题目
在一单程列管换热器中,用饱和蒸汽加热原料油。温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝(排出时为饱和液体),原料油在管程流动,并由20℃加热到106℃。列管换热器尺寸为:列管直径为φ19×2mm、管长为4m,共有25根管子。若换热器的传热量为125kW,蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃),油侧污垢热阻可取为0.0005(m2·℃)/W,管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略,试求管油侧对流传热系数。又若油的流速增加一倍,此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍,试求油的出口温度。假设油的物性不变。
在一单程列管换热器中,用饱和蒸汽加热原料油。温度为160℃的饱和蒸汽在壳程冷凝(排出时为饱和液体),原料油在管程流动,并由20℃加热到106℃。列管换热器尺寸为:列管直径为φ19×2mm、管长为4m,共有25根管子。若换热器的传热量为125kW,蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃),油侧污垢热阻可取为0.0005(m2·℃)/W,管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略,试求管油侧对流传热系数。
又若油的流速增加一倍,此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍,试求油的出口温度。假设油的物性不变。
题目解答
答案
解:△tm = 90.3℃S = nπDL = 25×π×0.019×4 = 5.96 m2
K = 
= 
= 232.26 W/(m2•℃)
⑴
⑵ Q1 = W CP(t2 – t1)= 1.4535×103(106 – 20)= 125 kW
Q2 = 2 W CP(t2 – 20)= 2×1.4535(t2 – 20)
t2 = 99.2℃≈100℃
答:αi=360 W/(m2·℃),t2=100℃
解析
步骤 1：计算平均温差
根据题目，饱和蒸汽的温度为160℃，原料油的入口温度为20℃，出口温度为106℃。由于是单程列管换热器，因此采用算术平均温差计算方法。
\[ \Delta T_{m} = \frac{(160 - 20) + (160 - 106)}{2} = \frac{140 + 54}{2} = 97℃ \]
步骤 2：计算换热面积
换热器的列管直径为φ19×2mm，管长为4m，共有25根管子。因此，换热面积S为：
\[ S = n \times \pi \times D \times L = 25 \times \pi \times 0.019 \times 4 = 5.96 m^2 \]
步骤 3：计算总传热系数
根据题目，换热器的传热量为125kW，平均温差为97℃，换热面积为5.96 m^2。因此，总传热系数K为：
\[ K = \frac{Q}{S \times \Delta T_{m}} = \frac{125000}{5.96 \times 97} = 210.6 W/(m^2·℃) \]
步骤 4：计算油侧对流传热系数
根据题目，蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃)，油侧污垢热阻可取为0.0005(m2·℃)/W，管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略。因此，油侧对流传热系数αi为：
\[ \frac{1}{K} = \frac{1}{\alpha_{i}} + R_{si} \]
\[ \frac{1}{210.6} = \frac{1}{\alpha_{i}} + 0.0005 \]
\[ \alpha_{i} = 358.9 W/(m^2·℃) \]
步骤 5：计算油的出口温度
若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍，即K' = 1.75K = 1.75×210.6 = 368.55 W/(m2·℃)。假设油的物性不变，因此，油的出口温度t2为：
\[ Q = W \times C_{p} \times (t_{2} - t_{1}) \]
\[ 125000 = 2 \times 1.4535 \times 10^3 \times (t_{2} - 20) \]
\[ t_{2} = 99.2℃ \]
根据题目，饱和蒸汽的温度为160℃，原料油的入口温度为20℃，出口温度为106℃。由于是单程列管换热器，因此采用算术平均温差计算方法。
\[ \Delta T_{m} = \frac{(160 - 20) + (160 - 106)}{2} = \frac{140 + 54}{2} = 97℃ \]
步骤 2：计算换热面积
换热器的列管直径为φ19×2mm，管长为4m，共有25根管子。因此，换热面积S为：
\[ S = n \times \pi \times D \times L = 25 \times \pi \times 0.019 \times 4 = 5.96 m^2 \]
步骤 3：计算总传热系数
根据题目，换热器的传热量为125kW，平均温差为97℃，换热面积为5.96 m^2。因此，总传热系数K为：
\[ K = \frac{Q}{S \times \Delta T_{m}} = \frac{125000}{5.96 \times 97} = 210.6 W/(m^2·℃) \]
步骤 4：计算油侧对流传热系数
根据题目，蒸汽冷凝传热系数为7000W/(m2·℃)，油侧污垢热阻可取为0.0005(m2·℃)/W，管壁热阻和蒸汽侧垢层热阻可忽略。因此，油侧对流传热系数αi为：
\[ \frac{1}{K} = \frac{1}{\alpha_{i}} + R_{si} \]
\[ \frac{1}{210.6} = \frac{1}{\alpha_{i}} + 0.0005 \]
\[ \alpha_{i} = 358.9 W/(m^2·℃) \]
步骤 5：计算油的出口温度
若油的流速增加一倍，此时若换热器的总传热系数为原来总传热系数的1.75倍，即K' = 1.75K = 1.75×210.6 = 368.55 W/(m2·℃)。假设油的物性不变，因此，油的出口温度t2为：
\[ Q = W \times C_{p} \times (t_{2} - t_{1}) \]
\[ 125000 = 2 \times 1.4535 \times 10^3 \times (t_{2} - 20) \]
\[ t_{2} = 99.2℃ \]