化工原理傳熱習(xí)題課

1、 習(xí)題課習(xí)題課 t1 T1 T2 t2 單管程、 單殼程 操操作作型型設(shè)設(shè)計計型型習(xí)題課習(xí)題課(1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A例例1 在套管式油冷卻器里，熱油在在套管式油冷卻器里，熱油在 25 2.5mm 的金屬管內(nèi)流動，的金屬管內(nèi)流動，冷卻水在套管環(huán)隙內(nèi)流動，油和水的質(zhì)量流量皆為冷卻水在套管環(huán)隙內(nèi)流動，油和水的質(zhì)量流量皆為 216kg/h，油，油的進(jìn)、出口溫度分別為的進(jìn)、出口溫度分別為 150和和 80，水的進(jìn)口溫度為，水的進(jìn)口溫度為 20。油側(cè)對流傳熱系數(shù)為油側(cè)對流傳熱系數(shù)為 1.5KmkW

2、 2，水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為，水側(cè)的對流傳熱系數(shù)為3.5KmkW 2， 油的比熱為， 油的比熱為 2.0KkgkJ ， 試分別計算逆流和， 試分別計算逆流和并流操作所需要的管長。忽略污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻。并流操作所需要的管長。忽略污垢熱阻及管壁導(dǎo)熱熱阻。 -設(shè)計型問題舉例 習(xí)題課習(xí)題課 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 22.0 150804.18720t253.4tC212176.9lnmtttCtt，逆122162.0150

3、808.43600h hQ Wc TTkJ s解：解：12121110.02511.5 0.023.5AdKhAhhdh外外內(nèi)內(nèi)KmkWK 2894. 0逆逆逆逆外外mtLdKQ mL56. 1 逆逆逆流時：逆流時：(以外表面為基準(zhǔn)以外表面為基準(zhǔn)) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 253.4tC212165.1lnmtttCtt，并mtdKQLm83. 1 并并外外并并 并流時：并流時：、2 2、K K skJQ4 . 8 Km

4、kWK 2894. 0(以外表面為基準(zhǔn)以外表面為基準(zhǔn)) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K mL56. 1 逆逆 T1 T2 t2 t1 0 A 并并逆逆,mmtt 1.83Lm并mL56. 1 逆逆-操作型問題舉例 【例【例2】有一臺現(xiàn)成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨】有一臺現(xiàn)成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質(zhì)量流量冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質(zhì)量流量950kg/h，冷凝，冷凝溫度為溫度為40，冷凝傳熱系數(shù)

5、，冷凝傳熱系數(shù)h1=7000KW/m2K。冷卻水走。冷卻水走管內(nèi)，其進(jìn)、出口溫度分別為管內(nèi)，其進(jìn)、出口溫度分別為32和和36，污垢及管壁，污垢及管壁熱阻取為熱阻取為0.0009 m2K/W（以外表面計）。試校核該換熱（以外表面計）。試校核該換熱器傳熱面積是否夠用。器傳熱面積是否夠用。 列管式換熱器基本尺寸如下：列管式換熱器基本尺寸如下： 換熱管規(guī)格換熱管規(guī)格 25 2.5mm 管長管長 l=4m 管程數(shù)管程數(shù) m=4 總管數(shù)總管數(shù) N=272根根 外殼直徑外殼直徑 D=700mm附：氨冷凝潛熱附：氨冷凝潛熱 r=1099kJ/kg34下水的物性：下水的物性：32994mkg 24.174ckJ

6、 kg KsPa 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 實實需需、比較比較AA24 .852724025. 0mNldA 外外實實19501099290.03600QW rkW21221Q WrWc tt217.37/Wkg s21211221ln5.77lnmtttttttCTtTt，逆mtKQA 需需解：解：(外表面積外表面積)222221417.371272

7、9940.02440.818/WuNdmm s內(nèi)452102 .21916102 .7402. 0818. 0994Re 4 . 08 . 0PrRe023. 0 Nu0.80.422220.023RePrhd內(nèi))160Pr7 . 0(2 KmW 24 . 08 . 05 .404397. 42 .2191602. 06236. 0023. 032994mkg 24.174ckJ kg KsPa 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4

8、m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 2221211110.02510.00094043.5 0.027000AdRsRsKh Ahh dh外外內(nèi)內(nèi)mtKQA 需需230 .6877. 56 .739100 .290m 24 .85 mA 實實實實需需AA 換熱面積夠用KmWK 26 .739(以外表面為基準(zhǔn)以外表面為基準(zhǔn)) 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 【例【例7-5】(P) 在一逆

9、流換熱器中將熱氣體從在一逆流換熱器中將熱氣體從150冷卻冷卻至至60，氣體流經(jīng)管內(nèi)，冷卻劑為水，溫度從，氣體流經(jīng)管內(nèi)，冷卻劑為水，溫度從15升升至至35，氣側(cè)給熱系數(shù)為，氣側(cè)給熱系數(shù)為50W /(m2)，水側(cè)給熱系數(shù)，水側(cè)給熱系數(shù)為為5000W /(m2), 現(xiàn)工廠擴(kuò)大生產(chǎn)能力，氣體的流量現(xiàn)工廠擴(kuò)大生產(chǎn)能力，氣體的流量增加增加25%，冷卻水的進(jìn)口溫度不變，冷卻水的進(jìn)口溫度不變，忽略管壁和污垢忽略管壁和污垢熱阻，試求：熱阻，試求： 冷卻水的流量不變，氣體的出口溫度和冷卻水冷卻水的流量不變，氣體的出口溫度和冷卻水的出口溫度；的出口溫度； 氣體流量增加后，擬通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量以氣體流量增加后，擬通

10、過調(diào)節(jié)冷卻水的流量以使氣體出口溫度保持在使氣體出口溫度保持在60不變，調(diào)節(jié)后水的流量不變，調(diào)節(jié)后水的流量和冷卻水的出口溫度。和冷卻水的出口溫度。 解：解： 氣體流量增加前，根據(jù)傳熱基本方程：氣體流量增加前，根據(jù)傳熱基本方程： (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt 122111121221PTtTtWCTTKATtLnTt12212111121PTtKAttlnTtWCTT熱量衡算和傳熱速率 t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 習(xí)題課習(xí)題課-操作型分析操作型分析例例3：無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中進(jìn)行換：無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中進(jìn)行換

11、熱，今若熱，今若熱流體的質(zhì)量流量增大熱流體的質(zhì)量流量增大，而其它操作參數(shù)不，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析變，試定性分析K、Q、t2、T2、 tm的變化趨勢的變化趨勢K：0.811110.023RePrnhd內(nèi)0.811huKQ：排除法假假設(shè)設(shè) Q 不不變變，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3 得不不變變2t， mt出現(xiàn)矛盾的結(jié)果，故假設(shè)不成立 W1h2不變 T1 t2 T2 t1 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 21(3)c cQW c tt假設(shè)假設(shè) Q 變小，變小，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3

12、 得 2t， mt故假設(shè)不成立 Qt2：由式 3 知 2t T1 T2 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 排除法假假設(shè)設(shè) T2不不變變，T2： T1 T2 0 A 假設(shè)假設(shè) T2變小，變小， 2T2t mt2t mt:mt 無法判斷 T1 T2 t2 t1 0 A T1 T2 t1 t2 0 A 逆流并流1122,mWhKQtTt 不定 快速分析：快速分析： t1 T1 T2？ t2？ 套管式 K 不變 Q 2Tt2：K：Q：T2：mt 12h

13、、h 不變排除法 mt T1 T2 0 A 2t練習(xí)練習(xí)1 無相變的冷、熱無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中流體在套管式換熱器中進(jìn)行換熱，今若進(jìn)行換熱，今若冷流體冷流體的進(jìn)口溫度的進(jìn)口溫度t1下降下降，而，而其它操作參數(shù)不變，試其它操作參數(shù)不變，試定性分析定性分析K、Q、t2、T2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。K：不變。 Q蒸汽溫度 T 2t mt練習(xí)練習(xí)2：在一列管式換熱器中用飽和水蒸汽預(yù)熱某有機(jī)溶液（無相在一列管式換熱器中用飽和水蒸汽預(yù)熱某有機(jī)溶液（無相變），蒸汽走殼程，變），蒸汽走殼程，今若蒸汽壓力變大今若蒸汽壓力變大，而其它操作參數(shù)，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析不變，試定性分析K、

14、Q、t2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。 t1T2 T1 t2 雙管程列管式練習(xí)練習(xí)3：無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，今若將單管程變成雙管程今若將單管程變成雙管程，而其它操作參數(shù)不變，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析試定性分析K、Q、T2、t2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。 t1T2 T1 t2 雙管程列管式10.811,An hnnhKKAmttTQK,22練習(xí)練習(xí)4：無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進(jìn)行換熱，因長期使用，部分管子內(nèi)壁集結(jié)大量污垢而無法正因長期使用，部分管子內(nèi)壁集結(jié)大量污垢

15、而無法正常傳熱，現(xiàn)常傳熱，現(xiàn)將這些管子堵死將這些管子堵死，而其它操作參數(shù)不變，而其它操作參數(shù)不變，試定性分析試定性分析K、Q、T2、t2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。1、有一列管換熱器由、有一列管換熱器由 252.5mm的的120 根鋼管根鋼管組成。組成。110的飽和水蒸氣在殼方冷凝以加熱在管內(nèi)的飽和水蒸氣在殼方冷凝以加熱在管內(nèi)作湍流流動的某液體，且冷凝水在飽和溫度下排出。作湍流流動的某液體，且冷凝水在飽和溫度下排出。已知液體平均比熱為已知液體平均比熱為4.187 kJ/kg，由，由15加熱到加熱到90。管內(nèi)對流傳熱系數(shù)為。管內(nèi)對流傳熱系數(shù)為hi=800W/m2，蒸氣冷，蒸氣冷凝的對流傳熱系

16、數(shù)凝的對流傳熱系數(shù)ho=1.1104W/m2，忽略污垢，忽略污垢熱阻、壁阻和熱損失，每小時收集冷凝水熱阻、壁阻和熱損失，每小時收集冷凝水2100kg，在飽和溫度下蒸氣冷凝潛熱在飽和溫度下蒸氣冷凝潛熱r=2232kJ/kg，試求，試求（1）每小時可處理的液體量；）每小時可處理的液體量；（2）管程單程時的列管有效長度；）管程單程時的列管有效長度；（3）其它條件均保持不變，將）其它條件均保持不變，將120根鋼管改為兩根鋼管改為兩管程，列管有效長度為多少。管程，列管有效長度為多少。210022321302kw3600Qw r凝Q1302c tW4.146kg/sc t4.18790 15Qw40111

17、11251.1 1080020ooiidKd2604.81w/m .koK 解：（解：（1）（2）110110159090 1548.1395ln20mtC321302 1044.73604.81 48.1344.734.755120 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d0.840.80111112521.1 10800 220ooiidKd21011.81w/m .koK 321302 1026.641011.81 48.1326.641.412240 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d（3） 兩管程，列管有效長度兩管程，列管有效長度 三、（三、（30）某生

18、產(chǎn)過程，需將）某生產(chǎn)過程，需將2400kg/h的空氣從的空氣從20加熱到加熱到80，空氣的平均比熱容為，空氣的平均比熱容為1.0kJ/（kg. ），），平均密度為平均密度為1.1kg/m3。120的飽和蒸汽在殼層加熱。的飽和蒸汽在殼層加熱?？諝庠诠軆?nèi)作強(qiáng)制湍流流動，空氣在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流流動，Re104。采用的單管程。采用的單管程列管式換熱器尺寸如下：列管式換熱器尺寸如下： 25mm2.5mm，管長為，管長為3m，管子數(shù)為管子數(shù)為100根。試求：根。試求：(1)上述換熱器的總傳熱系數(shù)為多少？上述換熱器的總傳熱系數(shù)為多少？(2)現(xiàn)倉庫里有一臺現(xiàn)倉庫里有一臺 19mm2mm，管長為，管長為3m，管，

19、管子數(shù)為子數(shù)為100根的單管程列管式換熱器，試核算該換熱根的單管程列管式換熱器，試核算該換熱器是否能代替上述換熱器？器是否能代替上述換熱器？(3)若用該換熱器代替上述換熱器，空氣的出口溫度若用該換熱器代替上述換熱器，空氣的出口溫度為多少？為多少？注：計算可忽略管壁及污垢熱阻；溫度對物性影響可忽注：計算可忽略管壁及污垢熱阻；溫度對物性影響可忽略；略；h蒸汽蒸汽h空氣空氣，可以作必要的合理簡化假設(shè)。，可以作必要的合理簡化假設(shè)。W40000101)2080(360024003QCtm48.6540100ln401002m56.233025. 014. 3100ldnAoo)K.m/(W92.2548

20、.6556.23400002motAQK解：1、 加熱蒸汽加熱蒸汽 120 120空氣空氣 20 80換熱面積為換熱面積為 總傳熱系數(shù)為總傳熱系數(shù)為 2、飽和蒸汽加熱空氣時，、飽和蒸汽加熱空氣時，ihK 。流量不變，所以。流量不變，所以2dduu4 . 08 . 0023. 0kcdudkhpi68. 115208 . 18 . 12 . 08 . 022 . 08 . 0dddddddduuhhKK 而而 所以所以 mmmmmmtttttKAtAKQQ277. 1251968. 1)(12ttcWQpi)(12ttcWQpi又又 208020)40/100ln(/ )2080()120/(1

21、00ln/ )20(277. 1277. 12121222tttttttttQQmm1120100ln40100ln277. 12t解得：解得：CCt800 .892 因此，倉庫里的單管程列管式換因此，倉庫里的單管程列管式換熱器能代替原有的換熱器。熱器能代替原有的換熱器。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 習(xí)題課習(xí)題課-換熱器的組合操作計算換熱器的組合操作計算【例【例4】如圖所示，兩個完全相同的單管程列管式換熱器，內(nèi)各】如圖所示，兩個完全相同的單管程列管式換熱器，內(nèi)各有有180根根 19 1.5mm的管子，每根長的管子

22、，每根長3米，管內(nèi)走流量為米，管內(nèi)走流量為2000 kg/h的冷流體，與熱流體分別進(jìn)行單程逆、并流換熱，其進(jìn)口的冷流體，與熱流體分別進(jìn)行單程逆、并流換熱，其進(jìn)口溫度為溫度為30。已知。已知(W2C2) / (W1C1) = 0.5 （下標(biāo)（下標(biāo)2代表冷流體，代表冷流體，下標(biāo)下標(biāo)1代表熱流體）。冷流體的代表熱流體）。冷流體的C2=1.05kJ/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體的進(jìn)口溫度為，熱流體的進(jìn)口溫度為T1=150，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體的出口溫度的出口溫度T2。T2 2T 對第一個

23、換熱器（逆流），有：對第一個換熱器（逆流），有：解解:180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 442222522244 2000 3600Re1.229 10101802 100.016u dWNd 252221050 2 10Pr0.7270.70.0289pck 0.

24、80.4222220.023RePrkhdKmW 235.68121122111mbRsRsKAh AkAh A)(35.682以內(nèi)表面計以內(nèi)表面計KmW 2()Kh以內(nèi)表面計 122112212121 12 221122112212121 12 22111ln11lnTtTtTTttKATtWcWcTtTtTtTtTtKATtWcWcTt對第一個換熱器，有：對第一個換熱器，有： 12211 1122 22121221lnTtTtQ Wc TTWc ttKATtTt180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2

25、10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 122211 12 211lnTtKATtWcW c204. 03015022 Tt將將 A2=N d內(nèi)內(nèi)L180 0.016 3=27.130m2 (W2C2) / (W1Cp1) = 0.5 W2C2=2000 1050/3600=583.33W/() t1=30, T1=150代入得：代入得：)(35.682以內(nèi)表面計以內(nèi)表面計KmWK 22902. 4

26、29.765tT （1）180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 （1）1 1122 221Wc TTWc tt又305 . 015022 tT225 . 0165tT （2）22902. 429.765tT 聯(lián)立求解式聯(lián)立求解式1、2得：得：CTCt 82.9637.13

27、622180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側(cè)、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 對第二個換熱器（并流），有：對第二個換熱器（并流），有：)(35.682以內(nèi)表面計以內(nèi)表面計KmW 2