第四章习题
1)用平板法测定材料的导热系数,其主要部件为被测材料构成的平板,其一侧用电热器加热,另一侧用冷水将热量移走,同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2,厚度为0.01m。测量数据如下:
电热器
材料的表面温度? ℃
安培数 A
伏特数 V
高温面
低温面
2.8
2.3
140
115
300
200
100
50
试求:①该材料的平均导热系数。②如该材料导热系数与温度的关系为线性:,则λ0和a值为多少?
2)通过三层平壁热传导中,若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分别为500℃、400℃、200℃和100℃,试求合平壁层热阻之比,假定各层壁面间接触良好。
3)某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成,它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃),0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃),耐火砖和绝热转厚度都是0.5m,普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000℃,外壁温度为55℃,设各层砖间接触良好,求每平方米炉壁散热速率。
4)在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08 W/(m·℃),已知蒸汽管外壁150℃,要求绝热层外壁温度在50℃以下,且每米管长的热损失不应超过150W/m,试求绝热层厚度。
5)Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失,在管外保温。 50第一层是mm厚的氧化锌粉,其平均导热系数为0.07 W/(m·℃);第二层是10mm厚的石棉层,其平均导热系数为0.15 W/(m·℃)。若管内壁温度为180℃,石棉层外表面温度为35℃,试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度?
解:①r0 = 16.5mm = 0.0165m,r1 =19mm = 0.019 m
r2 = r1+(1 = 0.019+0.05 = 0.069 m
r3 = r2+(2 = 0.069+0.01 = 0.079 m
(0 = 45 W/(m·℃)
W/m
② 即
∴ t2 = 41.8 ℃
6)通过空心球壁导热的热流量Q的计算式为:,其中,A1、A2分别为球壁的内、外表面积,试推导此式。
7)有一外径为150mm的钢管,为减少热损失,今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比1,两层绝热层厚度相等皆为30mm。试问应把哪一种材料包在里层时,管壁热损失小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。
8)试用因次分析法推导壁面和流体间强制对流给热系数α的准数关联式。已知α为下列变量的函数:。式中λ、CP、ρ、μ分别为流体的导热系数、等压热容、密度、粘度,u为流体流速,l为传热设备定型尺寸。
9)水流过φ60×3.5mm的钢管,由20℃被加热至60℃。已知,水流速为1.8m/s,试求水对管内壁的给热系数。
10)空气流过φ36×2mm的蛇管,流速为15m/s,从120℃降至20℃,空气压强4×105Pa(绝压)。已知蛇管的曲率半径为400mm,,试求空气对管壁的给热系数。空气的密度可按理想气体计算,其余物性可按常压处理。
11)苯流过一套管换热器的环隙,自20℃升至80℃,该换热器的内管规格为φ19×2.5mm,外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。试求苯对内管壁的给热系数。
12)冷冻盐水(25%的氯化钙溶液)从φ25×2.5mm、长度为3m的管内流过,流速为0.3m/s,温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为20℃,试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷冻盐水的物性数据如下:密度为1230kg/m3,粘度为4×10-3Pa·s,导热系数为0.57 W/(m·℃),比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为2.5×10-3Pa·s。
解:d = 0.025-0.0025×2 = 0.02 m
∴ ( 50
∵ u = 0.3m/s ∴ < 2000 ∴层流
>100
= 354.7 W/(m2(℃)
13)室内分别水平放置两根长度相同,表面温度相同的蒸汽管,由于自然对流两管都向周围散失热量,已知小管的,大管直径为小管的8倍,试求两管散失热量的比值为多少?
解:∵小管Gr(Pr = 108 ∴b = 1/3 又因 Gr∝d03,故大管Gr(Pr >108
则
14)某烘房用水蒸汽通过管内对外散热以烘干湿纱布。已知水蒸汽绝压为476.24kPa,设管外壁温度等于蒸汽温度现室温及湿纱布温度均为20℃,试作如下计算:①使用一根2m长、外径50mm水煤气管,管子竖直放于水平放置单位时间散热量为多少?②若管子水平放置,试对比直径25mm和50mm水煤气管的单位时间单位面积散热之比。(管外只考虑自然对流给热)。
15)油罐中装有水平蒸汽管以加热管内重油,重油温度为20℃,蒸汽管外壁温为120℃,在定性温度下重油物性数据如下:密度为900kg/m3,比热1.88×103J/(kg·℃),导热系数为0.175W/(m·℃),运动粘度为2×10-6m2/s,体积膨胀系数为3×10-4 l/℃,管外径为68mm,试计算蒸汽对重油的传热速度W/m2。
16)有一双程列管换热器,煤油走壳程,其温度由230℃降至120℃,流量为25000kg/h,内有φ25×2.5mm的钢管70根,每根管长6m,管中心距为32mm,正方形排列。用圆缺型挡板(切去高度为直径的25%),试求煤油的给热系数。已知定性温度下煤油的物性数据为:比热为2.6×103J/(kg·℃),密度为710 kg/m3,粘度为3.2×10-4Pa·s,导热系数为0.131 W/(m·℃)。挡板间距,壳体内径。
17)饱和温度为100℃的水蒸汽在长为2.5m,外径为38mm的竖直圆管外冷凝。管外壁温度为92℃。试求每小时蒸汽冷凝量。又若将管子水平放置每小时蒸汽冷凝量又为多少。
18)由φ25×2.5mm、225根长2米的管子按正方形直列组成的换热器,用1.5×105Pa的饱和蒸汽加热某液体,换热器水平放置。管外壁温度为88℃,试求蒸汽冷凝量。
19)设有A、B两平行固体平面,温度分别为TA和TB(TA>TB)。为减少辐射散热,在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板,设A所有平面的表面积相同,黑度相等,平板间距很小,试证明设置遮热板后A平面的散热速率为不装遮热板时的倍。
20)用热电偶测量管内空气温度,测得热电偶温度为420℃,热电偶黑度为0.6,空气对热电偶的给热系数为35 W/(m·℃),管内壁温度为300℃,试求空气温度。
21)外径为60mm的管子,其外包有20mm厚的绝热层,绝热层材料导热系数为0.1 W/(m·℃),管外壁温度为350℃,外界温度为15℃,试计算绝热层外壁温度。若欲使绝热层外壁温度再下降5℃,绝热层厚度再增加多少。
22)设计一燃烧炉,拟用三层砖,即耐火砖、绝热砖和普通砖。耐火砖和普通砖的厚度为0.5m和0.25m。三种砖的系数分别为1.02 W/(m·℃)、0.14 W/(m·℃)和0.92 W/(m·℃),已知耐火砖内侧为1000℃,外壁温度为35℃。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖温度不超过940℃,普通砖不超过138℃。
23)为保证原油管道的输送,在管外设置蒸汽夹。对一段管路来说,设原油的给热系数为420 W/(m·℃),水蒸气冷凝给热系数为104 W/(m·℃)。管子规格为φ35×2mm钢管。试分别计算Ki和K0,并计算各项热阻占总热阻的分率。
24)某列管换热器,用饱和水蒸汽加热某溶液,溶液在管内呈湍流。已知蒸汽冷凝给热系数为104 W/(m·℃),单管程溶液给热系数为400W/(m·℃),管壁导热及污垢热阻忽略不计,试求传热系数。若把单管程改为双管程,其它条件不变,此时总传热系数又为多少?
25)一列管换热器,管子规格为φ25×2.5mm,管内流体的对流给热系数为100 W/(m·℃),管外流体的对流给热系数为2000 W/(m·℃),已知两流体均为湍流流动,管内外两侧污垢热阻均为0.0018 m·℃/W。试求:①传热系数K及各部分热阻的分配;②若管内流体流量提高一倍,传热系数有何变化?③若管外流体流量提高一倍,传热系数有何变化?
解:①Ri = R0 = 0.00118m2(℃/W 钢管( = 45W/(m(℃)
m
= 0.01542 1/(W/m2℃)
K0 = 64.84 W/(m2(℃)
热阻分配:
污垢:
管外:
管内:
管壁:
②,,
∴
= 0.01010 m2℃/W
W/( m2℃)
③,
∴
= 0.01521 m2℃/W
W/( m2℃)
31) 120℃饱和水蒸汽将空气从20℃加热至80℃,空气流量1.20×104kg/h。现有单程列管换热器,(25×2.5mm钢管300根,管长3m,(0 = 104W/(m2℃),污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。
解:℃
50℃空气,( = 1.093kg/m3,Cp = 1.005kJ/(kg(℃),( = 0.02824W/(m(℃)
( = 1.96×10-5 Pa(s,Pr = 0.698
m/s
>10000
∴
W/(m2℃)
∵(0>>(i ∴Ki = (i = 124.5 W/(m2℃)
Q = WcCpc(t = ×1.005×60 = 201 kJ/s
(tm = ℃
Q = KiAi(tm 即 201×103 = 124.5Ai×65.5 ∴Ai = 24.6 m2
又,Ai = n(diL 即 24.6 = 300(×0.020L ∴ L = 1.31 m<3 m
∴ 满足要求
32)某单壳程单管程列管换热器,用1.8×105Pa饱和水蒸汽加热空气,水蒸汽走壳程,其给热系数为105 W/(m·℃),空气走管内,进口温度20℃,要求出口温度达110℃,空气在管内流速为10m/s。管子规格为φ25×2.5mm的钢管,管数共269根。试求换热器的管长。
若将该换热器改为单壳程双管程,总管数减至254根。水蒸汽温度不变,空气的质量流量及进口温度不变,设各物性数据不变,换热器的管长亦不变,试求空气的出口温度。
33)一套管换热器,用热柴油加热原油,热柴油与原油进口温度分别为155℃和20℃。已知逆流操作时,柴油出口温度50℃,原油出口60℃,若采用并流操作,两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同,试问并流时柴油可冷却到多少温度?
34)一套管换热器,冷、热流体的进口温度分别为55℃和115℃。并流操作时,冷、热流体的出口温度分别为75℃和95℃。试问逆流操作时,冷、热流体的出口温度分别为多少?假定流体物性数据与传热系数均为常量。
35)一列管换热器,管外用2.0×105Pa的饱和水蒸汽加热空气,使空气温度从20℃加热到80℃,流量为20000kg/h,现因生产任务变化,如空气流量增加50%,进、出口温度仍维持不变,问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务?
’
36)在一单管程列管式换热器中,将2000kg/h的空气从20℃加热到80℃,空气在钢质列管内作湍流流动,管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为200根,长度为6m,管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计一台新换热器,其空气处理量保持不变,但管数改为400根,管子规格改为φ19×1.5mm,操作条件不变,试求此新换热器的管子长度为多少米?
37)在单程列管换热器内,用120℃的饱和水蒸汽将列管内的水从30℃加热到60℃,水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为φ25×2.5mm,长为6m,换热器的热负荷为2500kW。试计算:①列管换热器的列管数;②基于管子外表面积的传热系数K。
假设:列管为光滑管,摩擦系数可按柏拉修斯方程计算,。
解:(1)℃
45℃时水:( = 990kg/m3,Cp = 4.174×103 J/(kg℃),( = 64.03×10-2W/(m℃)
( = 60.12×10-5Pa(s,Pr = 3.925
∴ u = 1.00m/s
℃
设管壁及污垢热阻可略
∵(0>>(i ∴Ki = (i
对一根管,
= 3.895×104 W
又,即 3.895(104 = 5.23(103(((0.02(6(73.99
∴ = 1.117×103 W/(m2(℃)
(2)
∴ 取n为64根。
38)有一立式单管程列管换热器,其规格如下:管径φ25×2.5mm,管长3m,管数30根。现用该换热器冷凝冷却CS2饱和蒸汽,从饱和温度46℃冷却到10℃。CS2走管外,其流量为250kg/h,冷凝潜热为356kJ/kg,液体CS2的比热为1.05kJ/(kg·℃)。水走管内与CS2呈逆流流动,冷却谁进出温度分别为5℃和30℃。已知CS2冷凝和冷却时传热系数(以外表面积计)分别为和。问此换热器是否合用?
解: kJ/s
设换热器上部为蒸汽冷凝段,以下标“1”表示,下部为冷却段,以“2”表示则 kJ/s T1=46℃
kJ/s t2=30℃ Q1 Q2 T2=10℃
设冷水Cp为常量,则上下两段分界处t3,t3 t1=5℃
即 ∴t3 = 7.4℃
于是:m2
m2
∴A = A1+A2 = 4.14+1.37 = 5.51m2(以外表面积计)
现有换热器A'= n(d0L = 30(((0.025(3 = 7.07 m2> A
故能适用。
39)现有两台规格完全一样的列管换热器,其中一台每小时可以将一定量气体自80℃冷却到60℃,冷却水温度自20℃升到30℃,气体在管内与冷却水呈逆流流动,已知总传热系数(以内表面积为基准)Ki为40 W/(m·℃)。现将两台换热器并联使用,忽略管壁热阻、垢层热阻、热损失及因空气出口温度变化所引起的物性变化。试求:①并联使用时总传热系数;②并联使用时每个换热器的气体出口温度;③若两换热器串联使用,其气体出口温度又为多少(冷却水进出每个换热器的温度不变)?
解:单台:Wh(Cph(T1-T2) = Wc(Cpc(t2-t1)
∴
Wh(Cph(T1-T2) = Ki(Ai((tm,℃
∴
二台并联:W/(m2(℃)
即……①
又 …………………………………………②
由①、②式联立,解得 T2(= 57.6℃,t2(= 31.2℃
二台串联:
即, ………③
又: ……………………………………………④
③、④式联立,解得:T2(=48.2℃,t2( = 35.9℃
40)拟设计一台列管换热器,20kg/s的某油品走壳程,温度自160℃降至115℃,热量用于加热28kg/s的原油。原油进口温度为25℃,两种油的密度均为870kg/m3。其他物性数据如下:
名称
CP? kJ/(kg·℃)
μ? Pa·s
λ? W/(m·℃)
原油油品
1.99
2.20
2.9×10-3
5.2×10-3
0.136
0.119
解:(略)
1)用平板法测定材料的导热系数,其主要部件为被测材料构成的平板,其一侧用电热器加热,另一侧用冷水将热量移走,同时板的两侧用热电偶测量其表面温度。设平板的导热面积为0.03m2,厚度为0.01m。测量数据如下:
电热器
材料的表面温度? ℃
安培数 A
伏特数 V
高温面
低温面
2.8
2.3
140
115
300
200
100
50
试求:①该材料的平均导热系数。②如该材料导热系数与温度的关系为线性:,则λ0和a值为多少?
2)通过三层平壁热传导中,若测得各面的温度t1、t2、t3和t4分别为500℃、400℃、200℃和100℃,试求合平壁层热阻之比,假定各层壁面间接触良好。
3)某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成,它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃),0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃),耐火砖和绝热转厚度都是0.5m,普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000℃,外壁温度为55℃,设各层砖间接触良好,求每平方米炉壁散热速率。
4)在外径100mm的蒸汽管道外包绝热层。绝热层的导热系数为0.08 W/(m·℃),已知蒸汽管外壁150℃,要求绝热层外壁温度在50℃以下,且每米管长的热损失不应超过150W/m,试求绝热层厚度。
5)Φ38×2.5mm的钢管用作蒸汽管。为了减少热损失,在管外保温。 50第一层是mm厚的氧化锌粉,其平均导热系数为0.07 W/(m·℃);第二层是10mm厚的石棉层,其平均导热系数为0.15 W/(m·℃)。若管内壁温度为180℃,石棉层外表面温度为35℃,试求每米管长的热损失及两保温层界面处的温度?
解:①r0 = 16.5mm = 0.0165m,r1 =19mm = 0.019 m
r2 = r1+(1 = 0.019+0.05 = 0.069 m
r3 = r2+(2 = 0.069+0.01 = 0.079 m
(0 = 45 W/(m·℃)
W/m
② 即
∴ t2 = 41.8 ℃
6)通过空心球壁导热的热流量Q的计算式为:,其中,A1、A2分别为球壁的内、外表面积,试推导此式。
7)有一外径为150mm的钢管,为减少热损失,今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的导热系数之比1,两层绝热层厚度相等皆为30mm。试问应把哪一种材料包在里层时,管壁热损失小。设两种情况下两绝热层的总温差不变。
8)试用因次分析法推导壁面和流体间强制对流给热系数α的准数关联式。已知α为下列变量的函数:。式中λ、CP、ρ、μ分别为流体的导热系数、等压热容、密度、粘度,u为流体流速,l为传热设备定型尺寸。
9)水流过φ60×3.5mm的钢管,由20℃被加热至60℃。已知,水流速为1.8m/s,试求水对管内壁的给热系数。
10)空气流过φ36×2mm的蛇管,流速为15m/s,从120℃降至20℃,空气压强4×105Pa(绝压)。已知蛇管的曲率半径为400mm,,试求空气对管壁的给热系数。空气的密度可按理想气体计算,其余物性可按常压处理。
11)苯流过一套管换热器的环隙,自20℃升至80℃,该换热器的内管规格为φ19×2.5mm,外管规格为φ38×3mm。苯的流量为1800kg/h。试求苯对内管壁的给热系数。
12)冷冻盐水(25%的氯化钙溶液)从φ25×2.5mm、长度为3m的管内流过,流速为0.3m/s,温度自-5℃升至15℃。假设管壁平均温度为20℃,试计算管壁与流体之间的平均对流给热系数。已知定性温度下冷冻盐水的物性数据如下:密度为1230kg/m3,粘度为4×10-3Pa·s,导热系数为0.57 W/(m·℃),比热为2.85kJ/(kg·℃)。壁温下的粘度为2.5×10-3Pa·s。
解:d = 0.025-0.0025×2 = 0.02 m
∴ ( 50
∵ u = 0.3m/s ∴ < 2000 ∴层流
>100
= 354.7 W/(m2(℃)
13)室内分别水平放置两根长度相同,表面温度相同的蒸汽管,由于自然对流两管都向周围散失热量,已知小管的,大管直径为小管的8倍,试求两管散失热量的比值为多少?
解:∵小管Gr(Pr = 108 ∴b = 1/3 又因 Gr∝d03,故大管Gr(Pr >108
则
14)某烘房用水蒸汽通过管内对外散热以烘干湿纱布。已知水蒸汽绝压为476.24kPa,设管外壁温度等于蒸汽温度现室温及湿纱布温度均为20℃,试作如下计算:①使用一根2m长、外径50mm水煤气管,管子竖直放于水平放置单位时间散热量为多少?②若管子水平放置,试对比直径25mm和50mm水煤气管的单位时间单位面积散热之比。(管外只考虑自然对流给热)。
15)油罐中装有水平蒸汽管以加热管内重油,重油温度为20℃,蒸汽管外壁温为120℃,在定性温度下重油物性数据如下:密度为900kg/m3,比热1.88×103J/(kg·℃),导热系数为0.175W/(m·℃),运动粘度为2×10-6m2/s,体积膨胀系数为3×10-4 l/℃,管外径为68mm,试计算蒸汽对重油的传热速度W/m2。
16)有一双程列管换热器,煤油走壳程,其温度由230℃降至120℃,流量为25000kg/h,内有φ25×2.5mm的钢管70根,每根管长6m,管中心距为32mm,正方形排列。用圆缺型挡板(切去高度为直径的25%),试求煤油的给热系数。已知定性温度下煤油的物性数据为:比热为2.6×103J/(kg·℃),密度为710 kg/m3,粘度为3.2×10-4Pa·s,导热系数为0.131 W/(m·℃)。挡板间距,壳体内径。
17)饱和温度为100℃的水蒸汽在长为2.5m,外径为38mm的竖直圆管外冷凝。管外壁温度为92℃。试求每小时蒸汽冷凝量。又若将管子水平放置每小时蒸汽冷凝量又为多少。
18)由φ25×2.5mm、225根长2米的管子按正方形直列组成的换热器,用1.5×105Pa的饱和蒸汽加热某液体,换热器水平放置。管外壁温度为88℃,试求蒸汽冷凝量。
19)设有A、B两平行固体平面,温度分别为TA和TB(TA>TB)。为减少辐射散热,在这两平面间设置n片很薄的平行遮热板,设A所有平面的表面积相同,黑度相等,平板间距很小,试证明设置遮热板后A平面的散热速率为不装遮热板时的倍。
20)用热电偶测量管内空气温度,测得热电偶温度为420℃,热电偶黑度为0.6,空气对热电偶的给热系数为35 W/(m·℃),管内壁温度为300℃,试求空气温度。
21)外径为60mm的管子,其外包有20mm厚的绝热层,绝热层材料导热系数为0.1 W/(m·℃),管外壁温度为350℃,外界温度为15℃,试计算绝热层外壁温度。若欲使绝热层外壁温度再下降5℃,绝热层厚度再增加多少。
22)设计一燃烧炉,拟用三层砖,即耐火砖、绝热砖和普通砖。耐火砖和普通砖的厚度为0.5m和0.25m。三种砖的系数分别为1.02 W/(m·℃)、0.14 W/(m·℃)和0.92 W/(m·℃),已知耐火砖内侧为1000℃,外壁温度为35℃。试问绝热砖厚度至少为多少才能保证绝热砖温度不超过940℃,普通砖不超过138℃。
23)为保证原油管道的输送,在管外设置蒸汽夹。对一段管路来说,设原油的给热系数为420 W/(m·℃),水蒸气冷凝给热系数为104 W/(m·℃)。管子规格为φ35×2mm钢管。试分别计算Ki和K0,并计算各项热阻占总热阻的分率。
24)某列管换热器,用饱和水蒸汽加热某溶液,溶液在管内呈湍流。已知蒸汽冷凝给热系数为104 W/(m·℃),单管程溶液给热系数为400W/(m·℃),管壁导热及污垢热阻忽略不计,试求传热系数。若把单管程改为双管程,其它条件不变,此时总传热系数又为多少?
25)一列管换热器,管子规格为φ25×2.5mm,管内流体的对流给热系数为100 W/(m·℃),管外流体的对流给热系数为2000 W/(m·℃),已知两流体均为湍流流动,管内外两侧污垢热阻均为0.0018 m·℃/W。试求:①传热系数K及各部分热阻的分配;②若管内流体流量提高一倍,传热系数有何变化?③若管外流体流量提高一倍,传热系数有何变化?
解:①Ri = R0 = 0.00118m2(℃/W 钢管( = 45W/(m(℃)
m
= 0.01542 1/(W/m2℃)
K0 = 64.84 W/(m2(℃)
热阻分配:
污垢:
管外:
管内:
管壁:
②,,
∴
= 0.01010 m2℃/W
W/( m2℃)
③,
∴
= 0.01521 m2℃/W
W/( m2℃)
31) 120℃饱和水蒸汽将空气从20℃加热至80℃,空气流量1.20×104kg/h。现有单程列管换热器,(25×2.5mm钢管300根,管长3m,(0 = 104W/(m2℃),污垢及管壁热阻不计。问此换热器能否满足要求。
解:℃
50℃空气,( = 1.093kg/m3,Cp = 1.005kJ/(kg(℃),( = 0.02824W/(m(℃)
( = 1.96×10-5 Pa(s,Pr = 0.698
m/s
>10000
∴
W/(m2℃)
∵(0>>(i ∴Ki = (i = 124.5 W/(m2℃)
Q = WcCpc(t = ×1.005×60 = 201 kJ/s
(tm = ℃
Q = KiAi(tm 即 201×103 = 124.5Ai×65.5 ∴Ai = 24.6 m2
又,Ai = n(diL 即 24.6 = 300(×0.020L ∴ L = 1.31 m<3 m
∴ 满足要求
32)某单壳程单管程列管换热器,用1.8×105Pa饱和水蒸汽加热空气,水蒸汽走壳程,其给热系数为105 W/(m·℃),空气走管内,进口温度20℃,要求出口温度达110℃,空气在管内流速为10m/s。管子规格为φ25×2.5mm的钢管,管数共269根。试求换热器的管长。
若将该换热器改为单壳程双管程,总管数减至254根。水蒸汽温度不变,空气的质量流量及进口温度不变,设各物性数据不变,换热器的管长亦不变,试求空气的出口温度。
33)一套管换热器,用热柴油加热原油,热柴油与原油进口温度分别为155℃和20℃。已知逆流操作时,柴油出口温度50℃,原油出口60℃,若采用并流操作,两种油的流量、物性数据、初温和传热系数皆与逆流时相同,试问并流时柴油可冷却到多少温度?
34)一套管换热器,冷、热流体的进口温度分别为55℃和115℃。并流操作时,冷、热流体的出口温度分别为75℃和95℃。试问逆流操作时,冷、热流体的出口温度分别为多少?假定流体物性数据与传热系数均为常量。
35)一列管换热器,管外用2.0×105Pa的饱和水蒸汽加热空气,使空气温度从20℃加热到80℃,流量为20000kg/h,现因生产任务变化,如空气流量增加50%,进、出口温度仍维持不变,问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务?
’
36)在一单管程列管式换热器中,将2000kg/h的空气从20℃加热到80℃,空气在钢质列管内作湍流流动,管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为200根,长度为6m,管子规格为φ38×3mm。现因生产要求需要设计一台新换热器,其空气处理量保持不变,但管数改为400根,管子规格改为φ19×1.5mm,操作条件不变,试求此新换热器的管子长度为多少米?
37)在单程列管换热器内,用120℃的饱和水蒸汽将列管内的水从30℃加热到60℃,水流经换热器允许的压降为3.5Pa。列管直径为φ25×2.5mm,长为6m,换热器的热负荷为2500kW。试计算:①列管换热器的列管数;②基于管子外表面积的传热系数K。
假设:列管为光滑管,摩擦系数可按柏拉修斯方程计算,。
解:(1)℃
45℃时水:( = 990kg/m3,Cp = 4.174×103 J/(kg℃),( = 64.03×10-2W/(m℃)
( = 60.12×10-5Pa(s,Pr = 3.925
∴ u = 1.00m/s
℃
设管壁及污垢热阻可略
∵(0>>(i ∴Ki = (i
对一根管,
= 3.895×104 W
又,即 3.895(104 = 5.23(103(((0.02(6(73.99
∴ = 1.117×103 W/(m2(℃)
(2)
∴ 取n为64根。
38)有一立式单管程列管换热器,其规格如下:管径φ25×2.5mm,管长3m,管数30根。现用该换热器冷凝冷却CS2饱和蒸汽,从饱和温度46℃冷却到10℃。CS2走管外,其流量为250kg/h,冷凝潜热为356kJ/kg,液体CS2的比热为1.05kJ/(kg·℃)。水走管内与CS2呈逆流流动,冷却谁进出温度分别为5℃和30℃。已知CS2冷凝和冷却时传热系数(以外表面积计)分别为和。问此换热器是否合用?
解: kJ/s
设换热器上部为蒸汽冷凝段,以下标“1”表示,下部为冷却段,以“2”表示则 kJ/s T1=46℃
kJ/s t2=30℃ Q1 Q2 T2=10℃
设冷水Cp为常量,则上下两段分界处t3,t3 t1=5℃
即 ∴t3 = 7.4℃
于是:m2
m2
∴A = A1+A2 = 4.14+1.37 = 5.51m2(以外表面积计)
现有换热器A'= n(d0L = 30(((0.025(3 = 7.07 m2> A
故能适用。
39)现有两台规格完全一样的列管换热器,其中一台每小时可以将一定量气体自80℃冷却到60℃,冷却水温度自20℃升到30℃,气体在管内与冷却水呈逆流流动,已知总传热系数(以内表面积为基准)Ki为40 W/(m·℃)。现将两台换热器并联使用,忽略管壁热阻、垢层热阻、热损失及因空气出口温度变化所引起的物性变化。试求:①并联使用时总传热系数;②并联使用时每个换热器的气体出口温度;③若两换热器串联使用,其气体出口温度又为多少(冷却水进出每个换热器的温度不变)?
解:单台:Wh(Cph(T1-T2) = Wc(Cpc(t2-t1)
∴
Wh(Cph(T1-T2) = Ki(Ai((tm,℃
∴
二台并联:W/(m2(℃)
即……①
又 …………………………………………②
由①、②式联立,解得 T2(= 57.6℃,t2(= 31.2℃
二台串联:
即, ………③
又: ……………………………………………④
③、④式联立,解得:T2(=48.2℃,t2( = 35.9℃
40)拟设计一台列管换热器,20kg/s的某油品走壳程,温度自160℃降至115℃,热量用于加热28kg/s的原油。原油进口温度为25℃,两种油的密度均为870kg/m3。其他物性数据如下:
名称
CP? kJ/(kg·℃)
μ? Pa·s
λ? W/(m·℃)
原油油品
1.99
2.20
2.9×10-3
5.2×10-3
0.136
0.119
解:(略)