第二章 传热与换热设备Word下载.docx
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Δt=(t1-t’2)+(t’2-t’3)=(t1-t’3)
则有:
=(t1-t’3)/(+)
于是:
(1-)×
100%=1-×
100%
=1-×
=42.5%
包裹石棉后,炉壁的热损失比原来减少了约42.5%。
2-3某蒸汽管道(钢管)其导热系数λ=45W/m·
K,管径为φ144×
4,管内壁温度为110℃,管外壁温度为80℃。
求每米管线的散热速率。
根据单层圆筒壁的导热公式有:
Q/L=·
(t1-t2)
已知:
r1=(144-2×
4)/2=68(mm)=0.068m
r2=144/2=72(mm)=0.072m
则:
Q/L=×
(110-80)=4.944×
m-1)
该管道每米管线的散热速率为4.944kJ·
s-1。
—16—
2-4某厂用φ57×
3.5的无缝钢管输送水蒸气,管外包有的隔热层。
第一层为50mm厚的玻璃棉毡,第二层为20mm厚的石棉层。
已知,管内壁温度为120℃,石棉层外壁温度为30℃。
⑴求每米管线的散热速率;
⑵若将石棉层改为内层,玻璃棉毡为外层,则每米管线的散热速率又将如何?
1.每米管线的散热速率
⑴查取、计算有关数据
①导热系数
无缝钢管λ1=45W·
K-1;
玻璃棉毡λ2=0.046W·
石棉层λ3=0.24W·
②管线各层半径
r1=(57-2×
3.5)/2=25(mm)=0.025m
r2=57/2=28.5(mm)=0.0285m(钢管外半径)
r3=57/2+50=78.5(mm)=0.0785m
r4=r3+20×
10-3=0.0785+0.02=0.0985(m)
⑵每米管线的散热速率
Q/L=·
Δt
=
==24.6(J·
2.将石棉层改为内层后,每米管线的散热速率
⑴管线各层半径
—17—
r3=57/2+20=48.5(mm)=0.0485m(石棉层外半径)
r4=r3+50×
10-3=0.0485+0.02=0.0985(m)(玻璃棉毡层外半径)
Q’/L=
==32.1(J·
石棉层为外层时,每米管线的散热速率为24.6J·
s-1;
将石棉层改为内层后,每米管线的散热速率为32.1J·
另外,由计算结果可知:
①对于多层保温材料,热阻大的材料,应放内层,其保温效果较好;
②钢管的热阻远远小于石棉层及玻璃棉毡,可忽略不计。
2-5在φ50mm×
5mm的不锈钢管(λ1=16W·
K-1)外包扎30mm厚的石棉(λ2=0.22W·
K-1),测得管内壁面温度为600℃,石棉外壁面温度为100℃;
试求每米管线的热损失。
若上述温差保持不变,欲使热损失减少60%,在石棉外层再包裹一层保温材料(λ3=0.07W·
K-1)。
该保温材料的厚度应为多少?
⑴管线的热损失
①管线各层半径
r1=(50-2×
5)/2=20(mm)=0.02m,
r2=r1+5×
10-3=0.025(m),r3=r2+30×
10-3=0.055(m);
②导热系数
λ1=16W·
K-1,λ2=0.22W·
K-1。
—18—
③管线的热损失
Q/L==
=873(J·
⑵需加保温层的厚度
①确定管线的热损失
Q’/L=873-873×
60%
=349.2(J·
②求r4
349.2=
移项整理有:
349.2×
[3.598+14.29·
ln(r4/55)]=3140
1256.4+4990·
ln(r4/55)=3140
ln(r4/55)=(3140-1256.4)/4990=0.377
lnr4=0.377+ln55=0.377+4.007=4.384
r4=arcln4.384=80(mm)
③确定保温材料的厚度
r4-r3=80-55=25(mm)=0.025m
①管线的热损失为873J·
m-1;
②欲使热损失减少60%,需在石棉外层再包裹一层厚度为25mm的保温材料。
2-6什么是对流传热?
在生物化工生产实际中,常见的对流传热包含哪些传热过程?
⑴所谓对流传热是指,流体中质点发生相对位移而引起的热交换。
对流传热
—19—
仅发生在流体中,与流体的流动状况密切相关。
⑵在生物化工生产中所指的对流传热有,“自然对流传热”和“强制对流传热”两种基本类型。
自然对流传热主要由流体的热胀冷缩引起的对流传热;
强制对流传热主要由流体质点受外力作用引起的对流传热。
2-7某厂用120℃的水蒸气通过列管式换热器预热空气。
已知,换热器的管束为φ38×
3的钢管,空气的流速为14m/s;
要求将空气由20℃加热到80℃。
求管壁对空气的给热系数。
⑴确定空气的流动形态
①查取、计算有关数据
空气的定性温度(80+20)/2=50℃
空气的粘度μ空气50℃=1.96×
10-5kg·
s-1
空气的密度ρ空气50℃=1.093kg·
m-3
钢管直径d=38-2×
3=32(mm)=0.032m
②求雷诺准数(Re)
Re===2.5×
104
Re=2.5×
104>4000,属于湍流。
⑵求管壁对空气的给热系数(空气属于低粘度流体)
Nu=(α·
l)/λ=0.023·
Re0.8·
Prn
比热Cp(空气)=1.017×
103J·
kg-1·
K-1
导热系数λ空气=2.83×
10-2W·
Prandt准数Pr=(Cp·
μ)/λ
=(1.017×
103×
1.96×
10-5)/2.83×
10-2
=0.704
加热指数n=0.4(空气被加热)
②求Nusselt准数(Nu)
Nu=0.023×
(2.5×
104)0.8×
0.7040.4=65.94
—20—
③求管壁对空气的给热系数(α)
α=(Nu·
λ)/l=(Nu·
λ)/d=(65.94×
2.83×
10-2)/0.032
=58.3(W·
m-2·
K-1)
管壁对空气的给热系数α=58.3W·
2-8某厂用列管式换热器对流速为1.1m·
s-1的冷油进行预热,换热器管子的规格为φ38×
3,欲将冷油由25℃预热到125℃。
已知,在定性温度下,冷油的有关参数为:
ρ=850kg·
m-3;
Cp=2.5kJ·
μ=2×
10-3Pa·
s;
λ=0.12W·
求冷油对管壁的给热系数。
⑴
求雷诺准数(Re),确定空气的流动形态
Re===1.496×
Re=1.5×
⑵求给热系数
①选择计算公式
由于:
μ油=2×
s>
2μ水≈2×
8×
10-4Pa·
s(属于高粘度流体)
Nu=(α·
l)/λ=0.027Re0.8·
Pr0.33·
(μ/μW)0.14
②计算、确定有关数据
μ)/λ=(2.5×
2×
10-3)/0.12=41.67
粘度比μ/μW≈1[在给定条件下,μ(流体的粘度)与μW(壁面温度下流体的粘度)近似相等]
③求Nusselt准数(Nu)
Nu≈0.027(1.496×
41.670.33=202
④求给热系数(α)
α=(Nu·
λ)/d=(202×
0.12)/0.032=758(W·
冷油对管壁的给热系数α=758W·
—21—
2-9采用列管换热器预热原油,列管由φ53×
1.5的钢管组成(导热系数为50W·
管内原油的给热系数为100W·
K-1,管外饱和水蒸汽的给热系数为104W·
求换热器的总传热系数。
⑴管道平均半径
rm===25.7(mm)
=0.0257m
⑵总传热系数
K=(圆筒壁的总传热系数)
==
=0.096(W·
换热器的总传热系数K=0.096W·
此外,从上述计算过程中可知,管内原油的热阻是热交换过程的控制因素。
2-10某换热器的换热面积为2.16m2,换热器内冷、热两流体采用逆流方式进行换热。
已知,冷流体(冷水)的流量为0.837L·
s-1,热流体(热水)的流量为0.810L·
冷水的进、出口温度分别为30℃、52℃;
热水的进、出口温度分别为64℃、40℃。
求该换热器的热负荷及传热的平均温度差。
1.平均温度差
Δtm=
对于逆流操作:
Δt1=64-52=12(K)
Δt2=40-30=10(K)
—22—
Δtm==11(K)
2.热负荷(无相变)
Q工艺=Ws·
Cp•Δt
⑴以热流体(热水)的放热量计算
热熔Cp(水)=4.187kJ·
密度ρ(水)=1.0×
103kg·
质量流量Ws=0.810×
1.0×
103/1000=8.10(kg·
s-1)
②热负荷
Q工艺=Q放=0.810×
4.187×
(64-40)
=8.14×
104(W)
⑵以冷水的吸热量计算
Q工艺=Q吸=Ws·
Cp•Δt=0.837×
(52-30)
=7.71×
①采用逆流方式进行换热,该换热器传热的平均温度差为11K(℃);
②从上述计算结果来看,Q放>
Q吸,说明换热过程中有热损耗。
因此,该换热器的热负荷应为77.1kW(kJ·
s-1)。
2-11将1500kg·
h-1、80℃的料液(Cp=1.3817×
103J·
kg·
K-1)通过换热器冷却到40℃。
冷却水的进口温度为30℃,出口温度不超过35℃。
求该换热器的热负荷及冷却水的用量。
⑴热负荷
设:
换热过程中无相变;
工艺目的是冷却料液,以料液放热计算。
Q工艺=Q放=Ws·
Cp•ΔT
=1500/3600×
1.3817×
(80-40)=23.03×
103(W)
—23—
⑵冷却水用量
假设:
在换热过程中无热损耗(理想过程);
并且,Cp(水)=4.187kJ·
Q放=Q吸=Ws(水)·
Cp(水)•Δt
Ws(水)=Q放/(Cp(水)•Δt)=23.03×
103/[4.187×
(35-30)]
=1.1(kg·
该换热器的热负荷Q工艺=23.03×
103W;
在不考虑热损耗的前提下,冷却水的用量Ws(水)=1.1kg·
2-12某厂选择φ38×
1.5的钢管设计管壳式加热器,并用换热器将质量流量为40T·
h-1的NaOH溶液由20℃加热至75℃。
已知:
NaOH溶液以0.7m·
s-1流速通过管道,它在管程内的传热系数为930.4W·
K-1,密度为1100kg·
m-3。
加热剂为p表=1atm的饱和水蒸汽,温度为119.6℃,它在壳层内的传热系数为11630W·
钢管的导热系数λ=46.5W·
确定加热器所需的传热面积、管数和管程数。
要确定加热器(换热器)所需的传热面积、管数和管程数等,须先确定加热器的热负荷、总传热系数、平均温度差等数据。
由于换热器是用于加热NaOH溶液,因此热负荷应按NaOH溶液的吸热量进行计算。
热熔Cp=3768.3J·
质量流量Ws=40×
1000/3600=11.1(kg·
②计算热负荷
Q工艺=11.1×
3768.3×
(75-20)=2.3×
106(W)=2.3×
103kW
—24—
⑵总传热系数(圆筒壁)
K=
由于NaOH溶液具有强腐蚀性,选择走管壳式换热器的管程,加热饱和水蒸汽走壳程。
①管道平均半径
rm===18.2(mm)=0.0182m
②总传热系数
K=
==869(W·
⑶平均温度差
根据逆流原理进行热交换:
Δt1=119.6-75=44.6(K)
Δt2=119.6-20=99.6(K)
Δtm===68.5(K)
⑷平均传热面积
由总传热速率方程(Q=K·
Am·
Δtm)可知,换热器的平均传热面积为:
Am=Q/(K·
Δtm)≈Q工艺/(K·
Δtm)
=2.3×
106/(869×
68.5)=38.6(m2)
⑸换热器所需管子的根数(n)
n=
为了使加热器便于清洗、维护,可将每根管子的长度设计为L=4m。
由于
—25—
换热器所用管子的管壁较薄(φ38×
1.5),可近似认为:
Am≈A外≈A内
于是有:
n===84(根)
⑸换热器程数(m)
①按单程试算
设,NaOH溶液在列管式加热器管道(管程)中的流速为u’,则溶液的质量流量为:
Ws=n·
ρ·
A内·
u’=n·
π•r12·
u’
u’≈Ws/(n·
π•r12)=11.1/(84×
1100×
3.14×
0.01752)
=0.125(m/s)
u’<
u(工艺)=0.7m·
s-1,所以不能采用单程式换热器;
若要满足工艺要求,必须采用多程式换热器。
②换热器的程数(m)
对于列管式换热器,其流量与管子数(n)成正比;
或者说,其流速(u)与于管子数(n)成正比。
m=n/n’=u/u’=0.7/0.125=6(程)
因为n=84(根),m=6(程);
则每程设n/m=84/6=14根管子。
该换热器所需的总传热面积Am=38.6m2;
管程数m=6;
每程设置14根管子,共需84根管子。
—26—
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