1、1传热习题课1 有一套管换热器，用热水加热空气，内管为 342mm 的铜管，管内走空气，其流量为 m1kg/h，比热为 Cp1,需要从 20加热到 50，热水走夹套，流量为 m2kg/h，其比热为 Cp2，逆流操作，测得温度由 100降到 70，假设流体在管内和夹套流动为湍流流动，问（1） 在下列方程中，四个温差t 1,t 2,t 3,t 4 是否相等，分别为多少，为什么？Q = m1 Cp1t 1 = m2 Cp2t 2 = KAt= At 4 （2） 如果流动方式改为并流时，若要使得进出口温度不变，其平均温差各为多少？两种流动换热欲达到同样温度，哪一种流动方式需要的管子长？（3） 在传热过
2、程中，水对壁的对流传热系数为 1，壁对空气的对流传热系数为 2，总传热系数为 K，问 1 , 2 ,K 的值是否相等，为什么？ 若管内空气改为冷水， 1 , 2 ,K 此时是否相等，为何？（4） 当空气流量增加到时 2m1，要达到同样加热温度，而且热水出口温度也不变，提出以下两种方案，你认为哪种可行，哪种较好？管长增大一倍，管子直径减小一倍。解： t 1 =空气的出口温度-空气的进口温度=50-20=30t 2 =热水的出口温度-热水的进口温度=100-70 =30t 3 =t m=（50-50）/ln(50/50)；t m =（50+50）/2=50t 4=T 流体 -T 壁 或t 4= t
3、 壁 - t 流由于 Kt 4 逆流时，t m=50并流时，t m=（80-20）/ln(80/20) = 43.3由于 K 逆 A 逆 t m 逆 =m1Cp1(t2-t1)，K 并 A 并 t m 并 =m1Cp1(t2-t1)所以 K 逆 A 逆 t m 逆 = K 并 A 并 t m 并其中，K 逆 =K 并得 .6mt并L5043. 1 为水的对流传热系数，大约 103， 2 为空气的对流传热系数大约 10100所以 K 2若改为冷水，则 1 2，K 2/2 或，K 1/2当空气的流量提高一倍时， ， ，根据 ，1u4.0823.0reii PRd，所以 ，所以8.0.Reu 74.
4、2)/(/8.0.ui 7.1/ ioK215.2/)( .08.121 mltdlKtCmmop管长不需要加大一倍，只需要加长 15%即可，这个方案较方便。管子直径减小一倍时，根据 4.08.0)()(023.pii Cud，所以 ，即8.1.02.8.0dVu 63.2)(8.1.08.1.0 dV，又根据 ，所以所需要的 K 变化为63.KmptlKtCm121 )(，而 ，所以管径无需减小一倍就能完成任4)( d需 063.4)(需务。管子直径减小多少能完成生产任务：由 ，又8.18.0.18.0 )(2)(ddVK 84.0)(2)( 8.18.011121 ddmKtltCmmp即
5、直径要减小 16%即可。讨论：管径减小可以增加管内流速而强化传热，因此，减小管径有利于传热，但其缺点是增加了流动阻力，从而增加能耗。2 在某厂一套管是换热器中，将溶液与冷却水进行逆流换热，溶液走管外，流量为1000kg/h，比热为 3.35kJ/(kgK)，从 150冷却到 80，冷却水走管内，从 15加热到 65，水的比热为 4.187 kJ/(kgK)，换热尺寸为 252.5mm。（1） 已知溶液的对流传热系数为 1163W/(m2K)，冷却水的对流传热系数也为 1163 W/(m2K)，若忽略管壁热阻，试求以外表面为基准的总传热系数和冷却水用量。（2） 该换热器使用 6 个月后，由于水侧
6、管壁生垢，生产能力降低，如用水量不变，则水的出口温度降为 60，试求污垢热阻。（3） 在（2）种情况下，若将冷却水量提高一倍，问能否达到要求，计算冷却水侧对流传热系数的公式为 =A(u) 0.8/d0.3，其中常数 A 和密度 可认为不随温度而变，u 为冷却水在管内的流速，d 为管内径。解：忽略壁阻，则 )/(9.5160193.51631 2KmWKAK oioio 3物料衡算式： )()(212121 TCmtpphkgmm /1208053.05687.41 设溶液的出口温度为 ,根据物料衡算式，2T )()(121 TCtpp87(.1)(.20 2T则 7.8029ln58760ln
7、1 mt6.48l510l)()5(mt根据 )/(4306.79518060)( 2121 KmWKtAKtC oomop ， iosodRK Rsisi /)(1.29.5143 2若流量提高一倍时， ， ，根据题意， ，“21“u8.0u所以 ，所以)/(9.246374)/(/ 2“28.0.“ KmWui )/(6.580.10.163()1 21“ dRKioiioso 根据 ，带入数据，“121“)(moptAKtCm7.80432)15()5(6.560)(2“ Tt又根据物料衡算式： )150(3.0)(1 “22 Tt 式联解，得 ， 69“2T9.“2t因为 80，所以能
8、完成生产任务。“23 有一列管式换热器，外表面积为 40m2，列管为 252.5mm 的钢管，用饱和水蒸气4将处理量为 2.5104 kg/h 的油从 40加热到 80，油走管程，流动状态为湍流，蒸汽走壳程，水蒸气压力为 0.2MPa（绝压） ，冷凝传热系数为 1.2104W/(m2 K)，油的平均比热为 2.1103 J/(kg K)。（1） 当油的处理量增加一倍时，油的出口温度为多少？若要保持油的出口温度仍为80，换热器是否够用？（2） 若不够用时，可以采取哪些措施？（3） 并联或串联多大的换热器才够用？要考虑哪些问题？（4） 处理量加大一倍，若将加热蒸汽提高到 3 个大气压，能否保持油的
9、出口温度？（5） 油的处理量不变，如果油的粘度增大一倍，仍为湍流流动，其他物性不变，油的出口温度是多少？（6） 由于换热器运行时间较长，使得管壁增加了一层油垢，其厚度为 1mm，导热系数为 0.2W/(m K)，此时油的出口温度为多少？（7） 大气温度为 10，管壁对空气的对流传热系数按 T = 9.4+0.052(tw-t)，换热器的壳直径为 4265mm，保温后壁温为 30，保温层导热系数为 0.058 W/(m K)。保温层厚度为多少？解：由 ，查得 2atm 时，水蒸汽的饱和温度为 120，moptAKtCmQ)(12则 ，7.5804ln1(t那么 )/(7.257.54)408(1
10、236/5.2 23 KmWKo 因为 ，所以ioio当油的流量提高一倍时， ， ，根据 ，2m2u4.0823.0reii PRd，所以 ，所以8.0.Reu74.1)/(/8.0.i 7.1/ ioK设油的出口温度为 ，则 2t 12 moptAKtC由/得， ，带入数据mott2125，试差计算得 22 104ln)()(74.108)( tt 2.76t若要保持出口温度为 80，则 不变，那么m，那么optAKtCm12 )( 2 95.47.102407.12mAo增大传热面，即并联或串联一台换热器；提高加热蒸汽的压力，以提高传热推动力；加添加物，增加扰动，提高管程对流传热系数，降低
11、管程热阻。并联一台同样大小的换热器。当流量增加一倍时，传热面 A 增加一倍，流速 u 不变，K不变，故并联一台 40m3换热器正好够用。若串联一台换热器，则由上述结果可知，串联一台 6 m3的换热器即可。将水蒸气压力提高到 0.3MPa，查表可知此时水蒸气温度 132.9，则71809.1324ln).().(mt，因为此时所需2212 403.714502)( mAtKtComop 的换热器面积小于实际换热器面积，所以此种方法是可行的。流量不变，油的粘度增加一倍时，由 ，得4.08.0)()(02.pii Cud4.0那么 ，即758.0)(4. ii75.ioK设油的出口温度为 ，根据 ，2t moptAtCm12)(那么 ， 得 2208ln47.5408tt7.2t即油的粘度提高一倍时，出口温度降低为 72.7垢的影响：增加一层油垢后， ，其中 是油垢层厚度的对数平均值，o1mdbK因为 20/182，所以 ，那么9)820(1md6，9.4192.057.51o oKK根据 ，4.57.57208ln40)( 22 tAKtCmtoop所以增加 1mm 油垢，使油的出口温度降为 57.4设保温层厚度为 b 米，根据 ，带入数据2312lnl0)03( dLAwT 426ln058.1462ln51)3()0()46.()(52.49 bLb 试差 b=0.024m
