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?(0.089?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?Wccpc?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=38.64℃，所以
T?twt?t?w11do?o?idi（2分）
将T=110℃，t=38.64℃，αo=1.1×104W/(m2.℃)，αi=1000W/(m2.℃)，di=20mm，do=25mm代入上式：
110?twtw?38.641?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?eWccpcT?
2'变换为：
K'?Wccpcln(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） （
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