题目

(22分) 某化工厂用一热交换器,每小时冷凝3.4T/h工业酒精。已知酒精温度80℃,汽化潜热为1072kJ/kg,酒精蒸汽在管外冷凝,测得其α1=2268W/(m2.K),冷却水在管内流动,水流速度为0.4 m/s,进口水温度为20℃,流量为34500kg/h, 钢管规格:φ30×2.5mm,长2m,钢管导热系数46.5W/(m.K),设过程无热损失,并忽略垢层热阻,试求:(1)传热速率(2)冷却水出口温度 (3)换热器传热面积(4)欲使传热速率Q提高,有人认为只要提高α1即可,你的看法如何?(水的ρ=1000kg/m3,Cp=4.18kJ/(kg.K),μ=1cp,λ=0.65W/(m2.K))

题目解答

答案

答案(1)Q=3.4×103×1072×103/3600=1.012×106W (2 )1.012×106=34500×4.18×103(t22、2=45.26℃(3)Re=dup/μ=(25×103、×0.4×103)/(1×103)=104 pr=Cp.μ/λ=(4.18×103×1×103、)/0.65=6.431L/d=2/(30×103、)=66.67>60 αi=0.023(λ/di)Re0.8Pr0.4 =0.023×(0.65/0.025)×(104)0.8×(6.431)0.4 =1996W/(m2.K)△t1=80-20=60℃;△t2=80-45.26=34.74℃;△tm=(60+34.74)/2=47.37℃ Ko =1/[(do/αidi)+(doδ)/(dmλ)+1/αo]=1/[30/(25×1996)+(30×2.5×103、)/(27.5×46.5)+1/2268] =908.4W/(m2.K)A=Q/(K△tm)=(1.012×106)/(908.4×47.37) =25.6m2(4)要提高Q,不能单纯提高α1,因为α1与α2数值相近,必须同时提高α1与α2,才能使K增大,从而使Q能显著提高。《化工原理》第三章“机械分离”复习题

解析

步骤 1：计算传热速率
传热速率Q可以通过酒精的冷凝速率和汽化潜热计算得出。已知每小时冷凝3.4T/h工业酒精，汽化潜热为1072kJ/kg，因此传热速率Q为：
\[ Q = 3.4 \times 10^3 \times 1072 \times 10^3 / 3600 \]

步骤 2：计算冷却水出口温度
冷却水的传热速率等于酒精的冷凝速率，因此可以利用冷却水的流量和比热容计算出口温度。已知冷却水流量为34500kg/h，进口水温度为20℃，传热速率为Q，因此冷却水出口温度t2为：
\[ Q = 34500 \times 4.18 \times 10^3 \times (t2 - 20) \]

步骤 3：计算换热器传热面积
换热器传热面积A可以通过传热速率Q、传热系数K和平均温差△tm计算得出。已知传热速率Q，传热系数K可以通过对流传热系数α1和α2、钢管导热系数λ和钢管规格计算得出，平均温差△tm可以通过进口水温度和出口水温度计算得出，因此换热器传热面积A为：
\[ A = Q / (K \times \Delta tm) \]

步骤 4：分析传热速率Q提高的方法
传热速率Q的提高可以通过提高传热系数K和平均温差△tm实现。传热系数K可以通过提高对流传热系数α1和α2、钢管导热系数λ和钢管规格实现，平均温差△tm可以通过提高进口水温度和出口水温度实现。因此，要提高传热速率Q，不能单纯提高α1，必须同时提高α1与α2，才能使K增大，从而使Q能显著提高。