傳熱典型例題

第6章傳熱典型例題例1冷凝冷卻器有一逆流操作的熱交換器，用15℃的水冷卻過(guò)熱氨蒸汽，氨氣溫度為95℃,流率為200kg/h，氨氣在熱交換器中冷卻。冷凝液在飽和溫度（30℃）下排出。在冷卻冷凝過(guò)程中，熱交換器各界面上氨氣與水的溫度差最小處不允許小于5℃。求冷卻水用量及水最終出口溫度？已知90℃，30。。氨氣的焓分別為1647,1467KJ/kg,30℃液氨的焓為323燈及8，水平均比熱為4183J/kg℃。解:逆流時(shí)而題意：液氨（30。C）一飽和氨汽（30。C）一過(guò)熱氨汽（95。C）水（15。C）――25。C—水（￡）。C在氨汽冷凝階段（30。C氣變?yōu)?0。C液）:WCC（2中—\）=wh。467—323）=1.51%/s)200=1.51%/s)4.183x10x3600對(duì)全系統(tǒng)有:Q=^00-x(1647—323)=73.6(kw)3600Q=WCC(t2—11)Q’2="1Q’2="1+wCCPC=15+73.61.51x4.183=26.5(C)例2一側(cè)恒溫的傳熱過(guò)程在一傳熱面積為40m2的單程管殼式換熱器中，用冷水將常壓下的純苯蒸汽冷凝成飽和液體。已知冷水的流量為50000kg/h,其溫度由20℃升高至35℃，水的平均比熱容為4.17kJ/（kg?℃）。常壓下苯的沸點(diǎn)為80.1℃，汽化熱為394kJ/kg。設(shè)換熱器的熱損失可忽略，試核算換熱器的總傳熱系數(shù)并計(jì)算苯物料的處理量。解：本例題為一側(cè)恒溫的傳熱過(guò)程，設(shè)苯在常壓下的沸點(diǎn)為T(mén)s則維FF必F-4in組上工由◎=唯％曲-巧）=吸口

180.1-20 50000 「7in3In * *4.17*1口鴕.173%口口=415?期 W/(m2?℃)加_唯5足「編_50000x4.17(35-20)_7Q?wa- - -/yjs得 F 招4 kg/h分析:注意本題為將純苯蒸汽冷凝成飽和液體，故屬于一側(cè)恒溫的傳熱過(guò)程。例3第一類操作型問(wèn)題在一逆流操作的單殼程、雙管程的管殼式換熱器中，冷、熱流體進(jìn)行熱交換。已知兩流體的進(jìn)、出口溫度分別為T(mén)1=200℃、T2=93℃,ti=35℃,1=85℃。當(dāng)冷流體流量減少一半，熱流體的流量及冷、熱流體的進(jìn)口溫度不變時(shí)，試求兩流體的出口溫度和傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)。假設(shè)流體的物性及總傳熱系數(shù)不變，換熱器熱損失可忽略。解：本題采用釬陽(yáng)仃法計(jì)算。由鞏%曲f)=航'式因?yàn)閒廠力=交-^=3口℃所以所以故熱流體為最小值流體。原工況下：二磬喘二口出NTUNTU=1.62設(shè)新工況下熱流體仍為最小值流體，在新工況下:設(shè)新工況下熱流體仍為最小值流體，在新工況下:(NTU)'=(NTU)=L62￡'二口34所以y「0=加口-0.54(200-35)=110.9℃-110.9)+35=118.8oC因?yàn)?118.8-35=83.8℃丁1F二加口-“口四」℃

所以町推故假設(shè)新工況下熱流體為最小值流體正確。原工況下的傳熱量Q=或％新工況下的傳熱量故傳熱量減少的百分?jǐn)?shù)為Q-Q1弋Q-Q1弋E乂1口口%=0*1口口％（，廠h）（，廠h）_ -⑴ g X100%=0F力.8 2 X100%=16.2%50分析：本題為在同一換熱器內(nèi)，求工況改變前后的某物理量變化情況，此類題用針燈訂法計(jì)算較為方便。例4換熱器的操作與調(diào)節(jié)一套管換熱器用133℃的飽和水蒸汽將管內(nèi)的氯苯從33℃加熱到73℃，氯苯流量為5500Kg/h。現(xiàn)因某種原因，氯苯流量減少到3300Kg/h，但其進(jìn)出口溫度維持不變，試問(wèn)此時(shí)飽和蒸汽溫度應(yīng)為多少才能滿足要求？此時(shí)飽和水蒸汽冷凝量為原工況的百分之幾？（設(shè)兩種工況下的蒸汽冷凝熱阻，管壁熱阻，垢層熱阻及熱損失均可略，且氯苯在管內(nèi)作湍流流動(dòng)，忽略兩工況下蒸汽汽化潛熱的變化。）

解：對(duì)于此問(wèn)題K?a 8q0.8inmWC^t-1)=KS垃(1)W4G-t)=KSA?(2)CPC2 1 mK'=(iorK'=(iorK=0.66K-'-{G) 5500K0T-/G)得:而0二4.lniT-1ln匕=5500T'-t 3300x0.66ln133-ln匕=5500T'-t 3300x0.66ln133-33133-73=0.567T'-tT'-ti=1.76T'=1.76t-t

2 1

0.761.76x73-330.76=125./C)W^/Wh=0.6例5換熱器的串并聯(lián)問(wèn)題某廠現(xiàn)有兩臺(tái)單殼程單管程的列管式空氣加熱器，每臺(tái)傳熱面積為A=20m2(管外面積)，均由128根①25X2.5mm的鋼管組成。殼程為170℃的飽和水蒸汽冷凝(冷凝潛熱為r=2054KJ/kg),凝液不過(guò)冷?？諝庾吖艹?，其入口溫度t=30℃，流量為4500kg/h假定空氣的物性參數(shù)不隨溫度、壓力變化，可視為1常數(shù)，分別為C=1.005KJ/Kg.K,p=1.06Kg/m3,p=20.1X10-3cp，入=0.029w/m.k。熱損失可略，管內(nèi)湍流時(shí)空氣的對(duì)流給熱系數(shù)可用下式計(jì)算：N=0.02R0.8。u e若兩臺(tái)換熱器并聯(lián)使用，通過(guò)兩臺(tái)換熱器的空氣流量均等，試求空氣的出口溫度t(℃)及水蒸汽的總冷凝量m(kg/h)若兩臺(tái)改為串聯(lián)使用，試求此時(shí)空氣的出口溫度t(℃)及水蒸汽的總冷凝量m(kg/h)。 2(3)試比較并聯(lián)及串聯(lián)時(shí)傳熱效率的大小，并求兩情況下總傳熱能力的比值Q/Q并解：

(1)兩臺(tái)換熱器并聯(lián)管內(nèi)空氣流速u=V=2250/(1.06x3600)冗二，=128x0.785x(1)兩臺(tái)換熱器并聯(lián)管內(nèi)空氣流速u=V=2250/(1.06x3600)冗二，=128x0.785x0.022—nd2414.67(m/s)K=a=0.02duP0.80.8=0.02x竺”x0.020.0.x14.67x1.062.01x10-5W=65.17Wm2WC(12-11)=KS(TY)-(TY)T ln三T-12WC(12-11)=KS加T-1=KSnT-12~WCPt-tT-Tln1T-1265.17x202250x1.005x1033600=2.07T一t一=7.92T-12T-1t=T--t1=152oC2 7.92=268.6kg/h2054S3=2x2250xL005=268.6kg/h2054(2)K=20.8K=1.74KlnTil=KS-=174x2x2.07=3.60T-12WrCp 2T-tT一二=36.66T-1f2170-30=166.2170-30=166.2。C36.664500x1.005x(166.2-30)（3用聯(lián)：n2054t-t=299.8(kg/h)152.4-30=0.87170-30串聯(lián)：n=166.2-30=0.97c170-30Q'/Q=W'/W=299.8/269.6=1.11hh例6非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題有一帶夾套的反應(yīng)釜，釜內(nèi)盛有某反應(yīng)液。反應(yīng)液的初始溫度為20℃。釜內(nèi)液體由于劇烈地?cái)嚢杩烧J(rèn)為溫度均一。反應(yīng)液需加熱到80℃進(jìn)行反應(yīng)。（1）若夾套內(nèi)通以120℃的蒸汽加熱，已知前10分鐘反應(yīng)液的溫升為60℃，則反應(yīng)液由初始溫度加熱至反應(yīng)溫度需要多少時(shí)間？（2）若夾套內(nèi)通以進(jìn)口溫度為120℃的熱流體加熱，前10分鐘反應(yīng)釜的溫升同樣為60℃，則反應(yīng)液由初始溫度加熱到反應(yīng)溫度需多少時(shí)間？（熱流體無(wú)相變）解⑴熱流體有相變時(shí)GCdt=PCGC： PCKS(T-t解⑴熱流體有相變時(shí)GCdt=PCGC： PCKS(T-t)Sd9GC__lnKST-t 1T-t2⑵熱流體無(wú)相變時(shí)GCdt=WC(T-TA9 G)PChPh1( )T-TT-1KSWCt—T)=KS—1= =In1 = hPc1 T-1T-1WCln1 hPhT-1T=TexP-4V1-exP-&]WChPh(2)代入1)#:9=——2WChPhIWCPh>JGCKS1個(gè)耐hPhWC

hPh

9WC

hPh

9/9= 121 /KS)1-exp- TwcI: 2 hPh'，KS例7定常態(tài)輻射傳熱車間內(nèi)有一高和寬各為3m的爐門(mén)（黑度-=0.70）,其表面溫度為600℃,室內(nèi)溫度為27℃。（1）試求由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率。（2）若在爐門(mén)前25mm處放置一塊尺寸和爐門(mén)相同而黑度為0.11的鋁板作為熱屏，則散熱速率可降低多少？解：（1）放置鋁板前由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率由于爐門(mén)被車間四壁所包圍，則口=1;又S2>>Sj故％_廠￡1備，于是S=S]=3X3=9m2%二咱片口.了口經(jīng)6了二望光%/加2?隙）（2）放置鋁板后由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率（2）放置鋁板后由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率以下標(biāo)1、2和3分別表示爐門(mén)、房間和鋁板。假定鋁板的溫度為T(mén)3,則當(dāng)傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，爐門(mén)對(duì)鋁板的輻射傳熱速率必等于鋁板對(duì)房間的輻射傳熱速率，此即由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率。爐門(mén)對(duì)鋁板的輻射傳熱速率為-1~1/0.7+1/10.11-1故-1~1/0.7+1/10.11-1故(a)因S=S，且兩者相距很小，故可認(rèn)為是兩個(gè)極大平行平面間的相互輻射，1 3故生=1。=0.596w/(m2?K4)

鋁板對(duì)房間的輻射傳熱速率為如=0兩/奈一磊)[式中S『3X3=9023Q_2=^5=5.67x0.11=0.624w/(m2.K4)甲MT~102:0,624x?x[(2L)+-(27+273則 [1口口 儂 (b)于是Qi-3=Q3-2解得與二733K將T值代入式b,得3733.4S-2=0.624x9x-(-27+273.2.4100733.4S-2=0.624x9x-(-27+273.2.4100=15727.3w放置鋁板后因輻射引起的散傳速率可減少的百分率為0一廠％xlOO%0一廠％xlOO%=工口密對(duì)"T乎?口x100%=92.3%51-22.043x10分析：求解本題時(shí)，注意放置鋁板后，當(dāng)傳熱達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，爐門(mén)對(duì)鋁板的輻射傳熱速率必等于鋁板對(duì)房間的輻射傳熱速率，此即由于爐門(mén)輻射而引起的散熱速率。例8換熱器的選型某化工廠在生產(chǎn)過(guò)程中，需將純苯液體從80℃冷卻到55℃,其流量為20000kg/h。冷卻介質(zhì)采用35℃的循環(huán)水。要求換熱器的管程和殼程壓降不大于10kPa,試選用合適型號(hào)的換熱器。

解：1.估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)(1)基本物性數(shù)據(jù)的查取里三67.5苯的定性溫度？ ℃35+43根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇冷卻水的溫升為8℃，則水的出口溫度為35+43水的定性溫度“‘℃查得苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：尸=塞雙g/m3%=L841kJ/(kg-℃)A=0.129W/(m2℃)口=口.光2xlLpa-s查得水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：*⑵kg/m3%=，""kJ/(kg?℃)A=0.633W/(m2℃)戶”的幻尸Pa-s(2)熱負(fù)荷計(jì)算冷卻水耗量:2.56^10林(h-⑴4,174x10^(43-35)林(h-⑴4,174x10^(43-35)kg/s10(3)確定流體的流徑該設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為苯，冷流體為水，為使苯通過(guò)殼壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，令苯走殼程，水走管程。(4)計(jì)算平均溫度差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時(shí)平均溫度差：苯80f55冷卻水43-35出3720由平產(chǎn)值，查相關(guān)圖，媼孫、因丸戶口出，選用單殼程可行。&=媼空二口弘36二打§℃(5)選月值，估算傳熱面積參照附錄，取月=450W/(m2℃)m2g_2.56xlQj_^乳及批450x25m211(6)初選換熱器型號(hào)由于兩流體溫差＜50℃,可選用固定管板式換熱器。由固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器型號(hào)為：G400II-1.6-22。主要參數(shù)如下：外殼直徑400mm公稱壓力1.6MPa公稱面積22m2管子尺寸也5x2.5管子數(shù)^?管長(zhǎng)3000mm管中心距32mm管程數(shù)^2管子排列方式正三角形管程流通面積0.016m2實(shí)際換熱面積邑冷成式一口■尸也乂3.14x0.025(3-0.1)=23.2m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為M- 0 -256X1°5-426°3 W/(m2?℃)2.核算壓降(1)管程壓降用=1.4 N$=\Np=2%=%=————=0.483管程流速 A物?3x0016 m/s12Re=d^p_0.02^0,433x992.30.67xlO-3=1.43X104（湍流）對(duì)于碳鋼管，取管壁粗糙度釬口」mm黑二0005凡關(guān)系圖中查得工二口?叼3 992.3x0,433=0.037乂 乂0.02=642.4Pa.、o992.3x0,-433\ …>父——-——)=347.2np Pa2注3=16鉉4+即司乂1分〃1.4*2=m”@<10kPa（2）殼程壓降鞏=1.15此=1綠；二取應(yīng)*h+D管子為正三角形排列尸=0.5久;1.1赤=l.hf02=11.1-D<z<D13取折流擋板間距￡二口」加3

13殼程流通面積4=^-^)=01X0.4-11.1x0.025)=0.0184,"二=0.364殼程流速 4獨(dú)口⑻S^001S4 m/s=2.14x10*>5000.352xW=2.14x10*>5000.352xW3九=1口Re『~0口四=5,Ox(2.14^1O4)-0228=0,515Af^;=0,5^0.515xii.i(19+l)xS2S6x0364=3138所以 工 Pa2x0.15.828.6x0,364Pa2%=3黨+統(tǒng)g"Lg二曲7pa<10kPa計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計(jì)條件。3.核算總傳熱系數(shù)