp(T2?T1) =1.093×

203600×1.005×103×(80-20)=366 W

??K?dl?Tm

W·m-2·K-1 162

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