化工原理 培训传热练习

一、计算练习题

1、 有一碳钢制造的套管换热器,内管直径为φ89mm ×3、5mm,流量为2000kg/h 的苯在内管中从80℃冷却到50℃。冷却水在环隙从15℃升到35℃。苯的对流传热系数αh =230W/(m 2·K),水的对流传热系数αc =290W/(m 2·K)。忽略污垢热阻。试求:①冷却水消耗量;②并流与逆流操作时所需传热面积;③如果逆流操作时所采用的传热面积与并流时的相同,计算冷却水出口温度与消耗量,假设总传热系数随温度的变化忽略不计。

解 ①苯的平均温度6525080=+=T ℃,比热容c ph =1、86×103J/(kg ·K)

苯的流量W h =2000kg/h,水的平均温度2523515=+=t ℃,比热容c pc =4、178×

103J/(kg ·K)。热量衡算式为

)()(1221t t c W T T c W Q pc c ph h -=-= (忽略热损失)

热负荷 43101.3)5080(1086.136002000⨯=-⨯⨯⨯=Q W

冷却水消耗量 1335)

1535(10178.43600

101.3)(3

412=-⨯⨯⨯⨯=-=

t t c Q W pc c kg/h ②以内表面积S i 为基准的总传热系数为K i ,碳钢的导热系数λ=45W/(m ·K)

089.0290082

.00855.045082.00035.0230111⨯+

⨯⨯+=++=o c i m i h i d d d bd K αλα =4、35×10－

3+7、46×10－

5+3、18×10－3

=7、54×10－3m 2·K/W

K i =133W/(m 2·K),本题管壁热阻与其它传热阻力相比很小,可忽略不计。 并流操作

80 50 2.341565ln 1565=-=并

m t ∆℃

传热面积 81.62

.34133101.34

=⨯⨯==并并

m i i t K Q S ∆m 2

逆流操作 80

50 402

35

45=+=逆m t ∆℃

传热面积 83.540

133101.34

=⨯⨯==

逆逆m i i t K S ∆m 2

因逆并逆并故i i m m S S t t >∆<∆,。

17.1==并

逆

逆并m m i i t t S S ∆∆ ③逆流操作 S i =6、81m 2,

2.3481

.6133101.34

=⨯⨯==i i m S K Q t ∆℃

设冷却水出口温度为t '2,则

2.342

35

'=+=t t m ∆∆,='t ∆33、4℃,

t '2=80－33、4=46、6℃

水的平均温度t '=(15+46、6)/2=30、8℃,c'pc =4、174×103J(kg ·℃) 冷却水消耗量846)

156.46(10174.43600

101.3)'('3

412=-⨯⨯⨯⨯=-=

t t c Q W pc c kg/h 逆流操作比并流操作可节省冷却水:%6.361001335

8461335=⨯-

若使逆流与并流操作时的传热面积相同,则逆流时冷却水出口温度由原来的35℃变为46、6℃,在热负荷相同条件下,冷却水消耗量减少了36、6%。

2、在逆流换热器内,用20℃的水(比热容4、2kJ/(kg·K))将流量为4500kg/h 的液体由80℃冷却30℃,其比热容为1、9kJ/(kg·K),液体走壳程,对流传热膜系数为1700W/(m 2·K);已知换热器由直径为Ф25×2、5mm 的钢管组成,钢管的导热系数λ=45 W/(m·K);管程走水,对流传热膜系数为850 W/(m 2·K),若水的出口温度不超过50℃。假设污垢热阻、热损失可忽略,试计算:(1)水的用量;(2)传热面积。 解:(1)水用量:q mr C Pr (t 2-t 1)= q ml C Pl (t 2-t 1) 4500×1、9×(80－30)= q ml ×4、2×(50－20) q ml =3393kg/h (2)传热面积A －－传热基本方程Q=KA △tm ①求传热速率(热负荷):热损失不计,则 Q=Q r =q mr C Pr (t 2-t 1)= 4500×1、9×(80－30)/3600=118、75kW

②求平均推动力△tm=〖(T －t 2)－(T －t 1)〗/ln(T －t 2)/ (T －t 1) = (80－50)－(30－20)/In(30/10)=18、2K ③传热系数

Ko=471、6 W/(m 2·K)

④ 求传热面积A=118、75×1000/471、6×18、2=13、8m 2

3、在单管程单壳程列管换热器中,用120℃的饱与水蒸汽加热管内的有机液体。管内液体总流量为15000kg/h,温度由20℃升至50℃,其比热容为1、76kJ/(kg ·℃)。

测得有机液的对流传热系数为790W/(m 2·℃),蒸汽冷凝传热系数为1×104

W/(m 2

·℃),换热管的直径为Ф25×2、5mm 。忽略管壁热阻、污垢热阻及热损失,试计算传热面积。

解:传热面积A －－传热基本方程Q=KA △tm

①求传热速率(热负荷)Q=Q L =q mL C Pl (t 2-t 1)= 15000×1、76×(50－20)/3600=220kW ②求平均推动力△tm=〖(T －t 2)－(T －t 1)〗/ln(T －t 2)/ (T －t 1)

= (120－20)－(120－50)/In100/70=84、1K ③求传热系数

1/K o =d o /αi d i +R i ＋ bd o / λ d m +R o ＋ 1/αo 1/K o =25/20×790＋1/10000

1/K o =0、00168 K o =595 W/(m 2

·K)

④ 求传热面积A o =220×1000/595×84、1=4、39m 2

4、某列管式加热器由多根Ф25×2、5mm 的钢管组成。将苯由20℃加热到50℃,

苯在管内流动,其流量为15m 3/h,苯的比热为1、76kJ/(kg ·K),密度为858kg/m 3

。加热剂为130℃的饱与水蒸汽,在管外冷凝。已知加热器以外表面积为基准的总传

热系数为700W/(m 2

·K)。试求换热器面积。

解:求A －－传热基本方程Q=KA △tm (1)求传热速率(热负荷)Q=Q L = q mL C Pl (t 2-t 1)

= 15×858×1、76×(50－20)/3600=188、76kW (2)求平均推动力△tm=〖(T 1－t 2)－(T 2－t 1)〗/ln(T 1－t 2)/ (T 2－t 1)

= (130－20)－(130－50)/In110/80=94、2K (3)已知传热系数K o =700W/(m 2·℃) (4)求传热面积A o =188、76×1000/700×94、2=2、86m 2

4、某列管式加热器由18根长3米Ф25×2、5mm 的钢管组成。将苯由20℃加热到60℃,苯在管内流动,其流量为16m 3/h,苯的比热为1、76kJ/(kg·K),密度为858kg/m 3。

3

o o o i i m o 1125 2.510251*********.51700d bd K d d αλα-⨯⨯=++=++⨯⨯