化工原理3.4传热过程-2

3-4-5换热器的设计型和操作性计算一、设计型计算生产任务：热流体冷却设计条件：qm1、T1、T2设计目的：A选择条件：(1)流向(逆、并、其他) (2)t1 (3)t2、qm21

t1一定，受热量衡算约束：qm2↓t2↑和qm2↑t2↓ qm2小t2大，回收能量品位高，动力消耗小，操作费用低 但t2大Δtm小，完成同Q所需的A大，设备费用高经济权衡

t2<45°C:减少垢阻，防止传热恶化——技术限制 (4)u u↑α↑K↑,在同Q、Δtm下A↓,节省设备费用 u↑∑hf↑,操作费用上升避免层流流动状态经济权衡2

夏季水温保险

二、操作型计算 1.判断现有换热器是否适用 A实际> A需要可用；反之 2.工况变化时对传热过程的影响 基本方程：热量衡算式和传热速率方程 试差法：Δtm计算式的非线形

例题欲在直立式单程列管换热器的壳程将流率为 0.35kg/s,温度为80°C的饱和苯蒸汽冷凝并冷却到 30°C,苯在80°C时的冷凝热为394kJ/kg,液苯的比热为1.8kJ/kg.°C。换热器由38根直径为Φ25×2.5mm,长为2m的无缝钢管组成，苯蒸汽在管外冷凝传热系数α1冷凝=1400W/m2.°C,液苯在管外对流传热系数α1 2冷却=1200W/m .°C,冷却水在管内与苯逆流流动，其温度由20°C升至30°C,试计算： (1)冷却水的用量？钢λ=45W/m.°C; (2)如管内水的对流传热系数为1717W/m2.°C,问该换热器是否能满足要求？3 4

解： (1)

t2

Q= qm 1r+ qm 1C p1 (T1 T2 )= qm 2C p 2 ( t 2 t1 )T1 T1 t2 T2 t2’ A t1qm 2= 0.35 * 394+ 0.35 * 1.8(80 30)= 4.05kg/ s 4.2 * ( 30 20)

( 2)冷凝段： Q1 '= qm 1 r= 137.9kW

T2

冷却段： Q2= qm 1C p1 (T1 T2 )= 31.5kWQ2= qm 1C p1 (T1 T2 )= qm 2C p 2 ( t 2 ' t1 )

t1 5

t 2 '= 21.86°C

冷凝段： T1= 80°C→ T1= 80°C t 2= 30°C← t 2 '= 21.86°C 50°C 58.14°CΔt m,冷凝 50+ 58.14== 54.07°C 2

冷却段：

T1= 80°C→ T2= 30°C t 2 '= 21.86°C← t1= 20°C 58.14°C 10°C

Δt m,冷却=

58.14 10= 27.35°C ln(58.14/ 10)

1 K 1,冷凝

=

1

α 1,冷凝=

+

1 d1 b d1+λ dmα2 d2

1 1 0.0025 25 1 25=++ K 1,冷却 1200 45 22.5 1717 20

K 1,冷却= 616W/( m 2 . K )

1 0.0025 25 1 25++ 1400 45 22.5 1717 20

A1,冷却=

Q2=1.87 m 2 K 1,冷却Δt m,冷却

K 1,冷凝= 665W/( m 2 . K )

实际需要： A1,需要= 3.84+ 1.87= 5.71m 2

A1,冷凝=

Q1=3.84m 2 K 1,冷凝Δt m,冷凝

实际提供： A1,实= nπd o l= 38 *π 0.025 * 2= 5.97m 2A1,实> A1,需要可以完成任务

例题用 120°C的饱和水蒸汽将流量为 36m3/h某稀溶液在单壳程双管程列管换热器中的管程从温度为 80°C上升到 95°C,每程有直径为Φ 25×2.5mm管子 30根，且以管外表面积为基准K1=2800 W/m2.°C,蒸汽侧污垢热阻和管壁热阻可忽略不计。求：

(1)换热器所需的管长； (2)操作一年后，由于污垢积累，溶液侧的污垢系数增加了 0.00009m2.°C/W,若维持溶液原流量及进口温度，其出口温度为多少？若又保证溶液原出口温度，可采取什么措施？(定性说明)溶液的ρ=1000kg/m3;cp=4.2kJ/(kg.°C)9

单壳程双管程列管换热器

n总= 2 * 30= 60根

(1)管程流体流通截面积A=?换热器的传热面积A=? (2)单侧变温 (3)设计型问题 (4)操作型问题

A流通=

π4

d 2× 30

2

A传热=πd 1 l× 60

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(1)设计型

( 2)操作型1 1 d=+ R2 1= 0.00047 K1 ' K1 d2污垢在管内侧

Q= qm 1r= qm 2C p 2 ( t 2 t1 )= KAΔt mQ= 36 * 1000 * 4.2 * 10 3 (95 80)/ 3600= 630kWT1= 120°C→ T2= 120°C t 2= 95°C← t1= 80°C 25°C 40°C3

K 1 '= 2128W/( m 2 . K )

Δt m=

40 25= 31.9°C ln( 40/ 25)

Q'= qm 1 ' r= qm 2C p 2 ( t 2 ' t1 )= K 1 ' A1Δt m 'T1= 120°C→ T2= 120°C t 2 '=?°C← t1= 80°C?°C 40°C

A1=

630 * 10= 7.05m 2 2800 * 31.9

A1=πd1 l× 60

7.05 l== 1.5mπ * 0.025 * 60

2128 * 7.05 *

t 2 ' 80 36 * 10 3= * 4200( t 2 ' 80) 40 3600 ln 120 t 2 '

t 2 '= 92°C强化传热：提高Q (1)推动力，提高蒸汽的操作压力(蒸汽温度) (2)清洗换热器，提高K (3)设计型：改变换热器面积、管内流速等方法

小结 3-4Q= q m1c p1 (T1 T2 )= q m 2 c p 2 ( t 2 t1 )A与K一致

Q= KAΔ t m1 1 b d1 1 d1=++ K1α1λ d mα 2 d 2Δt m=Δ t 1 Δt 2Δt ln 1Δt 2

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传热计算的基础：

Q= KAΔt m= qm 1c p1 (T1 T2 )= qm 2 c p 2 ( t 2 t1 )总传热速率方程：Q= KAΔt m1 1 b d1 1 d1=++ K1α1λ d mα 2 d 2

K大小 A基准控制热阻

K接近α小一侧流体的值，壁温接近α大的侧流体强化传热——应提高α小一侧流体的α15