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某列管换热器为单壳程单管程,由多根φ25×2.5mm 的钢管组成管束,管程走某有机溶液,管内流速为0.6m/s,流量为每小时16吨,比热为1.80kJ/(kg·K),密度为850kg/m3,温度由20℃加热至60℃。壳程为130℃的饱和水蒸气冷凝。管程、壳程的对流给热系数分别为800W/(m22·K)和9000W/(m22·K)。钢导热率为45W/(m·K)。假设垢层热阻可忽略。试求:(1)总传热系数;(2)管子根数及管长;(3)在冷流体进口温度不变的情况下,可以采取何种措施来提高该换热器的传热速率?

某列管换热器为单壳程单管程,由多根φ25×2.5mm 的钢管组成管束,管程走某有机溶液,管内流速为0.6m/s,流量为每小时16吨,比热为1.80kJ/(kg·K),密度为850kg/m3,温度由20℃加热至60℃。壳程为130℃的饱和水蒸气冷凝。管程、壳程的对流给热系数分别为800W/(m22·K)和9000W/(m22·K)。钢导热率为45W/(m·K)。假设垢层热阻可忽略。

试求:(1)总传热系数;(2)管子根数及管长;(3)在冷流体进口温度不变的情况下,可以采取何种措施来提高该换热器的传热速率?

题目解答

答案

解:(1) Q=WcpΔt=16×103×1.80×103(60-20)/3600=3.20×105W

Δtm=[(130-20)-(130-60)]/Ln[(130-20)/(130-60)]=88.5℃

以外表面为基准的传热系数:

K0=1/[1/9000+(0.0025×0.025)/(45×0.0225)+0.025/(800×0.02)]=576.26W/(m2·K)

(2)V=W/ρ=16×103/(3600×858)=0.00523m3/s

A=V/u=0.00523/0.6=8.72×10-3m2

A=πd 2·n/4 n=4A/(πd 2)=4×0.00872/(3.14×0.022)=28根

Ao=Q/(KoΔtm)=3.20×105/(576.26×88.5)=6.27m2

Ao=nπdo·L L=A0/(nπdo)=6.27/(28×3.14×0.025)=2.85m 取3m

(3)因为管程流速小,α也小,故应强化管程,可改为双管程。

解析

步骤 1:计算传热量
根据传热公式 Q = WcpΔt,其中 W 为流量,cp 为比热,Δt 为温度变化。将已知数值代入公式计算传热量。
步骤 2:计算对数平均温差
根据对数平均温差公式 Δtm = [(T1 - t1) - (T2 - t2)] / Ln[(T1 - t1) / (T2 - t2)],其中 T1 和 T2 分别为壳程的冷凝温度和冷流体的出口温度,t1 和 t2 分别为冷流体的进口温度和壳程的冷凝温度。将已知数值代入公式计算对数平均温差。
步骤 3:计算外表面传热系数
根据外表面传热系数公式 K0 = 1 / [1 / αo + (δ / λ) + (do / αi)],其中 αo 为壳程对流给热系数,αi 为管程对流给热系数,δ 为管壁厚度,λ 为钢导热率,do 为管外径。将已知数值代入公式计算外表面传热系数。
步骤 4:计算管程体积流量
根据体积流量公式 V = W / ρ,其中 W 为流量,ρ 为密度。将已知数值代入公式计算体积流量。
步骤 5:计算管程传热面积
根据传热面积公式 A = V / u,其中 V 为体积流量,u 为流速。将已知数值代入公式计算传热面积。
步骤 6:计算管子根数
根据管子根数公式 n = 4A / (πd^2),其中 A 为传热面积,d 为管内径。将已知数值代入公式计算管子根数。
步骤 7:计算管长
根据管长公式 L = Ao / (nπdo),其中 Ao 为外表面传热面积,do 为管外径。将已知数值代入公式计算管长。
步骤 8:提高传热速率的措施
在冷流体进口温度不变的情况下,可以采取增加管程流速、提高壳程对流给热系数、减小管壁厚度等措施来提高该换热器的传热速率。

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