Question

化工原理题

Answer 1

问：化工原理题

问：116℃的饱和水蒸汽在一单管程列管式换热器的壳程冷凝，一定流量的空气在管程湍流流动，其温度由20℃升至80℃。设总传热系数近似等于空气对流传热系数。(1)操作中若空气流量增加20%，为保持空气出口温度不变，问加热蒸汽温度应提高至多少度?(2)若采用一双管程的换热器，其换热管管径和总管数与原换热器相同，则为完成相同的换热任务，所需要换热管长度为原换热器的多少倍?(3)若采用一双管程的换热器，管子数量和尺寸不变，蒸汽温度和空气进口温度不变，空气出口温度为多少度?忽略气体温度变化对其物性的影响。

答：好的亲

答：(1) 根据热平衡公式，壳侧传热量等于管侧传热量，则有:Q=U×A×ΔT其中，Q为传热量，U为总传热系数， A为传热面积，ΔT为温度差。设原来加热蒸汽的温度为 T 1∘C，则 ΔT=T 1−116。假设操作前空气流量为 Q，空气出口温度为 T out∘C，则： Q=ρ air×V×Cp ×(T out −20)其中，ρ air为空气密度， V为空气流量， C p 为空气的比热容。操作后空气流量增加了 20%，则空气流量变为 1.2V。为保持空气出口温度不变，根据空气的定容比热容，116ρair*V*Cp*（Tout-20）/ρair×1.2V×Cp＝T 1 −T out/T1-116整理得，T1=20×Tout+116*6/20代入 T 1∘C＝116+△T得Tout＝40因此，加热蒸汽温度应提高至 156∘

答：2) 在相同的总管数和管径条件下，双管程的换热器传热面积是单管程的2倍，因此传热系数相同的情况下，双管程的换热器需要的管子长度是原换热器的 1/2 倍。

答：(3) 在双管程换热器中，蒸汽和空气通过相同的传热面积，且传热系数相同，因此传热量相同，即：Q=U×A×ΔTQ为传热量，U为总传热系数，A为传热面积，ΔT为温度差。可得：(T out−20)×ρair×V×Cp​=116×ρ steam×V1×h fg其中，V 1为蒸汽流量，h fg为蒸汽的汽化潜热。由于管子数量和尺寸不变，总传热系数 U 不变，传热面积 A 不变，因此传热量不变，即：(T out−20)×V=const根据题意，蒸汽温度和空气进口温度不变，空气出口温度为 T out由于忽略气体温度变化对其物性的影响，空气的密度和比热容不变，因此可以写作T out−20=const可见空气出口温度不变。