有一列管式换热器,外表面积为40m2,列管为Φ25×2.5mm的钢管,用饱和水蒸气将处理量为2.5×104 kg/h的油从40℃加热到80℃,油走管程,流动状态为湍流,蒸汽走壳程,水蒸气压力为0.2MPa(绝压),冷凝传热系数为1.2×104W/(m2 K),油的平均比热为2.1×103 J/(kg K)。(1) 当油的处理量增加一倍时,油的出口温度为多少?若要保持油的出口温度仍为80℃,换热器是否够用?(2) 若不够用时,可以采取哪些措施?(3) 并联或串联多大的换热器才够用?要考虑哪些问题?(4) 处理量加大一倍,若将加热蒸汽提高到3个大气压,能否保持油的出口温度?(5) 油的处理量不变,如果油的粘度增大一倍,仍为湍流流动,其他物性不变,油的出口温度是多少?(6) 由于换热器运行时间较长,使得管壁增加了一层油垢,其厚度为1mm,导热系数为0.2W/(m K),此时油的出口温度为多少?(7) 大气温度为10℃,管壁对空气的对流传热系数按αT = 9.4+0.052(tw-t),换热器的壳直径为426×5mm,保温后壁温为30℃,保温层导热系数为0.058 W/(m K)。保温层厚度为多少?

解:⑴由①,查得2atm时,水蒸汽的饱和温度为120℃,则℃,

那么

因为,所以

当油的流量提高一倍时,,,根据,

,所以,所以

设油的出口温度为,则②

由②/①得,,带入数据

,试差计算得℃

若要保持出口温度为80℃,则不变,那么

,那么

⑵①增大传热面,即并联或串联一台换热器;

②提高加热蒸汽的压力,以提高传热推动力;

③加添加物,增加扰动,提高管程对流传热系数,降低管程热阻。

⑶并联一台同样大小的换热器。当流量增加一倍时,传热面A增加一倍,流速u不变,K不变,故并联一台40m3换热器正好够用。

若串联一台换热器,则由上述结果可知,串联一台6 m3的换热器即可。

⑷将水蒸气压力提高到0.3MPa,查表可知此时水蒸气温度132.9℃

℃,则

,因为此时所需的换热器面积小于实际换热器面积,所以此种方法是可行的。

⑸流量不变,油的粘度增加一倍时,由,得

那么,即

设油的出口温度为,根据,

那么, 得℃

即油的粘度提高一倍时,出口温度降低为72.7℃

⑹垢的影响:增加一层油垢后,,其中是油垢层厚度的对数平均值,

因为20/18<2,所以,那么,

根据℃,

所以增加1mm油垢,使油的出口温度降为57.4℃

⑺设保温层厚度为b米,

根据,带入数据

试差b=0.024m