青岛科技大学化工原理历年考研真题及答案解析之传热.pdf

传热传热概念：概念：1、传热的三种基本方式2、如何测定及如何提高对流传热的总传热系数 K 4、如何强化传热计算公式计算公式（1）热量衡算（有相变、无相变）K 的计算、平均温度差、总传热速率方程、传热面积的计算（判别是否合用）（例 48）（2）流体在圆形管内作强制湍流流动时 计算式（公式、条件），粘度 对 的影响。（3）实验测 K(例 49)（4）换热器操作型问题（求流体出口温度，例 410）二 实验题（10）1利用过热蒸汽进行传热实验的过程中，若运行一段时间后，传热膜系数下降，可能的原因是什么？如何解决？2.蒸汽冷凝传热时，为什么要排放不凝性气体？内管壁温接近于哪一侧流体的温度？3.为了提高换热器的总传热系数 K，应提高空气侧，还是水侧的和 S？为什么？换热器中冷热流体的流动方向有几种，当选择流向时应如何考虑？4阐述液体沸腾曲线的基本形状，一般沸腾应处于什么状态才能达到较好的换热效果？1、（4 分）换热器中冷热流体的流动方向有：逆流，并流，折流和错流。（1 分）当采用逆流时，在传热量和总换热系数一定的情况下，换热器的传热面积较小，另外，采用逆流还可以节省加热介质或冷却介质的用量。通常，换热器尽可能采用逆流操作。（1 分）当某些特殊工艺要求时，对流体的温度有所限制，如冷流体被加热时不能超过某一温度，或热流体被冷却时不能低于某一温度时，可采用并流。（1 分）采用折流或错流时，主要是为了满足换热器的结构要求，或提高总传热系数。（1 分）2、（6 分）液体沸腾曲线主要包括自然对流、泡状沸腾和膜状沸腾。（3 分）一般沸腾应处于泡状沸腾状态才能达到较好的效果，此时传热系数和热通量都较大。（3 分）5灰体的定义及特点6、设计一套实验装置要求既可以测量总传热系数，又可同时测量对流传热系数，标注仪表、仪器名称。并简要说明试验步骤，需要测量那些参数。？三 计算题（60 分）3（20 分）在一列管式换热器内用水冷却苯。苯走管程，流量为 1.5kg/s，由 80oC 被冷却至 30oC。冷却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，其进口温度为 20oC，出口温度为 50oC。已估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为 900W/(m2K)、1700W/(m2K)；苯的平均比热为 1.9kJ/(kg.K)。若列管为 252.5mm 的钢管，长 3 米，其导热系数为 45W/(m2K)，并忽略污垢热阻及换热器的热损失，试求：（1）所需换热器的列管数为多少？（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，换热器的列管数又为多少？2.解：(3 分)mmtLdKntKSQ0 其中，=1.51.9103（80-30）=142.5（kW）(2 分)(21TTCWQphh=490.5W/(m2K)(3 分)000111miiddbddK170015.224525105.2209002513 =18.2()(3 分)2121lntttttm1030ln1030C 故（根）(2 分)7.672.18310255.49014.3105.142330mtLKdQn（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，则 W/(m2K)(2 分)87.2959170028.00同理可得，=559.1 W/(m2.K)(3 分)K00111middb 则 （根）(2 分)4.590mtLdKQn2、（20 分）用一传热面积为 3m2（以外表面积为准），由252.5mm 管子组成的单程列管式换热器，用初温为 10的水将机油由 200冷却至 100，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为 1000kg/h 和 1200kg/h，其比热容分别为4.18kJ/(kgK)和 2.0kJ/(kgK)，水侧和油侧的对流表面传热系数分别为 2000W/(m2K)和 250W/(m2K)，两侧可视为呈逆流流动，如不计算管壁及污垢热阻：（1）试计算说明该换热器是否合用？（2）夏天，水的初温达到 30时，该换热器是否合用？（假设 K 不改变），如不合用，如何解决？四。计算题：.（20 分）解：（1）m00pcCphhtAKtCWTCWQ W36001000)10t(18.4100036001000)100200(0.212002 （3 分）4.67t2 200 100 67.4 10 3.1112906.132tm 132.6 90 （3 分）Km/21W.21620252000125011dd111K2i0i00A3.11121.21636001000)100200(0.21200 A=2.77 m2 题给 3 m2,合用.（3 分）(2)水初温 3036001000)30t(18.4100036001000)100-200(0.21200Q2 4.87t2 200 100 87.4 30 （4）3.912706.112tm 112.6 70 （3 分）A3.9121.21636001000)100200(0.21200 A=3.37 m2 3 m2 不合用.可增加换热面积,两台串联使用.（4 分）4.（15 分）某车间有一台运转中的单程列管换热器，热空气走管程，由 120C 降至 80C，其对流传热系数1=50 W/m2C。壳程的水被加热，水进口温度为 15C，出口升至 90C，其对流传热系数2=2000W/m2C。管壁热阻、壁厚及污垢热阻可不计，换热器系逆流操作，水的流量为 2700kg/h，平均比热为 4.18kJ/kgK，试计算换热器的传热面积。解：（1）CmWK 221/8.48200015011111Ctttttm3.45901201580ln)90120()1580(ln2121p5C(90 15)2700 4.18 1000 75/36002.35 10QWW水水 （10 分）254.1063.458.481035.2mtKQAm六六（2020 分）分）逆流换热器中，用初温为 20的水将 1.25Kg/s 的液体（比热为 1.9KJ/(Kg),密度为 850 Kg/m3），由 80冷却到 30，换热器列管直径为 252.5 mm，水走管内。水侧和液体侧的对流传热系数分别为 0.85 和 1.70 kw/(m2)，污垢热阻可忽略。若水的出口温度不能高于 50，求换热器的传热面积；换热器使用一段时间后，管壁两侧均有污垢生成，水侧污垢热阻 Rsi=0.00026 m2/w，油侧污垢热阻 Rs0=0.000176 m2/w，求此时基于管外表面的总传热系数 K0。产生污垢后热阻增加的百分数注：管壁导热系数为=45 w/(m)（3 分）12()1.25 1.9(8030)119hphQW CTTkW （3 分）000200.00252525111117004522.58502011472/miiddbddKW mC （3 分）21122112()()(8050)(3020)18.28050lnln3020mTtTttCTtTt （3 分）3200119 1013.9472 18.2mQSmKt2 （5 分）0000001120.00252525251117004522.5850202011381.53/0.0001760.00026imiiidddbssdddKRRW mC3产生污垢后热阻增加百分数为：（3 分）425200.002525251117004522.5850200.0001760.000265.01 1023.63%0.00212（2020 分）分）现有一列管式换热器，内有 252.5 mm 钢管 300 根，管的有效长度为 2m，要求将 8000Kg/h 空气于管程内由 20加热到 85，采用 108的饱和蒸汽于壳程冷凝加热，冷凝热在饱和温度下排出，蒸汽冷凝传热系数 1104 w/(m2)，空气对流传热系数为 90 w/(m2)，管壁及两侧污垢热阻可忽略，不计热损失，空气在平均温度下比热为 1KJ/(Kg)。1求基于管外表面的总传热系数 K0 2.核算该换热器是否满足要求。2用一段时间后管内产生了污垢，使空气出口温度变为 50，求此时管内污垢热阻。1WCmddKii 24000014.020259011011111 （3 分）CmWK 2049.712 （3 分）CtTtTtTtTtm44.488510820108ln)85108()20108(ln)()(2121 （3 分）2312/1044.144)2085(100036008000)(mWttCWQpcc （2 分）23071.4144.4849.711044.144mtKQSm 所以，该换热器合用。（2 分）201.472025.0300mldnS实际实际SS 03 （2 分）32218000()1000(5020)66.67 10/3600cpcQW CttW m （2 分）1212()()(10820)(10850)7210820lnln10850mTtTttCTtTt （1 分）0000111iiiiddRsKdd32066.67 1019.66/47.1 72mQKW mCS t （2 分）20000111201()(0.014)0.0295/25 19.66iiiiddRsmC WdKd3（20 分）在一列管式换热器内用水冷却苯。苯走管程，流量为 1.25kg/s，由 80oC 被冷却至 30oC。冷却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，其进口温度为 20oC，出口温度为 50oC。已估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为 850W/(m2K)、1700W/(m2K)；苯的平均比热为 1.9kJ/(kg.K)。若列管为 252.5mm 的钢管，长 3 米，其导热系数为 45W/(m2K)，并忽略污垢热阻及换热器的热损失，试求：（1）传热速率为多少？（3）总传热系数 K 为多少？（2）所需换热器的列管数为多少？3 解：mmtLdKntKSQ0 其中，=1.5*1.9*103*（80-30）=142.5（kW）)(21TTCWQphh =490.5W/(m2.K)000111miiddbddK170015.224525105.2209002513 =18.2()2121lntttttm1030ln1030C 故（根）7.672.18310255.49014.3105.142330mtLKdQn五、五、（20 分）分）有一逆流套管换热器，由 573.5mm 与 894.5mm 钢管组成。甲醇在管内流动，流量为 5000kg/h，由 60冷却到30，甲醇侧的对流传热系数为 1512W/m2，冷却水在环隙流过，入口温度 20，出口温度 35，忽略热损失、管壁及污垢热阻，且已知甲醇平均比热为 2.6kJ/kg，定性温度下水的黏度为 0.84cp，导热系数为 0.61W/m2，比热为4.174kJ/kg，密度为 1000Kg/m3,冷却水在环隙中流动的对流传热系数可由下式计算：，求：4.08.0)(023.0peeoCRd1冷却水用量。2总传热系数 K。3所需套管长度。五、（20 分）1冷热流体均无相变，且无热损失，所以：（3 分）WTt5321phh12pcC10083.1)3060(106.23600/5000)T(CW)t(CWQ （2 分）sKgttCQWpcC/73.1)2035(10174.410083.1)(35122环隙当量直径：（2 分）mdDdoie023.0057.0)0045.02089.0(（2 分）smdDVuoiS/7.0)057.008.0(785.0100073.1)(785.02222smude/7.0)057.008.0(785.0023.07.01000Re2275.561.010174.41084.033pC则 （2 分）CmWCRdpeeo 24.08.044.08.0/7.327975.5)1092.1(023.061.0023.0)(023.0 （3 分）C 2i0i00m/W4.9445057151213279.711dd111K360 30 35 2025 10 （3 分）Ctttttm4.161025ln1025ln2121mmtldKtKSQ0 （3 分）mtdKQlm1.394.16057.014.34.94410083.150六、(20 分)在一台新套管换热器中，冷却水在 252.5mm 的内管中流动，以冷凝环隙间的某饱和蒸汽。当冷却水的流速为0.4m/s 和 0.8m/s 时，测得基于内管外表面的总传热系数分别为 1200W/m2K 和 1700W/m2K。水在管内为湍流，管壁的导热系数为 45w/mK。水流速改变后可认为环隙间冷凝的传热膜系数不变，试求：（1）当水的流速为 0.4m/s 时，管壁对水的对流传热系数为多少？（2）管外蒸汽冷凝的对流传热系数为多少？（3）若操作一段时间后，水流速仍维持 0.4m/s，但测得的总传热系数比操作初期下降 10%，试分析可能的原因，并论述此时蒸汽的冷凝量是否也下降 10%。六、（20 分）解：对于新换热器，可忽略污垢热阻，有omoiiodbdddK11其中mdi02.0)20025.0025.0(mdo025.0mdm0224.0223.0005.002.0025.0ln02.0025.0冷却水流速为时sm/4.0oi10224.045025.00025.002.0025.012001oi110620.025.11033.844 （1）（5 分）oi125.11071.74流速为时 sm/8.0uu2iii74.128.0oi10224.045025.00025.002.074.1025.017001oi110620.0718.01088.544 （2）（5 分）oi1718.01026.54（1）求水的流速为 0.4m/s 时，管壁对水的对流传热系数式(1)-式(2)，得i532.01083.14 （3 分）KmWi2/2907（2）求管外蒸汽冷凝的对流传热系数将（1）的计算结果带入式(1)中，得o1290725.11071.74o11030.41071.744 （3 分）KmWo24/293310)30.471.7(1（3）操作一段时间后，水流速仍维持 0.4m/s，但测得的总传热系数比操作初期下降 10%，其原因可能是污垢热阻造成的。根据rWttCpWtSKQhccm)(12时，Q 也必定减小，而也会减小，从而也随之减小，所以KK9.02tmt，QQ9.0hhWW9.0即，蒸汽的冷凝量下降超过 10%。（4 分）三、（20 分，08 考研）有一单程管壳式换热器，内装有 252.5mm 的钢管 300 根，管长为 2m。要求将流量为 8000kg/h 的常压空气于管程由 20加热到 85，壳方选用 108的饱和蒸汽冷凝。若蒸汽侧冷凝的对流传热系数为 1104W/(m2.)，忽略管壁及两侧污垢热阻和热损失。空气在平均温度下的物性常数为 cp=1kJ/(kg.)，2.85102W/(m.)，1.9810-5Pa.s。试求：（1）空气在管内的对流传热系数；（2）换热器的总传热系数（以管子外表面为基准）；（3）通过计算说明该换热器能否满足要求；（4）计算说明管壁温度接近哪一侧的流体温度。三、（20 分，05 考研）在套管换热器中用 120的饱和蒸汽于环隙间冷凝以加热管内湍流的苯。苯的流量为 4000kg/h，比热容为 1.9kJ/(kg)，温度从 30升至 60。蒸汽冷凝传热系数为 1104W/(m2),换热管内侧污垢热阻为 410-4m2/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为 542mm 的钢管，有效长度为 12m。试求：（1）饱和蒸汽流量（其冷凝潜热为 2204kJ/kg）；（2）管内苯的对流传热系数 i；（3）当苯的流量增加 50%、但其他条件维持不变时，苯的出口温度为若干？三、（20 分，06 考研）一列管式换热器，管径为 25mm2.5mm，传热面积为 10m2（按管外径计）。今拟用于使 80的饱和苯蒸气冷凝、冷却到 50。苯走管外，流量为 1.25kg/s；冷却水走管内与苯逆流，流量为 6kg/s，进口温度为 10。现已估算出苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为 1600W/(m2K)和 850 W/(m2K)；水的对流传热系数为 2500W/(m2K)。忽略管壁两侧污垢热阻和管壁热阻。已知水和苯（液体）的比热容分别为 4.18103J/(kgK)和 1.76103J/(kgK)，苯蒸气在 80的冷凝潜热为 395103J/kg。问此换热器是否合用？三、（20 分，07 考研）有一套管换热器，某流体走壳程，水走管程，逆流换热。工艺上要求将流量为 870kg/h 的此流体从 120冷却至 70，其比热容为 3.36 kJ/(kg)，它对管壁的对流传热系数为 2326W/(m2)，并可视为不变。已知内管为 573.5mm 的钢管，水的进口温度为 20。此换热器刚投入使用时很清洁，当流体出口温度为 70时，测得水出口温度为 50，管壁对水的对流传热系数为 873 W/(m2)，水的比热容为 4.174 kJ/(kg)，水的密度为 994 kg/m3。由于冷却水的水质问题，管内壁结垢，使用一年后致使水的出口温度降为 45。管壁热阻及外壁污垢热阻可忽略不计，且管内外对流传热系数可视为不变。试求：（1）新工况（结垢后）时的热流体出口温度；（2）该换热器面积；（3）新工况时的内壁污垢热阻系数。解：（1）（8分）从已知条件看，不能从冷热流体的热量衡算中求出t2，可考虑联合热量衡算方程和传热速率方程来求取t2。联立冷流体的热量衡算方程和传热速率方程：（2分）mpcctKSttcWQ12因 21122121lnlntTtTtttTtTtTtTtm所以将T=110，t1=25及上述条件代入得：387.0211025110et解出：t2=52.28。（2 分）（2）（6 分）忽略管壁热阻，所以管壁内外温度可认为相同。整个传热过程为管壁内外侧对流传热的串联：（2 分）woowiitTSttSQ其中的 t 为水的平均温度 t=(t1+t2)/2=(25+52.28)/2=38.64，所以（2 分）ioiwowddtttT11将 T=110，t=38.64，o=1.1104W/(m2.)，i=1000W/(m2.)，di=20mm，do=25mm 代入上式：20251000164.38101.111104wwtt解得：tw=105.16，接近管外侧蒸汽的温度。（2 分）（3）（6 分）此时的冷水出口温度为 t2=t2-5=52.28-5=47.28，依照第一问的同样步骤得到：pcccWSKetTtT21变换为：（2 分）)ln(21tTtTScWKpcc将 WCCpc=14513.9W/、S=7.536m2、T=110、t1=25、t2=47.28代入上式得：K=585.43 W/(m2.)（2 分）又因为水侧出现污垢，将影响总传热系数：oioSiioiddbddK111所以m （2 分）541088.520252.01101.1120251000143.58511111ioSioioiddddKb