Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов
Теплопередача в теплообменниках. Основные схемы движения и теплообмена потоков теплоносителей. Теплоносители, их основные характеристики. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Уравнения для теплового потока и средней разности температур любой схемы теплообмена; сложный теплообмен. Методы интенсификации теплопередачи. Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Принцип расчета теплообменных аппаратов. Конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменных аппаратов. Основы гидродинамического расчета теплообменных аппаратов. Применение ЭВМ для решения задач, расчета, моделирования и оптимизации процессов теплообмена.
Методические указания.
При изучении этой темы студент должен обратить внимание на способы интенсификации теплообмена в теплообменниках, уметь анализировать влияние на коэффициент теплопередачи различных факторов и определять решающие из них. Усвоить методику вывода формулы среднего температурного напора для рекуперативных теплообменников, знать ограничения, допущенные при выводе ее, уметь рассчитывать теплообменники при различных схемах движения теплоносителей (противоток и прямоток), а также анализировать полученные результаты.
Литература: [1, с. 112—117, 121 — 128]; [2, с. 219—227].
Вопросы для самопроверки. 1. Чем отличается теплопередача от теплоотдачи? 2. Как по графику 
, где 
— термическое сопротивление, определить температуру стенок? 3. При 
какой из коэффициентов теплоотдачи следует увеличить для увеличения коэффициента теплопередачи 
? 4. Какие виды теплообменных аппаратов вы знаете? 5. Где применяют рекуперативные теплообменники? 6. На основе каких исходных уравнений построено определение поверхности рекуперативных теплообменников? 7. При каких предположениях выводятся формулы, определяющие среднелогарифмический температурный напор? 8. Когда среднелогарифмический температурный напор можно заменить среднеарифметическим? 9. Какие преимущества имеет противоточная схема теплообменника перед прямоточной? В каких случаях эти схемы эквивалентны?
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К решению задач контрольного задания следует приступать только после изучения соответствующего раздела курса. Только сознательное (не «механическое») решение задачи приносит пользу и помогает закреплению знаний. Перед выполнением контрольной работы рекомендуется ознакомиться с ходом решения аналогичных задач по учебной литературе. Следует стараться запомнить и примерные значения параметров задачи (исходных и вычисленных): они также содержат полезную информацию.
Контрольные задачи составлены по стовариантной (численной) системе, в которой к каждой задаче исходные данные выбираются из соответствующих таблиц по последней и предпоследней цифрам шифра (личного номера) студента-заочника. Вариант работы должен соответствовать номеру группы и шифру студента. Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.
При выполнении контрольных задач необходимо соблюдать следующие условия: а) выписывать условие задачи и исходные данные;
б) решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника или были определены выше и т. д.);
в) вычисления проводить в единицах СИ, показывать ход решения. После решения задачи нужно дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы. Всегда, если это, возможно, нужно осуществлять контроль своих действий и оценивать достоверность полученных числовых данных; г) в конце работы привести список использованной литературы и поставить свою подпись; д) для письменных замечаний рецензента оставлять чистые поля в тетради и чистые 1 - 2 страницы в конце работы; е) исправления по замечанию рецензента должны быть записаны отдельно на чистых листах в той же тетради после заголовка “Исправления по замечаниям”; ж) работа, в которой вышеназванные пункты не выполнены, не проверяется.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Задача 1. Считая теплоемкость идеального газа не зависящей от температуры, определить: параметры газа в начальном и конечном состояниях, изменение внутренней энергии, теплоту, участвующую в процессе, и работу расширения. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 1.
'Таблица 1.
| Послед- няя цифра шифра | Процесс | t1, 0C | t2, 0C | Предпослед- няя цифра шифра | Газ | p1, МПа | m, кг |
| Изохорный | O2 | ||||||
| Изобарный | N2 | ||||||
| Адиабатный | Н2 | ||||||
| Изохорный | N2 | ||||||
| Изобарный | СО | ||||||
| Адиабатный | СO2 | ||||||
| Изохорный | N2 | ||||||
| Изобарный | Н2 | ||||||
| Адиабатный | O2 | ||||||
| Изобарный | CO |
Задача 2. Водяной пар, имея начальные параметры р1 = 5 МПа и x1 = 0,9, нагревается при постоянном давлении до температуры t2, затем дросселируется до давления p3. При давлении р3 пар попадает в сопло Лаваля, где расширяется до давления р4 = 5 кПа. Определить, используя 
- диаграмму водяного пара: количество теплоты, подведенной к пару в процессе 1 - 2; изменение внутренней энергии, а также конечную температуру t3 в процессе дросселирования 2 - 3; конечные параметры и скорость на выходе из сопла Лаваля.
Все процессы показать в - диаграмме. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 2.
Таблица 2
| Послед-няя цифра шифра | t2, 0C | Пред-послед- няя цифра шифра | p3 ,МПа | Послед- няя цифра шифра | t2, 0C | Пред-послед- няя цифра шифра | p3 ,МПа |
| 1,4 | 0,9 | ||||||
| 1,3 | 0,8 | ||||||
| 1,2 | 0,7 | ||||||
| 1,1 | 0,6 | ||||||
| 0,5 |
Задача 3. Для теоретического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении определить параметры рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла, подведенную и отведенную теплоту, работу и термический КПД цикла, если начальное давление р1=0,1 МПа, начальная температура t1 = 27 0С, степень повышения давления в компрессоре 
, температура газа перед турбиной t3.
Определить теоретическую мощность ГТУ при заданном расходе воздуха G. Дать схему и цикл установки в 
- и 
- диаграммах. Данные для решения задачи выбрать из табл. 3.
Таблица 3
| Послед-няя цифра шифра |  | Пред-послед-няя цифра шифра | t3, 0C | G, кг/с | Послед-няя цифра шифра | Пред-послед-няя цифра шифра | t3, 0C | G, кг/с | |
| 7,5 | |||||||||
| 6,5 | |||||||||
| 6,5 | |||||||||
| 7,5 | |||||||||
Указание. Теплоемкость воздуха принять не зависящей от температуры.
Ответить на вопрос: Как влияет температура t3 на мощность ГТУ при выбранной степени повышения давления 
?
Задача 4. Плоская стальная стенка толщиной 
( 
= 40 Вт/мК) с одной стороны омывается газами; при этом коэффициент теплоотдачи равен 
. С другой стороны стенка изолирована от окружающего воздуха плотно прилегающей к ней пластиной толщиной 
( = 0,15 Вт/мК). Коэффициент теплоотдачи от пластины к воздуху равен 
. Определить тепловой поток 
,Вт/м2 и температуры t1, t2 и t3 поверхностей стенок, если температура продуктов сгорания равна tг, а воздуха – tв. Данные для решения задачи выбрать из табл. 4.
Таблица 4.
| Последняя цифра шифра | ,мм | , Вт/(м2 К) | tг, 0С | Предпос- ледняя цифра шифра | ,мм | , Вт/(м2 К) | tв, 0С | |
| -5 | ||||||||
| -10 | ||||||||
| -20 |
Ответить на вопросы:
1. Что такое термическое сопротивление и каким образом температуры t1, t2 и t3 поверхностей стенок зависят от материала стенки?
2. В чем отличие физического смысла коэффициентов конвективной теплоотдачи и теплопередачи?
Задача 5. Определить поверхность F рекуперативного теплообменника типа "труба в трубе", в котором вода нагревается горячими газами. Расчет провести для прямоточной и противоточной схем движения сред. Привести график изменения температур движущихся сред для обеих схем. Определить также объемный расход газа V2, если известны начальные и конечные температуры сред 
, 
, 
, 
, значение коэффициента теплопередачи k и массовый расход воды Мв. Исходные данные взять из таблиц 5 и 6.
Таблица 5. Исходные данные к задаче № 5, принимаемые по предпоследней цифре шифра
| Цифра шифра | I | |||||||||
| Мв, кг/с | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 . |
| , 0С | ||||||||||
| , 0С |
Таблица 6. Исходные данные к задаче № 5, принимаемые по последней цифре шифра
| Цифра шифра | I | |||||||||
k,  | ||||||||||
| , 0С | ||||||||||
| , 0С |
Методические указания
Теплоемкость воды принять равной 4,19 кДж/(кг·К), а среднюю объемную изобарную теплоемкость газов - 1,3 кДж/(кг·К).
Ответить на вопросы:
1. Какая схема теплообменника является наиболее эффективной и почему?
2. Какие основные преимущества и недостатки каждой из схем?