1、23、在单程列管式换热器内，用 的饱和水蒸汽将某溶液由 ，单管呈130 20加 热 到 60列管换热器由 100 根 ，长为 3m 的钢管构成，溶液以每小时 100m3 的流量252.5在管内流过，蒸汽在管外冷凝。试求：（1 ）总传热系数 K；（2 ）溶液对流给热系数 和蒸汽冷凝对流给热系数 ；1 2（3 ）若溶液的质量流量增加到 ， ， （ 为溶液原来的质量流量）2 22= 1104， 为 湍流）=3.31030.9551030.465 =6.78所以管内溶液给热系数 11=0.02310.80.4=0.0230.4650.02(2.224104)0.86.780.4=3454 2.以管外表
2、面为基准面，所以1=1121+12代入数据得 12107= 134542520+12所以 2=8872 2.（3 ）当流量增加时，则增加后该流体仍然为湍流所以由公式 1=0.02310.80.4=0.0231(1)0.8()0.4即11=()0.8=(22)0.8=0.8所以=(1121+12)1=( 134540.82520+18872)1=88720808+3.211原工况 22(21)=新工况： ，所以、 2、 1不 变 不 变22(21)=由上述两式得22= 8872082170(08+3.211)整理得 =+3.2110.24.211因为 ，所以11此时所需的传热面积要大于原工况（设
3、备的传热面积）的传热面积，所以次换热器不能满足要求24、某列管换热器有 的管子，管长为 。用温度为 的饱和蒸汽来33根 192 3 150加热原油，饱和蒸汽在壳程冷凝，原油在管内流动并由 加热到 .在操作条件下油25 100的密度为 ，平均流速为 ，换热器的传热量为 。已知蒸汽冷凝传890 3 0.82 138 热系数为 ，油侧垢层热阻为 ，忽略管壁热阻和蒸汽侧垢层热6600 2. 0.000432.阻，试求：（1 ）管内油侧的对流传热系数；（2 ）若油的流速增加一倍，此时换热器的总传热系数为原来的 1.75 倍，求油的出口温度。（假设油的物性参数不变）【答案解析】解：（1）由题意可知，该传热
4、过程的对数平均温差为=(15025)(150100)ln15025150100=81.9 传热面积为 =2=333.140.0193=5.91 2根据传热速率方程，基于管外表面的总传热系数为= = 1385.9181.9=285 (2.)由于管壁和蒸汽侧垢层热阻均忽略，可得= 11121+121+12= 1111915+0.000431915+ 16600=285解得， 1=450 (2.)即管内油层侧的对流传热系数为 1=450 (2.)（2 ）原工况下 =(21)=138 故有 =21= 13810025=1.84 新工况下，油的流速加倍时，油的出口温度 应满足传热速率和热平衡关系，即2=
5、2(21)=21.84(225)=3.68(225)由题意， ，由总传热速率方程可得， =1.75= =1.750.2855.91(15025)(1502)ln150251502=2.95(225)ln 1251502上面两式相等，则有3.68(225)=2.95(225)ln 1251502即整理得，ln1251502=2.953.68解得， 2=93.9 所以油的出口温度变为 2=93.9 25、某列管式换热器内有 52 根 的换热钢管。管外侧是流量为 5.86kg/s 的252.5苯从 380K 降温至 330K，管内的水与苯逆流换热，进、出口的水温分别为 290K 与 320K。已知
6、，苯的比热容 ； ，苯 =2.70(2.) 苯 =1.89(.) 水 =9903， ， ，管壁导热系数 。水 =4.17(.) 水 =0.642(.) 水 =0.533 =45(.)若忽略污垢热阻与换热器的热损失，试求：（1 ）换热管内水的流型；（2 ）基于外表面的总传热系数 K；（3 ）所需换热管的长度 L。【答案解析】解：（1）先假设换热过程的流体水与苯分别为 1 流体和 2 流体，即 ，根据1=5.86传热过程的热量衡算式，则换热量为 =11(21)=22(12)=5.861.89(380330)=554 则达到换热要求所需的水流量为1= 1(21)= 5544.17(320290)=4
7、.43换热管内水的流速为1= 10.7852= 4.439900.7850.02252=0.274 雷诺数为=111 =0.020.2749900.533103 =1.02104104（充分湍流）即换热管内为湍流流动（2 ） =111=4.171030.5331030.642 =3.46根据圆管内强制对流给热系数计算式，可得所求管壁对水的对流给热系数 为11=0.02310.80.4=0.0230.6420.02(1.02104)0.83.460.4=1.95 (2.)根据基于外表面的总传热系数 的计算式为1=11+22ln21+211代入数据可得 1= 12.70+ 0.02520.045l
8、n0.0250.020+ 0.0251.950.020=1.07即 =0.932(2.)（3 ）传热平均温差为=(380320)(330290)ln380320330290=49.3 根据传热速率方程可求得换热面积，即 ，故传热的外表面积= = 5540.93249.3=12.1 2故所求的换热管长度为= 2= 12.13.140.02552=2.953 26、某生产过程，需将 的空气从 ，空气平均比热容为2400 20加 热 到 80,平均密度为 。 的饱和蒸汽在壳层加热。空气在管内作强制湍流1.0(.) 1.13 120流动。采用的单管程列管式换热器尺寸为： ，管长为 ，管子数为 1002
9、52.5 3 根。试求：（1 ）上述换热器的总传热系数为多少；（2 ）现仓库有一台 ，管长为 ，管子数为 100 根的单管程列管式换热器，192 3 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：计算可忽略管壁及污垢热阻；温度对物性影响可忽略； 蒸汽 空气【答案解析】解：（1）由能量衡算可得 =22(21)=其中=12ln12=(12020)(12080)ln1202012080 =65.48 传热面积 =2=1003.140.0253=23.55 3所以总传热系数 =22(21) =240036001000(8020)23.5565.48
10、=25.94 (.)（2 ）改变管径后，而流量不变，则空气的流速为=(11)2因为传热系数 ，所以总传热系数蒸汽 空气 空气又因为空气在管内作强制对流（Re10000） ，所以空气 =0.0231(1 )0.80.4即新工况和原工况空气对流传热系数空气空气 =11(11)0.8()0.8=(11)1.8=(2015)1.8=1.678又 ，所以=22(21)22(21)=(21)(21)=1.6781925式中=220ln1001202所以代入相关数据得(220)(8020)=1.6781925(220)ln 1001202解得， 2=88.926 由于 ，所以该换热器能够代替原来的换热器2=
11、88.926 80 （3 ）由题（2 ）解得 2=88.926 即空气的出口温度为 2=88.926 27、某厂在单壳程双管程列管换热器中，用 的饱和水蒸汽将乙醇水溶液从 加热130 25到 ，列管换热器由 90 根 ，长为 3m 的钢管所构成，乙醇水溶液处理80 252.5量为 ，并在管内流动，饱和水蒸汽在管间冷凝。已知钢的导热系数为36000，乙醇水溶液在定性温度下的密度为 ，黏度为 ，比热为45(.) 8803 1.2 ，导热系数为 ，水蒸汽的冷凝传热系数为 ，在操4.02(.) 0.42(.) 104(.)作条件下，垢层热阻和热损失忽略不计，试求：（1 ）此换热器能否完成任务？（2 ）
12、若乙醇水溶液处理量增加 20%，在溶液进口温度和饱和水蒸汽温度不变情况下，仍在原换热器中加热乙醇溶液，则乙醇水溶液出口温度为多少（乙醇水溶液的物性可视为不变）【答案解析】：解：（1）由题意可知，总传热量 为：=(21)=3600036004.02(8025)=2211 传热过程中，对数平均温度差为=(1)(2)ln12=(13025)(13080)ln1302513080=74.13 因为该过程为双管程，则每根管中的流量为36000902=400乙醇溶液在管内的流速为：= 40036008800.7850.022=0.804 所以雷诺数 =0.020.8048801.2103 =1.18104
13、可知为湍流流动，且有：=0.0230.8()0.4=0.0230.420.02(1.18104)0.8(4.021.20.42)0.4=2320 (.)所以总传热系数为=(1+1)1=( 110000+2522.50.002545+2520 12320)1=1427 (.)由 =2211 =需要 解得， 需要 =2211103142774013=20.90 2因为 =90=903.140.0253=21.2 2需要 =20.90 2即该换热器可以完成任务。（2 ）若乙醇水溶液处理量增加 20%，在溶液进出口温度和饱和水蒸汽温度不变情况下，则流速 =1.2=1.20.804=0.965 易知 ，
14、因此有：104=()0.8=23201.20.8=2684此时总传热系数 为=(1+1)1=( 110000+2522.50.002545+2520 12684)1=1594(.)传热过程中，对数平均温度差 为=(1)(2)ln12=(13025)(1302)ln130251302= 225ln 1051302原工况： =(21)=新工况： =1.2(21)=由上述两式可得(21)1.2(21)=整理并代入数据得(8025)1.2(225)=142774.131594 225ln 1051302解得， 2=77.37 即乙醇水溶液的出口温度为 2=77.37 28、在一单程列管换热器内用冷水将
15、管内的高温气体从 150C 冷却至 80C ，两流体逆流流动且为湍流，气体的流量为 2000kg/h，冬季冷却水的入口温度为 15C ，流量为684kg/h。试计算：（1）当夏季的冷却水入口温度为 25C 时，若要求气体的流量和冷却程度不变，求冷却水的用量（假设总传热系数 K 和冬季相同） ；（2）若冬季的气体流量增加 50%，而保持冷却程度不变，应如何调节操作参数并定量计算；（3）若将管程改为双程，冬季仍维持气体流量增加 50%及冷却水的流量及入口温度不变，求冷却水和气体的出口温度。【答案解析】解：解题思路是以冬季工况为基准，分别求出 Q、t m、KA，当操作条件变化时，分别比较上述参数的变
16、化趋势并定量计算。对于气体和冷却水之间的换热，总传热系数可简化为 2K换热器的热负荷为： )()(1221tcGTcQpp kWt 7.39)8015(02.36508.436 33 解得冬季冷却水的出口温度为 Ct652tm.741580ln)()6( CWtQAKm/.32.74392（1）夏季情况 在夏季操作时若要求传热速率 Q 不变，而 K2A2也近似与冬季相同，故此时必须维持夏季的t m与冬季相同时才能完成任务。关键在于计算水的出口温度 t2，t2可用不同方法计算。（a）试差法用对数平均温差法进行试差，即 5.7410ln95510ln)( 22tttm试差求得夏季时冷却水的出口温度
17、 Ct2hkgtcQGp /16)5(108.4379)(122 如果 ，可用简化（算术平均值）计算，即：/1t 5.74252 tttm解得 Ct9.52说明假设71.10/1 hkgtcQGp /107)259.(08.436)(122 （b）传热单元法为了避免试差，可采用传热单元数法计算。在此情况下，气体为最小值流体，则： 94.012.0536)(1pihcGAKNTU5.208h150 80t2 25t2=150-t2 t1=55由 和 查得hNTU)(4.0)(max2in1pcGhkgG/8.402用三种方法所得的计算结果有差别，其中算术平均温度差误差最大，传热单元数最简单。（2
18、）冬季情况 冬季气体流量增加，若要维持冷却程度不变，可调节的操作参数是增加冷却水的流量。由 3.08.Pr)(023.duKii流量改变后，总传热系数 K与原 K 的比值： 38.1)5.(0iCWAKii /4.7365.238.1.(a) 试差法 )()( 1221tcGTcQpp 33 106.5907.95. 32.651ln8 tAKtimi Ctt 93.0651ln822； 试 差 得 hkgGtG/14918.4)( 232； 计 算 得07.6192(b) 传热单元法 86.012.05.13647)( 3pihcGAKNTU由 和 查得h)(6.5.)(max2inpchk
19、g/178.4502.12379.268412G当空气流量增加 50%时，冷却水流量需要增加 137.9%。（3）管程改变的情况 当管程由单程变为双程时，管内流速加倍，K i”提高，即：741.2“8.0i CWAii /1.9275.3 “)“()“( 221 mipp tAKtcGTcQ整理得： ；63.10.361pimKt 7.8.40927“ 3212 picAt上式相减： 69.01.6.)“()(121 mttT得： 或 (a)496.0“ln12t 58.“2t热量衡算式： )“()( 121tcGTcQpp得： (b)“4.7“22tT联接式(a)和(b)得： C59“;80
20、2即冷却水的出口温度比原工况增加 15C ，气体出口温度比原工况降低 21C 。29、在 一 套 管 式 换 热 器 中 ， 用 120 的 饱 和 水 蒸 气 在 环 隙 中 冷 凝 放 热 ， 使 内 管 中 湍 流流 动 的 流 量 为 的 苯 从 20 加 热 到 80 。 当 流 量 增 加 到 时 只 能 从/30kgh /450kgh20 加 热 到 76 。 试 计 算 换 热 器 的 传 热 面 积 和 流 量 为 时 的 总 传 热 系 数/kK。 （ 计 算 时 ， 水 蒸 气 冷 凝 的 值 取 用 。 可 忽 略 管 壁 热 阻 及 污 垢 热 阻 ， 并()2W/m
21、K可 当 平 壁 处 理 。 两 种 情 况 下 苯 的 比 热 容 认 为 相 同 ） 。 【答案解析】解 ： 苯 的 流 量 时/30mqkgh水 蒸 气 T=120 T=120苯 120t 2804t .10465nmt苯 的 流 量 时q=450kg hm水 蒸 气 T=120 T=120苯 1t 2764t .104682nmt传 热 速 率 方 程 21mpQKAtqct() 21mpttc. ()450766823K .140682苯 的 流 速 与 流 量 的 关 系 .45013mqu苯 的 对 流 传 热 系 数 与 流 速 的 关 系0808153u总 传 热 系 数 与
22、 传 热 管 内 外 两 侧 的 对 流 传 热 系 数 与 的 关 系 为K12,.1212 38K/2280WmK 1134380K解 得 /2165 WmK故 / 2121815 3838650K WmK由 求 传 热 面 积 1mpQAtqct用 平 均 温 度 ， 查 得 苯 的 比 热 容07482t ./31780JpckgK . 32 2510762364 mpqctA mK也 可 以 由 求传热面积21mpQAtqct/121=60 58WK.().31 2371820=.4 605mpqctA mK30、在由 118 根252.5 ，长为 3m 的钢管组成的列管式换热器中，
23、用饱和水蒸汽加热空气，空气走管程。已知加热蒸汽的温度为 132.9，空气的质量流量为 7200kg/h，空气的进、出口温度分别 20和 60，操作条件下的空气比热为 1.005 kJ/(kg) ，空气的对流给热系数为 50 W/(m2) ，蒸汽冷凝给热系数为 8000 W/(m2) ，假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。试求：（1）加热空气需要的热量 Q 为多少？（2）以管子外表面为基准的总传热系数 K 为多少？（3）此换热器能否完成生产任务？【答案解析】解：（1） kJ/s4.802605.136/7212 tcwp（2） W/(m2).9.80122 dK（3） m2873549.3
24、2 A.1.27lnl21ttmkJ/s，能够完成184.0J/s10845.9827.32 mtAKQ生产任务。31、现有一列管换热器，内有 252.5mm 的钢管 300 根，管的有效长度为 2m。要求将8000kg/h 的空气于管程有 20加热到 85，采用 108 的饱和蒸汽于壳程冷凝加热之，冷凝液在饱和温度下排出。蒸汽冷凝的传热系数为 1104w/m2，空气的对流传热系数为 9 0w/m2，管壁及两侧污垢热阻均可忽略，且不计热损失。空气在平均温度下的比热为1kJ/kg。试求：1 换热器的总传热系数 K。2 通过计算说明该换热器能否满足要求。3 通过计算说明管壁温度接近那一侧流体的温度
25、？【答案解析】解：1）总传热系数 ./(49.71205912400 mWdKi ）2） mtAQ需 kcWp 4.12085136/812 ）（）（， 4.850lnmt 237.14.9.71mtKQAm需 2.05dln实 需实 ，该换热器能满足要求。3) iWtT109/5.2/184.7WT接近蒸汽的温度。32、有一管程为单程的列管换热器，由 252.5mm，长 2.5m 的 20 根钢管组成。用120饱和水蒸汽加热某冷液体（冷凝液在饱和温度下排出），该冷液体走管内，进口温度为 25，比热为 1.58kJ/kg，流量为 15000kg/h，管外蒸汽的冷凝传热系数为 1.0104 w/
26、m2。管内对流传热的热阻为管外蒸汽冷凝传热热阻的 6 倍。求：1基于管外表面积的总传热系数 K02冷液体的出口温度。（换热器的热损失、管壁及两侧污垢热阻均可忽略不计）【答案解析】解：1）总传热系数 2440 /190./610./ mWKi .2） 2112, ln)( tKAttcWmp 95.320.dlnA2105ln/.1458.36/150 t.792t33、有一列管式换热器由 252.5mm，长 3m 的 100 根钢管组成。饱和水蒸气将一定量的空气加热。空气在管内作湍流流动，饱和蒸汽在壳方冷凝为同温度的水。今因生产任务增大一倍，除用原换热器外，尚需加一台新换热器。换热器为 192
27、mm 的 120 根钢管组成。如果新旧两台换热器并联使用，且使两台换热器在空气流量、进出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，求新换热器管长为多少米？【答案解析】解：因两台并联操作的换热器在空气流量，近、出口温度及饱和水蒸气温度都相同的条件下操作，则由 mcptKStWQ)(12, 看， Q及 mt均相同，从而两台换热器的21SK，关键是要找出 /的关系，才能求出 2S，进一步求出新换热器管长2L。因饱和蒸汽与空气换热， 空 气K，而空气在管内湍流流动，则8.0Re)1(d，即：2.08.du，又新旧换热器空气流量相等，即 21V，依据以上关系，找出 1u与 2的关系，从而可求出 12/。
28、原换热器： 1,1)(mcptSKtWQ新换热器： 212,2因在新、旧换热器中， c、 t、 2及 T 均相同，故2121,mtQ，则： 1SK因饱和蒸汽与空气换热， 空 气，而空气在管内湍流流动，则8.0Re)1(d，2.08.du，又新旧换热器空气流量相等， 21W，即 21V，则有214un43.1)95(0)(212 du则：416.)2(.)(.08.2.18.1K原换热器： 21 5.3.3mLdnS新换热器：226.4.5则新换热器管长 mdnSL32.019.4316234、在一单程列管换热器中，用饱和蒸气加热原料油，温度为 160的饱和蒸汽在壳程冷凝为同温度的水。原料油在管
29、程湍流流动，并由 20加热到 106。列管换热器的管长为4m，内有 19 2mm 的列管 25 根。若换热器的传热负荷为 125kw，蒸汽冷凝传热系数为7000 w/m2，油侧垢层热阻为 0.0005m2/w 。管壁热阻及蒸汽侧垢层热阻可忽略。试求：1）管内油侧对流传热系数2）油的流速增加一倍，保持饱和蒸汽温度及油入口温度，假设油的物性不变，求油的出口温度。3）油的流速增加一倍，保持油进出口温度不变，求饱和蒸汽温度。【答案解析】解：1）管内油侧对流传热系数 kWQ25271.405.143mLdnSii 962ll21tTtm 23/(5907.4mWtSQKmii .）01dRiSiii 1
30、975.295i2/(360mWi）2、油的出口温度油的流速增加一倍，则： 28.08.0 /(8.632mi）01dRKisiii7195.862i解出： 2/(.45mWi）3.129iK列热量衡算与传热速率方程式原来： micptSKt)(12, （1）后来： mimicp tSKtStW 53.1)(212, （2）mtt53.)(12 221604ln60ln)(tttm 则： 221604ln53.9)(1tt 7.9.4160ln2t08.273.te所以 .92t1） 饱和蒸汽温度因 t及 2不变，列热量衡算及传热速率方程式如下：原来： micptSKtW)(1,后来： mii tS53.12,mmtt53.190.217.t3.1ln2tTtm.7106l5.8T由计算结果可知，油速增加一倍，使 及 K 均提高，且 mt也提高。若饱和蒸汽温度 T 不变，则油出口温度 2t下降；欲保持 1t及 2不变，则加热蒸汽温度 T 必然提高，采取的措施是提高加热蒸汽的压强。
