传热习题课计算题要点.docx
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传热习题课计算题要点
1、现测定一传热面积为2m2的列管式换热器的总传热系数K值。
已知热水走管程,测得其流量为1500kg/h,进口温度为80C,出口温度为50C;冷水走壳程,测得进口温度为15C,出口温度为30C,逆流流动。
(取水的比热cp=4.18X03J/kgK)
解:
换热器的传热量:
Q=qmCp(T2-T1)
3
=1500/3600>4.18M03X(80—50)=52.25kW传热温度差△tm:
热流体80-50
冷流体30・15
△t1=50,△t2=35
_50
辻235
传热温度差△tm可用算数平均值:
2、一列管换热器,由©25>2mm的126根不锈钢管组成。
平均比热为4187J/kgG的某溶液在管内作湍流流动,其流量为15000kg/h,并由20E加热到80C,温度为110C的饱和水蒸汽在壳方冷凝。
已知单管程时管壁对溶液的传热系数a为520W/m2-C,蒸汽对管壁的传热系数a为1.16X04W/m2C,不锈钢管的导热系数匸仃W/m-C,忽略垢层热阻和热损失。
试求:
管程为单程时的列管长度(有效长度)
(总传热系数:
以管平均面积为基准,丄=丄色丄•丄色)
K:
-idi%do
解:
传热量:
Q=qmCp(t2-tl)
=15000/36004187X(80—20)"1.05106W
总传热系数:
(以管平均面积为基准)
dm
K:
-i4乂丸d0
11230.0021
K_52021171.16104
解得:
K=434.19W/m2-C
对数平均温差:
110110
2080
△t1=90
△t2=30
•讥m
一・讥2
In£t2
90-30
In9030
=54.61C
传热面积:
Q二KAm=tm
Am
105106
4341954.61
Am=n二dmL;
列管长度:
Am
n二dm
44.28
1263.140.023
23
25
44.28m2
4.87m
3、有一列管式换热器,装有©25>2.5mm钢管320根,其管长为2m,要求将质量流量为8000kg/h的常压空气于管程由20T加热到85C,选用108C饱和蒸汽于壳程冷凝加热之。
若水蒸汽的冷凝传热膜系数为1xi04W/m2K,管壁及两侧污垢热阻均忽略不计,而且不计热损失,已知空气在平均温度下的物性常数:
入=2.85X1w/m-K,卩=198XI0-5N-s/m2,
Cp=1kJ/kgK,Pr=0.7。
试求:
(1)空气在管内的对流传热系数;
(2)求换热器的总传热系数(以管子外表面为基准);
(3)通过计算说明该换热器能否满足要求;
(4)计算说明管壁温度接近于哪一侧的流体温度。
解:
(1)空气在管内流速:
qv
—d2n
du「
qm
P
8000
3600
d2n
4
0.0222.12
71
19810』
(0.02)2320?
4
二22343.43104
1
-22.12
P
0.6vPr=0.7v160
l/d=2/0.02=100>50
传热系数a=0.023
Re0'
Pr
0.4
2.85汇1008042
=0.023汉火22343.43火0.7=85.68W/m2K
0.02
2
解得:
K=68.08W/m2K
(2)总传热系数:
111do
=+
K:
°:
idi
11125
K-110485.6820
(3)传热量:
Q=KA£二qmCp(J-ti)
实际所需传热面积:
qmCp(t?
-ti)
Ktm
.也_Ct2
二11
ln1
:
-12
108108
2085
△t2=23
88-23
48.44°C
88
In-
23
8000
10
3600
10385-20
2
=43.80m
68.0848.44
该换热器所能提供传热面积A:
A二n二dl=3203.140.0252二50.24m
TAVA•••该换热器能满足要求。
(4)Q=qmCp(t2-ti)=80001.0103(85-20)=1.44105W3600
5
Q1.44"0
TW二T1084107.71C
«oAo仆10x50.24
Ai=n二dil=3203.14@022=40.19m2
94.32C
a大的一侧流体温度)
丄丄Q20+851.44x105
tW=t
:
iA285.6840.19
所以:
壁温接近于蒸汽流体一侧(或者说接近
4、用110C的饱和水蒸汽将流量为35m3/h的某稀溶液在双程列管换热器中从75C加热至90C。
若每程有直径为©25&.5mm的管子30根,且以管外表面积为基准的传热系数K=2800W/m2.C,蒸汽侧污垢热阻和管璧热阻可忽略不计。
试求:
(1)换热器所需的管长;
(2)当操作一年后,由于污垢累积,溶液侧的污垢系数为0.00008m2.r/W,若维持溶
液的原流量及进口温度不变,其出口温度为多少?
又若必须保证溶液原出口温度,可采用什么措施?
3
注:
溶液的密度及比热与水近似:
p=1000kg/m;cp=4.2kJ/kgr。
解:
(1)110
75
110
90
35
20
爼_At2
■■:
tm
In加2
V20T268O(或—1tM。
3505O
In352022
3533
Q=qmCp(t2-切=qvJCp(t2-切10004.210(90-75)=612.510W
600
传热面积:
3
Q612.5x1032
A816m
K^m2800x2680
A=nnd(2L)
L=A/(2nnd)=8.16/(2X30nX0.0251.7m
(2)
所以:
dodi
1do
Kdi
R1
-0.0000825
280020
解得:
措施:
K=2188W/m2C
110110
75t2
35110—12
Q二KAtm二qmCp(t2-tj
21888.16
35_(110_t2)
735
In
110-t2
351000
3600
3,
4.210t2
-75
t2〜8C
(1)提高加热蒸汽温度(调节蒸汽的压力);
2)清除污垢。
5、热空气在©25>2.5mm的钢管外流过,对流给热系数为50W/m〔K,冷却水在管内流过,对流给热系数为1000W/m2.K,已知钢管的导热系数、W/m・K,水侧污垢热阻Rsi0.5810Jm2K/W,热空气侧污垢热阻尺。
0.510;m2K/W。
试求:
(1)传热系数;
(2)若管内对流给热系数增大一倍,传热系数有何变化?
(3)若管外对流给热系数增大一倍,传热系数有何变化?
K)
解:
已知:
。
=50W/(m2K),:
厂100CW/(m2
11丄厂丄bd。
丄厂d。
丄d。
(1)Rs。
Rsi
()K0dmdi:
idi
1
50
0.510”
2.510”25
4522.5
325
0.5810
20
25
100020
-0.020.00050.0000620.0007250.00125
2
=0.0225mK/W
K=44.4W/(m2K)
(2)若管内对流给热系数增大一倍,其他条件不变,即
1
1
-bd°
Rso0
rd0d0
-Rsi00-
K
■0
m
di2idi
1
3
2.510’25;
25
25
—
0.510
0.5810
+
50
4522.5
20
2100020
解得:
K=45.6W/(m2K)
45.6—44.4鼻ccc/cm
传热系数提高:
100%=2.7%
(3)若管外对流给热系数增大一倍,其他条件不变,即
1rbd°fd°d。
Rso-■Rsi0-
2-0'dmdi:
idi
1
250
0.510^
2.510~25
+
4522.5
0.5810」哲
20
25
+
100020
解得:
K,79.8w/(m2K)
传热系数提高:
798_444
100%=79.7%
44.4
6、某厂只能用120C饱和水蒸汽,通过©25>2.5mm、长3m的单管程列管式换热器,将列管内的17.2[m3/h]水溶液从20C加热到75C,冷凝水于饱和温度下排出。
已知管侧水溶液:
i=2500[W/m2C],壳侧蒸汽:
o=10000[W/m2C],溶液在管内呈湍流,试问换热器的管数为若干?
水溶液密度r=i050kg/m3,比热为4.17kJ/kg-C。
热损失及管壁、垢层热阻均可忽略。
检修时发现该换热器有三根管子已坏,拟将坏管堵塞再继续使用,试问此方案是否可行(通过计算或推导说明)?
解:
(1)
Q=qmCp:
t二久讥佗-切=17.210504.17103(75-20)=1151103[W]3600
:
.u0-8,且——n(连续性方程)
『An
故“中0-8「(菩0-825叽沁嘶2c]
1
丄do
I2
1750[W/mC]1251
+
26502010000
2
A’FTdln=3.140-025340=9.425[m2]
Q=KA:
tm=17509-42568.88=1136103[W]
-Q:
:
Q,不能完成换热任务
7、有单程列管换热器,传热面积为4m2,由252.5mm的管子组成。
用初温为25C的水,将机油由200C冷却至100C,水走管内,油走管间。
已知水和机油的质量流量分别为1200kg/h和1400kg/h,其比热分别为4.18kJ/(kg「C)和2.0kJ/(kg「C),水侧和油侧的对流传热系数分别为:
1800W/(mi•C)和200W/(m•C),两流体呈逆流流动,忽略管壁和污垢热阻,忽略热损失。
试校核该换器是否适用?
2.8105
=2580.8C
12004.18
解:
机油放出的热量:
Q=qm1Cp1(T1-T2)=14002.0(200-100)=2.8105kJ/h
冷却水的出口温度:
鮎二tl-^―
qm2Cp2
对数平均温差:
热流体200-100
冷流体80.8・25
180020200
•••传热所需面积大于换热器的传热面积
•••该换热器不适用。
8、在内管为18910mm的套管换热器中,将流量为3600kg/h的某液态烃从100C冷却到65C,其平均比热容cp1=2.38kJ/(kg「C),环隙走冷却水,其进出口温度分别为40C和50C,平均比热容Cp2=4.17kJ/(kg•C),基于传热外表面积的总传热系数K二2000W/(m•C),假设其值恒定,忽略热损失。
试求:
(1)冷却水用量;
(2)计算两流体在逆流下的平均温差;
(3)所需传热面积。
解:
(1)冷却水用量:
qm1Cp1仃1-T2)=qm2Cp2(t2-切
36002.38(100-65)=qm24.17(50-40)
qm2二7191.4kg/h
(2)逆流下的平均温差
热流体100-
冷流体50・
匕-£
"tm逆二—寸
In1
(T|-七2)-(E-tj
65
40
(100-50)-(65-40):
I100-50
In
65-40
36TC
(3)所需传热面积传热量为:
Q=qm1cp1(T1-T2^36002.38(100-65)=2.9988105kJ/h二83300W
9、100C的水蒸气在管壳式换热器的管外冷凝,冷凝潜热为2258.4kJ/kg,总传热系数
为2039W/(m2-C),传热面积12.75m2;15C的冷却水以2.25X105kg/h流量在管内流过,设
总传热温差可以用算术平均值计算,试求:
(1)冷却水出口温度;
2)水蒸气冷凝量(kg/h)
解:
100100
1512
(1)冷却水出口温度
Q=qm2Cp2(t2-tj=KAtm
-(T—tj+(T—12)(100—15)+(100—t2)(185—t2)
匚tm:
222
Q=2.251054.18103@-15)=203912.75(185-t2)/2
t=23.1C
(2)水蒸气冷凝量(kg/h)
Q二KA心=203912.75(185-23.1)/2=2105kW
qmi=Q/r=21053600/2258.4二3355kg/h
10、在列管式换热器中用热水加热冷水,热水流量为4.5X103kg/h,温度从95C冷却至
55C,冷水温度从20C升到50E,总传热系数为2.8Xl03W/(mhC)。
已知:
Cp林=4.181kJ/(kg「C),Cg水=4.174kJ/(kg「C)。
试求:
(1)冷却水流量;
(2)两种流体做逆流时的平均温度差和所需的换热面积;
(3)两种流体做并流时的平均温度差和所需的换热面积;
(4)依据计算结果,对逆流和并流做一比较,可得到那些结论。
解:
(1)冷却水流量
•/Qh=Qc
qmhCphT=qmcCpct
4.51034.181(95-55)
qmc4.174(50-20)
qmc=6010kg/h
(2)
热流体95-55
冷流体50・20
二39.8C
(95-50)-(55-20)
I95-50In
55-20
KA逆•■:
tm®=qmhCph=T="
4.51034.181103(95-55)
360^2.^10^39.8
(3)
热流体95-55
冷流体20—50
二25.85C
(95—20)・(55—50)
I95-20In
55-50
KA并二tm并二qmhCph'T=
33
2.89m2
4.51034.181103(95-55)
3
36002.81025.85
(4)
1
A逆:
:
:
A并;
在相同的进、出口温度的条件下,平均温度差厶垢逆•厶怙并
2逆流操作时,热流体用量可以比并流操作时少。
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