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化工
题目

某厂精馏塔顶冷凝器中有 varnothing 25 times 2.5 的冷却水管 60 根,长 2 , (m),蒸气在管外冷凝,管内是冷却水,流速为 1 , (m/s),冷水进、出温度分别为 20^circ (C),40^circ (C),试求:管壁对冷水的表面传热系数。计算所需数据请查教材附录。1、管内流动的雷诺数是(保留整数)。2、管壁对冷水的对流传热系数是(保留整数)(W) / ((m)^2 cdot (K))。

某厂精馏塔顶冷凝器中有 $\varnothing 25 \times 2.5$ 的冷却水管 60 根,长 $2 \, \text{m}$,蒸气在管外冷凝,管内是冷却水,流速为 $1 \, \text{m/s}$,冷水进、出温度分别为 $20^{\circ} \text{C}$,$40^{\circ} \text{C}$,试求:管壁对冷水的表面传热系数。

计算所需数据请查教材附录。
1、管内流动的雷诺数是(保留整数)。
2、管壁对冷水的对流传热系数是(保留整数)$\text{W} / (\text{m}^2 \cdot \text{K})$。

题目解答

答案

1. 根据 $ T_m = 30^\circ \text{C} $,查得 $ \rho = 995.7 \, \text{kg/m}^3 $,$ \mu = 0.798 \times 10^{-3} \, \text{Pa·s} $。 雷诺数为: \[ Re = \frac{D u \rho}{\mu} = \frac{0.02 \times 1 \times 995.7}{0.798 \times 10^{-3}} \approx 24955 \] 2. 对于湍流,$ Nu = 0.023 \, Re^{0.8} Pr^{0.4} $。 \[ Nu = 0.023 \times 3297 \times 1.966 \approx 149 \] 对流传热系数为: \[ h = \frac{Nu \times k}{D} = \frac{149 \times 0.618}{0.02} \approx 4604 \, \text{W/(m}^2 \cdot \text{K)} \] 最终结果: 1. $ Re = 24955 $。 2. $ h = 4604 \, \text{W/(m}^2 \cdot \text{K)} $。

解析

本题主要考察管内强制对流换热的相关知识,解题思路如下:

  1. 首先根据冷却水的进出口温度计算平均温度,然后查教材附录得到该平均温度下冷却水的密度 $\rho$ 和动力黏度 $\mu$。
  2. 利用雷诺数公式 $Re = \frac{Du\rho}{\mu}$ 计算管内流动的雷诺数,其中 $D$ 为管内径,$u$ 为管内冷却水的流速。
  3. 根据雷诺数判断流动状态,对于湍流,使用努塞尔数关联式 $Nu = 0.023Re^{0.8}Pr^{0.4}$ 计算努塞尔数,这里需要查教材附录得到平均温度下冷却水的普朗特数 $Pr$。
  4. 最后根据努塞尔数的定义式 $Nu=\frac{hD}{k}$(其中 $k$ 为平均温度下冷却水的导热系数,同样查教材附录得到),计算管壁对冷水的对流传热系数 $h$。

具体计算过程

  1. 计算平均温度 $T_m$
    已知冷水进、出温度分别为 $T_1 = 20^{\circ}C$,$T_2 = 40^{\circ}C$,则平均温度为:
    $T_m=\frac{T_1 + T_2}{2}=\frac{20 + 40}{2}=30^{\circ}C$
    查教材附录得,在 $T_m = 30^{\circ}C$ 时,$\rho = 995.7 \, kg/m^3$,$\mu = 0.798 \times 10^{-3} \, Pa·s$,$Pr = 1.966$,$k = 0.618 \, W/(m·K)$。
  2. 计算管内径 $D$
    已知冷却水管规格为 $\varnothing 25 \times 2.5$,则管内径为:
    $D = 25 - 2\times2.5 = 20 \, mm = 0.02 \, m$
  3. 计算雷诺数 $Re$
    已知管内冷却水的流速 $u = 1 \, m/s$,将 $D = 0.02 \, m$,$u = 1 \, m/s$,$\rho = 995.7 \, kg/m^3$,$\mu = 0.798 \times 10^{-3} \, Pa·s$ 代入雷诺数公式 $Re = \frac{Du\rho}{\mu}$ 得:
    $Re = \frac{0.02 \times 1 \times 995.7}{0.798 \times 10^{-3}} \approx 24955$
  4. 计算努塞尔数 $Nu$
    由于 $Re = 24955\gt{}10000$,管内流动为湍流,使用努塞尔数关联式 $Nu = 0.023Re^{0.8}Pr^{0.4}$ 计算努塞尔数,将 $Re = 24955$,$Pr = 1.966$ 代入得:
    $Nu = 0.023\times(24955)^{0.8}\times(1.966)^{0.4}\approx 0.023\times3297\times1.966\approx 149$
  5. 计算对流传热系数 $h$
    根据努塞尔数的定义式 $Nu=\frac{hD}{k}$,可得 $h = \frac{Nu\times k}{D}$,将 $Nu = 149$,$k = 0.618 \, W/(m·K)$,$D = 0.02 \, m$ 代入得:
    $h = \frac{149 \times 0.618}{0.02} \approx 4604 \, W/(m^2·K)$

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