傳熱計(jì)算(課堂版)

1、某蒸汽管外包有兩層厚度相等的絕熱材料，已知第二層的平均直徑相當(dāng)于第一層的平均直徑的兩倍，而第二層的導(dǎo)熱系數(shù)為第一層的二分之一。如將兩層材料的位置調(diào)換，則每米管長(zhǎng)的熱損失將如何變化？(不計(jì)鋼管熱阻，并設(shè)兩層材料對(duì)換位置后，外側(cè)壁溫相同，均為t3)解：由多層圓筒導(dǎo)熱關(guān)系,q=(t—t)/(ln(r/r)/(2n入)+ln(r/r)/(2n入))TOC\o"1-5"\h\z1 3 2 1 1 3 2 2q'=(t—t)/(ln(r/r)/(2n入)+ln(r/r)/(2n入))l 1 3 2 1 2 3 2 1按題意：r=2r和入=(1/2)入 ……①m2m121故由r=(r—r／ln(r／r=2rm2 3 2 3 2 m1=2X(r—r)/ln(r/r)121而r—r=r—r，故ln(r/r)=2ln(r/r) ②2 2 1 2 1 3 2由①、②代入下式：q/q'=(ln(r/r)/2n入)+ln(r/r)/(2n入))/(ln(r/r)/(2n入)+ln(r/r)/(2n入))=4/5,ll 2 1 1 3 2 2 2 1 2 3 2 1即對(duì)換后，熱損失減少20%2、一單殼程單管程列管換熱器，由多根T25mmX2.5mm的鋼管組成管束，管程走某有機(jī)溶液，流速為0.5m/s，流量為15000kg/h,比熱為1.76kJ/(kg?K),密度為858kg/m3,溫度由20°C加熱至50°C。殼程為130°C的飽和水蒸汽冷凝。管程、殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)分別為700W/(m2?K)和10000W/(m2?K)0鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m?K)。垢層熱阻忽略不計(jì)。求：(1)總傳熱系數(shù)；(2)管子根數(shù)及管長(zhǎng)；(3)在冷流體溫度不變的情況下，若要提高此設(shè)備的傳熱速率，你認(rèn)為要采取什么措施。解：(1)Q=WC△t=15X103X1.76X103X(50—20)/3600=2.20X10sWp△t=[(130—20)+(130—50)]/2=95Cm以外表面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)：K=1/[1/10000+(0.0025X0.025)/(45X0.0225)+0.025/(700X0.02)]=513w/(m2?K)o(2)V=W/p=15X103/(3600X858)=0.0049m3/sS=V/u=0.0049/0.5=9.8X10-3m2 S=ndm/4截截n=4S/(nd2)=4X0.0098/(3.14X0.022)=31根截S=Q/(K?△t)=220000/(513X95)=4.5m2o omS=nndll=S/(nnd)=4.5/(31X3.14X0.025)=1.85m取2moooo(3)因管程流速小，a也小，故應(yīng)強(qiáng)化管程，可改為雙管程。3、某廠只能用120C飽和水蒸汽，通過(guò)T25X2.5mm，長(zhǎng)3m的單管程列管式換熱器，將列管內(nèi)的17.2m3/h水溶液從20C加熱到75C，冷凝水于飽和溫度下排出。已知管側(cè)水溶液a=2500W/m—C，殼側(cè)蒸汽a=10000W/m—C，溶液在管內(nèi)呈湍流，試問(wèn)換熱器的管數(shù)為若干？水溶液密度i0p=1050kg/m3，比熱為4.17kJ/kg.C。熱損失及管壁、垢層熱阻均可忽略。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該換熱器有三根管子已壞，擬將壞管堵塞再繼續(xù)使用，試問(wèn)此方案是否可行?(通過(guò)計(jì)算或推導(dǎo)說(shuō)明。解：Q=W?Cp?At=17.2X1050/3600X4.17X103X(75-20)=1151kWK=1/(25/(2500X20)+1/10000)=1666.67W/m2.°C0Atm=(100-45)/ln(100/45)=68.88CA=1151X103/(1666.67X68.88)=10.02m20n=10.02/(nX0.025X3)=42.55心43[根]a'=(n/n')0.8a=(43/40)0.8X2500=2650W/msCiiKo'=1/(1.25/2650+1/10000)=1750W/m2.CAo'=nX0.025X3X40a9.425m2Q'=K'Ao'Atm=1750X9.425X68.88=1136kW由于Q'<Q，故不能完成換熱任務(wù)。4、 擬設(shè)計(jì)由T25X2mm的136根不銹鋼管組成的列管換熱器。平均比熱為4187J/kg.C的某溶液在管內(nèi)作湍流流動(dòng)，其流量為15000kg/h，并由15C加熱到100C。溫度為110C的飽和水蒸汽在殼方冷凝。已知單管程時(shí)管壁對(duì)溶液的對(duì)流傳熱系數(shù)為520W/m「C,蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)為1.16X104W/m「C，不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)入=17W/m.C，忽略污垢層熱阻和熱損失。試求：A)管程為單程時(shí)的列管長(zhǎng)度(有效長(zhǎng)度，下同)；B)管程為4程時(shí)的列管長(zhǎng)度(總管數(shù)不變，仍為136根)。解：(1)Q=WCp/q-t])=15000/3600X4.187X(100-15)=1.483X106W1/K=(1/ao+b/入Xdo/dm+do/(aidi))oK=1/(1/11600+0.002X25/(17X23)+25/(520X21))=1/(2.503X10-3)=399.5W/(m2.C)oAtm=(95-10)/ln(95/10)=37.8CSo=nndoL=Q/(KAtm)=1.483X10/(399.5X37.8)=98.2m2ol=So/(nndo)=98.2/(136X0.025n)=9.20m(2)．管方改四程時(shí)：ai'=40.8ai=1576W/(m2.C)Ko'=1/(1/11600+0.002X25/(17X23)+25/(21X1576))=1031W/(m2.C)同理：l'=3.56m5、 有一列管式換熱器，裝有T25X2.5mm鋼管300根，管長(zhǎng)為2m。要求將質(zhì)量流量為8000Kg/h的常壓空氣于管程由20C加熱到85C,選用108C飽和蒸汽于殼程冷凝加熱之。若水蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)為1X104W/m2.K,管壁、兩側(cè)污垢熱阻及熱損失均忽略?？諝庠谄骄鶞囟认碌奈镄猿?shù)為Cp=1kJ/kg?K,入=2.85X10-2W/(m^K)，p=1.98X10-=Pa?S，Pr=0.7。試求：A)空氣在管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)；B)求換熱器的總傳熱系數(shù)(以管子外表面為基準(zhǔn)）； C）通過(guò)計(jì)算說(shuō)明該換器能否滿足需要？解：(1)Re=d?G/p=0.02X8000/(3600X0.785X0.022X300)/(1.98X10-5)=2.3828X104>104Pr=0.7 l/d=2/0.025=80.?.a=0.023(入/d)Reo.8Pro.4=0.023X(2.85X10-2/0.02)X2382808X0.7o.4=90.2W/m°Ciii1/K=1/a+do/(a?d)=1/104+25/(90.2X20)=0.013958m2?C/W00iiKo=71.64W/m2?CQ=mCp(t-t)=(8000/3600)X103X(85-20)=144KW12221△ tm=[(108-20)-(108-85)]/ln[(108-20)/(108-85)]=48.4CA=n?n?d?l=300X3.14X0.025X2=47.12mooQ=KA△tm=71.64X47.12X48.4=163kW/.Q>Q 滿足要求2oo 2 16、16C的鹽水以3840kg/h的流量通過(guò)套管換熱器的內(nèi)管被加熱。內(nèi)管為938X2.5mm的鋼管。每段長(zhǎng)6米，105C的過(guò)熱水以4m，/h的流量在環(huán)隙內(nèi)流過(guò)，冷卻至48C，兩流體作逆流流動(dòng)。熱水對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)為 5000W/m2C，已知鹽水物理性質(zhì)(平均溫度下)p=1200Kg/m「，Cp=3.3kJ/kgC,p=0.95mPas，入=0.56W/mC,熱水在平均溫度下的Cp=4.18kJ/kgC,p=1000kg/皿，管內(nèi)外污垢熱阻分別為R=1/3788m?Csi/w,R=1/3846m2?C/w。求鹽水出口溫度和所需鋼管的段數(shù)。忽略熱損失和管壁熱阻。so解：由兩流體的熱衡算得:4X1000X4.18X(105-48)=3840X3.3(t-16)2解得t=91.2C2傳熱速率方程式為：Q=Ko.n.do.L.Atm其中:△tm=[(48-16)-(105-91.2)]/ln[(48-16)/(105-91.2)]=21.6CQ=3840/3600X3300X(91.2-16)=264700WKo=1/(1/ao+do/di/ai+Ro+Rido/di) (忽略管壁熱阻)Re=di.G/p=[0.033X3840/(3600Xn/4X0.0332)]/(0.95X10-3)=43340>10000Pr=Cp.p/入=3.3X103X0.95X10-3/0.56=5.6a=0.023(入/di)Re0.8Pr0.4=0.023X(0.56/0.033)X433400.8X5.60.4=3983W/m2.CiKo=1/[1/5000+38/(33X3983)+1/3846+38/(33X3788)]=950W/m2.C.?.264700=950XnX0.038LX21.6 解得：L=108m 108/6=18段8、 有一套管換熱器，內(nèi)管為954X2mm,外管為9116X4mm的鋼管，內(nèi)管中苯被加熱，苯進(jìn)口溫度為50C,出口溫度為80C,流量為4000Kg/h。環(huán)隙為133.3C的飽和水蒸汽冷凝，汽化熱為2168.1kJ/kg,冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)為11630W/m2.K。苯的物性參數(shù)平均值為，p=880kg/m「，Cp=1.86kJ/kg.K,p=0.39mPa.S,入=0.134W/m.K,管內(nèi)壁垢阻為0.000265K.m2/W,管壁及管外側(cè)垢阻不計(jì)。試求：A)加熱蒸汽消耗量；B)所需的傳熱面積(以內(nèi)管外表面計(jì))。C)當(dāng)苯的流量增加50%,要求苯的進(jìn)出口溫度不變，加熱蒸汽的溫度應(yīng)為多少？解：(1)Q=GY=WCp(t2-t1)=4000X1.86(80-50)=223200kJ/h=62000W122G=223200/2168.1=103kg/h=0.029kg/s1/Ko=do/di?1/ai+Rsi?do/di+1/aou=4000/(3600X0.785X0.052X880)=0.643m/sRe=(0.05X0.643X880)/(0.39X10-3)=7.25X104>104Pr=1.86X103X0.39X10-3/0.134=5.41ai=0.023(0.134/0.05)(7.25X10?)0.8 (5.41)0.4 =936.3W/m?.KKo=1/(1/936.3?do/di+0.000265?do/di+1/11630)=655.5W/m?.K△tm=(83.3+53.3)/2=68.3CA=Q/(K^tm)=(223200X103)/(655.5X68.3X3600)=1.38m2W'=1.5W=1.5X4000=6000Kg/hQ'=1.5Q=223200X1.5=334800kJ/h=93kwai'=(1.5)0.8ai=936.3X1.383=1295W/m2.KKo'=1/(1/11630+0.000265?do/di+1/1295?do/di)=829.1W/m2.K△tm'=Q'/(AK')=(334800X103)/(829.1X1.38X3600)=81.3C△tm'=[(T-50)+(T-80)]/2=81.3C.T=146.3C9、 在一新的套管式換熱器中，冷卻水在925X2.5的內(nèi)管中流動(dòng)，以冷凝環(huán)隙間的某蒸汽。當(dāng)冷卻水流速為0.4m/s和0.8m/s時(shí)，測(cè)得基于內(nèi)管外表面的總傳熱系數(shù)分別為K=1200w/m2?C和K'=1700w/m2?C。水在管內(nèi)為湍流，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)入=45w/m2?C，水流速改變后，可認(rèn)為環(huán)22隙間蒸汽冷凝的傳熱系數(shù)不變。試求：當(dāng)水流速為0.4m/s時(shí)，管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)為多少？2．某蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)為多少？3.若操作一時(shí)期后，水流速仍保持為0.4m/s,但測(cè)得的K值比操作初期下降10%,試分析原因。并論述此時(shí)蒸汽的冷凝量是否也下降10%?解：1. 令管內(nèi)水的傳熱系數(shù)在流速為0.4,0.8時(shí)分別為a1、a1'，并令冷凝傳熱系數(shù)為a，總傳熱系數(shù)分別為K及K'222TOC\o"1-5"\h\zA1/k=d/(ad)+bd/(入dm)+1/a …12211221/k'=d/(a'd)+bd/(Adm)+1/a …2221122將⑴一⑵得：1/k—1/k'=(1/a—1/a)x(d/d) -3221221在管內(nèi)不同流速時(shí)傳熱系數(shù)之比：(a'/a)=(0.8/0.4)0.8=20.8 a'=1.74a11111/k—1/k'=(1/a—1/1.74a)x(d/d)=(0.74/(1.74a1))x(d/d)221121211/1200—1/1700=(0.74/(1.74a1))x(25/20)a=2169w/m2?K1由式1可求得：1/1200=25/(2169x20)＋0.0025x0.025/(45x(25＋20)/2x10-3)＋1/a2a=5120w/mz?K2主要原因?yàn)槲酃赋练e所致。由Q=KAAtm可知，當(dāng)K降低10%時(shí)，則冷卻水出口溫度隨之下降，故厶tm略有升高，故冷凝量下降低于10%。10、有一單殼程單管程列管式冷凝器，由60根e25X2.5mm的鋼管組成，管長(zhǎng)1.3m，某種有機(jī)蒸汽在管間冷凝，冷凝溫度為90°C，冷卻水走管內(nèi)，流量為34m3/h，水在管內(nèi)的流型為湍流,其進(jìn)出口溫度分