化工原理 第3章 参考解答 (期末专用)

和冷却时的总传热系数分别为：K1=291W/m2·K；以及
K'2=174W/m2·K；问此换热器是否适用（传热面积A及
传热系数均以外表面积计）?
T
解：供方：A2=πd2ℓn A2=3.14×0.025×3×37=8.71[m2]
T1 46℃ t2 32℃
46℃
需方：Q≥QL=Q1+Q'1=Q2
T2 =10℃
W m2 K
]
1 1 (0.038) 1 K2 54.84 0.033 10000
1 K2
21.09
10-3[
m2 K W
]
K
2
47.42[
W m2 K
]
A2
Q K2t m
66570 47.42 59
23.79[m2 ]
8
返回
A2
23.79
0.997[m]
d2n 3.14 0.038 200
59℃
34
返回
A2
Q K 2 t m
66570 43.63 59
25.86[m2 ]
A2
25.86
1.084[m]
d 2n 3.14 0.038 200
ℓ/d=1.084/0.033<50→校正
1
1f
1[1
(
d )0.7
]
50.46 [1 ( 0.033)0.7 ] 1.084
1
54.84[
t
T2 =10℃ 求：∆tm1、∆t'm1→求A2=A1+A'1
t1 =5℃
已知r=351.6[kJ/kg]
→A
CS2平均温度tm=(46+10)/2=28℃
查：28℃下CS2比热cp=0.963[kJ/kg·℃]
Q1=qm1r1=(300/3600)×351.6=29.3[kW]
Q'1=(300/3600)×0.963×103×(46-10)=2.89[kW]
1.985 105
Pr cp 1.005 103 1.985 105 0.697
0.02861
空气被加热：k=0.4
设：ℓ/d>50
6
返回
1
0.023
d
Re 0.8pr 0.4
式3- 30
1
0.023
0.02816 0.033
(2.15104 )0.8 0.6970.4
50.46[
W m2 K
返回
26、有一单壳程、双管程列管式换热器，壳程为120℃ 饱和水蒸气冷凝，常压空气以12m/s的流速在管程内流 过。列管为Φ38×2.5mm钢管，总管数为200根，已知 空气进口温度为26℃，要求被加热到86℃，又已知蒸 汽侧对流传热系数为104[W/(m2·K)]；壁阻及垢阻可忽 略不计。试求（1）换热器列管每根管长为多少米？ （2）由于此换热器损坏，重新设计了一台新换热器， 其列管尺寸改为Φ54×2mm；总管数减少20%；但每根
Q=QL=Q1=Q2=qm2cp2(t2-t1)
qm2=uAρ=u[(0.785d2)(n/2)]ρ
qm2=12×[(0.785×0.0332)(200/2)]×1.076=1.104[kg/s]
Q2=1.104×1.005×103×(86-26)=66570[W]
Re du 0.03312 1.076 2.15 104 104
管长维持原值。用此新换热器加热上述空气，求空气 的出口温度？
解 1 以管外表面积A2 为基准，计算K2 A2=πd2ℓn→求ℓ
5
返回
解（1）空气定性温度：tm=(26+86)/2=56℃ 查：物性数据ρ=1.076[kg/m3]；cp=1.005[kJ/kg·℃]；
λ=2.861×10-2[W/m·℃]；µ=1.985×10-5[Pa·s]
Q=QL=Q1+Q'1=29.3+2.89=32.19[kW] Q=QL=Q1+Q'1=Q2=qm2cp2(t2-t1) qm2
QL cp2 (t 2 -
t1)
2
返回
Q=QL=Q1+Q'1=Q2=qm2cp2(t2-t1)
qm2
QL cp2 (t 2 -
t1)
32.19 103 4.187 103 (32
- 5)
0.285[kg
/ s]
Q'1=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t-t1)=2.89[kW]
Q'1=0.285×4.187×103×(t-5)=2.89[kW] →t=7.45℃
T
热流体T1=46℃→T1=46℃→T2=10℃
T1 46℃ 46℃ t2 32℃
冷流体 t2=32℃← t=7.45℃←t1=5℃ 14℃ 38.55℃ 5℃
]
1 K2
1 1
(d2 ) d1
1 2
1 50.46
(
0.038 0.033
)
1 104
1 22.9210-3[ m2 K ]
K2
W
K2
43.63[ W ] m2 K
热 T=120℃→T=120℃
∆t大/∆t小=94/34>2
冷 t2 = 86℃←t1=26℃
34
94
7
t m
94 - 34 ln 94
4.16m2
A1
Q1 K2tm1
2.89 103 174 16.43
1.01m2
需方：A2=A1+A'1=4.16+1.01=5.17m2
供方：A2=πd2ℓn=8.71[m2]>5.17[m2] 适用
富裕量： A选 - A需 100% 8.71- 5.17 100% 68.5%
A需
5.17
4
T2 =10℃
∆t大/∆t小=38.55/14>2
t
t1 =5℃
→A
t m1
38.55 -14 ln 38.55
24.24℃
∆t大/∆t小=38.55/5>2
14
3
Hale Waihona Puke Baidu
返回
∆t大/∆t小=38.55/5>2
tm1
38.55 - 5 ln 38.55
16.43℃
5
A1
Q1 K1t m1
29.3103 291 24.24
近似计算： α1<<α2→K1≈α1=54.84[W/m2·K]
作业题：p166页3-24 有一单管程列管式换热器，该
换热器管径为Φ25×2.5mm，管数为37根，管长3m。
今拟采用此换热器冷凝并冷却CS2饱和蒸汽，自饱和温 度46℃冷却到10℃。CS2在壳程冷凝，流量为300[kg/h] 冷凝潜热为351.6kJ/kg；冷却水在管程流动，进口温度
为5℃，出口温度为32℃。逆流流动。已知CS2在冷凝
A2
1
Q K 2 t m
Q1 K1t m1
Q1 K2tm1
A1 A1
t
t1 =5℃
→返A回
T
Q=QL=Q1+Q'1=qm1r1+qm1cp1(T1-T2)
T1 46℃ 46℃
Q=QL=Q1+Q'1=Q2=qm2cp2(t2-t1)→qm2
t2 32℃
Q'1=qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t-t1)→t