化工原理计算题 下载本文

苯自50℃被加热至80℃,流量为4000kg/h。环隙中为2at(绝)的饱和水蒸汽冷 凝。蒸汽冷凝传热系数为10000W/m.℃。 已知:苯在50~80℃之间的物性数据平均值为: ρ=880kg/m, CP=1.86kJ/kg.℃ λ=0.134W/m.℃, μ=0.39cP 管内侧污垢热阻 R=0.0004m.℃/W 管壁及管外侧污垢热阻不计。 蒸汽温度与压强关系如下表所示 压强 at(绝) 1.0 2.0 3.0 温度 ℃ 99.1 120 133 试求:A)管壁对苯的对流传热系数; B)套管的有效长度; C)若加热蒸汽压力降为1at(绝),问苯出口温度有何变化?应为多少? 有一套管式换热器,内管为φ180×10的钢管. 用水冷却原油,采用逆流操作,水 在内管中流动,冷却水的进口温度为15℃,出口温度为55℃。原油在环隙中流动,流 量为500kg/h,其平均比热为3.35kJ/kg.℃,要求从90℃冷却至40℃。已知水 侧的对流传热系数为1000W/m.℃,油侧的对流传热系数为299W/m.℃ (管壁热阻及垢

阻忽略不计)。 试求:A)总传热系数; B)套管换热器的有效长度; C)所需冷却水用量(水的比热取4.18kJ/kg.℃,忽略热损失); D)在操作中因气温升高,冷却水进口温度变为20℃,问此时会出现什么情况? 若仍维持原生产任务,应采取什么措施?说明理由,并计算之。(设变化后的总传热系数 K=255W/m.℃)。 在逆流操作的列管换热器中,把氢氧化钠溶液从70℃冷却到35℃,氢氧化钠走管内, 流量为1.11kg/s,比热为3770J/kg.K,氢氧化钠对管壁的对流传热系数为930W/m.k 现用15℃的水作为冷却剂,水走管外,流量为1.67kg/s,比热为4180J/kg.K, 管壁对水的传热系数为1000W/m.K,(管壁热阻及垢阻略计),忽略热损失(可近似按平壁处 理) 试求:A)冷却剂出口温度及所需传热面积; B)操作中若氢氧化钠及水的初始温度不变,而两流体的流量都增大一倍,则流量增 大后的冷、热流体的出口温度变为多大?(假设两流体均为湍流,其物理性质不 变, 传热温度差可取用算术平均值)。 在某套管式换热器中,每小时将1200kg, 比热为2.2kJ/kg.℃的甲流体从120℃冷却到 70℃, 热流体向管壁的对流传热系数 α=260W/m℃。乙流体在内管与甲流体呈逆流流 动, 由20℃被加热到50℃,平均温度下其粘度为0.72×10Pa.s,比热为4.18kJ/kg.℃。 内管尺寸为φ57×3.5mm,管壁向乙流体的对流传热系数α=880W/m℃,内管两端的压强 降△p。由于任务需要,欲将内管两端压强降调至3△p,并要求维持原来的冷却任务,问原换 热器是否适用? 乙流体进口温度仍为20℃, 忽略热损失及管壁,垢层的热阻。压强降改变后认为两流 体的物性常数及摩擦系数均没有变化。 有一套管式换热器,内管为φ54×2mm、外管为φ116×4mm的钢管。内管 中苯由50℃被加热至80℃,其流量为4000kg/h。环隙中为2kgf/cm(绝)饱和 水蒸汽冷凝,蒸汽冷凝的传热系数为10W/m.K。

已知苯在50~80℃之间的平均物性数据为:ρ=880kg/m; CP=0.1856kJ/kg.℃; λ=0.134W/m.K; μ=0.39cP。 管内侧垢阻 R=0.0004m.K/W,管壁热阻及管外侧垢阻可以忽略不计。 加热蒸汽压强与温度 的关系如下: 压强,kgf/cm(绝压) 1.0 2.0 3.0 温度,℃ 99.1 120 133 汽化潜热,kJ/kg 2259 2204 2163 试求: A)以管内表面积为准的总传热系数K1 =? B)套管的有效长度; C)采用上述套管长度,若加热蒸汽压力增至3kgf/cm(绝),问苯的出口温度为 多少度?(K值可以近似认为不变)。 某溶液在新清洗的套管换热器中用冷水进行冷却。溶液的流量为 1000kg/h, 比热为 3.34kJ/kg.℃,从150℃被冷到80℃,溶液向管壁的对流传热系数为1163W/m℃。水在内 管内与环隙的溶液呈逆流流动, 从15℃升到65℃。平均温度下水的比热为4.18kJ/kg.℃, 密度ρ=992.2Kg/m,导热系数λ=0.634W/m.℃,粘度μ=0.653×10Pa.s.内管直 径为φ25×25mm。忽略热损失及管壁热阻。试求: A)以外表面计的总传热系数K; B)换热管使用6个月后,由于生成水垢而影响换热效果,在测得水的流量不变的情况 下, 水的出口温度降至60℃, 求水垢的热阻; C)若仍希望溶液冷却到80℃,将冷却水量提高一倍,问能否达到要求? (设水的物性参数不变) 在单程列管换热器内,用120℃饱和蒸气将流量为8500kg/h的气体从20℃加 热到60℃, 气体在管内以10m/s流动,管子为φ26×1的铜管,蒸气冷凝膜系数为 11630W/m.℃,管壁和污垢热阻可不计,试计算: A)传热内表面积; B)如将气体流量增加一倍,气体出口温度为多少?(气体进口温度和气体物性不变) 气体物性为: CP=1.005kJ/kg.℃, ρ=1.128kg/m , λ=1.754×10W/m.℃, μ=1.91×10Pa.S。 某厂库存有一台列管式换热器,其主要尺寸为:列管规格φ38×3,管长4m,管 数127根。欲利用这台换热器,用水蒸汽加热空气。蒸汽走壳程,空气走管程。空气流 量为6000标准m/h,要求自20℃加热至100℃以上。 已知:空气侧对流传热系数为58W/m.℃; 蒸汽侧对流传热系数为11000W/m.℃; 污垢热阻和管壁热阻可以忽略不计; 标准状况下,空气密度为1.29kg/m,操作条件下的比热取1.01kJ/kg.℃; 蒸汽的有关参数见附表。 A)当采用压力为2kgf/cm(绝对)的加热蒸汽时,试核算此台换热器是否能满足 要求。 B)如果用压力为3kgf/cm(绝对)的加热蒸汽,利用此台换热器,可以将空气自20 ℃加热至多少度?蒸汽消耗量为多少kg/h。忽略热损失. 附表: 饱和水蒸汽表

绝对压力kgf/cm 温度℃ 汽化热kJ/kg 1.0 99.1 2260.45 2.0 119.6 2206.44 3.0 132.9 2169.18 在一FLB-500-65-25-4型列管冷凝器中用饱和水蒸汽预热有机溶剂, 蒸汽在壳程中冷凝为同温度的饱和水。溶剂走管内。已知: 水蒸汽:温度120℃,冷凝潜热r=2236kJ/kg 冷凝传热系数:10000W/m℃。 溶剂: 流量:45t/h,入口温度42℃,出口温度82℃, 平均温度下的比热2.2kJ/kg.℃。 换热器:管子总数120根,管子规格φ25×2.5mm, 材料:钢(导热系数45W/m.C)以管外表面积为基准的传热面积65m, 壳体没保温,壳外表面积12m。 四周环境温度15℃,换热器外壳至周围环境的对流辐射综合传热膜系数 αT =14.5W/m.℃。 A)忽略壳壁热阻,估计蒸汽的冷凝量(kg/h); B)若两侧无污垢,试求管内溶剂的对流传热膜系数; C)若将上述四管程的换热器改为二管程操作(管子总根数不变),并假定溶剂的流量、 入口温度、蒸汽温度、蒸汽的冷凝膜系数均不变,溶剂物性变化可忽略,试求溶剂的 出口温度。(假定二管程时管内流动为湍流状态) 某厂在单壳程双管程列管换热器中,用130℃的饱和水蒸汽将乙醇水溶液从25℃ 加热到80℃,列管换热器由90根φ25×2.5mm,长3m的钢管所构成,乙醇水 溶液处理量为36000kg/h ,并在管内流动。饱和水蒸汽在管间冷凝。已知钢的导热系数为 45W/m.℃,乙醇水溶液在定性温度下的密度为880kg/m,粘度为1.2cP,比热为 4.02 kJ/kg.℃,导热系数为0.42W/m.℃,水蒸汽的冷凝传热系数为10W/m.℃,在操 作条件下,垢层热阻及热损失可忽略不计,试确定: A)此换热器能否完成生产任务? B)当乙醇水溶液处理量增加20%,在溶液进口温度和饱和水蒸汽温度不变情况下, 仍在原换热器中加热乙醇水溶液,则乙醇水溶液的出口温度变为多少(乙醇水溶液的 物性可视为不变)? 有一园形蒸汽管道,外面用导热系数为 λ=0.17W/m.℃的保温材料保温,保温层内表 面温度为t,内半径为r=2.5cm,外半径为r,温度为t, 保温层与管壁接触 良好。管内蒸汽温度为 200℃, 周围环境温度t=20℃,稳定传热。保温层外表面与 空气间的对流传热系数α=3.0W/m.℃,可认为α不受管子外径尺寸及壁温的影 响。忽略蒸汽凝液膜层及管壁的热阻。求: A)保温层的临界厚度; B)在上述厚度下,单位管长所散失的热量; C)如果无保温层,单位管长所散失的热量; D)有了保温层后,热损失是增加了还是降低了?为什么? 在一水平放置的套管冷凝器中,用水把72℃的烃蒸汽冷凝成饱和温度下的液体。换 热器内管的有效传热长度为4m,直径为φ25×2.5mm。冷水在内管内呈湍流流动,温度 从20℃升至35℃。已经测得基于内管外表面积的总传热系数K=600W/m.℃,且知管内

水侧热阻为管外蒸汽侧热阻的2.3倍,试求:

A)内管外表面的平均温度T。 B)若管内冷水流量增加一倍,但蒸汽侧冷凝传热系数、冷水入口温度均保持不变,则冷 水的出口温度为多少度? 假设(1)可忽略管壁热阻、垢层热阻及换热器的热损失;(2)管内冷水流量变化前 后均为湍流。忽略冷水出口温度变化所引起物性的变化。 1000kg温度为100℃的乙二醇, 用一夹套冷却罐冷却, 进入夹套的水温为 15℃,冷却罐传热面积为2m, 传热过程中平均传热系数 K=300W/m.K,经过若干 小时后乙二醇温度降至40℃,水流量为 0.5kg/s,问此时出口水温度为多少?乙二醇从 100℃冷却至40℃所需时间为多少?(水的比热CP= 4.18kJ/kg.K,乙二醇平 均比热CP=2.7kJ/kg.K).忽略热损失. 某一管道,包以保温材料后,热损失反而比裸管时增加,这是因为保温后外表面积增 加了。试求保温管热损失为最大时的条件,即保温层的临界厚度。 有一蒸汽管, 尺寸为φ50×2.5mm, 外包有两层绝热材料,每一层厚度都是 2.5mm,现有两种保温方法,见图Ⅰ和Ⅱ,已知λ=5λ,请定量判断这两种方 法中哪一种方法绝热情况较好(蒸汽管本身的热阻可以忽略不计)。 在换热器中用水冷却醋酸,传热面积为50m,两流体逆流流动。 冷却水流量为 3.3×10Kg/h,进口温度为20℃,醋酸的进口温度为110℃。换热器刚清洗之 后,冷却水的出口温度为45℃,醋酸的出口温度为40℃。运转一段时间之后,在冷热 两流体的进口温度和流量均不变的情况下,换热器的换热量只达到原来的90%。求此时 换热器传热面两侧的污垢热阻之和的近似值。 水的比热为4174J/Kg.K,设两种流体的物性变化不大。 在单程逆流列管式换热器中用水冷却空气,水和空气的进口温度分别为20℃及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℃及40℃,使用一年后,由于污 垢热阻的影响,在冷热流体的流量及进口温度不变的情况下,冷却水出口温度降至38℃。 热损失可以忽略不计。求:A)空气出口温度变为多少? B)总传热系数为原来的多少倍? C)若使冷却水量加大1倍,空气的流量及两流体的进口温度不变,冷热流体的出口 各变为多少?(水的对流传热系数远比空气的大) D)冷却水流量加大后,换热器的传热速率有什么变化? 搅拌槽内有质量为M、比热为CP、最初温度为t的液体。用蛇管内的蒸汽加热。其 进出口温度恒定为T,传热面积为A总传热系数为K设操作过程中总传热系数及液 体比热均可视为恒定值。求: 经加热θ时间后,液体温度t的解析式。 (由于搅拌充 分, 槽内各处流体温度相同) 某厂只能用120℃饱和水蒸汽, 通过φ25×2.5mm,长3m的单管程列管式换热 器,将列管内的17.2[m/h]水溶液从 20℃加热到 75℃,冷凝水于饱和温度下排出。 已 知管侧水溶液α=2500[W/m.℃],壳侧蒸汽α=10000[W/m.℃], 溶液在管内呈 湍流,试问换热器的管数为若干?水溶液密度ρ=1050kg/m,比热为4.17kJ/kg.℃。热损 失及管壁、垢层热阻均可忽略。检修时发现该换热器有三根管子已坏, 拟将坏管堵塞再继 续使用, 试问此方案是否可行?(通过计算或推导说明)。 精馏塔顶装一台卧式列管冷凝器(单壳程四管程),用循环水冷凝壳方80℃的饱和有机 蒸汽。冷凝器由长3m、管径为φ25×2.5mm的80根钢管组成。其热负荷为384 KW。夏天冷却水的进出口温度分别为30℃及43℃。流程如附图所示。已测得冷水流经 换热器的压头损失可表示为Hf =8Um(U为换热管内流速,m/s), 流经上水管 A和回水管B的压头损失分别为3.5 m和2m。试计算泵的轴功率(泵的效率为60%)

又若冬季冷却水的进口温度为15℃,而其流量不变。试计算冬季时冷凝器的热负荷。 假定:(1)在两种情况下,换热器总传热系数及管路摩擦系数均相同。 (2)水的比热为4.18kJ/kg.℃,密度为1000kg/m。 在一垂直放置的套管换热器内(内管直径为φ38×3mm,换热管有效长度为3m),? 用冷水来冷凝环隙间90℃的有机蒸汽。夏天操作时冷水的入口温度为28℃、出口温度 为48℃。冬季操作时冷水的温度降至15℃,其流率仍和夏天时的相同。试计算冬天时 蒸汽的冷凝量将比夏天时的增大百分之几?假定两种情况下物料所有的物性常数和总传热 系数均相同,并忽略热损失。 若将换热器改为水平放置,其它条件均不变,试定性判断蒸汽冷凝量将如何变化? 在一列管换热器内,用110℃的饱和水蒸汽加热管内湍流流动(Re>10)的空 气,空气温度从30℃升至45℃。若将空气流量增加一倍,试求此时空气的出口温度, 并求加热蒸汽用量需增加为原来的几倍。计算时可忽略热损失、壁阻、垢阻、冷凝蒸汽侧 热阻,且可忽略因空气出口温度变化所引起的物性变化。 在单管程列管式换热器内,用130℃的饱和水蒸汽将某溶液由20℃加热到60℃,单 管程列管换热器由100根φ25×2.5mm、长3m的钢管构成,溶液以每小时100 m的流量在管内流过,蒸汽在管外冷凝。 已知在操作条件下溶液的密度为1200kg/m,粘度为0.955cP,比热为3.3kJ/kg.℃, 导 热系数为0.465W/m.℃,管壁热阻、垢层热阻和热损失均可忽略不计。 试求: A)传热系数为多少(以外表面积为基准进行计算)? B)溶液和蒸汽冷凝给热系数各为多少? C)若溶液的质量流量增加到W' ,W' /W=E,E>1(W为溶液原来的质量 流量),在其它条件不变的情况下,请通过推导说明此换热器有否满足要求(蒸汽冷凝给 热系数可视为与B)计算值相同)? 在某套管换热器中, 冷、热流体并联操作。试导出冷流体温度t随管长l的变化关系。 设为稳定操作,热损失不计,热、冷流体的质量流量、比热及传热系数均为恒值。 现拟做传热实验,以饱和水蒸汽加热空气,冷凝水在饱和蒸汽温度下排除。采用套管 换热器,试问: (1)如何确定流程、流向____________________________________________; (2)写出以α表示的传热速率方程____________________________________; (3)若要测定K值,应测定哪些参数__________________________________; (4)测得K值后,如何定性考查K值对否?____________________________________ ____________________________________; (5)现要提高K值,应该采取什么措施最方便?为什么? ______________________________________________________________。 有一套管换热器,如下图所示,传热管为紫铜管,管内走冷流体,管外走热流体,此 装置原来用于测量传热管内壁面与冷流体的对流传热系数α。试问: A)为使此装置也能测定热流体向传热管外壁面的对流传热系数α,该怎么办? B)测定α,需测取哪些数据?为什么? 现场有一列管式加热器,管程有φd×δmm钢管n根,每根长l米,内通水。壳程 为压力等于Pa(绝)的饱和水蒸汽冷凝。今欲实测此换热器传热系数K,试问: A)需要测取哪些数据?并在图上标出主要测试点及所用仪表。 B)根据测得的数据列出计算K值的有关公式及计算方法。 在传热实验中,试分析说明饱和水蒸汽与管壁间的对流换热系数(α)如何确定的? 并指出相应测试的基本参量有哪些?