2016传热习题课.pdf

1 传热传热 习题课习题课 2016 年 12 月 1 用一单管程列管式换热器 将1 5kg s的有机蒸汽冷凝 蒸汽在管外的冷凝热阻可以忽略 冷凝温度60 汽化潜热为395kg kJ 管束由n根 25 2 5mm的钢管组成 管内以河水为 冷却剂 其入口温度为25 忽略管壁热阻 污垢热阻及热损失 试问 1 冷却水用量 选择冷却水出口温度 2 管数n与管长L 水在管内的流速可取为1m s左右 3 若冷却水用量增加 50 而其它条件不变 仍用上述换热器 求有机蒸汽的冷凝量 4 若将原换热器改为双管程 而其它条件不变 求有机蒸汽的冷凝量 解 1 设38 2 t 则5 31 3825 2 1 t 查水的物性数据 25 5Pr 3 995mkg sPa 5 109 77 17 4CkgkJcp 619 0CmW kWWrqQ5 59210925 5103955 1 53 1 m kg s ttc Q q p m 910 2538 10174 109255 3 3 122 2 2 取水在管内流速smu 1 且 udnqm 2 22 4 得 9 34 9950 102 0785 0 9 104 22 1 2 ud q n m 35 根 36 根 sm dn q u m 969 0 99502 0785 036 9 104 22 1 2 4 5 10472 10977 9959690020 Re du 451525 5 1047 2 02 0 619 0 023 0PrRe023 0 4 08 044 08 0 1 KmW d 若不计蒸汽热阻 管壁及污垢热阻 则有 4515 22 KmWK 由 2235 3825 6060 可得 0 28 2235ln 2235 m t 2 5 m1 1 69 4 0 284515 10925 5 m tK Q A m dn A L07 2 02 014 336 274 0 1 1 校核 6010402 0 07 2 dL 3 冷却水用量增加 50 22 5 1 mm qq 由 222 1 ln pm cq AK tT tT 可得 922 0 5 1 1 5 1 ln ln 8 0 m2 m2 2 2 m2 m2 2 2 2 1 2 1 q q q q K K tT tT tT tT 3860 2560 ln922 0 60 2560 ln 2 t 2 37 2 t 下降了 41 1 2538 252 37 5 1 12 12 m2 m2 12p2m2 12p2m2 1 1 tt tt q q ttcq ttcq Q Q q q m m skgqq mm 12 25 141 141 1 11 2 4 单管程变为双管程 传热面积不变 流通面积减半 74 12 ln ln 8 0 2 2 m2 m2 2 2 2 1 2 1 q q K K tT tT tT tT 3860 2560 ln74 1 60 2560 ln 2 t 4 44 2 t 上升了 49 1 2538 254 44 12 12 12p2m2 12p2m2 1 1 tt tt ttcq ttcq Q Q q q m m skgqq mm 24 25 149 149 1 11 2 两台完全相同的单管程列管式换热器 用水蒸汽在壳程冷凝以加热管程内的空气 若加 热蒸汽压力相同 空气进 出口温度 t1和 t2也分别相同 试问 1 将两台换热器串联操作及并联操作 见本题附图 哪种方案生产能力大 相差多 少倍 并联时空气均匀分配于两换热器中 2 由以上求出的生产能力之比 计算两方案由于流动阻力引起的总压降比为多大 注 蒸汽冷凝传热系数远大于空气的对流传热系数 不计换热器进 出口及联接 管线所引起的压降 空气在换热管内流动均按湍流考虑 直管摩擦阻力系数用柏拉 修斯方程计算 空气t1 t2 水蒸汽水蒸汽 空气t1 t2 水蒸汽 水蒸汽 a 串联方案 b 并联方案 解 1 以下标 a 表示串联 下标 b 表示并联 qm1 qm2分别指串联与并联时空气的质量流量 bm am 12pbm 12pam q q ttcq ttcq Q Q b a 在 m tKAQ 公式中 两种情况下 ba AA mbma tt b a b a b a K K Q Q 式中 ba 分别表示串联与并联时 管内空气侧的 值 8 08 0 Re Re b a b a b a b a u u Q Q 3 由 nd q u nd q u ba 2785 0 785 0 2 bm 2 am 可得 b a b a Q Q q q u u 22 bm am 代入 式 8 0 8 0 8 08 0 22 b a b a b a b a Q Q Q Q u u Q Q 解得 8 0 2 0 2 b a Q Q 1624 am am Q Q q q a 所以 从提高生产能力看 串联优于并联 2 2 2 2 2 2 b a b a b a b b b b a a a a bf af u u l l u d l u d l p p 式中 2 b a l l 0 25 Re 0 3164 25 025 0 Re Re a b a b b a u u 75 1225 0 22 b a b a a b b a u u u u u u p p 由 1 已知 321622 bm am q q u u b a 861322 75 1 bf af p p 讨论讨论 从传热的角度看 串联有利于提高生产能力 这是因为串联操作能够利用流量增加而 带来的总传热系数增加这一有利因素 但串联操作输送消耗的能量太大 所以在生产上若要 提高生产能力 常采用并联方案 3 有一单管程列管式换热器 该换热器管径为 25 2 5mm 管 子数 37 根 管长 2 米 今拟采用此换热器冷凝并冷却 CS2饱和 蒸汽 自饱和温度 46 冷却到 10 CS2在壳程冷凝 其流量为 300kg h 冷凝潜热为 351 6kJ kg 冷却水在管程流动 进口温度 为 5 出口温度为 32 逆流流动 已知 CS2在冷凝和冷却时 的传热系数分别为K 291W m 2 1 K及K 174W m 2 2 K 问此换热器是否适用 传热面积 A 及传热系数均以外表面 4 解 已知列管尺寸 2525 mm l 3m n 37 题中所给的两个 K 值均以外表面积为基准 现有传热面积 2 2 1 1实实 m m8 8 5 537372 2025025 0 01414 3 3 n nl ld dA A 总传热量QQQ 12 式中 Q1为冷凝段热负荷 Q2为冷却段热负荷 已知kJ kg6 351 r 查得 4610 2 28 时 CS2的比热cp10963 kJ kg K Qm rm cp s1s1 kW 1 46102932893219 其中Q129 3 kW Q2289 kW 为求 A1 A2就应求出两段交界处冷却水温度 t m cQ ps22 325 m Q cp s2 kg s 2 325 3219 418727 0285 对于冷凝段 Qm ct p12 32 s2 t Q m cp 3232 293 41870285 745 1 2s2 则 tm1 3855 14 3855 14 2424 ln tm2 38555 3855 5 1643 ln 2 33 m22 2 m11 1 21 m17 501 116 4 43 16174 1089 2 24 24291 103 29 tK Q tK Q AAA 需需需 AA 实需 可满足生产要求 传热面积富裕 2 2 1212 1717 5 5 1717 5 58 8 5 5 46 46 32 7 45 14 38 55 46 10 7 45 5 38 55 5 A t Q1 A1 Q2 A2 K1 K2 t 46 32 10 5 5 4 用套管换热器每小时冷凝甲苯蒸汽 1000kg 冷凝温度为 110 冷凝潜热为 363 kJ kg 冷凝传热系数 10000W m2 换热器的内管尺寸为 57 3 5mm 外管尺寸为 89 3 5mm 有效长度为 5m 冷却水初温为 16 以 3000kg h 的流量进入内管 比热 为 4 174kJ kg 粘度为 1 11cP 密度为 995kg m3 忽略管壁热阻 污垢热阻及热损失 求 1 冷却水出口温度 2 管内水的对流传热系数 3 若将内管改为 47 3 5mm 的钢管 长度不变 冷却水的流量及进口温度不变 问蒸汽冷凝量变为原来的多少倍 解 1 W100083 1kJ h1063 33631000 55 1 m rqQ 由热平衡方程式 rqttcqQ m112p2m2 可得 45 174 43000 3631000 16 p2m2 1 m 12 cq rq tt 2 由 4516 110110 可得 6 78 65 94 ln 6594 m t 由 m tKAQ 可得 2 5 m2 2 W m1433 6 785057 0 100083 1 tA Q K 由 1 2 122 111 d d K 可得 4 4 2 1 2211 102442 5 057 0 05 0 101 1 1433 1 11 1 d d K m2 K W 1 1907 2 W m 3 原管 44 3 101091 1 1011 105 014 3 3600 300044 Re d qdu m 湍流 现管 44 3 101039 2 1011 104 014 3 3600 300044 Re d qm 湍流 8 1 1 1 d 即 2 8 18 1 11 W m2850 04 0 05 0 1907 d d 1 4 1 1 2 12 2 04 0 047 0 2850 1 101 1 11 d d K 1952 2 W m 由 22 22 2 1 ln pm cq AK tT tT 可得 123 1 057 0 047 0 1433 1952 ln ln 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 d d K K A A K K tT tT tT tT 45110 16110 ln123 1 110 16110 ln 2 t 9 47 2 t 下降了 由热平衡方程 rqttcqQ m112p2m2 1 1 1645 169 47 12 12 12p2m2 12p2m2 1 1 tt tt ttcq ttcq Q Q q q m m 6 5 一单壳程双管程列管式换热器 用130 的饱和水蒸汽将36000kg h的乙醇水溶液从25 加热到80 列管换热器由90根 25 2 5mm 长3m的钢管管束组成 乙醇水溶液走管 程 饱和水蒸汽走壳程 已知钢的导热系数为45W m K 乙醇水溶液在定性温度下的密 度为880kg m3 粘度为1 2 10 3Pa s 比热为4 02kJ kg K 导热系数为0 42W m K 水蒸 汽的冷凝传热系数为10000W m2 K 忽略污垢热阻及热损失 试问 1 此换热器能否完成任务 2 若乙醇水溶液流量增加20 而溶液进口温度 饱和水蒸汽压力不变的条件下 仍 用原换热器 乙醇水溶液的出口温度变为多少 乙醇水溶液的物性可视为不变 解 1 W10211 2 2580 1002 43600 36000 63 12p2m2 ttcqQ需 需 1 74 80130 25130 ln 80130 25130 m t 2 m2 213025 014 390 A m s80 0 02 045785 08803600 36000 2 u 44 3 101017 1 102 1 88080 002 0 Re 湍流 49 11 42 0 102 11002 4 Pr 33 在0 7 160之间 50150 02 0 3 d l 所以可用下式 24 0 8 0 4 1 W m230549 111017 1 02 0 42 0 023 0 K Wm1004 7 20 25 2305 1 45 0025 0 5 22 25 10 1111 24 4 1 2 1m 2 22 d d d db K 所以 K2 1420 W m2 K W1023 213 742 211420 6 m tKA