思考题1所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热Word格式.docx

1、 膜状凝结换热强化措施是使液膜减薄和 顺利排出凝结液。11、在推导换热器效能的计算公式时在哪些环节引入了推导对数平均温差时提出的四个 假设？习题10-1、在一气气套管式换热器中，中心圆管的内外表面都设置了肋片，试用下表所列符号 导出管内流体与环形夹层中流体之间总传热系数的表达式。基管的导热系数为 。解：由热量公式，单位 管长传热量：1hiAti hi Afi i1 ln r02 rih0 Ar 0 h0 Af 0 0t fi t f 0hi Ati 0i1 lnr0ri（1）h0At000式中，内侧肋面总效率 ： 0i Ati Afi 00i Ati外侧肋面总效率： 00 Ar0 Af0 0A

2、f 0对外侧总面积而言的传 热系数 k，则有：（2）1kAt0 （t fi tf 0） 由（1）（2）两式得：Ato Ato ln r0 1hi Ati oi 2 ri h0 0010-2、已知：一有环肋的肋片管、水蒸气再管内凝结，表面传热系数为 12200W/（ *K）空气横向掠过管外，按总外表面面积计算的表面传热系数为 72.3 W/（ * K） 。肋片管基管外径为25.4mm,壁厚 2mm，肋高 15.8mm ，肋厚 0.318mm，肋片中心线间距为 2.5mm。基管与肋片 均用铝做成， =169W/（m*K）。求：当表面洁净无垢时该肋片管的总传热系数。22 A0 d0 （s ） 2 （

3、r1 r2 ）223.141625.4 （2.5 0.381） 2 3.1416（12.7 15.8 0.381/ 2）2 12.722169.14158.5 4327.6mm2A1 d1l 3.1416 21.4 2.5 168.1mm2参数：（h ）1.5 （ h ）0.5 0.536 Ar1 / r2 2.26 AA由图2 15查得： f 0.78, 0 1 f 2 0.789 f 0 A0故得：k 50.2W/（m2* k） 10-3、一卧式冷凝器采用外径为 25mm ，壁厚 1.5mm 的黄铜管做成热表面。已知管外 2冷凝侧的平均传热系数 h0 5700W /（m K ） ，管内水侧

4、平均的表面传热系数hi 4300W /（m K ） 。试计算下列两种情况下冷凝器按管子外表面面积计算的总传热系数 （1） 管子内外表面均是洁净的（2） 管内为海水，流速大于 1m/s，结水垢，平均温度小于 500C，蒸汽侧有油。 解： 1/ h0 1/ 5700 1.7543 10 4m2 K /Wd025hi d i 4300 202.643 10 4 m2由参考文献 1，表 91查得：海水污垢系数 Rfi 0.0001m2 K / W 蒸汽含油污垢系数 R fo 0.0002m2 K /W黄铜的导热系数 109W / m K（1）管子内外表面均是洁净 时的导热系数k01 d0 ln d0

5、1 d0 h0 2 d i hi d i1 2200.9W / m2 K4 0. 025 25 41.7453 10 4 ln 2.63 10 42109 20（ 2）管子内外表面结垢后的 传热系数k0w1 Rf 0 Rfi d0 k0 d i1 250.0002 0.00011302.1W / m22200.92010-4、已知：一套管式换热器长 2m ，外壳内径为 6cm,内管外直径为 4m ，厚 3mm。内 管中流过冷却水，平均温度为 40，流量为 0.0016 /s。 14 号润滑油以平均温度 70流 过环行空间，流量为 0.005 /s。冷却水系统处理的冷却塔水，管壁材料为黄铜。内外

6、壁面均洁净及长时间运行结垢后的总传热系数值。水侧 h1 的计算6240时， 0.635W/（m*k）,v 0.659 10 6m2 /s,pr 4.31d1 2 4 2A1 1 0.785 0.0342 9.075 10 4m2,u1 1.763m / s4ud1Re 1 90967流动截面积 vh 0.023 Re0.8Pr0.4 7144w/（m2* k）采用式（ 5-54）， d油侧 h0 的计算2 2 3 2A2 （d22 d12 ） 1.57 10 3m2流动的截面积： 2 4 2 1u2 v2 3.185m/ s, 0.1439w /（ m* k）,v 34.3 10 6m2 /s

7、,Pr 444Re u2d12 1857,h0 1.86 （RePrd）1/3（uf ）0.14v d l uwlw近似的取为 40，则：uw 880.7 124.4 10 6kg /（m* s）,uf 34.3 863.2 10 6kg/（m*s）于是 h 1.86 （0.1439） （1857 4440.020.02 2/32）34.3 863.2880.7 124.2）0.14224.8w /（ m2 *k）利用此值重新确定管壁温度，略去壁面热阻不计，则内侧热阻在总热阻中的比值为：R1RR00.0356tw tl （70 40） 0.0356 41.1, uw 119.43 880.11

8、 重新计算得： h1 225.6w/（m2k） 因而内外壁都干净时， k0 218w /（m2 k）油，水侧均结垢时，取 0 0.0002, 1 0.00021/h 0 （1/h1 1）d1/d2173w/（m2k）.10-5、已知：一种用于制冷剂凝结换热的双侧强化管用直径为 19、16.4mm 的胚管加工而成，长 1.0m。在一次试验中测得冷却水进出口温度分别为 24.6 及 29.2，平均水速为 0.91m/s,按胚管尺寸计算的管内平均表面传热系数为 1.82104W/（m 2*K）, 管外凝结换热表面传热系数为 1.25104 W/（m 2*K）, 管材为铜。按胚管外表面计算的总传热系数

9、值。并分析管内水侧采用强化表面后的强化效果。k11 d0 d0 d0lnh1 d1 2 d1 ，取 =400W/（m*k）, 则有：2 k 3 6 5 6794.1w /（ m2 *k）.6.369 10 3 3.495 10 6 8 10 5 若管内不强化，则按 D-B 公式计算时： tf 27.2 ， v 0.8613 10 6m2/s,0.613w/（m* k）, pr 5.87,Re 17327Nu 0.023 173270.8 5.870.4 114.8,h1 4292.7 1 19 2.699 10 4m2* k/w 内侧热阻变为 4292.7 16.4可见如不强化内侧热阻要加大

10、5 倍左右。平均温压计算10-6、已知：順流与逆流布置。分别按 qm1c1qm2c2及 qm1c1qm2c2 两种情况下，用温度分布曲线说明对数平均温差总 是小于相应的算术平均温度。10-7、已知：逆流式套管换热器，沿换热表面的局部热流密度的变化规律。qm1c1qm2c2，满足推导对数平均温差条件的前提。此时不同的截面上冷热流的总温差保持为常数，由于传热系数换热面已进入均匀热流密度的状态。K 也为常数，因而该10-8、已知：一加热器中用过热水蒸气来加热给水（电厂中把送到锅炉中去的水称为给水） 过热蒸汽在加热器中先被冷却到饱和温度， 体的总流向为逆流，热流体单相介质部分的 求：画出冷、热流体的温

11、度变化曲线。再凝结成水， 最后被冷却成过冷水， 冷热流 qm1c1qm2c2.10-9、已知 t1 300 C，t1 210 C，t2 100 C，t2 200 C ，试计算下列流动布置 时换热器的对数平均温差：1）逆流布置；2）一次交叉，两种流体均不混合；3）12 型壳管式，热流体在壳侧；4）24 型壳管式，热流体在壳侧；5 ） 顺流布置。（1） t1 t1 t 2 210 100 110t r t1 t 2 300 200 100t1 t r 110 100t m 104.9 Cln（t1 /tr ） ln（110/ 100）t2 t 2（2）P 2 2t1 t 2200 1000.530

12、0 100300 2100.9由参考文献 1，图917查得 0.92t m 104.9 0.92 96.5 C（3）由参考文献 1，图915查得 0.85t m 104.9 0.85 89.2 C（4）由参考文献 1，图 916查得 0.97 tm 104.9 0.97 101.8 C（5）t1 t1 t2 300 100 200tr t1 t 2 210 200 10tmt1 tr 200 10 63.4 C ln（t1/tr ） ln（ 200 / 10）10-10、已知：一定的布置方式及冷、热流体一定的进出口温度。 热流体在管内侧及在壳侧的两种安排对数平均温差值有无差别？以上题中（ 3）

13、（4）中情形为例， 设热流体在管侧， 重新计算其对数平均温差。 从这一计算中例可得出怎样的推 断。p 210 300 0.45,R 100 200 1.111（ 1） 1-2 型 100 300 210 300查图 9-15， 0.85, tm 104.9 0.85 89.2 2）2-4 型， p 0.45, R 1.11, 由图 9-16， 0.97, tm 104.9 0.97 101.810-11、已知： 初始温度为 t 1的流体流入壁温为 t0常数的平行板通道， 通道长为 l 流体质量 为 qm,比热容为 cp, 流体与平板间对流换热的表面传热系数 h 为常数。求证：流经该通道后流体与

14、平板间的换热量为 =qmcp（t0-t1）（1-e-2h/（q）证明：如图示，对长为 dx 的微元段，可以列出以下热平衡式：qmcpd（t0 t） 2h（t0 t）dx,令 t t0,2hxd 2hdx,由此得 Ce qmcp ,x 0时, i ti t0,得 le qmcp则有 qmcp流体经过长为 L 的一段通道后的总换热量等于出口截面上的焓减进口处的焓，故 有：l qmc p 1qmc p 1qmc p2hleqmc p 1t 0 t 1 qm c peqmcp 1。在本题中主流方向的坐标与一维非稳态导热总参数分析中的时间坐标相类似。10-12、已知：在已順流式换热器中传热系数 k=a+

15、b t其中 a、 b为常数， t 为任一截面上的周期误差。求证；该换热器的总传热量为，其中 k、 k,分别为入口段与出口段的传热系数。k , t , k , t, , , , a , , 证明：由 k a b t ,k a b t ，联立解得 t , t, ，k a b t代人 d t uk tdA 见教材 P325 ,得：d t udAx.将 a b t x将此式从 A=0到 Ax 做积分，得：1 ln t a a b ttt,即at / a b tt, / a b t,uAx将此式应用于换热器流体出口处，即Ax=A 处并将 a 的表达式代入，得：t, t, k, t , , , , ln

16、, , uAk, t, k, t, k , t,另一方面按 u 的定义有：（t1 t2） （t1 t2 ） t t将此式代入上式，整理之，即得：A k t k t Aln k, t, /（k, t, ）换热器设计计算10-13 、一 台 12 型壳管式换热用来冷却 11 号润滑油。冷却水在管内 流动，t2 20 C，t2 50 C，流量为 3kg/s；热油入口温度为 600C， k 350W /（m2 K）。试计算：油的流量；所传騠递热量；（3）所需的传热面积。则qm12148 （100 60）（1）查得润滑油及水的比热 分别为c1 2148J / kg C,c2 4174J /kg C qm

17、2c2 t2 3 4174 （50 20） 4.37kg / sc1 t1（2）qm2c2 t2 3 4174 （50 20） 375.66KW（3）t1 t1t2 60 20 40 Ctr t1t2 100 50 50 Ct1 tr 40 50 44.8 Cln（t1 /tr） ln（40/50）P t2 t2t1 t250 20 0.375100 20R tt21 tt12100 60 1.33350 20PR 1.333 0.375 0.5 1/ R 1/1.333 0.75 由参考文献 1，图915查得 0.9tm44.8 0.9 40.32 C375.66 103 2 A 26.62

18、m2 k tm 350 40.3210-14、一个壳侧为一程的壳管式换热器用来冷凝凝 18kg 蒸汽。进入换热器的冷却水的温度为k 84W /（ m K ） ，问所需的传热面积是多少？7 355Pa 的饱和水蒸气，要求每小时内冷250C ，离开时为 350C 。设传热系数为由水的饱和压力表 查得：ts 39.87 C，r 2407.3KJ /kg qm r 18 2407.3 103 /3600 12036.5Wt1 ts t2 39.87 25 14.87tr ts t2 39.87 35 4.8714.87 4.878.96 ln（t1/tr ） ln（14.87 / 4.87）12036

19、.5t1 tr12036.5 2A 0.74m2K tm 1800 8.9610-15、已知：在一台 1-2 型管壳式换热器中，管内冷却水从 16升高到 35，管外空气从2 19.6kg/min ，换热器的总传热系数 K=84 w/（m * k）119下降到 45，空气流量为所需的传热面积式多少。逆流温度差为 tm af84 29 51.72 p 35 16 0.184R 119 45 3.8935 16ln 84/29 ， 119 16故 查 图 9-15 ， 0.92 ， 故 对 数 平 均 温 差 tm 51.72 0.92 47.58 119 45 82空气平均温差为2 82， cp

20、1009J / kg* k空气的换热量19.6 119 45 1009 24391W故需传热面积 A024391 6.1m247.58 84 。10-16、已知：某工厂为了利用废气来加热生活用水，自制了一台简易的壳管换热器， 烟气内径为 30mm 的钢管内流动，流速为 30m/s，入口温度为 200 ，出口温度取为100。冷水在管束与外壳之间的空间内与烟气逆向的流动，要求把它从入口处的 20加热到 50 .烟气物可按附录中标准烟气的物性值查取。水侧的表面传热系数远大于与 烟气侧的表面传热系数，烟气的辐射换热可略而不及。估算所需的直管长度。因为水侧换热系数远大于烟气侧之值，因而管壁的平均温度可取

21、为水的平均温度，20 50即235对于烟气：tf100 200 150 6 22 ， v 27.17 10 6m2 /s, 0.0357w/ m* kPr 0.68, Reud0.03 30 6 3312527.17 10 60 .8 0.3采用式（ 5-54）来估算，则 Nu 0.023Re0.8 Pr0.3 84.65h 84.65 0.0357 100.7w/ m*k0.03d24 u t 1947W 由对流换热公式： Ah t dL 100.7 150 35L 所以19471.784m3.1416 100.7 150 35 。10-17、已知：在一逆流式水 -水换热器中，管内为热水，进

22、口温度 t 100 出口温度为 t, 80 ，管外流过冷水，进口温度 t2 20 ，出口温度 t2 70 ，总换热量350 KW ， 共 有 53 根 内 径 为 16mm 、 壁 厚 为 1mm 的 管 子 。 管 壁 导 热 系 数 40w/ m* k ，管外流体的表面传热系数 h0 1500w/ m* k ，管内流体为一个流程。 管子内、外表面都是洁净的。所需的管子长度。计算管内平均换热系数。t f 2 100 80 90 u 314.9 10 6 Kg / m* s , 0.68w/ m* k , Pr 1.95cp 4208,qm cp t4159Kg / sRe4qmdu4 4.1

23、59 / 533.1416 0.016 314.9 10 619830h 0.023Re0.8 Pr0.3 d 3273w/ m*kka 965w / m * ka 1 1 d2h0 h1 d180 20 100 70ln 60 /3043.28，A 8.38m2, A n dL,A L 2.80 m.nd本题中冷热流体总温差为 43.3 ，管外冷流体侧占 68，管内侧约占 32， 故不必考虑温差的修正。10-18、压力为 1.5 105Pa 的无油饱和水蒸气在卧式壳管式冷凝器的壳侧凝结。经过处理的 循环水在外径为 20mm 、壁厚为 1mm 的黄铜管内流过，流速为 1.4m/s，其温度由进口

24、处的 560C升高到出口的 940C。黄铜管成叉排布置，在每一竖直排上平均布置 9 根。冷却水在管内的流动为两个流程，管内已积水垢。试确定所需的管长、管子数及冷却水量。传热量1.2 107W 。（ 1）平均传热温差 由冷凝压力查得饱和蒸 汽温度为 111.32 C 则：94 56tm 19141.3256 56 32.72 C111.32 94（2） 管外凝结换热系数 设管外壁温度 tw 105 C，则tm （111.32 105） /2 108.2 C 查得凝结水物性参数为l 0.685W / m K r 2235 kJ / kg 表面传热系数1/ 43l 952.3kg / m3263.2

25、10 6kg /m s 对水平管外凝结换热，h0 0.729 gr l l3 3 32235 103 952.33 0.62831/48809W /（ m20 d（ts tw ） n9.8K）0.729 9.8 6263.210 6 0.02（111.32 105） 9（3）管内换热系数由t f （56 94）/2 75 C查得水的物性参数0.671W /（ m C） ， 0.39 10 6m2 /s， Pr 2.38 对管内对流换热，表面 传热系数0.8 0.4h1 0.023 Ref 0.8 Pr 0.41 d f0.023 0.671 （1.4 0.0186 ）0.8 2.380.4 8552W /（m2 K ）0.018 0.39 10 64）热阻： 查参考文献 1，表 91，蒸汽侧污垢热阻 r0 0.0001 水侧污垢热阻 r1 0.0002 管壁热阻（黄铜 131W / m K）（d1