傳熱典型例題

1、第 6 章 傳熱典型例題例 1 冷凝冷卻器有一逆流操作的熱交換器， 用 15的水冷卻過熱氨蒸汽， 氨氣溫度為 95 ，流率為 200kg/h ，氨氣在熱交換器中冷卻。冷凝液在飽和溫度（ 30）下排出。在冷卻冷凝過程中，熱交換器各界面上氨氣與水的溫度差最小處不允許小于5。求冷卻水用量及水最終出口溫度？已知90 ， 30氨氣的焓分別為1647,1467KJ/kg,30 液氨的焓為 323KJ/kg ，水平均比熱為4183J/kg 。解 :逆流時,由題意:液 氨(30 C)飽和氨汽過熱氨汽(30 C)(95 C)水(15 C)25C水 ( t2 ) C在氨汽冷凝階段氣 變 為液) :(30 C30

2、CW C C PC t2中t1W h 1467323W C200(1467323)4.183101.51 kg / s3600對全系統(tǒng)有:Q2001647 323 73.6 kw3600QWCCPCt2t1t 2t1Q1573.626.5 C1.514.183WCCPC例 2 一側(cè)恒溫的傳熱過程在一傳熱面積為240m 的單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知冷水的流量為50000 kg/h ，其溫度由 20升高至 35，水的平均比熱容為kJ/(kg ) 。常壓下苯的沸點為 80.1 ，汽化熱為 394 kJ/kg 。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算換熱器的總傳熱系數(shù)并計

3、算苯物料的處理量。解：本例題為一側(cè)恒溫的傳熱過程，設(shè)苯在常壓下的沸點為Ts則由1得2W/(m）由得kg/h分析：注意本題為將純苯蒸汽冷凝成飽和液體，故屬于一側(cè)恒溫的傳熱過程。例 3 第一類操作型問題 在一逆流操作的單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，冷、熱流體進(jìn)行熱交換。已知兩流體的進(jìn)、出口溫度分別為T1=200、T2=93 ,t 1=35、 t 2=85。當(dāng)冷流體流量減少一半，熱流體的流量及冷、熱流體的進(jìn)口溫度不變時， 試求兩流體的出口溫度和傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)。 假設(shè)流體的物性及總傳熱系數(shù)不變，換熱器熱損失可忽略。解：本題采用法計算。由因為所以故熱流體為最小值流體。原工況下：2得由設(shè)新工況下熱流

4、體仍為最小值流體，在新工況下：得所以因為3所以故假設(shè)新工況下熱流體為最小值流體正確。原工況下的傳熱量新工況下的傳熱量故傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)為分析：本題為在同一換熱器內(nèi)，求工況改變前后的某物理量變化情況，此類題用法計算較為方便。例 4換熱器的操作與調(diào)節(jié)一套管換熱器用 133 的飽和水蒸汽將管內(nèi)的氯苯從 33 加熱到 73 ，氯苯流量為 5500Kg/h ?，F(xiàn)因某種原因， 氯苯流量減少到 3300Kg/h ，但其進(jìn)出口溫度維持不變，試問此時飽和蒸汽溫度應(yīng)為多少才能滿足要求？此時飽和水蒸汽冷凝量為原工況的百分之幾？ （設(shè)兩種工況下的蒸汽冷凝熱阻， 管壁熱阻， 垢層熱阻及熱損失均可略， 且氯苯在管內(nèi)作湍

5、流流動， 忽略兩工況下蒸汽汽化潛熱的變化。）4解: 對于此問題Kinqm0.8WCCPCt2t1WCCPCt2t10.83300K5500得 : 55003300KS tm (1)K S tm (2)K0.66KTt1Klnt2TKln Tt1Tt2Tt1550013333lnt233000.66ln0.567T13373Tt11.76Tt2T1.76t2 t11.76 73 33125.9 C0.760.76W h /Wh0.6例 5換熱器的串并聯(lián)問題某廠現(xiàn)有兩臺單殼程單管程的列管式空氣加熱器，每臺傳熱面積為2A =20m0（管外面積），均由 128 根 252.5mm的鋼管組成。殼程為17

6、0 的飽和水蒸汽冷凝（冷凝潛熱為r=2054KJ/kg ），凝液不過冷?？諝庾吖艹蹋淙肟跍囟萾 1=30 ，流量為4500kg/h假定空氣的物性參數(shù)不隨溫度、壓力變化，可視為3-3常 數(shù)， 分別 為CP=1.005KJ/Kg.K ， =1.06Kg/m， =20.1 10 cp , Nu=0.02Re 0.8 。1） 若兩臺換熱器并聯(lián)使用，通過兩臺換熱器的空氣流量均等，試求空氣的出口溫度 t 2( ) 及水蒸汽的總冷凝量 m1(kg/h)2） 若兩臺改為串聯(lián)使用， 試求此時空氣的出口溫度 t 2( ) 及水蒸汽的總冷凝量 m1(kg/h) 。（ 3）試比較并聯(lián)及串聯(lián)時傳熱效率的大小，并求兩情

7、況下總傳熱能力的比值Q串/Q 并。解:5( 1)兩臺換熱器并聯(lián)管內(nèi)氣空流速V s2250 /( 1.063600 )14 .67 ( m / s)und 21280.7850.02 24K0.8di ui0 .02d i0.80.020.0290.0. 14.67 1.0665 .17 W0.022.01 10 5m 2WcC pc( t2t1 ) KS(Tt1 )(Tt2 )Tt1lnt2TW cC pc (t2t1 ) KSt2t1ln Tt1Tt2ln Tt1KS65.17202.07Tt2W cC Pc22501.0051033600Tt17.92Tt2t 2TTt1152oC7.92

8、W hW cC pc ( t2t1 )222501.005(152 30)2r2054268.6kg / h2 K 20.8 K1.74KlnTt1K S1.74 22.073.60Tt2WcCPc26Tt136 .66Tt 2t217017030166 .2C36 .6645001.005166 .230299 .8 kg / hW h20543并 聯(lián):t 2t1152 .430BT1t11700. 8730串 聯(lián) :166 .230C170300.97Q/ QW h / W h299 .8 / 269 .61 .11例 6非穩(wěn)態(tài)傳熱問題有一帶夾套的反應(yīng)釜，釜內(nèi)盛有某反應(yīng)液。反應(yīng)液的初始溫度

9、為20 。釜內(nèi)液體由于劇烈地攪拌可認(rèn)為溫度均一。反應(yīng)液需加熱到80 進(jìn)行反應(yīng)。（1）若夾套內(nèi)通以120 的蒸汽加熱，已知前10 分鐘反應(yīng)液的溫升為60 ，則反應(yīng)液由初始溫度加熱至反應(yīng)溫度需要多少時間？（2）若夾套內(nèi)通以進(jìn)口溫度為120 的熱流體加熱，前10分鐘反應(yīng)釜的溫升同樣為60，則反應(yīng)液由初始溫度加熱到反應(yīng)溫度需多少時間？（熱流體無相變）解(1) 熱流體有相變時GC PC dtKTdttSdTt 1GCPCGC PCt2l n1KSTtKSt 2t 1T熱流體無相變時GC PC dtW hCPh T1 T d1W hC Pc T1TKST1Ttln T1tKST1TtW hCPhlntTT

10、KS1expKS2T1 exptWhCPhWhCPh(2)代入(1)得 : 2GCPCKSln T1t1WhCPh 1 expT1t2WhCPhWhCPh 1expKSWhCPh1 /2KS7例 7 定常態(tài)輻射傳熱 車間內(nèi)有一高和寬各為 3m的爐門（黑度 1 0.70 ），其表面溫度為 600，室內(nèi)溫度為 27。（ 1）試求由于爐門輻射而引起的散熱速率。（ 2）若在爐門前 25mm處放置一塊尺寸和爐門相同而黑度為0.11 的鋁板作為熱屏，則散熱速率可降低多少？解：（ 1）放置鋁板前由于爐門輻射而引起的散熱速率由于爐門被車間四壁所包圍，則；又S2 S1，故，于是2S=S1=33 9m24w/(m

11、 K)（2）放置鋁板后由于爐門輻射而引起的散熱速率以下標(biāo) 1、2 和 3 分別表示爐門、房間和鋁板。假定鋁板的溫度為T3 ，則當(dāng)傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)時，爐門對鋁板的輻射傳熱速率必等于鋁板對房間的輻射傳熱速率，此即由于爐門輻射而引起的散熱速率。爐門對鋁板的輻射傳熱速率為因 S1 =S3，且兩者相距很小，故可認(rèn)為是兩個極大平行平面間的相互輻射，故。24w/(m K)故（a）8鋁板對房間的輻射傳熱速率為2式中 S3=33 9m24w/(m K)則（b）于是 Q1-3 = Q3-2解得K將 T3 值代入式 b，得w放置鋁板后因輻射引起的散傳速率可減少的百分率為分析：求解本題時，注意放置鋁板后，當(dāng)傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)時，爐

12、門對鋁板的輻射傳熱速率必等于鋁板對房間的輻射傳熱速率， 此即由于爐門輻射而引起的散熱速率。例 8 換熱器的選型某化工廠在生產(chǎn)過程中，需將純苯液體從80冷卻到55，其流量為 20000kg/h 。冷卻介質(zhì)采用 35的循環(huán)水。 要求換熱器的管程和殼程壓降不大于10 kPa ，試選用合適型號的換熱器。9解： 1.估算傳熱面積，初選換熱器型號（1）基本物性數(shù)據(jù)的查取苯的定性溫度根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，選擇冷卻水的溫升為8，則水的出口溫度為水的定性溫度查得苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：kg/m3kJ/(kg )= 0.129 W/(m 2 )Pas查得水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：kg/m3kJ/(kg )=0.633

13、W/(m 2 )Pas（2）熱負(fù)荷計算W冷卻水耗量：kg/s10（3）確定流體的流徑該設(shè)計任務(wù)的熱流體為苯， 冷流體為水， 為使苯通過殼壁面向空氣中散熱， 提高冷卻效果，令苯走殼程，水走管程。（4）計算平均溫度差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時平均溫度差：苯8055冷卻水43 3537 20計算和：由、值，查相關(guān)圖，因，選用單殼程可行。（5）選值，估算傳熱面積參照附錄，取=450 W/(m2)2m11（6）初選換熱器型號由于兩流體溫差 50，可選用固定管板式換熱器。由固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器型號為： G400 -1.6-22 。主要參數(shù)如下：外殼直徑 400mm 公稱壓力 1.6 MPa公稱面積 22 m2 管子尺寸管 子 數(shù) 102 管 長 3000mm管中心距 32mm管程數(shù)2管子排列方式正三角形管程流通面積 0.016 m 2實際換熱面積2m采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為2W/(m)核算壓降（1）管程壓降管程流速m/s12（湍流）對于碳鋼管，取管壁粗糙度mm由關(guān)系圖中查得PaPaPa 10 kPa（2）殼程壓降管子為正三角形排列=0.5取折流擋板間距13殼程流通面積2m殼程流速m/s所以PaPaPa 10 kPa計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計條件。核算總傳熱系數(shù)（1）管程對流傳熱系數(shù)iW/(m2