華東理工大學(xué) 化工原理 白皮書答案 換熱器的操作型計(jì)算[高教課堂]

1、傳熱操作型計(jì)算 1、操作型計(jì)算的命題 設(shè)備（換熱器類型、傳熱面積等）已定，操作條件操作結(jié)果 第I類問題：進(jìn)口條件出口條件 已知：A、qm1、T1、qm2、t1、K 求：T2、t2 第II類問題：一種流體的條件另一種流體的結(jié)果,已知：A、qm1、T1、T2、t1、K求qm2、t2 或A、qm2、t1、t2、T1、K求qm1、T2 操作型計(jì)算特點(diǎn)：結(jié)果的唯一性。,2、計(jì)算公式和方法 公式與設(shè)計(jì)型同：Q=qm1Cp1(T1-T2) =qm2Cp2(t2-t1) Q=KAtm 方法：以無相變逆流為例： 熱量衡算： （1）,速率方程(逆流)： Q=qm2Cp2(t2-t1)=KA = KA = KA,(

2、2),對(duì)第I類操作型問題： 直接聯(lián)立（1）,（2） 方程，求解T2，t2。,對(duì)第II類操作型問題： 未知，且K=f(qm)，又 方程為復(fù)雜非線性方程，只能迭代試差，求方程近似解。,典型問題： 第I類問題：已知一種工況qm1、T1、T2、 qm2、t1、t2、K（1，2）、A 新工況qm AT1(t1) 求:t2,T2,第II類問題：原工況：qm1、T1、T2、 qm2、t1、t2、K（1，2）、A,新工況：t1維持qm1、T1、T2不變，采用調(diào)節(jié)qm2 求：qm2，t2。,例：A=25m2列管換熱器 原工況：qm2=2kg/s，T1=100C，T2=50C，t1=20C，t2=40C，1=50

3、0W/m2C 新工況：qm1，T1， t1不變，而qm2=1.2kg/s，n=0.8n。 求：T2=? t2=? 解：原工況：Q=qm2Cp2(t2-t1) =24.18103（40-20）=1.672105W,=43.3C,忽略管壁熱阻 =4.47110-3 水=223.65W/m2C 新工況：t1，T1，qm1不變，水，A 改變,水=0.794223.65=177.58W/m2C K=131.04W/m2C,=1.299,聯(lián)立 t2=45.22C T2=62.17C,操作型問題： l 逆流： l 并流：,l 若熱流體為蒸汽冷凝，則 Wr=qm2Cp2(t2-t1),例：已知：內(nèi)管192mm

4、， T1=90C，T2=50C，,t1=20C，t2=60C。 管內(nèi)1=100 W/m2C， 管隙2=5000W/m2C，,qm2=20kg/h，cp2=1kJ/kgC。 求：（1）換熱器長(zhǎng)度L=? （2）將內(nèi)管換成252.5mm，管隙不變，則t2=？,解：（1） tm=t1=t2=30C Q=qm2Cp2(t2-t1) = K=77.72 W/m2C A=d2L=,(2)1=1 W/m2C K=46.55 W/m2C A=d2L=3.140.0251.6=0.13m2 不變,qm2Cp2(t2-t1)=KA(T1-t2),t2=56.5C,3、傳熱過程的調(diào)節(jié) Q=KAtmK傳熱系數(shù)； A 傳

5、熱面積； tm平均推動(dòng)力 （1）可供調(diào)節(jié)的因素 K=f(設(shè)備結(jié)構(gòu)，qm1 ，qm2) 其中，T2，t2為生產(chǎn)結(jié)果。 可供調(diào)節(jié)的因素有：,設(shè)備結(jié)構(gòu)、流向（不常用） qm1，qm2 T1，t1（不常用）,（）調(diào)節(jié)結(jié)果 流量調(diào)節(jié)的結(jié)果,原工況如圖 新工況qm1，T1，t1設(shè)備結(jié)構(gòu)不變，使qm2 則T2t2tm KQ,設(shè)T2T2,則由熱量衡算（操作線），tm 又qm22結(jié)構(gòu)不變K 由速率方程，Q=KAtmQ 而與Q=qm1Cp1(T1-T2) Q矛盾 T2T2 再設(shè)t2t2 由熱量衡算： Q=qm2Cp2(t2-t1) ，tm 又qm22且,0n0.8,由速率方程,與 矛盾， t2t2,qm2 則T2

6、t2tm不確定 KQ qm2 若，K,KK,tm 若21，K2, qm22 K明顯，,可能有 ，則tm的情況。 但盡管tm可能略有下降，由于K更明顯上升（或熱阻下降更明顯）使Q傳熱速率上升,調(diào)節(jié)的極限：,（）原工況T2-t1很小，tmT2-t1，qm2t,但T受平衡影響幾乎不變，Q Q,(2)原工況， 極大如圖示， t1t2， qm2,若K, t ，T，Q幾乎不變，,Q T2tm矛盾,若K2,則 Ktm將，T2亦可能有所下降，Q 結(jié)論： （1）增加流體流量，熱流量Q必有不同程度的增加，但其增加幅度必小于流量增加幅度。即 （2）由 可知,當(dāng)增加小的一側(cè)流體流量，K明顯增加，即熱阻明顯降低，盡管推

7、動(dòng)力tm可能下降，但傳熱速率將上升。,當(dāng)增加大的一側(cè)流體流量，K近似不變，而推動(dòng)力tm必上升，傳熱速率Q也上升。 （3） 當(dāng)某側(cè)進(jìn)出口溫度相近時(shí)，增加該側(cè)流體流量，熱流量不再明顯增加。（該側(cè)又較大）當(dāng)某側(cè)流體出口溫度與另一側(cè)流體溫度相近時(shí)（T2t1,t2T1或T2t2），受平衡約束，傳熱速率不會(huì)隨該側(cè)流體流量增加而上升。,*進(jìn)口溫度的影響,原工況如圖，現(xiàn)T1其它條件不變，則T2 t2 tmKQ,qm1, qm2不變KK，又 不變 T1Q Q=qm2Cp2(t2-t1) t2,Q=KAtm tm 顯然只有T2才能使 tm T2，t2 ，tm，K不變，Q 。,*進(jìn)口溫度的影響,原工況如圖，現(xiàn)T1其

8、它條件不變，則T2 t2 tmKQ,qm1, qm2不變KK，又 不變 T1Q Q=qm2Cp2(t2-t1) t2,Q=KAtm tm 顯然只有T2才能使 tm T2，t2 ，tm，K不變，Q 。,結(jié)論： 增加熱流體進(jìn)口溫度（或降低冷流體進(jìn)口溫度）都使傳熱推動(dòng)力上升，傳熱速率Q上升，流體出口溫度上升（或下降）,例：原為單管程，T=130C(167kPa表) ，,t1=80C，t2=100C，管內(nèi)流動(dòng)為湍流，為提高t2 改為雙管程，t2=?,不改雙管程，要達(dá)到同樣t2，提高T至多少？ 解：改雙管程，流速加倍，,K液u0.8,蒸汽有機(jī)液，,得t2=109.5C 仍為單管程，K不變 T=153.6

9、C 相當(dāng)于426kPa（表）,例：一逆流套管換熱器，熱空氣走管內(nèi)，冷水走環(huán)隙，熱空氣一側(cè)為傳熱阻力控制步驟，冷熱流體進(jìn)出口溫度為t 1=30C，t2=45C ，T1=110C，T2=80C。 求：當(dāng)熱空氣流量qm1加倍時(shí)，T2=？t2=？ 解：qm1Cp1(T1-T2)=qm2Cp2(t2-t1) , 新工況：qm1=2 qm1,因tm=T1-t2=T2-t1 Q=qm2Cp2(t2-t1)=KA (T1-t2) t2-t1= t2-30= t2=55.1C T2=T1- =84.9C,非定態(tài)傳熱 已知：G(kg)，qm(kg/s)，Cp，t初，t終，T，K，A 假定管道及換熱器的滯留油量可忽略不計(jì)，槽內(nèi)油品溫度均勻， 求：,解：取d時(shí)段進(jìn)行熱量衡算：換熱器傳熱量等于槽內(nèi)油品升溫所需熱量,練習(xí)：,1、原工況如圖，現(xiàn)開大蒸汽閥,p T tm Qt2 K,2、