Q = Ko′Ao′Δtm
Q220?103??Ao??7.5( m)
??tm475.7?61.66Ko2
l???Ao7.5??50.8(m) （14分） ??d03.14?0.04744有一套管换热器，内管为Ф54×2mm，外管为Ф116×4mm的钢管，内管中苯被加热，笨进口温度为50℃，出口温度为80℃，
流量为4000kg/h。环隙为133.3℃的饱和水蒸气冷凝，其汽化潜热为2168.1kJ/kg，冷凝对流传热系数为11630W/m2K。 苯在50℃～80℃之间的物性参数平均值为密度ρ= 880kg/m3，比热为1.86 kJ/kg K，粘度为0.39cP，导热系数为0.134W/m.K。管内壁污垢热阻为0.000265K.m2/W，管壁及管外污垢热阻不计。试求： （1）加热蒸气消耗量；
（2）所需的传热面积（以内管外表面计）。
（3）当苯的流量增加50%时，要求苯的进出口温度不变，加热蒸气的温度应为多少？
解：（1）Q = m2Cp2 (t2 – t1) = 4000/3600×1.86×103×(80 - 50) = 62 (kW)
m1?Q62??0.0286(kg/s) = 102.9 (kg/h) （4分） r12168.1（2） ?tm
?t2?t180?50??67.2（℃）
ln??T?t1??T?t2??ln??133.3?50??133.3?80?? Q = KoAoΔtm
u?4m2?di2?diu??4?4000?0.643 (m/s)
3.14?0.052?880?36000.05?0.643?880?72543.6> 10 ?30.39?104
Re??Cp??
Pr??1.86?103?0.39?10?3??5.41
0.1340.8
??diui????i?0.023i??di?????i?0.023?Pr0.4
2
0.134?72543.60.8?5.410.4?936.7(W/m℃) 0.05
dd11?o?Rsio?Ko?ididi?o54541??Ko?1??0.000265????655.7(W/m℃)
5011630??936.7?502
Q62?103Ao???1.407( m) （10分）
Ko?tm655.7?67.22
?i??u??0.8???（3） ?i?u
?i?u?
0.8??m2???S??iim2Si?i????0.8??m2???m?2????0.8?1.50.8
36
∴ αi′= 936.7×1.5 = 1295.6（W/( m℃)）
0.82
54541????1?Ko?0.000265????829.3(W/m℃)
1295.6?505011630??2
?Cp2?t2?t1??Ko?Ao?tm? Q??m2?Cp2?t2?t1?m2t2?t1 ????ln??T?t1??T?t2??KoAolnK?AT??t1829.3?1.407?3600?oo??0.3764 3??T?t2m2Cp21.5?4000?1.86?10T??t1?1.457 T′= 145.6℃ （10分）
T??t2
45、（18分）：
现有一套测定对流传热膜系数的装置（如图），拟测空气在管内作强制湍流时的对流传热膜系数α，该装置的管子外壁绕有电阻丝，以加热管壁，热电偶丝外面包有保温层。问： 在实验中需要测定哪些参数？ 在图中标出欲测参数的测试位置，并注明所采用的测试仪表； 写出通过实验计算传热膜系数α的计算步骤。
46在套管换热器中，用冷水冷凝苯蒸汽。冷水在管内作湍流流动。欲通过实验方法测定苯蒸汽在管外冷凝时的传热膜系数及水在管内的对流传热膜系数，设苯的凝液在蒸汽的饱和温度下排出。试问： 需要哪些测定仪器？ 需要测定哪些数据？
写出求得α苯、α水的步骤，并注明计算式中各符号的意义及单位。其中：α苯为苯蒸汽冷凝传热膜系数；α水为管壁向水的对流传热膜系数。
47用120℃的饱和水蒸汽将流量为36m3/h的某稀溶液在双管程列管换热器中从80℃加热至95℃。若每程有直径φ25×2.5mm的管子30根，且以管外表面积为基准的传热系数K=2800w/m2·℃。蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计，试求： 换热器所需的管长；
当操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数为0.00009 m2·℃/w，若维持溶液的原流量及进口温度，其出口温度为多少？又若必须保证溶液原出口温度，可以采取什么措施？
注：溶液的密度及比热与水近似：ρ=1000kg/m3，Cp=4.2kJ/kg·℃。
48流量为0.17m3/s的某油品用单程列管式换热器进行预热，所用的换热器具有80根长度为6m的φ32×1.0mm的钢管，管外用饱和蒸汽加热，可将油品预热至指定温度。现欲提高油品的预热温度，将加热管数增至400根（管子规格同上），管长及其它条件不变。问出口油温能否提高？已知油品在进、出口平均温度下的有关物性参数为ρ= 800kg/m3，μ= 7.2×10-3Pa.s，Cp = 1.8×103J/(kg.K)，λ= 0.12W/(m.K)。
保温层 钢管 空气 加热电阻丝 （ 层流时： ??1.86???d??Re0.33?Pr0.33???d?l?0.33??????W0.14????0.14 ）
0.80.33??（ 湍流时： ??0.023??Re?Pr????d?W????? ）
解：在原换热器内
u?4V4?0.17??3（m/s） 22??dn3.14?0.03?80Re?
du???0.03?3?800?10000 ?37.2?1037
因流动为湍流，所以管内给热系数可用下式计算
???i?0.023??Re0.8?Pr0.33????d?W?????0.14
在新换热器内
u??4V4?0.17??0.6（m/s）
??d2n3.14?0.032?400Re??du???0.03?0.6?800?2000 ?37.2?10流动状态为层流，所以管内给热系数为
?d??i??1.86???Re??0.33?Pr0.33???d?l??0.33??????W????0.14
?i?1.8620000.33?0.03?∴ ?????0.8?i0.023100006??以外表面为基准，新旧换热器换热面积之比为
0.33?0.11
?n??d0ln?400A0????5 A0n?d0ln80dd11??0?0K0?0?idi?idi∴
（αi << α0）
??i?K0??0.11 K0?i∵ m2CP2?t2?t1??K0A0?T?t2???T?t1?
ln??T?t2??T?t1??
lnKAT?t1?00T?t2m2CP2T?t1?T?t2ln∴ ln?A0?T?t1K0??0.11?5?0.55?1
T?t2K0A0 => t2′< t2
∴ lnT?t1T?t1?ln?T?t2T?t2虽然新换热器换热面积有所增加，但采用新换热器后，油品出口温度不但不能升高，反而有所下降。
49某厂用两台结构完全相同的单程列管换热器（由44根φ25×2.5mm、长2m的管子构成），按并联方式预热某种料液。122℃饱和蒸汽在两换热器列管外冷凝，料液以等流量在两换热器管内流过。料液的比热为4.01 kJ/kg·℃，密度为1000 kg/m3，当料液总流量为1.56×10－3m3/s时（料液在管内呈湍流流动），料液由22℃被加热到102℃，若蒸汽冷凝给热膜系数为8 kW/m2·℃，管壁及污垢热阻均可忽略不计。 试问：
管内料液对流给热膜系数为多少？ 38
料液总流量与加热条件不变，将两台换热器由并联改为串联使用，料液能否由22℃加热到112℃。 两台换热器由并联改为串联后，在料液总流量不变情况下，流经列管的压力降将增加多少倍（湍流时可按λ＝0.3164/Re0.25考虑）。
解：
Q=mCp(t2-t1)= 1.56×10－3×1000×4.01×80＝500kW A0＝2nπd0l=2×44×3.14×0.025×4＝13.82m2 Δtm=80/ln((122-22)/(122-102))=49.7℃
K0=Q/A0Δtm =500/(49.7×13.82)＝0.728 kW/m2·℃ 由 1/K0=1/α0＋d0/(αidi) 即 1/0.728＝1/8＋25/(20αi) 解得 αi＝1.0 kW/m2·℃ （2）将两台换热器串联使用时
αi’＝20.8αi＝1.741 kW/m2·℃
K0’=1/(1/α0＋d0/(αi’di))=1.186 kW/m2·℃
由mCp(t2’-t1)＝K0’ A0Δtm’＝ K0’ A0(t2’-t1)/ ln((122-22)/(122- t2’)) ln((122-22)/(122- t2’))= K0’ A0/ mCp=2.62 解得 t2’＝114.7℃>112℃
（3）由于流经路程增加一倍，管内流速为原来的两倍，
ΔP2/ΔP1＝（λ2/λ1）(L2/L1)(U22/U12)＝（Re1/Re2）0.25(L2/L1)(U2/U1)2＝（1/2）0.25×2×22 ＝6.73
50有一单程列管式换热器，装有Ф25×2.5mm钢管300根，管长为2m。要求将质量流量为7600kg/h的常压空气于管程由20℃加热到80℃，选用108℃饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。若水蒸汽的冷凝传热系数为1×104W/m2.K，管壁及两侧污垢的热阻均可忽略不计，且不计热损失。已知空气在平均温度下的物性常数为Cp=1.005kJ/kg.k，λ=2.83×10－2W /m.k,，μ= 1.96×10－5Pａ.S。 试求：（1）空气在管内的对流给热系数
(2) 求换热器的总传热系数（以管子外表面积为基准） (3) 通过计算说明该换热器能否满足需要？ (4) 计算说明管壁温度接近哪一侧的流体温度。 （湍流时α=0.023(λ/d)Re0.8Pr0.4 ；
层流时α=1.86 (λ/d)（Re·Pr·d / l）1/3） 解：（1） Re?diu???d1msA??dims??n??4?di24ms??n??di
Re?4?760036004?2.29?10?10000 ?51.96?10?300?3.14?0.02∴ 管内空气呈湍流流动
Pr?Cp??1.005?103?1.96?10?5??0.696 ?22.83?100.6 < Pr < 160
l2??100?50 di0.02RePr0.80.4∴ ?i?0.023?di
2.83?10?2?i?0.023??2.29?1040.02??0.8??0.696?0.4?86.5[W/(m.s)]
2
（2）
d11??0K0?0?idi
39
?1d0Ko?1?????0?idi（3）Q需????1?0.025??1????68.7[W/(m.s)]
1000086.5?0.02??2
?ms2Cp2?t2?t1??7600?1.005?103??80?20??1.273?105（W） 3600Q供 = KoAoΔtm
Ao = n πdo l = 300×3.14×0.025×2 = 47.1（m）
3
?tm???t1??t2?ln?tm??80?20?ln?t1t2?t1 ??t2ln??T?t1??T?t2??108?20?52.4（℃）
108?805
Q供 = 68.7×47.1×52.4 = 1.696×10 （W） ∵ Q供 > Q需 ∴ 能满足换热要求 （4）由牛顿冷却定律：Q??o?T?TW?Ao??i?tW?t?Ai
∵ 管壁热阻可忽略 ∴ TW = tW
Q1.696?105TW?T??108??107.6（℃）= t
?oAo1?104?47.1W
∴ 管壁温度接近外侧蒸气温度（或α大的一侧流体的温度）
51某厂在单壳程双管程换热器中，用130℃的饱和水蒸汽将乙醇水溶液从25℃加热到80℃，列管换热器由90根ф25×2.5mm，长3m的钢管所构成，乙醇水溶液处理量为36000kg/h，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45 W/m·℃，乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kg/m3，粘度为1.2cP（厘泊），比热为4.02kJ/kg·℃,导热系数为0.42 W/m·℃，水蒸汽的冷凝传热系数为10000 W/m2·℃，在操作条件下，垢层热阻及热损失可忽略不计，试确定： （1）此换热器能否完成生产任务？
（2）当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的情况下，仍在原换热器中加热乙醇水溶液，则乙醇水溶液的出口温度变为多少？（乙醇水溶液的物性可视为不变）
解：（1） Q需 = m2Cp2（t2 – t1）
Q需 = 36000/3600×4.02×1000×（80 - 25）= 2211（kW） Q供 = KoAoΔtm
ui?VsS S??4di2nNt Vs?m2?
ui?4m2?din?diui?2Nt?4?36000/36003.14??0.02??90?8802?0.8042（m/s）
Re??Cp??0.02?0.8042?880?1.1795?104?1?104（湍流） ?31.2?10Pr??4.02?103?1.2?10?3??11.48 0.7 < P < 120
0.42r
l3??150?50 di0.02
40