青岛科技大学化工原理历年考研真题及答案解析之传热

概念：

1、传热的三种基本方式

2、如何测定及如何提高对流传热的总传热系数K 4、如何强化传热 计算公式

（1）热量衡算（有相变、无相变）K的计算、平均温度差、总传热速率方程、传热面积的计算（判别是否合用）（例4－8） （2）流体在圆形管内作强制湍流流动时α计算式（公式、条件），粘度μ对α的影响。 （3）实验测K (例4－9)

（4）换热器操作型问题（求流体出口温度，例4－10） 二 实验题（10）

1．利用过热蒸汽进行传热实验的过程中，若运行一段时间后，传热膜系数下降，可能的原因是什么？如何解决？ 2. 蒸汽冷凝传热时，为什么要排放不凝性气体？内管壁温接近于哪一侧流体的温度？ 3. 为了提高换热器的总传热系数K，应提高空气侧，还是水侧的和S？为什么？ 换热器中冷热流体的流动方向有几种，当选择流向时应如何考虑？

4．阐述液体沸腾曲线的基本形状，一般沸腾应处于什么状态才能达到较好的换热效果？ 1、（4分）换热器中冷热流体的流动方向有：逆流，并流，折流和错流。 （1分）

当采用逆流时，在传热量和总换热系数一定的情况下，换热器的传热面积较小，另外，采用逆流还可以节省加热介质或冷却介质的用量。通

常，换热器尽可能采用逆流操作。 （1分）

当某些特殊工艺要求时，对流体的温度有所，如冷流体被加热时不能超过某一温度，或热流体被冷却时不能低于某一温度时，可采用并

流。 （1分）

采用折流或错流时，主要是为了满足换热器的结构要求，或提高总传热系数。 （1分）

2、（6分）液体沸腾曲线主要包括自然对流、泡状沸腾和膜状沸腾。 （3分）

一般沸腾应处于泡状沸腾状态才能达到较好的效果，此时传热系数和热通量都较大。（3分） 5．灰体的定义及特点 6、设计一套实验装置要求既可以测量总传热系数，又可同时测量对流传热系数，标注仪表、仪器名称。并简要说明试验步骤，需要测量那些参数。？ 三 计算题 （60分）

oo

3 （20分）在一列管式换热器内用水冷却苯。苯走管程，流量为1.5kg/s，由80C 被冷却至30C。冷却水在壳程内呈湍流流动，且与苯逆流流动，

oo22

其进口温度为20C，出口温度为50C。已估算出苯侧和水侧的对流传热系数分别为900W/(mK)、1700W/(mK)；苯的平均比热为1.9kJ/(kg.K)。若

2

列管为φ25×2.5mm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）所需换热器的列管数为多少？

（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，换热器的列管数又为多少？

2. 解：QKStmKnd0Ltm (3分)

其中，

QWhCph(T1T2)=1.51.9103（80-30）=142.5（kW） (2分)

=

K11d0bd01ididm01=490.5[W/(m2K)] (3分)

3252.510251900204522.51700 tmt1t23010==18.2(C) (3分)

30t1lnln10t2Q142.5103 故 n67.7（根） (2分)

Kd0Ltm3.14490.525103318.2（2）若其它条件不变，冷却水的流量变为原来的两倍，则

'20.817002959.87 W/(mK) (2分)

2

0同理可得，K'11bd01'idm0=559.1 [W/(m.K)] (3分)

2

则 n'Q59.4（根） (2分)

K'd0Ltm2、（20分）用一传热面积为3m2（以外表面积为准），由252.5mm管子组成的单程列管式换热器，用初温为10℃的水将机油由200℃冷却至100℃，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1000kg/h和1200kg/h，其比热容分别为4.18kJ/(kgK)和2.0kJ/(kgK)，水侧和油侧的对流表面传热系数分别为2000W/(m2K)和250W/(m2K)，两侧可视为呈逆流流动，如不计算管壁

及污垢热阻：

（1） 试计算说明该换热器是否合用？ （2） 夏天，水的初温达到30℃时，该换热器是否合用？（假设K不改变），如不合用，如何解决？ 四。计算题：.（20分） 解： （1）

QWhCphTWCCpctK0A0tm

1000100010004.18(t210)36003600 [W]

12002.0(200100) ∴

t267.4℃ （3分）

132.690111.3℃

2 200 → 100

67.4 ← 10 tm 132.6 90

K011216.21W/m2K （3分）

112511d02502000200idi2.0(200100)1000216.21111.3A

3600∴1200 A= 2.77 m2 ＜ 题给3 m2 , 合用. （3分） (2) 水初温30℃

Q12002.0(200-100)

1000100010004.18(t230)36003600

t287.4℃

112.67091.3℃ （4）

21000216.2191.3A （3分）

3600 200 → 100

87.4 ← 30 tm 112.6 70

12002.0(200100)2

A=3.37 m＞

4.

3 m2 不合用. 可增加换热面积,两台串联使用. （4分）

（15分）某车间有一台运转中的单程列管换热器，热空气走管程，由120C降至80C，其对流传热系数1=50 W/m2C。壳程的水被加热，水进口温度为15C，出口升至90C，其对流传热系数2= 2000W/m2C。管壁热阻、壁厚及污垢热阻可不计，换热器系逆流操作，水的流量为2700kg/h，平均比热为4.18kJ/kgK，试计算换热器的传热面积。

解：（1）K111tm111150200048.8W/m2C

2t1t2(8015)(12090)45.3C

t18015lnln12090t2

QW水Cp水(9015)27004.18100075/36002.3510W5Q2.35105A106.4m2 （10分）

Ktm48.845.3六．（20分）逆流换热器中，用初温为20℃的水将1.25Kg/s的液体（比热为1.9KJ/(Kg·℃),密度为850 Kg/ m），由80℃冷却

2

到30℃，换热器列管直径为φ25×2.5 mm，水走管内。水侧和液体侧的对流传热系数分别为0.85和1.70 kw/(m·℃)，污垢热阻可忽略。

①若水的出口温度不能高于50℃，求换热器的传热面积；②换热器使用一段时间后，管壁两侧均有污垢生成，水侧污垢

22

热阻Rsi=0.00026 m·℃/w，油侧污垢热阻Rs0=0.000176 m·℃/w，求此时基于管外表面的总传热系数K0。③产生污垢后热阻增加的百分数

注：管壁导热系数为λ=45 w/(m·℃)

3

QWhCph(T1T2)1.251.9(8030)119kW （3分） K0101bd01d0dmdii12472W/mC （3分）

0.002525251117004522.585020tm(T2t1)(T1t2)(8050)(3020)18.2C （3分）

T2t18050lnln3020T1t2Q119103S013.9m2 （3分）

K0tm47218.22．

K0

011d0bd01d0Rs0dmRsddiiii1381.53W/m2C （5分）

1170025252510.0001760.00254522.5850200.00026203． 产生污垢后热阻增加百分数为：

250.0001760.00026205.0110423.63% （3分）

0.00252525110.0021217004522.585020（20分）现有一列管式换热器，内有φ25×2.5 mm钢管300根，管的有效长度为2m，要求将8000Kg/h空气于管程内由20℃加

42

热到85℃，采用108℃的饱和蒸汽于壳程冷凝加热，冷凝热在饱和温度下排出，蒸汽冷凝传热系数1×10 w/(m·℃)，空

2

气对流传热系数为90 w/(m·℃)，管壁及两侧污垢热阻可忽略，不计热损失，空气在平均温度下比热为1KJ/(Kg·℃)。 1． 求基于管外表面的总传热系数K0 2. 核算该换热器是否满足要求。

2． 用一段时间后管内产生了污垢，使空气出口温度变为50℃，求此时管内污垢热阻。

1．

111d1125200.014mCW K00idi11049020K0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'Rsi K019.66W/m2C （1分） ''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。冷却水在壳程内呈湍流

oo2

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的对流传热系数分别为850W/(mK)、

22

1700W/(mK)；苯的平均比热为1.9kJ/(kg.K)。若列管为φ25×2.5mm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t2Q142.5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φ×4.5mm钢管组成。甲醇在管内流动，流量为5000kg/h，由60℃冷却到30℃，

2

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，

2

且已知甲醇平均比热为2.6kJ/kg·℃，定性温度下水的黏度为0.84cp，导热系数为0.61W/m·℃，比热为4.174kJ/kg·℃，密

3

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(0.0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o0.023deRe0.8(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3279.71512500idi3．60 30 35 20 25 10

tmt1t2251016.4C （3分）

t125lnln10t2QKStmKd0ltm

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

dbd11ooKididmo

其中

di(0.0250.00252)0.02m

do0.025m

d.0250.02m0ln0.0250.0050.2230.0224m

0.02冷却水流速为0.4m/s时

10.0250.00251200020.025450.02241

i0.o8.331041.250.6201041

io7.711041.251 io流速为0.8m/s时 u2u

i20.8i1.74i

10.0250.00250.025117001.74i0.02450.0224o5.881040.7180.6201041

io5.261040.7181 i o1）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 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1.2512907

o7.711044.301041

o （1）（5分）2）（5分）

3分）

（（ （（o122933W/mK4(7.714.30)10 （3分）

（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，流量为6kg/s，进口温度为10℃。现已估算

222

出苯冷凝、冷却时的对流传热系数分别为1600W/(m·K)和850 W/(m·K)；水的对流传热系数为2500W/(m·K)。忽略管壁

33

两侧污垢热阻和管壁热阻。已知水和苯（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℃

3

的冷凝潜热为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Wct2t1KStm （2分）

因tmTt1Tt2Tt1lnTt2t2t1Tt1lnTt2

所以

将T=110℃，t1=25℃及上述条件代入得：

110250.387e

110t2解出：t2=52.28℃。 （2分）

（2）（6分）忽略管壁热阻，所以管壁内外温度可认为相同。整个传热过程为管壁内外侧对流传热的串联：

QiSitwtoSoTtw（2分）

其中的t为水的平均温度t=(t1+t2)/2=(25+52.28)/2=38.℃，所以

Ttwttw11dooidi（2分）

将T=110℃，t=38.℃，αo=1.1×104W/(m2.℃)，αi=1000W/(m2.℃)，di=20mm，do=25mm代入上式：

110twtw38.1125 1.1104100020解得：tw=105.16℃，接近管外侧蒸汽的温度。（2分）

（3）（6分）此时的冷水出口温度为t2’=t2-5=52.28-5=47.28℃，依照第一问的同样步骤得到：

TtK'S1teWcT

2'变换为：

K'Wcln(Tt1STt) （2分）

2'将WCCpc=14513.9W/℃、S=7.536m2、T=110℃、t1=25℃、t2’=47.28℃代入上式得：

K’=585.43 W/(m2.℃) （2分） 又因为水侧出现污垢，将影响总传热系数：

K'11d

obdo1idiSidio所以

11do111bK'251idio1d585.431000201.11045.88105m o125Sidi0.220

2分） （