化工第四章傳熱

化工第四章傳熱第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例4-2】工業(yè)爐的爐壁，由下列三層組成：耐火磚=1.4W/(m·K),b1=225mm保溫磚=0.15W/(m·K),b2=115mm保溫磚=0.8W/(m·K),b3=225mm今測(cè)得其內(nèi)壁溫度為930℃，外壁溫度為55℃，求單位面積的熱損失。解：由串聯(lián)熱阻的概念W/m2第2頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例4-3】在套管換熱器中用20℃的冷卻水將某溶液從100℃冷卻至60℃，溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為3.5kJ/(kg·℃)，已測(cè)得水出口溫度為40℃，試分別計(jì)算并流與逆流操作時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時(shí)總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·℃)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。平均溫差是換熱器兩端溫差的對(duì)數(shù)平均值，稱(chēng)對(duì)數(shù)平均溫差。并流逆流平均溫差計(jì)算式相同，兩端溫差的計(jì)算方法不同。第3頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：逆流和并流的平均溫差分別是：傳熱負(fù)荷為：逆流操作和并流操作時(shí)換熱器的面積分別是：第4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例4-4】套管換熱器外管內(nèi)徑60mm，內(nèi)管規(guī)格φ38×4.0mm，用水將為2500kg/h的某液體有機(jī)物從100℃冷卻至40℃，水走管內(nèi)，有機(jī)物走環(huán)隙，逆流流動(dòng)，操作溫度下，有機(jī)物密度860kg/m3,粘度2.8×10-3N.s/m2，比熱2.26kJ/(kg.℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.452W/(m.℃),水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和45℃，熱損失忽略不計(jì)。試求：(1)水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)；(2)有機(jī)溶液對(duì)管外壁的給熱系數(shù)；(3)若將水流量增加20%，其他條件不變，重求水對(duì)管內(nèi)壁的給熱系數(shù)。第5頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：⑴水的定性溫度：℃，查得ρ2=995.7kg/m3,μ2=0.0008N·s/m2,=0.618W/(m·K)Cp2=4.174kJ/(kg·K)根據(jù)熱量衡算式求得水流量

kg/s管內(nèi)流速：m/s第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水側(cè)給熱系數(shù)：

W/(m2·K）⑵套管環(huán)隙當(dāng)量直徑de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm,環(huán)隙流速

m/s(過(guò)渡流)第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)過(guò)渡流給熱系數(shù)的計(jì)算方法，有

故得溶液側(cè)給熱系數(shù)：

⑶水流量增加后的給熱系數(shù)

第8頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例4-6：某空氣加熱器，蒸汽在管間冷凝，以加熱管內(nèi)流動(dòng)的空氣，已知空氣側(cè)傳熱系數(shù)50W/m2·K，蒸汽冷凝傳熱系數(shù)5000W/m2·K，為強(qiáng)化傳熱，現(xiàn)（1）將蒸汽給熱系數(shù)提高1倍，求總傳熱系數(shù)；（2）將空氣給熱系數(shù)提高1倍，求總傳熱系數(shù)。解：計(jì)算表明：提高大給熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)基本不變；提高小給熱系數(shù)1倍，總傳熱系數(shù)提高近1倍。第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例4-7】在雙管程列管式換熱器中用0.3MPa(表壓)的飽和蒸汽將流量為2000kg/h的某溶液從20℃加熱至80℃，溶液走管程，蒸汽走殼程，冷凝水于飽和溫度下排出，換熱器內(nèi)裝有46根25×2.5mm的管子，已知溶液的比熱CP=2.8kJ/(kg·K)，密度850kg/m3，總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2·K),傳熱溫差近似取為蒸汽的飽和溫度與溶液的平均溫度之差，溶液的平均溫度取為進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。忽略換熱器的熱損失，試確定：⑴溶液在管內(nèi)的流速；⑵蒸汽的消耗量；⑶換熱管的長(zhǎng)度。第10頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：⑴溶液的體積流量：管程流通截面積：管內(nèi)平均流速：⑵查得表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝潛熱r=2140kJ/kg,蒸汽消耗量第11頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑶表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝溫度ts=142.9℃,傳熱溫差：根據(jù)傳熱速率方程換熱管長(zhǎng)度：第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例4-8】?jī)闪黧w在列管式換熱器中進(jìn)行熱量交換，已知管內(nèi)熱流體的平均溫度為175℃，給熱系數(shù)為10000W/(m2·K)，管外冷流體的平均溫度為120℃，給熱系數(shù)為1000W/(m2·K)，忽略管壁熱阻和污垢熱阻，試計(jì)算管壁的平均溫度。解：根據(jù)管壁平均溫度的計(jì)算公式tw=170℃第13頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例4-9一臥式列管冷凝器，鋼質(zhì)換熱管長(zhǎng)為3m，直徑為25×2mm。水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過(guò)，并從17℃被加熱到37℃。流量為1.25kg/s、溫度為72℃烴的飽和蒸氣在管外冷凝成同溫度的液體。烴蒸氣的冷凝潛熱為315kJ/kg。已測(cè)得：蒸氣冷凝傳熱系數(shù)0=800W/(m2·℃)，管內(nèi)側(cè)熱阻為外側(cè)的40%，污垢熱阻又為管內(nèi)側(cè)熱阻的70%，試核算：（1）換熱器每程提供的傳熱面積（外表面為基準(zhǔn)）；（2）換熱管的總根數(shù)；（3）換熱器的管程數(shù)。[計(jì)算時(shí)可忽略管壁熱阻及熱損失，水的比熱為4.18kJ/(kg·℃)]第14頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：（1）換熱器每程提供的傳熱面積（外表面為基準(zhǔn)），S1；由題意知，水以0.7m/s的流速在管內(nèi)流過(guò)，欲求S1，需先知道每程的管子數(shù)，每程的管子數(shù)等于所需冷卻水的總流量與單管內(nèi)水的流量之比。兩流體交換的熱量為：第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單管內(nèi)水的流量為：每程所需管子數(shù)為：取每程管子數(shù)為20，則每程所能提供的傳熱外表面積為：(2)換熱管的總根數(shù)；由所需的總傳熱面積可求取換熱管的總根數(shù)。第16頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一則任務(wù)所需的傳熱外表面積為第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一換熱管總根數(shù)為換熱器的管程數(shù)由題意管程數(shù)為：第18頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例4-10在一單程逆流列管換熱器中用水冷卻空氣，兩流體的進(jìn)口溫度分別為20℃和110℃。在換熱器使用的初期，冷卻水及空氣的出口溫度分別為45℃和40℃，使用一年后，由于污垢熱阻的影響，在冷熱流體的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，冷卻水出口溫度降至38℃，試求：（1）空氣出口溫度為多少？（2）總傳熱系數(shù)為原來(lái)的多少倍？（3）若使冷卻水加大一倍，空氣流量及兩流體進(jìn)口溫度不變，冷熱流體的出口溫度各為多少？（水>>空氣）（4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌?？?9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：使用初期使用一年后（1）空氣出口溫度題意可得：使用初期

（1）使用一年后（2）兩式相比（2）/（1），得=59.6℃第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）總傳熱系數(shù)方程(2)/(1)，得：第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）冷熱流體的出口溫度一年后（3）（4）方程（4）/（3），得：整理前半式的方程（5）第22頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一又因由等比定理整理得（6）聯(lián)立（5）和（6），可得：第23頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）冷卻水流量加大后，換熱器的傳熱速率有何變化？變?yōu)槎嗌?？?4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例4-11在套管換熱器中用120℃的飽和蒸汽于環(huán)隙間冷凝以加熱管內(nèi)湍流的苯。苯的流量為4000kg/h，比熱容為1.9kJ/(kg·℃)，溫度從30℃升至60℃。蒸汽冷凝傳熱系數(shù)為1×104W/(m2·℃)，換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻為4×10－4m2·℃/W，忽略管壁熱阻、換熱管外側(cè)污垢熱阻及熱損失。換熱管為54×2mm的鋼管，有效長(zhǎng)度為12m。試求：（1）飽和蒸汽流量（其冷凝潛熱為2204kJ/kg）；（2）管內(nèi)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)i；（3）當(dāng)苯的流量增加50%、但其他條件維持不變時(shí)，苯的出口溫度為若干？（4）若想維持苯的出口溫度仍為60℃應(yīng)采取哪些措施？作出定量計(jì)算。第25頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：（1）飽和蒸汽流量；（2）管內(nèi)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)i；（1）第26頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2