1、 習題課習題課 t1 T1 T2 t2 單 管 程 、 單 殼 程 操操作作型型設設計計型型習題課習題課(1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A例例1 在在套套管管式式油油冷冷卻卻器器里里，熱熱油油在在 25 2.5mm 的的金金屬屬管管內內流流動動，冷冷卻卻水水在在套套管管環環隙隙內內流流動動，油油和和水水的的質質量量流流量量皆皆為為 216kg/h，油油的的進進、出出口口溫溫度度分分別別為為 150和和 80，水水的的進進口口溫溫度度為為 20。油油側側對對流流傳傳熱熱系系數數為為 1.5KmkW

2、2，水水側側的的對對流流傳傳熱熱系系數數為為3.5KmkW 2， 油油的的比比熱熱為為 2.0KkgkJ ， 試試分分別別計計算算逆逆流流和和并并流流操操作作所所需需要要的的管管長長。忽忽略略污污垢垢熱熱阻阻及及管管壁壁導導熱熱熱熱阻阻。 -設計型問題舉例 習題課習題課 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 22.0 150804.18720t253.4tC212176.9lnmtttCtt，逆122162.0150 808.4360

3、0h hQ Wc TTkJ s解：解：12121110.02511.5 0.023.5AdKhAhhdh外外內內KmkWK 2894. 0逆逆逆逆外外mtLdKQ mL56. 1 逆逆逆流時：逆流時：(以外表面為基準以外表面為基準) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K 253.4tC212165.1lnmtttCtt，并mtdKQLm83. 1 并并外外并并 并流時：并流時：、2 2、K K skJQ4 . 8 KmkWK 2894

4、. 0(以外表面為基準以外表面為基準) 水 t2 h2=3.5kW/m2K cp=4.187 kJ/kgK 216kg/h 油 216kg/h T2=80 T1=150 cp=2.0 kJ/kgK， t1=20 h1=1.5 kW/m2K mL56. 1 逆逆 T1 T2 t2 t1 0 A 并并逆逆,mmtt 1.83Lm并mL56. 1 逆逆-操作型問題舉例 【例【例2】有一臺現成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨】有一臺現成的臥式列管冷卻器，想把它改作氨冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質量流量冷凝器，讓氨蒸汽走管間，其質量流量950kg/h，冷凝，冷凝溫度為溫度為40，冷凝傳熱系數，冷凝傳熱系數h

5、1=7000KW/m2K。冷卻水走。冷卻水走管內，其進、出口溫度分別為管內，其進、出口溫度分別為32和和36，污垢及管壁，污垢及管壁熱阻取為熱阻取為0.0009 m2K/W（以外表面計）。試校核該換熱（以外表面計）。試校核該換熱器傳熱面積是否夠用。器傳熱面積是否夠用。 列管式換熱器基本尺寸如下：列管式換熱器基本尺寸如下： 換熱管規格換熱管規格 25 2.5mm 管長管長 l=4m 管程數管程數 m=4 總管數總管數 N=272根根 外殼直徑外殼直徑 D=700mm附：氨冷凝潛熱附：氨冷凝潛熱 r=1099kJ/kg34下水的物性：下水的物性：32994mkg 24.174ckJ kg KsPa

6、 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 實實需需、比較比較AA24 .852724025. 0mNldA 外外實實19501099290.03600QWrkW21221Q WrWc tt217.37/Wkg s21211221ln5.77lnmtttttttCTtTt，逆mtKQA 需需解：解：(外表面積外表面積)222221417.3712729940.0244

7、0.818/WuNdmm s內452102 .21916102 .7402. 0818. 0994Re 4 . 08 . 0PrRe023. 0 Nu0.80.422220.023RePrhd內)160Pr7 . 0(2 KmW 24 . 08 . 05 .404397. 42 .2191602. 06236. 0023. 032994mkg 24.174ckJ kg KsPa 52102 .74 20.6236kW m K97. 4Pr2 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N

8、=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 2221211110.02510.00094043.5 0.027000AdRsRsKh Ahh dh外外內內mtKQA 需需230 .6877. 56 .739100 .290m 24 .85 mA 實實實實需需AA 換熱面積夠用KmWK 26 .739(以外表面為基準以外表面為基準) 氨 T=40，950kg/h, h1=7000kW/m2K r=1099kJ/kg t2=36 t1 =32 水 252.5mm,l=4m， T=40 N=272 根,m=4, D=700mm 四管程列管式 【例【例7-5】(P) 在一逆流換熱器中將熱氣體

9、從在一逆流換熱器中將熱氣體從150冷卻冷卻至至60，氣體流經管內，冷卻劑為水，溫度從，氣體流經管內，冷卻劑為水，溫度從15升升至至35，氣側給熱系數為，氣側給熱系數為50W /(m2)，水側給熱系數，水側給熱系數為為5000W /(m2), 現工廠擴大生產能力，氣體的流量現工廠擴大生產能力，氣體的流量增加增加25%，冷卻水的進口溫度不變，冷卻水的進口溫度不變，忽略管壁和污垢忽略管壁和污垢熱阻，試求：熱阻，試求： 冷卻水的流量不變，氣體的出口溫度和冷卻水冷卻水的流量不變，氣體的出口溫度和冷卻水的出口溫度；的出口溫度； 氣體流量增加后，擬通過調節冷卻水的流量以氣體流量增加后，擬通過調節冷卻水的流量

10、以使氣體出口溫度保持在使氣體出口溫度保持在60不變，調節后水的流量不變，調節后水的流量和冷卻水的出口溫度。和冷卻水的出口溫度。 解：解： 氣體流量增加前，根據傳熱基本方程：氣體流量增加前，根據傳熱基本方程： (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt 122111121221PTtTtWCTTKATtLnTt12212111121PTtKAttlnTtWCTT熱量衡算和傳熱速率 t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 習題課習題課-操作型分析操作型分析例例3：無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中進行換：無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中進行換熱，今若熱，今若熱

11、流體的質量流量增大熱流體的質量流量增大，而其它操作參數不，而其它操作參數不變，試定性分析變，試定性分析K、Q、t2、T2、 tm的變化趨勢的變化趨勢K：0.811110.023RePrnhd內0.811huKQ：排除法假假設設 Q 不不變變，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3 得不變不變2t， mt出現矛盾的結果，故假設不成立 W1h2不變 T1 t2 T2 t1 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 21(3)c cQW c tt假設假設 Q 變小，變小，由式 1 得 mt由式 2 得 2T，由式 3 得 2t， mt

12、故假設不成立 Qt2：由式 3 知 2t T1 T2 0 A (1)mQKA t12(2)h hQW c TT21(3)c cQWc tt111(4)osisiimoobRRKAh AkAh A t1 T1 T2? t2? 套管式 W1 排除法假假設設 T2不不變變，T2： T1 T2 0 A 假假設設 T2變變小小， 2T2t mt2t mt:mt 無法判斷 T1 T2 t2 t1 0 A T1 T2 t1 t2 0 A 逆流并流1122,mWhKQtTt 不定 快速分析：快速分析： t1 T1 T2？ t2？ 套管式 K 不變 Q 2Tt2：K：Q：T2：mt 12h 、h 不變排除法 m

13、t T1 T2 0 A 2t練習練習1 無相變的冷、熱無相變的冷、熱流體在套管式換熱器中流體在套管式換熱器中進行換熱，今若進行換熱，今若冷流體冷流體的進口溫度的進口溫度t1下降下降，而，而其它操作參數不變，試其它操作參數不變，試定性分析定性分析K、Q、t2、T2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。K：不變。 Q蒸汽溫度 T 2t mt練習練習2：在一列管式換熱器中用飽和水蒸汽預熱某有機溶液（無相在一列管式換熱器中用飽和水蒸汽預熱某有機溶液（無相變），蒸汽走殼程，變），蒸汽走殼程，今若蒸汽壓力變大今若蒸汽壓力變大，而其它操作參數，而其它操作參數不變，試定性分析不變，試定性分析K、Q、t2、 tm的變

14、化趨勢。的變化趨勢。 t1T2 T1 t2 雙管程列管式練習練習3：無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進行換熱，無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進行換熱，今若將單管程變成雙管程今若將單管程變成雙管程，而其它操作參數不變，而其它操作參數不變，試定性分析試定性分析K、Q、T2、t2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。 t1T2 T1 t2 雙管程列管式10.811,An hnnhKKAmttTQK,22練習練習4：無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進行換熱，無相變的冷、熱流體在列管式換熱器中進行換熱，因長期使用，部分管子內壁集結大量污垢而無法正因長期使用，部分管子內壁集結大量污垢而無法正常傳熱，現常

15、傳熱，現將這些管子堵死將這些管子堵死，而其它操作參數不變，而其它操作參數不變，試定性分析試定性分析K、Q、T2、t2、 tm的變化趨勢。的變化趨勢。1、有一列管換熱器由、有一列管換熱器由 252.5mm的的120 根鋼管根鋼管組成。組成。110的飽和水蒸氣在殼方冷凝以加熱在管內的飽和水蒸氣在殼方冷凝以加熱在管內作湍流流動的某液體，且冷凝水在飽和溫度下排出。作湍流流動的某液體，且冷凝水在飽和溫度下排出。已知液體平均比熱為已知液體平均比熱為4.187 kJ/kg，由，由15加熱到加熱到90。管內對流傳熱系數為。管內對流傳熱系數為hi=800W/m2，蒸氣冷，蒸氣冷凝的對流傳熱系數凝的對流傳熱系數h

16、o=1.1104W/m2，忽略污垢，忽略污垢熱阻、壁阻和熱損失，每小時收集冷凝水熱阻、壁阻和熱損失，每小時收集冷凝水2100kg，在飽和溫度下蒸氣冷凝潛熱在飽和溫度下蒸氣冷凝潛熱r=2232kJ/kg，試求，試求（1）每小時可處理的液體量；）每小時可處理的液體量；（2）管程單程時的列管有效長度；）管程單程時的列管有效長度；（3）其它條件均保持不變，將）其它條件均保持不變，將120根鋼管改為兩根鋼管改為兩管程，列管有效長度為多少。管程，列管有效長度為多少。210022321302kw3600Qw r凝Q1302c tW4.146kg/sc t4.18790 15Qw4011111251.1 10

17、80020ooiidKd2604.81w/m .koK 解：（解：（1）（2）110110159090 1548.1395ln20mtC321302 1044.73604.81 48.1344.734.755120 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d0.840.80111112521.1 10800220ooiidKd21011.81w/m .koK 321302 1026.641011.81 48.1326.641.412240 3.14 0.025oomoQAmKtAlmmn d（3） 兩管程，列管有效長度兩管程，列管有效長度 三、（三、（30）某生產過程，需將）某生產過

18、程，需將2400kg/h的空氣從的空氣從20加熱到加熱到80，空氣的平均比熱容為，空氣的平均比熱容為1.0kJ/（kg. ），），平均密度為平均密度為1.1kg/m3。120的飽和蒸汽在殼層加熱。的飽和蒸汽在殼層加熱。空氣在管內作強制湍流流動，空氣在管內作強制湍流流動，Re104。采用的單管程。采用的單管程列管式換熱器尺寸如下：列管式換熱器尺寸如下： 25mm2.5mm，管長為，管長為3m，管子數為管子數為100根。試求：根。試求：(1)上述換熱器的總傳熱系數為多少？上述換熱器的總傳熱系數為多少？(2)現倉庫里有一臺現倉庫里有一臺 19mm2mm，管長為，管長為3m，管，管子數為子數為100根

19、的單管程列管式換熱器，試核算該換熱根的單管程列管式換熱器，試核算該換熱器是否能代替上述換熱器？器是否能代替上述換熱器？(3)若用該換熱器代替上述換熱器，空氣的出口溫度若用該換熱器代替上述換熱器，空氣的出口溫度為多少？為多少？注：計算可忽略管壁及污垢熱阻；溫度對物性影響可忽注：計算可忽略管壁及污垢熱阻；溫度對物性影響可忽略；略；h蒸汽蒸汽h空氣空氣，可以作必要的合理簡化假設。，可以作必要的合理簡化假設。W40000101)2080(360024003QCtm48.6540100ln401002m56.233025. 014. 3100ldnAoo)K.m/(W92.2548.6556.23400

20、002motAQK解：1、 加熱蒸汽加熱蒸汽 120 120空氣空氣 20 80換熱面積為換熱面積為 總傳熱系數為總傳熱系數為 2、飽和蒸汽加熱空氣時，、飽和蒸汽加熱空氣時，ihK 。流量不變，所以。流量不變，所以2dduu4 . 08 . 0023. 0kcdudkhpi68. 115208 . 18 . 12 . 08 . 022 . 08 . 0dddddddduuhhKK 而而 所以所以 mmmmmmtttttKAtAKQQ277. 1251968. 1)(12ttcWQpi)(12ttcWQpi又又 208020)40/100ln(/ )2080()120/(100ln/ )20(2

21、77. 1277. 12121222tttttttttQQmm1120100ln40100ln277. 12t解得：解得：CCt800 .892 因此，倉庫里的單管程列管式換因此，倉庫里的單管程列管式換熱器能代替原有的換熱器。熱器能代替原有的換熱器。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 習題課習題課-換熱器的組合操作計算換熱器的組合操作計算【例【例4】如圖所示，兩個完全相同的單管程列管式換熱器，內各】如圖所示，兩個完全相同的單管程列管式換熱器，內各有有180根根 19 1.5mm的管子，每根長的管子，每根長3米，管內走流

22、量為米，管內走流量為2000 kg/h的冷流體，與熱流體分別進行單程逆、并流換熱，其進口的冷流體，與熱流體分別進行單程逆、并流換熱，其進口溫度為溫度為30。已知。已知(W2C2) / (W1C1) = 0.5 （下標（下標2代表冷流體，代表冷流體，下標下標1代表熱流體）。冷流體的代表熱流體）。冷流體的C2=1.05kJ/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體的進口溫度為，熱流體的進口溫度為T1=150，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。試求熱流體的出口溫度的出口溫度T2。T2 2T 對第一個換熱器（逆流），有：對

23、第一個換熱器（逆流），有：解解:180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 442222522244 2000 3600Re1.229 10101802 100.016u dWNd 252221050 2 10Pr0.7270.70.0289pck 0.80.4222220.

24、023RePrkhdKmW 235.68121122111mbRsRsKAh AkAh A)(35.682以以內內表表面面計計KmW 2()Kh以內表面計 122112212121 12 221122112212121 12 22111ln11lnTtTtTTttKATtWcWcTtTtTtTtTtKATtWcWcTt對第一個換熱器，有：對第一個換熱器，有： 12211 1122 22121221lnTtTtQ Wc TTWc ttKATtTt180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0

25、.0289W/(m )，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 122211 12 211lnTtKATtWcW c204. 03015022 Tt將將 A2=N d內內L180 0.016 3=27.130m2 (W2C2) / (W1Cp1) = 0.5 W2C2=2000 1050/3600=583.33W/() t1=30, T1=150代入得：代入得：)(35.682以內表面計以內表面計KmWK 22902. 429.765tT （1

26、）180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 （1）1 1122 221Wc TTWc tt又305 . 015022 tT225 . 0165tT （2）22902. 429.765tT 聯立求解式聯立求解式1、2得：得：CTCt 82.9637.13622180根根 19

27、 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 180根根 19 1.5mm，長長3米，米， (W2C2) / (W1C1) = 0.5 C2=1050J/(kg )， 2=2 10-2cP，k2=0.0289W/(m )，熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。熱流體側、管壁及垢層的熱阻可忽略。 T1 =150 1.5W1 cp1 W1 0.5W1 t1=30 t2 t2 W2 =2000kg/h T2 T2 T2 對第二個換熱器（并流），有：對第二個換熱器（并流），有：)(35.682以以內內表表面面計計KmW 2(