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文檔簡介
1、23、在單程列管式換熱器內,用130的飽和水蒸汽將某溶液由20加熱到60,單管呈列管換熱器由100根25mm×2.5mm,長為3m的鋼管構成,溶液以每小時100m3的流量在管內流過,蒸汽在管外冷凝。試求:(1)總傳熱系數(shù)K;(2)溶液對流給熱系數(shù)1和蒸汽冷凝對流給熱系數(shù)2;(3)若溶液的質量流量增加到ms2',ms2'ms2=x,1<x<2(ms2為溶液原來的質量流量)在其他條件不變的情況下,試通過推導說明次換熱器能否滿足要求(2可視為不變)已知在操作條件下溶液的密度為1200kg/m3,黏度為0955mPa.S,比熱容為3.3KJ/kg.,熱導率為0.4
2、65 W/kg.,管壁熱阻、污垢熱阻和熱損失忽略不計?!敬鸢附馕觥拷猓海?)換熱器的總傳熱量Q=ms2cp2t2-t1 =100×12003600×3300×60-20 =4.4×106 Wtm=t2-t1lnTS-t1TS-t2=60-20ln130-20130-60=88.5 A=nd2l=100×3.14×0.025×3=23.6 m2所以總傳熱系數(shù)KK=QAtm=4.4×10623.6×88.5=2107 Wm2.(2)由管內溶液可知,其流速u=VS20.785d12n0=10036000.785
3、×0.022×100=0.885 msRe=d1u=0.02×0.885×12000.955×10-3=2.224×104(>104,為湍流)Pr=cp=3.3×103×0.955×10-30.465=6.78所以管內溶液給熱系數(shù)11=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.023×0.4650.02×2.224×1040.8×6.780.4=3454 Wm2.以管外表面為基準面,所以1K=11×d2d1+12代入數(shù)據得12107=13454
4、5;2520+12所以2=8872 Wm2.(3)當流量增加時,則增加后該流體仍然為湍流所以由公式1=0.023d1Re0.8Pr0.4=0.023d1d1u0.8cp0.4即11=u'u0.8=ms2'ms20.8=x0.8所以K'=11'×d2d1+12-1=13454x0.8×2520+18872-1=8872x08x08+3.211原工況ms2cp2t2-t1=KAtm新工況:TS、t2、t1不變,所以tm不變ms2'cp2t2-t1=K'A'tm由上述兩式得ms2'ms2=x=K'A'
5、KA=8872x082170x08+3.211A'A整理得A'A=x+3.211x0.24.211因為1<x<2,所以4.211<x+3.211x0.2<1+3.211×20.2A'A>1此時所需的傳熱面積要大于原工況(設備的傳熱面積)的傳熱面積,所以次換熱器不能滿足要求24、某列管換熱器有33根19×2mm的管子,管長為3 m 。用溫度為150的飽和蒸汽來加熱原油,飽和蒸汽在殼程冷凝,原油在管內流動并由25加熱到100.在操作條件下油的密度為890 kgm3,平均流速為0.82 ms,換熱器的傳熱量為138 kW。已知
6、蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為6600 Wm2.K,油側垢層熱阻為0.00043m2.KW,忽略管壁熱阻和蒸汽側垢層熱阻,試求:(1)管內油側的對流傳熱系數(shù);(2)若油的流速增加一倍,此時換熱器的總傳熱系數(shù)為原來的1.75倍,求油的出口溫度。(假設油的物性參數(shù)不變)【答案解析】解:(1)由題意可知,該傳熱過程的對數(shù)平均溫差為tm=150-25-150-100ln150-25150-100=81.9 傳熱面積為 A=nd2l=33×3.14×0.019×3=5.91 m2根據傳熱速率方程,基于管外表面的總傳熱系數(shù)為K=QAtm=1385.91×81.9=285 Wm2
7、.K由于管壁和蒸汽側垢層熱阻均忽略,可得K=111d2d1+R1d2d1+12=1111915+0.00043×1915+16600=285解得,1=450 Wm2.K即管內油層側的對流傳熱系數(shù)為1=450 Wm2.K(2)原工況下Q=qmCpt2-t1=138 kW故有 qmCp=Qt2-t1=138100-25=1.84 kWK新工況下,油的流速加倍時,油的出口溫度t2'應滿足傳熱速率和熱平衡關系,即Q'=2qmCpt2'-t1=2×1.84×t2'-25=3.68t2'-25由題意,K '=1.75K,由總傳熱
8、速率方程可得,Q'=K 'Atm'=1.75×0.285×5.91×150-25-150-t2'ln150-25150-t2'=2.95t2'-25ln125150-t2'上面兩式相等,則有3.68t2'-25=2.95t2'-25ln125150-t2'即整理得,ln125150-t2'=2.953.68解得,t2'=93.9 所以油的出口溫度變?yōu)閠2'=93.9 25、某列管式換熱器內有52根25mm×2.5mm的換熱鋼管。管外側是流量為5.86k
9、g/s的苯從380K降溫至330K,管內的水與苯逆流換熱,進、出口的水溫分別為290K與320K。已知苯=2.70kWm2.K,苯的比熱容Cp苯=1.89kJkg.K;水=990kgm3,Cp水=4.17kJkg.K,水=0.642Wm.K,水=0.533cP,管壁導熱系數(shù)w=45Wm.K。若忽略污垢熱阻與換熱器的熱損失,試求:(1)換熱管內水的流型;(2)基于外表面的總傳熱系數(shù)K;(3)所需換熱管的長度L?!敬鸢附馕觥拷猓海?)先假設換熱過程的流體水與苯分別為1流體和2流體,即qm1=5.86kgs,根據傳熱過程的熱量衡算式,則換熱量為Q=qm1Cp1t2-t1=qm2Cp2T1-T2=5.
10、86×1.89×380-330=554 KW則達到換熱要求所需的水流量為qm1=QCp1t2-t1=5544.17×320-290=4.43kgs換熱管內水的流速為u1=qm10.785d2n=4.439900.785×0.022×52=0.274 ms雷諾數(shù)為Re=du111=0.02×0.274×9900.533×10-3=1.02×104>104(充分湍流)即換熱管內為湍流流動(2)Pr=Cp111=4.17×103×0.533×10-30.642=3.46根據圓
11、管內強制對流給熱系數(shù)計算式,可得所求管壁對水的對流給熱系數(shù)1為1=0.0231dRe0.8Pr0.4 =0.023×0.6420.02×1.02×1040.8×3.460.4 =1.95 kWm2.K根據基于外表面的總傳熱系數(shù)K的計算式為1K=11+d22wlnd2d1+d21d1代入數(shù)據可得1K=12.70+0.0252×0.045ln0.0250.020+0.0251.95×0.020=1.07即K=0.932kWm2.K(3)傳熱平均溫差為tm=380-320-330-290ln380-320330-290=49.3 K根據傳熱
12、速率方程可求得換熱面積,即Q=KAtm,故傳熱的外表面積A=QKtm=5540.932×49.3=12.1 m2故所求的換熱管長度為l=And2=12.13.14×0.025×52=2.953 m26、某生產過程,需將2400kgh的空氣從20加熱到80,空氣平均比熱容為1.0kJkg.,平均密度為1.1kgm3。120的飽和蒸汽在殼層加熱。空氣在管內作強制湍流流動。采用的單管程列管式換熱器尺寸為:25mm×2.5mm,管長為3 m,管子數(shù)為100根。試求:(1)上述換熱器的總傳熱系數(shù)為多少;(2)現(xiàn)倉庫有一臺19mm×2mm,管長為3 m,管
13、子數(shù)為100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;(3)若用該換熱器代替上述換熱器,空氣的出口溫度為多少?注:計算可忽略管壁及污垢熱阻;溫度對物性影響可忽略;蒸汽空氣 【答案解析】解:(1)由能量衡算可得Q=W2Cp2t2-t1=KAtm其中tm=t1-t2lnt1t2=120-20-120-80ln120-20120-80=65.48 傳熱面積A=nd2l=100×3.14×0.025×3=23.55 m3所以總傳熱系數(shù)KK=W2Cp2t2-t1Atm=24003600×1000×80-2023.55×65.4
14、8=25.94 Wm.K(2)改變管徑后,而流量不變,則空氣的流速為u'u=d1d1'2因為傳熱系數(shù)k蒸汽k空氣,所以總傳熱系數(shù)Kk空氣又因為空氣在管內作強制對流(Re>10000),所以k空氣=0.023d1d1u0.8Pr0.4即新工況和原工況空氣對流傳熱系數(shù)k空氣'k空氣=K'K=d1d1'd1'd10.8u'u0.8=d1d1'1.8=20151.8=1.678又Q'Q=W2Cp2t2'-t1W2Cp2t2-t1=K'A'tm'KAtm,所以t2'-t1t2-t1=K&
15、#39;KA'Atm'tm=1.678×1925×tm'tm式中tm'=t2'-20ln100120-t2'所以代入相關數(shù)據得t2'-2080-20=1.678×1925×t2'-20ln100120-t2'解得,t2'=88.926 由于t2'=88.926 >80 ,所以該換熱器能夠代替原來的換熱器(3)由題(2)解得t2'=88.926 即空氣的出口溫度為t2'=88.926 27、某廠在單殼程雙管程列管換熱器中,用130的飽和水蒸汽將乙醇
16、水溶液從25加熱到80,列管換熱器由90根25mm×2.5mm,長為3m的鋼管所構成,乙醇水溶液處理量為36000kgh,并在管內流動,飽和水蒸汽在管間冷凝。已知鋼的導熱系數(shù)為45Wkg.,乙醇水溶液在定性溫度下的密度為880kgm3,黏度為1.2 CP,比熱為4.02kJkg.,導熱系數(shù)為0.42Wkg.,水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為104Wkg.,在操作條件下,垢層熱阻和熱損失忽略不計,試求:(1)此換熱器能否完成任務?(2)若乙醇水溶液處理量增加20%,在溶液進口溫度和飽和水蒸汽溫度不變情況下,仍在原換熱器中加熱乙醇溶液,則乙醇水溶液出口溫度為多少(乙醇水溶液的物性可視為不變)【答案
17、解析】:解:(1)由題意可知,總傳熱量Q為:Q=WCPt2-t1=360003600×4.02×80-25=2211 kW傳熱過程中,對數(shù)平均溫度差為tm=TS-t1-TS-t2lnTS-t1TS-t2=130-25-130-80ln130-25130-80=74.13 因為該過程為雙管程,則每根管中的流量為36000902=400kgh乙醇溶液在管內的流速為:u=4003600880×0.785×0.022=0.804 ms所以雷諾數(shù)Re=du=0.02×0.804×8801.2×10-3=1.18×104可知為
18、湍流流動,且有:i=0.023diRe0.8Ci0.4 =0.023×0.420.02×1.18×1040.8×4.02×1.20.420.4 =2320 Wkg.所以總傳熱系數(shù)為K=1o+dodm+dodi1i-1 =110000+2522.5×0.002545+2520×12320-1 =1427 Wkg.由Q=2211 kW=KA需要tm解得,A需要=2211×1031427×74013=20.90 m2因為A=90×dol=90×3.14×0.025×3=2
19、1.2 m2>A需要=20.90 m2即該換熱器可以完成任務。(2)若乙醇水溶液處理量增加20%,在溶液進出口溫度和飽和水蒸汽溫度不變情況下,則流速u'=1.2u=1.2×0.804=0.965 ms 易知Re'>104,因此有:i'=iu'u0.8=2320×1.20.8=2684此時總傳熱系數(shù)K'為K'=1o+dodm+dodi1i'-1 =110000+2522.5×0.002545+2520×12684-1 =1594Wkg.傳熱過程中,對數(shù)平均溫度差tm'為tm'
20、;=TS-t1-TS-t2'lnTS-t1TS-t2'=130-25-130-t2'ln130-25130-t2'=t2'-25ln105130-t2'原工況:Q=WCPt2-t1=KAtm新工況:Q'=1.2WCPt2'-t1=K'Atm'由上述兩式可得WCPt2-t11.2WCPt2'-t1=KAtmK'Atm'整理并代入數(shù)據得80-251.2×t2'-25=1427×74.131594×t2'-25ln105130-t2'解得,t2
21、'=77.37 即乙醇水溶液的出口溫度為t2'=77.37 28、在一單程列管換熱器內用冷水將管內的高溫氣體從150°C冷卻至80°C,兩流體逆流流動且為湍流,氣體的流量為2000kg/h,冬季冷卻水的入口溫度為15°C,流量為684kg/h。試計算:(1)當夏季的冷卻水入口溫度為25°C時,若要求氣體的流量和冷卻程度不變,求冷卻水的用量(假設總傳熱系數(shù)K和冬季相同);(2)若冬季的氣體流量增加50%,而保持冷卻程度不變,應如何調節(jié)操作參數(shù)并定量計算;(3)若將管程改為雙程,冬季仍維持氣體流量增加50%及冷卻水的流量及入口溫度不變,求冷卻
22、水和氣體的出口溫度。【答案解析】解:解題思路是以冬季工況為基準,分別求出Q、Dtm、KA,當操作條件變化時,分別比較上述參數(shù)的變化趨勢并定量計算。對于氣體和冷卻水之間的換熱,總傳熱系數(shù)可簡化為換熱器的熱負荷為:解得冬季冷卻水的出口溫度為(1)夏季情況 在夏季操作時若要求傳熱速率Q不變,而K2A2也近似與冬季相同,故此時必須維持夏季的Dtm與冬季相同時才能完成任務。關鍵在于計算水的出口溫度t2, t2可用不同方法計算。(a)試差法15080t225Dt2=150-t2Dt1=55用對數(shù)平均溫差法進行試差,即試差求得夏季時冷卻水的出口溫度如果,可用簡化(算術平均值)計算,即:解得說明假設(b)傳熱
23、單元法為了避免試差,可采用傳熱單元數(shù)法計算。在此情況下,氣體為最小值流體,則:由和查得用三種方法所得的計算結果有差別,其中算術平均溫度差誤差最大,傳熱單元數(shù)最簡單。(2)冬季情況 冬季氣體流量增加,若要維持冷卻程度不變,可調節(jié)的操作參數(shù)是增加冷卻水的流量。由流量改變后,總傳熱系數(shù)K與原K的比值:(a) 試差法(b) 傳熱單元法由和查得當空氣流量增加50%時,冷卻水流量需要增加137.9%。(3)管程改變的情況 當管程由單程變?yōu)殡p程時,管內流速加倍,Ki”提高,即:整理得:;上式相減:得:或 (a)熱量衡算式:得: (b)聯(lián)接式(a)和(b)得:即冷卻水的出口溫度比原工況增加15°C,
24、氣體出口溫度比原工況降低21°C。29、在一套管式換熱器中,用120的飽和水蒸氣在環(huán)隙中冷凝放熱,使內管中湍流流動的流量為的苯從20加熱到80。當流量增加到時只能從20加熱到76。試計算換熱器的傳熱面積和流量為時的總傳熱系數(shù)K。(計算時,水蒸氣冷凝的值取用??珊雎怨鼙跓嶙杓拔酃笩嶙?,并可當平壁處理。兩種情況下苯的比熱容認為相同)?!敬鸢附馕觥拷猓罕降牧髁?時水蒸氣 T=120 T=120苯 ® 苯的流量時水蒸氣 T=120 T=120苯 ® 傳熱速率方程苯的流速與流量的關系 苯的對流傳熱系數(shù)與流速的關系總傳熱系數(shù)與傳熱管內外兩側的對流傳熱系數(shù)與的關系為解得 故 由
25、求傳熱面積用平均溫度,查得苯的比熱容也可以由求傳熱面積30、在由118根f25´2.5,長為3m的鋼管組成的列管式換熱器中,用飽和水蒸汽加熱空氣,空氣走管程。已知加熱蒸汽的溫度為132.9,空氣的質量流量為7200kg/h,空氣的進、出口溫度分別20和60,操作條件下的空氣比熱為1.005 kJ/(kg×),空氣的對流給熱系數(shù)為50 W/(m2×),蒸汽冷凝給熱系數(shù)為8000 W/(m2×),假定管壁熱阻、垢層熱阻及熱損失可忽略不計。試求:(1)加熱空氣需要的熱量Q為多少?(2)以管子外表面為基準的總傳熱系數(shù)K為多少?(3)此換熱器能否完成生產任務?【答
26、案解析】解:(1) kJ/s(2) W/(m2×)(3) m2 kJ/s,能夠完成生產任務。31、現(xiàn)有一列管換熱器,內有25×2.5mm的鋼管300根,管的有效長度為2m。要求將8000kg/h的空氣于管程有20加熱到85,采用108的飽和蒸汽于殼程冷凝加熱之,冷凝液在飽和溫度下排出。蒸汽冷凝的傳熱系數(shù)為1×104w/m2,空氣的對流傳熱系數(shù)為9 0w/m2,管壁及兩側污垢熱阻均可忽略,且不計熱損失??諝庠谄骄鶞囟认碌谋葻釣?kJ/kg。試求:1 換熱器的總傳熱系數(shù)K。2 通過計算說明該換熱器能否滿足要求。3 通過計算說明管壁溫度接近那一側流體的溫度?【答案解析】解:1)總傳熱系數(shù))2),該換熱器能滿足要求。3)接近蒸汽的溫度。32、有一管程為單程的列管換熱器,由25×2.5mm,長2.5m的20根鋼管組成。用120飽和水蒸汽加熱某冷液體(冷凝液在飽和溫度下排出),該冷液體走管內,進口溫度為25,比熱為1.58kJ/kg,流量為15000kg/h,管外蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為1.0×104 w/m2。管內對流傳熱的熱阻為管外蒸汽冷凝傳熱熱阻的6倍。求:1基于管外表面積的總傳熱系數(shù)K02冷液體的出口溫度。(換熱器的熱損失、管壁及兩側污垢熱阻均可忽略不計)【答案解析】解:1)總傳熱系數(shù).2)33、有一
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