浙江大学：《化工原理》本科课程教学资源（PPT课件）第五章 传热过程计算与换热器（习题课）

幻灯片2目录 第五章传热过程计算与换热器 习题课 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 1/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 1/14 第五章 传热过程计算与换热器 幻灯片2目录 习题课

∫设计型 习题课操 作型 LMTD法: Q=K△tA 对数平均温差法 h ph (T-T2)(2) Q=mcm(2-t)(3) b +Ra,+ KA a1A1 +Ra,+ 242 E-NTU 法 KA NTU nnc h KA NTU n. h mn cph NTU= +CR(逆流时) 1-ex(+CNTU]并流时 E 1+C 浙江大学本科生课程 其余情况:NTU=/(CR,e) 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 2/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 2/14 Q = Kt m A (1) ( ) T1 T2 Q m c = h p h − (2) ( ) 2 1 Q m c t t = c p c − (3) 2 2 1 2 1 1 1 1 1 A Ra A b Ra KA  A  m  = + + + + (4) -NTU 法    操作型 设计型 习题课 t1 T1 T2 t2 LMTD法： 对数平均温差法 ( )         + − − − = R R R C C C NTU 1  1 ln 1 1 1 ( , ) CR 其余情况：NTU = f （逆流时）  ( )  R R C C NTU + − − + = 1 1 exp 1  （并流时） c pc h ph Rh m c m c C = h ph c pc Rc m c m c C = 1 1 2 1 T t t t c − −  = 1 1 1 2 T t T T h − −  = h ph h m c KA NTU = c pc c m c KA NTU =

习题课—一设计型问题举例 例在套管式油冷却器里,热油在d25×25mm的金属管内流动, 冷却水在套管环隙内流动,油和水的质量流量皆为216kg/h,油 的进、出口温度分别为150℃和80℃,水的进口温度为20℃。 油侧对流传热系数为15kW/m2·K,水侧的对流传热系数为 35kW/m2K,油的比热为20kJ/kg.K,试分别计算逆流和 并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。 水t2∞2=3.5kWm2K =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油216kg/h T2=80℃ T1=150℃ Cn=2.0 kJ/kgK t1=20C 1.5 kW/mK 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 3/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 3/14 例1 在套管式油冷却器里，热油在252.5mm 的金属管内流动， 冷却水在套管环隙内流动，油和水的质量流量皆为 216kg/h，油 的进、出口温度分别为 150℃和 80℃，水的进口温度为 20℃。 油侧对流传热系数为 1.5kW m  K 2 ，水侧的对流传热系数为 3.5kW m  K 2 ，油的比热为 2.0kJ kg  K ，试分别计算逆流和 并流操作所需要的管长。忽略污垢热阻及管壁导热热阻。 习题课------设计型问题举例 水 t2 2 =3.5kW/m2 K cp =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2 =80℃ T1 =150℃ cp =2.0 kJ/kgK， t 1 =20℃ 1 =1.5 kW/m2 K

水 a2=3.5kW/mK 解一:LMTD法 =4. 187 kJ/kgK 216kg/h 逆 流时: 油216kg/h ,T2=80℃ T1=150℃ 2=m,cPhT-T2 p2.0 k/kgK t1=20℃ x=1.5 kW/mK 216 ×2.0×(50-80)=8.4J 3600 外 0.025 +2→K=0.894k形/m2K ,C1 2 1.5×0.023.5 (以外表面为基准) 20(150-80)=4187(2-20) →>t2=53.4°C Δt,-Mt1(T Δtm,逆 r2-t1)=769C n Q= KdHL△t, m逆 少燃=156m 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 4/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 4/14 2.0(150 80) 4.187( 20) − = t 2 − t 2 = 53.4C ( ) ( ) C T t T t T t T t t t t t t m =  − − − − − =    −   = 76.9 ln ln 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 ， 逆 ( ) ( ) kJ s Q mh c ph T T 2.0 150 80 8.4 3600 216 1 2 =   − = = − 解一： LMTD 法 3.5 1 1.5 0.02 1 1 1 0.025 1 2 1 2 +  = + = + =    内  外 内 外 d d A A K K = kW m  K 2 0.894 外 逆 m 逆 Q = Kd L t L逆 = 1.56m 逆流时： (以外表面为基准) 水 t2 2 =3.5kW/m2 K cp =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2 =80℃ T1 =150℃ cp =2.0 kJ/kgK， t 1 =20℃ 1 =1.5 kW/m2 K

水t1=20℃a2=3.5kWm2K 解一:LMTD法 =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油216kg/h T2=80℃ 并流时: T1=150℃ Q、t2、K与逆流时相同 p2.0 k/kgK x=1.5 kW/mK 2=8.4W/s t,=53.4°C K=0.89kW/m2K(以外表面为基准) Mt,-△t 并 =65.1°C MAQ T-t, L Km外 =1.83m 并 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 5/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 5/14 t 2 = 53.4C ( ) ( ) C T t T t T t T t t t t t t m =  − − − − − =    −   = 65.1 ln ln 2 2 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 ， 并 m K d t Q L m = 1.83  = 外 并 并  并流时： Q、t2、K与逆流时相同 Q = 8.4kJ s K = kW m  K 2 0.894 解一： LMTD 法 (以外表面为基准) 水 t1 =20℃ 2 =3.5kW/m2 K cp =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2 =80℃ T1 =150℃ cp =2.0 kJ/kgK， t 2 1 =1.5 kW/m2 K

解一:LMTD法 结论:在相同条件下,△Mm>△m并 2 A 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 6/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 6/14 T1 T2 t2 t1 0 A 结论：在相同条件下， t m,逆  t m,并 解一： LMTD 法

水 a2=3.5kW/mK 解二:-NT法↑ =4. 187 kJ/kgK 216kg/h 油216kg/h ,T2=80℃ 逆流时 T1=150℃ p2.0 k/kgK t1=20℃ x=1.5 kW/mK NTU- I +c R R 按冷、热流体当中的任一计算均可。以下以热流密度最小 的热流体为基准计算 h ph h C Pc 2.0 150-80 =0.478 0.538 4.187 150-20 代入式1得:NUn=-=0.910 浙江大学本科生课程 h ph 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 7/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 7/14 逆流时： 解二： -NTU法 c pc h ph Rh m c m c C = 1 1 1 2 T t T T h − −  = h ph h m c KA NTU = ( ) (1) 1 1 ln 1 1 1         + − − − = R R R C C C NTU  按冷、热流体当中的任一计算均可。以下以热流密度最小 的热流体为基准计算。 代入式1得： = 0.910 0.478 4.187 2.0 = = = pc ph c c 0.538 150 20 150 80 = − − = 水 t2 2 =3.5kW/m2 K cp =4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2 =80℃ T1 =150℃ cp =2.0 kJ/kgK， t 1 =20℃ 1 =1.5 kW/m2 K

解二:ε-NTU法 前面已求得: 外 外 0.0251 Ka,Aa,1“内a21.5×0.023.5 K=0.894kW/m2·K(以外表面为基准) 0.910×216×2.0 L逆=Kmd 1.56M 外×3600 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 8/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 8/14 3.5 1 1.5 0.02 1 1 1 0.025 1 2 1 2 +  = + = + =    内  外 内 外 d d A A K K = kW m  K 2 0.894 (以外表面为基准) m K d L 1.56 3600 0.910 216 2.0 =     = 外 逆  解二： -NTU法 前面已求得：

解二:ε-NTU法 并流时: 1-exp(1+ CRNTU 1+C R h ph 2.0 Rh =0.478 4.187 T,-T,150-80 =0.538 h t,150-20 代入式2得 KA 107 1.07×216×2.0 并 =1.83m Km外×3600 浙江大学本科生课程 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 9/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 9/14 解二： -NTU法  ( )  (2) 1 1 exp 1 R R C C NTU + − − +  = 并流时： 0.478 4.187 2.0 = = = = p c p h c p c h p h Rh c c m c m c C 0.538 150 20 150 80 1 1 1 2 = − − = − − = T t T T h  = = 1.07 h ph h m c KA 代入式2得： NTU m K d L 1.83 3600 1.07 216 2.0 =     = 外 并 

习题课—操作型问题举例 【例2】有一台现成的卧式列管冷却器,想把它改作氨冷凝 器,让氨蒸汽走管间,其质量流量950kg/h,冷凝温度为 40℃,冷凝传热系数α1=7000KW/m2K。冷却水走管内,其进 出口温度分别为32℃和36℃,污垢及管壁热阻取为00009 m2K/(以外表面计)。假设管内外流动可近似视为逆流。试 校核该换热器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下: 换热管规格25×2.5mm 管长l=4m 管程数m=4 总管数N=272根 外壳直径D=700mm 附:氨冷凝潜热r=1099k/kg 34℃下水的物性: p2=994kg/m3m2=742×105Pas2=0.6236W/m:K 浙江大学积科生课程 4174Jkg·KPr,=4.97 化工原理 第五章传热过程计算与换热器 10/14

浙江大学本科生课程 化工原理 第五章 传热过程计算与换热器 10/14 习题课------操作型问题举例 【例2】有一台现成的卧式列管冷却器，想把它改作氨冷凝 器，让氨蒸汽走管间，其质量流量950kg/h，冷凝温度为 40℃，冷凝传热系数1=7000KW/m2K。冷却水走管内，其进 、出口温度分别为32℃和36℃，污垢及管壁热阻取为0.0009 m2K/W（以外表面计）。假设管内外流动可近似视为逆流。试 校核该换热器传热面积是否够用。 列管式换热器基本尺寸如下： 换热管规格 252.5mm 管长 l=4m 管程数 m=4 总管数 N=272根 外壳直径 D=700mm 附：氨冷凝潜热r=1099kJ/kg 34℃下水的物性： 3  2 = 994kg m c p = 4.174 kJ kg  K 2 =  Pa  s −5  2 74.2 10  2 = 0.6236W m  K Pr2 = 4.97