Задачи для самостоятельного решения

1. Трубу с кипящим хладагентом диаметром 30 мм необходимо покрыть тепловой изоляцией, толщина которой по конструктивным соображениям не должна превышать 10 мм. Коэффициент внешней теплоотдачи α= 4 Вт/(м²∙^oC). Подберите материал изоляции для снижения тепловых потерь в два раза и покажите график распределения температуры по направлению теплообмена.

2. Вдоль металлической стенки аппарата с обеих сторон движутся турбулентные потоки двух жидкостей. Коэффициент теплоотдачи с одной стороны α₁ = 230, а с другой –α₂= 400 Вт/(м²∙^oC). Во сколько раз увеличится передаваемый через стенку тепловой поток, если при прочих равных условиях, скорость первого потока жидкости возрастет в два раза? Термическое сопротивление стенки можно не учитывать.

3. На внутренней поверхности котельной площадью 300 м² кирпичной стенки толщиной 0,5 м поддерживается температура 18°C. Для этого используется топка, к.п.д. которой 60 %. Стенка утеплена слоем пробковой изоляции толщиной 0,055 м (λ_п=0,05 Вт/м∙^oC). Теплота сгорания топлива 43 МДж/кг. Температура наружного воздуха минус 25°С, а коэффициент теплоотдачи α₂ = 6 Вт/(м²∙^oC). Определите потерю тепла через стенку Q, Вт, температуру на поверхности изоляции, расход топлива т_т.

4. Стальной трубопровод диаметром d = 30х2 мм и длиной L = 100 м необходимо покрыть изоляцией для снижения тепловых потерь не менее, чем в два раза. По трубопроводу движется вода со скоростью 0,4 м/с, температура ее на входе t₁ = =90°C. Температура окружающего воздуха t₂ = 25°C, а коэффициент теплоотдачи α₂ = 10 Вт/(м²∙^oC). Подберите тепловую изоляцию λ_из и толщину покрытия (δ_из). Покажите график распределения температуры.

5. В приборе для определения коэффициента теплопроводности жидкостей по методу нагретой нити» диаметр и длина платиновой нити 0,15 и 80 мм соответственно; диаметр трубки из кварцевого стекла (λ_с = 0,74 Вт/м∙^oC), по оси которой натянута нить, 3x1 мм. Определите коэффициент теплопроводности λ и среднюю температуру t_ммасла, заполняющего кольцевой зазор между нитью и трубкой, если при прохождении тока 0,636 А электросопротивление нити 6,7 Ом, температура внешней поверхности трубки 35°С, а нити 132°С. Объясните сущность метода.

6. Медный электропровод диаметром 10 мм, покрытый резиновой изоляцией (λ= 0,15 Вт/м∙^oC) толщиной 1,5 мм, охлаждается потоком воздуха с коэффициентом теплоотдачи α = 13 Вт/(м²∙^oC); температура воздуха 15°С. Определите допускаемую силу тока I в проводе (электросопротивление r_эл = 0,017 Ом∙мм²/м) при условии, что максимальная температура изоляции составляет 70°С. Найдите критический диаметр изоляции и покажите путь снижения температуры изоляции.

7. Известно, что при работе холодильной машины температура наружной поверхности ее стального (λ= 40 Вт/м∙^oC) трубопровода диаметром 130х7 мм равна 0°С и минус 3°С соответственно при отсутствии и наличии внешней изоляции. Материал изоляции стекловойлок (λ= 0,046 Вт/м∙^oC) имеет толщину 5 мм. Определите температуру протекающего по трубе кипящего теплоносителя и тепловые потери Q, Вт/м, при отсутствии и наличии изоляции, если температура окружающего воздуха 30°С, а коэффициент теплоотдачи a₂ = 12 Вт/(м²∙^oC).

8. Для измерения температуры воздуха, движущегося по каналу, установлена термопара, показание которой t_m = 400°С. Степень черноты спая термопары e = 0,8, а температура стенок канала t_c= 300°С. Коэффициент теплоотдачи между воздухом и спаем термопары α = 40 Вт/(м²∙^oC). Определите ошибку в показании термопары и температуру воздуха вблизи термопары.

9. Определите плотность теплового потока q, Вт/м², через воздушную прослойку толщиной 8 мм кирпичной обмуровки парогенератора, если температура внутренних обмуровочных поверхностей t_c1= 450°С и t_c2= 300°С, а степень черноты e= 0,93.

10. Вода с начальной температурой 90°С входит в горизонтальную трубу диаметром 20х1 мм и охлаждается; ее расход G = 270 кг/ч. Найдите длину трубы L, на выходе из которой вода будет иметь температуру 30°С, если средняя температура стенки t_c = 20°С.

11. Определите мощность электронагревателя w, необходимую для поддержания температуры t_c= 20°C на поверхности стального контейнера пороховой ракеты (цилиндр длиной L = 5 м и диаметром d = 1 м), расположенного горизонтально в закрытом ангаре. Температура окружающего воздуха t =

=-30°С, а стенок ангара t_a= -33˚С.

12. Определите тепловой поток от стального паропровода, проложенного горизонтально внутри цехового помещения, стенки которого имеют температуру t_м = 25°С. Наружный диаметр трубопровода d = 150мм, длина 200 м. По трубопроводу течет влажный водяной пар давлением 1 МПа. Температура воздуха в цехе 27°С. Степень черноты поверхности паропровода e= 0,8.

13. Медный электрический провод диаметром 10 мм, покрытый резиновой изоляцией (λ_и= Вт/(м∙^oC) толщиной 1,5 мм, охлаждается поперечным потоком воздуха, имеющим температуру 20°С и скорость 1 м/с. Определить допускаемую силу тока I в электропроводе (удельное электрическое сопротивление r_эл = 0,017 Ом∙мм²/м) при условии, что максимальная температура изоляции составляет 70°С.

14. Металлическая стенка аппарата с одной стороны омывается горячим газом, а с другой - охлаждается кипящей водой. Для интенсификации теплопередачи выполнено «рациональное» оребрение. Определите плотность теплового потока через стенку с оребрением и при его отсутствии, если t_газ = =1400°С, температура кипения t_кип = 120°C, коэффициенты теплоотдачи соответственно α₂ = 500 Вт/(м²∙^oC) и α_к = 3000 Вт/(м²∙^oC), толщина стенки 3 мм (λ_с= 20 Вт/(м∙^oC)). Степень эффективности ребер Е = 1. Найдите степень рационального оребрения и покажите график распределения температуры.

15. Определите потери тепловой мощности Q, Вт, паропроводом диаметром 0,1 м, длиной 20 м при движении по нему насыщенного водяного пара давлением 2,8 МПа; температура окружающего воздуха 30°С, а коэффициент теплоотдачи α₂ = 9 Вт/(м²∙^oC). Двухслойная изоляция паропровода изготовлена из ньювеля (λ₁= 0,08 Вт/м∙^oC, δ₁= 0,02 м) и асбозурита (λ₂= 0,15 Вт/м∙^oC, δ₂= 0,03 м). Покажите график распределения температуры при указанном и измененном порядках наложения слоев изоляции.

16. Кипящая вода воспринимает теплоту от дымовых газов парогенератора через стальную стенку толщиной 15 мм. Температура газов 900°С, температура воды 200°С, коэффициенты теплоотдачи равны соответственно 120 и 2300 Вт/(м²∙^oC), коэффициент теплопроводности стали λ= 48 Вт/(м∙^oC). Постепенное отложение сажи (λ_с= 0,12 Вт/(м∙^oC)) и накипи (λ_н= 1,3 Вт/(м∙^oC)) привело к снижению плотности теплового потока в 2,2 раза и к повышению температуры стенки на 60°С. Определите толщину слоев сажи и накипи, вычислите плотность теплового потока q и коэффициент теплопередачи К.

17. Определите потери тепла стальным паропроводом (λ= 45 Вт/(м∙^oC)) диаметром d = 20х2 мм и длиной L = 50 м, если он покрыт слоем изоляции из асбеста (λ= 0,15 Вт/(м∙^oC)) толщиной δ = 15мм. По трубопроводу течет насыщенный водяной пар, давление которого 30 бар. Температура окружающего воздуха 27°С, а коэффициент теплоотдачи α₂ = 5,8 Вт/(м²∙^oC). Определите потери тепла трубопроводом без изоляции, проанализируйте ситуацию и покажите график распределения температуры.

18. В латунную трубку диаметром 14x1 мм подается насыщенный водяной пар при атмосферном давлении в количестве G = 0,001 кг/с. Определите длину трубки для полной конденсации пара, если труба снаружи охлаждается проточной жидкостью со средней температурой t₂ = 30°С и коэффициентом теплоотдачи α₂= 120 Вт/(м²∙^oC).

19. В теплообменнике воздух в количестве 0,5 кг/с охлаждается от 170 до 60°С водой, которая подается насосом. Температураводы на входе в насос 18°С, а на выходе из теплообменного аппарата 42°С, давление воды в аппарате снижается на 0,7 бар. Коэффициент теплопередачи аппарата К = 30 (Вт/м²∙^oC). Определить температуру воды после насоса и его мощность N_H, если к.п.д. насоса h_н = 0,7, тепловую нагрузку Q аппарата и потребную поверхность теплообмена F.

20. Трубчатый воздухоподогреватель производительностью 15 т/час изготовлен из труб диаметром 20х3 мм. Внутри течет горячий газ со средней температурой 300°С. Воздух подогревается от 27 до 420°С. Трубки выполнены из стали (λ= 23 Вт/(м∙^oC)). Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке α₁ = 70 Вт/(м²∙^oC), a от стенки воздуху α₂ = 40 Вт/(м²∙^oC). Определите поверхность нагрева F подогревателя и оцените погрешность расчета для плоской эквивалентной стенки.

21. Теплообменник выполнен из латунных труб диаметром 38х2 мм. Греющая среда - воздух с температурой на входе = =350°С, а на выходе = 240°C. Расход подогреваемой воды G₂ = =2 т/ч, начальная температура = 30°C и конечная = =200°C. Коэффициенты теплоотдачи от воздуха к трубам α₁ = =50 и от труб к воде α₂ = 200 Вт/(м²∙^oC). Найдите площадь поверхности нагрева аппарата F для противоточного включения и необходимый расход воздуха G₁.

22. В прямоточном теплообменнике вода охлаждает жидкость. Расход воды и её начальная температура соответственно 0,25 кг/с и 15°С. Те же величины для жидкости соответственно 0,07 кг/с и 140°С. Коэффициент теплопередачи К = 35 Вт/(м²∙^oC), а поверхность нагрева F = 8 м². Теплоёмкость жидкости 3 кДж/(кг∙^oC). Определите конечные температуры воды и жидкости и переданный тепловой поток Q.

23. Определите поверхность нагрева F газовоздушного теплообменника с противоточной схемой движении теплоносителей, если объёмный расход нагреваемого воздуха при нормальных физических условиях V_н =^:1000 м³/ч, средний коэффициент теплопередачи от газов к воздуху К = 18 Вт/(м²∙^oC), а температуры газов и воздуха = 550°C, = 340°С, =15°С, =300°С. Коэффициент потерь тепла от аппарата в окружающую среду h= 0,95. Найти необходимый расход газа G₁, если его теплоёмкость с_р= 870 Дж(кг∙^oC).

24. Охладитель масла выполнен из трёх латунных труб диаметром 30x1 мм и длиной 500 мм каждая. Внутри труб движется масло со средней температурой 80°С. Снаружи трубы обдуваются потоком воздуха, температура которого меняется от 15 до 60°С. Коэффициент теплоотдачи со стороны масла α₁= =88 Вт/(м²∙^oC), а со стороны воздуха α₂= 18 Вт/(м²∙^oC). Определите тепловую нагрузку Q охладителя и расход охлаждающего воздуха G₂.

25. Паровой калорифер изготовлен из 150 стальных горизонтальных труб диаметром 38x3 мм, по которым проходит 5200 кг/ч воздуха, нагревающегося от 20 до 90°С. Снаружи трубы обогреваются насыщенным паром давлением 2 бара. Определите необходимую длину труб L и расход греющего пара G". В расчетах принять среднюю температуру стенки труб 90°С, а пар считать неподвижным.

26. В конденсатор поступает 900 кг/ч перегретого водяного пара температурой 120°С при атмосферном давлении (теплоёмкость перегретого пара с_р= 2 кДж/(кг∙^oC). Он конденсируется на трубах, по которым течет вода с температурой на входе = =17°С. Определите передаваемый тепловой поток Q, расход воды G₂ и её температуру на выходе из конденсатора, если коэффициент теплопередачи К = 1000 Вт/м²∙^oC, а площадь теплообмена аппарата F = 10 м².

27. Имеется теплообменник из 22 горизонтальных труб наружным диаметром 18 мм и длиной 1,8 м. Достаточна ли его поверхность для конденсации 1100 кг/ч водяного пара при давлении 0,27 МПа? Определите расход охлаждающей воды G₂по трубам, если она нагревается от 20 до 40°С. Коэффициент теплопередачи аппарата К = 1000Вт/(м²∙^oC).

28. Трубчатый теплообменник имеет поверхность нагрева 48 м². В нем нагревается 85 т/ч воды от 72 до 92°С. Греющей средой является насыщенный водяной пар при избыточном давлении 0,43 бар. Найдите коэффициент теплопередачи аппарата К и оцените его габаритные размеры. Определите потребный расход пара G₁.

29. В кожухотрубном теплообменнике водяной пар с давлением 4,7 бар конденсируется на внешней поверхности труб. Расход конденсата G₁ = 5,2 кг/с. Холодная вода, движущаяся по трубам, нагревается от = 20 до = 50°С. Определите расход охлаждающей воды G₂и потребную поверхность теплообмена F, если коэффициент теплопередачи К = 2000 Вт/(м²∙К).

30. Паровая турбина расходует 51000 кг/ч пара, который поступает в конденсатор при давлении 0,04 бар и степени сухости х = 0,89, где охлаждается проточной водой и конденсируется. Вода нагревается на 11°С. Определите расход охлаждающей воды G₂ и потребную поверхность теплообмена Fконденсатора, если коэффициент теплопередачи К = 1200 Вт/(м²∙^oC), а начальная температура воды = 15°С.

31. В противоточный поверхностный конденсатор подается 360 кг/ч сухого насыщенного водяного пара при температуре 120°С, отдающего теплоту воде с температурой на входе 20°С. Определите расход воды G₂, тепловую мощность аппарата Q и потребную поверхность теплообмена F, если наименьшая разность температур между паром и водой составляет 30°С, а коэффициент теплопередачи К = 800 Вт/(м²∙^oC).

32. По трубкам калорифера проходит насыщенный водяной пар при давлении 0,52 МПа, который греет атмосферный воздух от 5 до 140°С в количестве G₂= 0,5 кг/с. Определите тепловую нагрузку аппарата Q и потребную площадь теплообмена F, если коэффициент теплопередачи К = 40 Вт/(м²∙^oC).

33. Производительность испарителя 1600 кг/ч жидкости, поступающей в теплообменник при температуре t₂=127°С. Теплота парообразования жидкости r = 377кДж/кг. Нагрев осуществляется водяным паром при давлении 4,76 бар. Определите расход конденсирующегося водяного пара G₁если он сухой насыщенный и конденсируется полностью, а также – потребную поверхность теплообмена F, если коэффициент теплопередачи К = 1800 Вт/(м²∙^oC).

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. Брюханов, О.Н. Тепломассообмен: учебное пособие / О.Н. Брюханов, С.Н. Шевченко. – М.: Изд. АСВ, 2005. – 267 с.

2. Орлов, М.Е. Тепломассообмен: учебно-медодический комплекс / под ред. М.Е. Орлова. – Изд-во УГУ, Ульяновск, 2005. – 138 с.

3. Цветков, Ф.Ф. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. – Изд.-воМЭИ, Москва, 2005. – 312 с.

4. Захарова, А.А. Техническая термодинамика и теплотехника: учебное пособие для вузов / под ред. А.А. Захаровой. – М.: Академия. 2008. – 272 с.

5. Брюханов, О.Н. Теплоснабжение и вентиляция: учебник для вузов / под ред. О.Н. Брюханова. – М.: Академия, 2011. – 399 с.

Дополнительная:

1. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, В.А. Сукомел. – М.:Энергоиз-дат,1981. – 416 с.

2. Юдаев, Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача / Б.Н. Юдаев,. – М.: Высш.школа, 1988. – 480 с.

3. Краснощеков, Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче: учебное пособие для вузов / Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1980. –288 с.

4. Юдаев, Б.Н. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче / Б.Н. Юдаев и др. – М.: Изд-во ВШ, – 1968. – 372 с.