青岛科技大学化工原理考研内部资料

1．

111d11252???0????0.014m??CW 4K0?0?idi1?109020K0?71.49Wm2??C （3分）

2．?tm?(T?t1)?(T?t2)(108?20)?(108?85)??48.44?C （3分）

T?t1108?20lnln108?85T?t28000?1000?(85?20)?144.44?103W/m2 （3分） 3600

Q?WcCpc(t2?t1)?

Q144.44?103S0???41.71m2 （2分）

K?tm71.49?48.44（2分） S实际?n?d0l?300???0.025?2?47.1m2 S0?S实际 所以，该换热器合用。

3．Q''?WcCpc(t2?t1)?8000?1000?(50?20)?66.67?103W/m2 （2分） 3600'(T?t1)?(T?t2)(108?20)?(108?50)?t???72?C （2分）

T?t1108?20lnln'108?50T?t2'm

d0111d0Q'66.67?103'2 ????RsK???19.66W/m??C （1分） i0''K0?0?ididiS?tm47.1?72di111d201 ('???0)?(?0.014)?0.0295m2??C/W （2分）

d0K0?0?idi2519.66o

o

Rsi?3 （20分）在一列管式换热器内用水冷却苯。苯走管程，流量为1.25kg/s，由80C 被冷却至30C。冷

oo

却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，其进口温度为20C，出口温度为50C。已估算出苯侧和水侧

22

的对流传热系数分别为850W/(mK)、1700W/(mK)；苯的平均比热为1.9kJ/(kg.K)。若列管为φ25×2.5mm

2

的钢管，长3米，其导热系数为45W/(mK)，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：Q?KS?tm?Kn?d0L?tm

其中，Q?WhCph(T1?T2)=1.5*1.9*10*（80-30）=142.5（kW）

3

K?11d0bd01???idi?dm?0=

1=490.5[W/(m.K)] ?3252.5?10?251??900?2045?22.517002

?tm??t1??t230?10==18.2(?C)

30?t1lnln10?t217

Q142.5?103 故 n???67.7（根） ?3?Kd0L?tm3.14?490.5?25?10?3?18.2五、（20分）

有一逆流套管换热器，由φ57×3.5mm与φ89×4.5mm钢管组成。甲醇在管内流动，流量为5000kg/h，

2

由60℃冷却到30℃，甲醇侧的对流传热系数为1512W/m·℃，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

23

0.84cp，导热系数为0.61W/m·℃，比热为4.174kJ/kg·℃，密度为1000Kg/m,冷却水在环隙中流动的对流传热系数可由下式计算：

?Cp0.4?o?0.023R()，求：

de??0.8e1． 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：

Q?WCCpc(t2?t1)?WhCph(T1?T2)?5000/3600?2.6?103?(60?30)?1.083?105W （3分）

Q1.083?105WC???1.73Kg/s （2分） 3Cpc(t2?t1)4.174?10?(35?20)2．环隙当量直径：de?Di?do?(0.089?2?0.0045)?0.057?0.023m （2分）

1.73VS1000u???0.7m/s （2分） 220.785?(Di?do)0.785?(0.082?0.0572)Re??ude1000?0.7?0.023??0.7m/s 22?0.785?(0.08?0.057)?Cp0.84?10?3?4.174?103??5.75 ?0.61则??0.023?R0.8(oede?Cp0.40.61)?0.023??(1.92?104)0.8?5.750.4?3279.7W/m2??C （2分） ?0.023K0?11??944.4W/m2??C （3分）

115711d0???0?idi3279.71512503．60 30 35 20 25 10

?tm??t1??t225?10??16.4?C （3分）

?t125lnln10?t2Q?KS?tm?K?d0l?tm

18

Q1.083?105l???39.1m （3分）

K?d0?tm944.4?3.14?0.057?16.4六、(20分) 在一台新套管换热器中，冷却水在φ25×2.5mm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/m2?K和1700W/m2?K。水在管内为湍流，管壁的导热系数为45w/m?K。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

1?dobd1K??o?

idi?dm?o其中

di?(0.025?0.0025?2)?0.02m do?0.025m

d025?0.02m?0.?0.005?0ln0.0250.223.0224m

0.02冷却水流速为0.4m/s时

10.0250.0025?0.0251200???45?0.0224?1

i?0.02?o8.33?10?4?1.25?0.620?10?4?1??

io7.71?10?4?1.251?? i?o流速为0.8m/s时 u??2u

?i??20.8?i?1.74?i

101700?.0250.0025?0.02511.74??45?0.0224?i?0.02?

o5.88?10?4?0.718?0.620?10?4?1??

io5.26?10?4?0.7181?? i?o 19

（1）（5分）

2）（5分）

（（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

1.83?10?4?0.532?i

?i?2907W/m2?K （3分）

（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

7.71?10?4?1.251?2907?o

7.71?10?4?4.30?10?4?1?o

?o?12?2933W/m?K （3分） ?4(7.71?4.30)?10（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Q????t1)?Wh?r K?S?tm?WcCpc(t2?也会减小，从而?tm也随之减小，所以 K??0.9K时，Q也必定减小，而t2Q??0.9Q，Wh??0.9Wh

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Φ25×2.5mm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1×104W/(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.℃)，λ＝2.85×102W/(m.℃)，μ＝1.98×10-5Pa.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1×104W/(m2·℃),换热管内侧污垢热阻为4×10-4m2·℃/W，忽略管壁热阻、换热管外侧污垢热阻及热损失。换热管为φ54×2mm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αi；

（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？ 2

三、（20分，06考研）一列管式换热器，管径为φ25mm×2.5mm，传热面积为10m（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，2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/(m·K)22和850 W/(m·K)；水的对流传热系数为2500W/(m·K)。忽略管壁两侧污垢热阻和管壁热阻。已知水33和苯（液体）的比热容分别为4.18×10J/(kg·K)和1.76×10J/(kg·K)，苯蒸气在80℃的冷凝潜热3

为395×10J/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Ф57×3.5mm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：

Q?Wccpc?t2?t1??KS?tm （2分）

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