傳熱過程及換熱器例題

1、傳熱過程與換熱器1 一外直徑為20mm的導(dǎo)線用橡膠做絕緣，橡膠絕緣層的厚度為10mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(mK)，它與外部空氣間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10W/(m2.K)。試分析此情況下的橡膠絕緣層是否妨礙導(dǎo)線的散熱。解本題導(dǎo)線外直徑di =20mm，絕緣層厚度：=10mm，則絕緣層外直徑d2 2*=20-2 10 =40mm。臨界絕緣直徑de為dc =2 _L=2 015 =0.03m =30mm h210顯然，導(dǎo)線絕緣層外直徑大于臨界絕緣直徑，即d2dc，此時的熱阻比臨界絕緣直徑時的熱阻要大，使得導(dǎo)線的散熱量減少。因此從有利于導(dǎo)線的散熱考慮，橡膠絕緣層厚度應(yīng)取 (dc-di)/2 =(30

2、 -20)/2 =5mm 為宜。2 .已知熱流體進口溫度為80C，出口溫度為50C，而冷流體進口溫度為10C，岀口溫度為30 C。試計算換熱器為下列情況下的對數(shù)平均溫壓。純順流。純逆流。1-2型殼管式。解 根據(jù)題意，t ；二80 C,帚二50 C； t2A10C,t ；二30 C,貝 U(1 )純順流時t 二 t ;七=80 -10 =70C； t # -t2 =50 -30 =20C,則丄tm1ZT At” 7020:7039.9cln() In:t20 純逆流時、*-t2 =80 30=50 C ； f =ti-ta =5010=40 C,則tm2勺一 址 5040=44.8 Cln( :

3、 t40即 可o30-10* jU1 1” i寸巾，查得1弋型殼管式換熱t(yī)2 -t230 10tl -t23 1-2型殼管式，因為不是純順流或純逆流，因此需要先按純逆流考慮，再進行修正gp=f (R, P) =f (1.5,0.284) =0.95.tmA - :tm2= 0.95 : 44.8 = 42.6 C可見，換熱器在相同的流體進、出口溫度下，以純逆流方式的對數(shù)平均溫壓最大，純順流 方式的對數(shù)平均溫壓最小，其他方式的對數(shù)平均溫壓介于純逆流和純順流之間。3 一間壁式換熱器，熱流體質(zhì)量流量為275kg/h，溫度由t : =12 0C冷卻到t二50 C,冷流體質(zhì)量流量為1000kg/h，進口

4、溫度由tTO C,已知熱流體的比熱容為3.0 kJ/(kgK),冷流體的比熱容為4.2kJ/(kgK)。若使得該換熱器的傳熱系數(shù)為1200 W/(m2- K)，試計算該換熱器采用純順流和純逆流方式布置時各自所需的換熱面積。解 根據(jù)熱平衡方程式計算冷流體的出口溫度t2 為=m1Cp1 5 匕)=qm2Cp22 - ：2)qm1 Cp1” R 2 CtHt2(ti t r) =10(120 50) =23.75 Cqm2 Cp21000 4.2該換熱器的換熱量為，從 2753二 qmlCp1(tl (7)(3.0 10)(120 -50) =16041.7 W600或Ut10003=qm2Cp2(

5、t2 12)(4.2 10 ) (23.7510) =16041.7 W600則順流布置時，對數(shù)平均溫壓 Atm,p為,t述仙一一仙1T2),，tm, p=vt, 42In彳2tn -tL1 2M20 -10 rsn 9 7F In,120-1010 50 23.75=58.5 C逆流布置時對數(shù)平均溫壓也tm,c為ln t ； _t2In23t.L1 2(120 23.75)(5010)In 12O_237550-10= 64.1 C根據(jù)傳熱過程方程式得順流布置時的換熱面積P kAtm,P16041,70.229 m21200匯58.5逆流布置時的換熱面積A為Ac =16041.71200 6

6、4.1=0.209 m234 一冷卻器的管內(nèi)為冷卻水，管外是被冷卻的壓縮空氣。冷卻管道外直徑為16mm，厚度為1.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為111 W/(mK)，冷卻水與管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為6000 W/(m 2- K),壓縮空氣橫向繞流冷卻管道，空氣與管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為90 W/(m2- K)。試求：(1)該冷卻器的傳熱系數(shù)。(2)若壓縮空氣與冷卻管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加一倍，傳熱系數(shù)有何變化。(3)若冷卻水與冷卻管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加一倍，傳熱系數(shù)又如何。解(1)以管道外表面積為基準的傳熱系數(shù)k2的表達式為k2=(亜丄dn d2 丄 1 二d小2.石+JIn1616-2 1.5dg 1 .

7、 d_2_|n d2 d2-2:; m2ZH d2-2/16 1 .16 10”(16-2 1.5 6000FFH0.000205 0.0000419 0.0111=88.5 W/(m2 K)比較上式分母中的三項熱阻，管壁導(dǎo)熱熱阻遠小于另外兩項，既使略去，對傳熱系數(shù)的影響也極小，因此以下計算中略去管壁導(dǎo)熱熱阻。(2)壓縮空氣與冷卻管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加一倍，則略去管壁導(dǎo)熱熱阻后的傳熱系數(shù)計算式為d2 1RA( d2 2: hi/16 1=(16_2 1.5 60002=174 W/(m K)可見傳熱系數(shù)k2較(1)中傳熱系數(shù)增加了 96：。(3)冷卻水與冷卻管道間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加一倍，則略

8、去管壁導(dǎo)熱熱阻后的傳熱系數(shù)計算式為16114=()16-2 1.5 1200090=89.2 W/(m2 K)可見傳熱系數(shù)區(qū)較中傳熱系數(shù)辰只增加了不到1% o這說明強化空氣側(cè)換熱所得的效果遠較強化冷卻水側(cè)好。因此要強化一個具體的傳熱過程，應(yīng)針對分熱阻最大的那個環(huán)節(jié)采 取相應(yīng)措施才能收到顯著效果。5 .現(xiàn)欲用7C的冷媒水將溫度為37C、流量為0.1kg/s的空氣冷卻至12C。冷媒水出口溫度為 15C，它在管內(nèi)流動的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000 W/(m 2 K) o空氣在管外流動的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為30W/(m 2 K)，管道外直徑為20mm，壁厚為2mm，管壁材料的熱阻可忽略。求：(1)采用光管，最少需

9、要多長的管子？(2)若在管外加裝肋片(肋化系數(shù)為7,肋面總效率為0.8),則最少需要多長的管子？已知空氣的物性為：1.23 kg/m3 ,Cp =1.005 kJ/(kg K) , =0.026 W/(m K)；冷媒 水的物性為：r=1000 kg/m3 ,CP =4.2 kJ/(kg K)，星=0.56 W/(m K) o解：由冷媒水出口溫度可知該換熱器為逆流布置，求對數(shù)平均溫壓:(3715)12(7)1,37-15In12-(-7)=20.46心 (t；t2)他一t2)t： -t21甘)則根據(jù)熱平衡方程式，可得換熱量：r-qmicpi(t ； -0.1 (1.005 103) (37 T2

10、) =2512.5 W11 di1 *120_2x2h-i h2 d21000 3020根據(jù)傳熱過程方程式，可求光管最小長度：:：二 k （二chi ） . : tm36.14W/(m2 - K)2512.5= 67.6 m=l3k;idi 心 t 36.14 x 3.14 x (20 _2x20)x 10x 20.46（2）管外加裝肋片后，以內(nèi)表面為基準的傳熱系數(shù)（忽略管壁熱阻）：,2K= 111 1_1hi h21 o 1000 30 7 0.8同理，由傳熱過程方程式可得肋片管最小長度：:k （二d I ） =tm=1438 W/(m K)2512.5=l=16.99 m3kirrh ti

11、n 143 a y 3 1 d y (9C9 y 20 y 1 0 1 y 20 4A6一逆流式換熱器剛投入工作時在下列參數(shù)下運行:匕=360 C, t/ = 300 C，K）。運行一年后發(fā)現(xiàn)，在t2 =30 C，t2 = 200 C, qmicP-i= 2500 W/K , k = 800 W/(m 2qmiCpi qm2CP2及h、t2保持不變的情況下，冷流體只能被加熱到162 C,計算此時熱流體的出口溫度及該換熱器的污垢熱阻？解：（1）根據(jù)換熱器熱平衡方程式：q“Cp付：t； ） =qm2CR2 （t2-12）及qm1Cpi(ti -t|r) -qm2Cp2(t2r 二2):qm1Cp1

12、 t? - t2 tzr -t? qm2Cp2 lAtA -H r因此，熱流體出口溫度為：r wh * *ti2360 300tir=i（t2r12）厘=360 -（162-30）3 1 34X Xccc cc（2）求運行一年后該換熱器的傳熱系數(shù)。先求對數(shù)平均溫壓：% 心一t； ）（T1； ） （360 200）（300 30） _2102In （叮匕）ln36A2Cp1 300 30(tl_t； r)(tl: 1 2)ln(AA)tlr-t(360162)(303.4 30) =238 2|n 36。一 162313.430則根據(jù)熱平衡及傳熱程式:G 二 C|mlCp1(tl _tl)=kA.ltm：,J r - qm1Cp1 5 -Jr )二人 A-tmr= qm1cpikA. : tm kr A =tmr t/-t/J Or因此，運行一年后該換熱器的傳熱系數(shù)為:kr二土 一 360 一 313 4 迴 8QA548.3 W/(m2. K) t/ -t ; .: tmr 360 -300238.2(3)污垢熱阻為:R1 -1 11 5.73 10A(m2 K)/WE kr k 548.3 8007.冷油器為套管式換熱器，內(nèi)直徑為 1.27cm、管壁厚度為0.127cm的直管與套管 同心，套管外絕熱。油以 0.063kg/s的流量在直管內(nèi)流動，冷卻水在直管與套