热质交换原理与设备

P286,15

冷却器内工作液从77℃冷却到47℃,工作 液质量流量为1kg/s,比热容 c=1758J/(kg.k),冷却水入口为13 ℃,质 量流量0.63kg/s,求解在传热系数 k=310W/(m^2.K)不变的条件下采用下列 不同流动方式时所需传热面积(采用NTU 法或LMTD法计算,均可任选)?(1)逆流(2) 一壳程两管程(3)交叉流(壳侧混合,管侧 为冷却水)
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一逆流套管换热器，其中油从100℃冷却到 60℃。水从20℃加热到50℃，传热量为 2.5×10^4W，传热系数350W/(m^2.K)，油 的比热容为2.131kJ/(kg.k)。求换热面积？ 如使用后产生污垢，垢阻为0.004m.K/W， 流体入口温度不变，问此时换热器的传热 量和两流体出口温度各为多少？
Fra Baidu bibliotek
与假设误差不大，可以认为C p1取值正确
tm逆
(300 120) (146.6 35) 143.1℃ 300 120 ln 146.6 35
设壳侧为热流体，管侧为冷流体
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t "2 t '2 120 35 t '1 t "1 300-146.6 P 0.32，R 1.8 t '1 t '2 300 35 t "2 t '2 120-35
D 0.248 104 hD Sh 55.25 0.554m / s d 0.025 水面定于饱和状态, 故水蒸气质量浓度为
(20℃时水蒸气PS 2338 Pa)
55.25
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2338 18 CW 0.0173kg / m3 8314 293 w1 Pw1 / RH 2O 管入口处 :由d 得 a Pa / Ra
近似查图10 -16， (以单壳程代替双壳程，教材缺图) t 0.88 tm t tm逆 0.88 143.1 126℃ (35 95) 运行两年后t f 2 65℃，查表C ' 4.183KJ / kg ℃ 2 10000 Q ' M 2C p 2 (t f 2 " t f 2 ') 4.183 (95 35) 697166 w 3.6 (300 190) 设t " f 1 190℃，t f 1 245℃，查表CP1 4.8 KJ / kg ℃ 2
Cmin K ' A 145.83 1.6 625 NTU 0.373，Cr 0.75 Cmin 625 Cmax 833.33
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1 exp[ NTU (1 Cr )] 1 exp[0.373(1 0.75)] 1 Cr exp[ NTU (1 Cr )] 1 0.75exp[0.373(1 0.75)]
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(3)求产生污垢后的传热量Q ' 及出口温度t "1 ，t "2 ？ 由于t '1 - t "1 t "2 t '2
C1 Cmin C2 Cmax
Q 2.5 104 625 t '1 - t "1 100 60 Q 2.5 104 833.33 t '2 - t "2 50 20
解得l 7.2m
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空气流入内径为25mm、长1m的湿壁管时 的参数为：压力1.0132×10^5Pa、温度 为25℃、含湿量3g/kg(a)。空气流量为 20kg/h。由于湿壁管外表面的散热，湿 表面水温为20℃，试计算空气在管子出 口处的含湿量是多少。
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25 20 解 : tm 22.5℃查得空气物性, 2
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要使出口处空气达到饱和,则出口处的水蒸气质量浓度 C2 CW 0.0239kg / m3要求所需管长l , 则根据 :
C1 C2 m hD dl (CW ) 空气体积质量 (C2 C1 ) 2
0.00956 0.0239 d 2 则0.222l (0.0239 ) u (0.0239 0.00956) 2 4
3 103 28.9 1.013 105 Pw1 488Pa 18 488 18 C1 0.00354kg / m3 8314 298
设管子出口处水蒸气质量浓度为C2 , 则
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C1 C2 hD dl (CW ) V (C2 C1 ) 2 0.00354 C2 0.55 0.025 1 (0.0173 ) 0.00469(C2 0.00354) 2 解得C2 0.0122kg / m3
0.0122 8314 298 P2 1679.2 Pa 18 1679.2 d 622 10.3 g / kg (a) 5 1.013 10
换热器热工计算的基本公式
(1)传热方程式Q KAtm
(2)热平衡方程式 Q G1c1 (t '1 t "1 ) G2c2 (t '2 t "2 )
可得Sh 0.023Re0.83 Sc 0.44 0.023 206050.83 0.620.44 70.95
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D 0.25 104 hD Sh 70.95 0.222m / s d 0.08
2 再求浓度, 25℃时水壁面的水蒸气饱和压强P 3289 N / m W
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解：(1)使用前面积 (100 50) (60 20) tm 44.8℃ 100 50 ln 60 20 Q 2.5 104 A 1.6m2 K tm 350 44.8
(2)产生污垢后的传热系数K ' 1 1 K' 145.83w / m2 ℃ 1 1 0.004 0.004 K 350
(t '1 t '2 ) (t "1 t "2 ) (77 32.93) (47 13) tm 38.82℃ t '1 t '2 77 32.93 ln ln 47 13 t "1 t "2
Q 52740 A 4.38m 2 K tm 310 38.83
15.53 106 m 2 / s, 1.185kg / m3
295.5 D 0.22 273
3/ 2
0.248cm 2 / s
空气的体积流量V
20 / 3600 0.00469m3 / s 1.185 V 0.00469 空气的速度u 9.55m / s 2 A d / 4
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Re 9.55 0.025 15373 35000 6 15.53 10 15.53 106 Sc 0.626 0.6 4 D 0.248 10 ud
Sh 0.023Re0.83 Sc0.44 0.023 153730.83 0.6260.44
A Q 52740 4.87 m 2 K tm 310 34.94
P286,15
(3)交叉流
以R 1.16, P 0.4, 查图10 -14, t 0.82 tm 31.83℃
Q 52740 A 5.34m 2 K tm 310 31.83
P286,15
(2)一壳程两管程
t '1 t "1 热流体温降 77 47 R 1.16 t "2 t '2 冷流体温升 38.82 13
t "2 t '2 38.82 13 0.4 t '1 t '2 77 13 查图10 14, t 0.9 tm tm逆 t 34.94 P
tf 2
(t2 ' t2 ") (35 120) 77.5℃查表得C p 2 4.193KJ /(kg ℃) 2 2 1000 Q M 2C p 2 (t2 ' t2 ") 4.193 (120 35) 990014 w 3.6
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(300 150) 设t " f 1 150℃，t f 1 225℃, 查表C p1 4.6475 KJ / kg ℃ 2 Q 990014 3.6 t "f 1 t ' f 1 300 300 153.4 146.6℃ M 1C p1 5 4647.5
3289 18 则此时水蒸气的质量浓度CW 0.0239kg / m3 8314 289
2 由已知, 入口处水蒸气的分压力P 3289 40% 1315.6 N / m 1
则对应的, 入口处水蒸气的质量浓度: 1315.6 18 C1 0.00956kg / m3 8314 298
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1 1 1 解：原热阻 R , 运行两年后总热阻 R ' R f K K K' 1 1 Q Q' 污垢热阻R f ，又K ,K ' K' K Atm At 'm
K ' Q ' tm Q ' tm K' K K Q t 'm Q t 'm
解得 0.28
Q' 又由 ，其中Qmax Cmin (t '1 t '2 ) 625 (100 20) 50000 w Qmax
Q ' Q
4 0.28 50000 1.4 10 w max
又 Q ' C1 (t '1 t "1 ) Q' 1.4 104 t "1 t '1 100 77.6℃ C1 625
P286,15
解 : (1)逆流, 取水的定压比热C2 4200 J / kg ℃
Q M 1C1 (t '1 t "1 ) 11758 (77 47) 52740 w
Q 52740 t "2 t '2 13 32.93℃ M 2C2 0.63 4200
P286,22
Q ' C2 (t '2 t "2 ) Q' 1.4 104 t "2 t '2 20 36.8℃ C2 833.33
P287,25
质量流量为50000kg/h，入口温度为300℃ 的水，通过双壳程、四管程的换热器，能 将另一侧质流量为10000kg/h的冷水从 35℃加热到120℃。设此时传热系数为 1500W/(m^2.k)，但在运行2年后，冷水只 能被加热到95℃，而其他条件未变，试问 产生污垢热阻为多少？
热质交换原理与设备
习题课
题目：传热学课本

P305,8 P305,11 P286,15 P286,22 P287,25
P305,8

相对湿度为40％、温度为25℃、压力为 1.0132×10^5Pa的空气，以4m/s的流速进入内 径为8cm的竖直管，管内壁有25℃的薄层水不 断淌下，试计算为使空气达到饱和所需的管长。
P305,8
解:先求hD，25℃的空气物性查得
P0 T D D0 P T 0
15.53106m2 / s, D0 0.22cm2 / s

3/ 2
0.22 (
298 3/ 2 ) 0.25cm 2 / s 273
40.08 20605 35000 Re ud 15.53106 15.53 106 Sc 0.62 0.6 4 D 0.25 10