化工原理试题及答案.doc

二

2 一卧式列管冷凝器，钢质换热管长为3m ，直径为φ25×2mm 。水以0.7m/s 的流速在管内流过，并从17℃被加热到37℃。流量为1.25kg/s 、温度为72℃烃的饱和蒸气在管外冷凝成同温度的液体。烃蒸气的冷凝潜热为315kJ/kg 。已测得：蒸气冷凝传热系数α0=800W/(m 2·℃)，管内侧热阻为外侧的40%，污垢热阻又为管内侧热阻的70%，试核算：（1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准）；（2）换热管的总根数；（3）换热器的管程数。[计算时可忽略管壁热阻及热损失，水的比热为4.18kJ/(kg ·℃)]

解： （1）换热器每程提供的传热面积（外表面为基准），S 1； 由题意知，水以0.7m/s 的流速在管内流过，欲求S 1，需先知道每程的管子数，每程的管子数等于所需冷却水的总流量与单管内水的流量之比。 两流体交换的热量为：

kw r W Q h h 39431525.1=⨯==

又 )(12t t C W Q pc c -=， C kg kJ C pc ︒⋅=/18.4， 则 s kg t t C Q W

pc c

/713.4)

1737(18.4394

)(12=-=-=

单管内水的流量为：s kg u d W c /2423.010007.0021.0785.04

221=⨯⨯⨯==π

每程所需管子数为：5.192423

.0713

.411===

c c W W n 取每程管子数为20， 则每程所能提供的传热外表面积为： 21171.4320025.0ln m

d S o =⨯⨯⨯==ππ (2) 换热管的总根数；

由所需的总传热面积可求取换热管的总根数。 m o o t S K Q ∆=

由题给数据， C

m W K o

o o o ︒⋅=⨯⨯+⨯+=

⨯+⨯

+=

2/2.476)80014.07.080014.08001(1

)

14

.07.01

4.01(1ααα

C t t t t t m ︒=-----=∆∆∆-∆=

∆25.44377217

72ln )

3772()1772(ln

2

121

则任务所需的传热外表面积为： 27.1825

.444762.0394

m t K Q S m o o =⨯=∆=

ln o o d S π= 换热管总根数为： 4.793

025.07

.18=⨯⨯==

ππl d S n o o 取 80=n

(2) 换热器的管程数。 由题意管程数为： 41

==

n n

N t

3 在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20℃和110℃。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45℃和40℃，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38℃，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（α水>>α空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？

解： 使用初期 使用一年后 110℃ 40℃ 110℃ 2T ' 45℃ 20℃ 38℃ 20℃ （1）空气出口温度2T '

题意可得：使用初期 m ph h pc c t KS T T C W t t C W Q ∆=-=-=)()(2112 （1）

使用一年后 m ph h pc c t KS T T C W t t C W Q '∆='-=-'=')()(22112

（2）

两式相比（2）/（1），得 )

2045()

2038()

40110()110(2--=-'

-T

则：2T '=59.6℃ （2）总传热系数K K /'

C

t C

t T t T t T t T t m

m ︒=-=-----='∆︒=-=-----=

∆2.546

.3972ln 6.3972206.5938110ln )202.59()38110(2.342065

ln 20

65ln

)()(1

2211221

方程(2)式/(1)式，得：

2

.382

.54)2045()2038(⋅'=--K K 故 %50.0='K K

（3）冷热流体的出口温度22

T t ''''及 一年后 m ph h pc c t S K T T C W t t C W Q '∆'='-=-'='α)()(2112

（3） m ph h pc c t S K T T C W t t C W Q ''∆''=''-=-''='')()(22112

（4） 方程（4）式/（3），得：

20

110ln

)20()110(2

.5412038)20(26.5911011022222

2-''''--''-''-⋅

⋅'''=--''=-''-T t T t K K t T 整理前半式的方程 22

179.06.39T t ''-='' （5） 又因 空气水αα〉〉，空气α≈K ， 故 1≈''

'≈'''空

空ααK K

由等比定理

20

110ln

)20()110(2

.54196.59110)20()110(2222

22-''''--''-''-⋅

⋅=---''-''-T t T t t T 则 2

.544.4120110ln

22=-''''-T t

整理得， 22

153T t ''-='' （6） 联立（5）和（6），可得： C t ︒=''4.292

， C T ︒=''5.572 （4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？变为多少？

C t m

︒=-=-----=''∆3.565

.376.80ln 5

.376.80205.574.29110ln )205.57()4.29110(

则 04.12.543.56=='∆'

'∆='''m m t t Q Q