ЗАДАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИКА №2

Студент выбирает контрольные вопросы и задачи из табл. 1, а числовые данные к задачам — из табл. 4.

Контрольные вопросы

1. Объясните физическую сущность трех основных способов перено­са теплоты.

2. Сформулируйте закон теплопроводности Фурье. Дайте пояснения к понятиям "плотность теплового потока" и "температурный градиент".

3. Изобразите графически характер распределения температуры по толщине плоской трехслойной стенки для стационарного теплового ре­жима при следующих соотношениях между коэффициентами теплопроводности материала каждого слоя:

λ₁ < λ₂ < λ₃ ;

λ₁ > λ₂ = λ₃ ;

Напишите соответствующие соотношения для перепадов температур Δt_i в отдельных слоях, приняв их толщины δ_i, одинаковыми.

4. Дайте определение коэффициентов теплопроводности, теплоотда­чи и теплопередачи.

5. Стенка теплообменной поверхности парового котла омывается с одной стороны горячими газами, а с другой — кипящей водой. Почему температура поверхности со стороны воды значительно меньше отличается от температуры воды, чем от температуры газов?

6.Что такое термическое сопротивление цилиндрической стенки и как оно определяется для многослойной стенки?

7. Какую роль играет вязкостный подслой в конвективном теплооб­мене при турбулентном течении жидкости около стенки?

8. B чем сущность подобия физических процессов? Приведите ос­новные критерии теплового подобия.

9. Для определения коэффициента теплопередачи при турбулентном течении жидкости в трубах используется следующая критериальная формула:

Nu_ж =0,21Re^0.8 _ж Rr^0.43_ж (Pr_ж / Pr_ст)^0.25 C_l,

Используя указанную формулу, поясните, как изменится коэффици­ент теплоотдачи, если при заданном расходе теплоносителя трубу с внут­ренним диаметром d заменить двумя трубами вдвое меньшего диаметра. Прочие условия оставить неизменными.

10. Для определения коэффициента теплоотдачи при ламинарном те­чении жидкости в каналах используется следующая критериальная фор­мула:

Nu_ж = 0,15Re Pr Gr (Pr /Pr )C .

Поясните, влияние какого фактора на теплообмен учитывают в этой формуле критерии G_ж и Pr_ст.

11. Среднее значение критерия Нуссельта при поперечном обтекании газами коридорного пучка труб определяется (при Rе > 4ּ10³) по сле­дующей критериальной формуле:

Nu = 0,177Rе Сz.

Поясните, используя указанную формулу, каково влияние скорости и диаметра труб на средний коэффициент теплоотдачи. Что учитывает в формуле коэффициент Сz?

12.Средний коэффициент конвективной теплоотдачи при свободном движении теплоносителя около горизонтальной трубы определяется на основании следующей критериальной зависимости:

Nu = 0,51(Gr Pr )^0,25(Pr /Pr )^0,25

Поясните критерии, входящие в указанную зависимость. Влияние какого фактора учитывается сомножителем (Pr /Pr )^0,25?

13. Каково влияние отдельных факторов на коэффициент теплоотда­чи при пленочной конденсации пара на горизонтальных и вертикальных трубах?

14. Плотность теплового потока q, Вт/м², при пузырчатом кипении воды в большом объеме (для р < 3ּ 10⁶ Па) в условиях свободной конвек­ции можно определить по следующей формуле:

q = 0,145 t^3,33p^0,5,

где t - температурный напор; t = t - t_cт;

р – давление, Па.

Напишите формулу, связывающую коэффициент теплоотдачи с плот­ностью теплового потока q и давлением р.

15. В чем заключается опасность наступления пленочного режима кипения?

16. В чем особенности излучения и поглощения лучистой энергии га­зами?

17. Дайте определение рекуперативного, регенеративного и смеси­тельного теплообменников.

18. В каком случае изменение температуры греющего теплоносителя в теплообменнике будет больше, чем нагреваемого, и в каком меньше?

19. Укажите преимущества и недостатки противоточной и прямоточ­ной схем движения теплоносителей в теплообменниках.

20. На каких основных уравнениях базируется тепловой расчет теп-лообменных аппаратов? В чем сущность проектного и поверочного теп­ловых расчетов?

ЗАДАЧИ

1. Стенка холодильника, состоящая из наружного слоя изоля­ционного кирпича толщиной δ₁ = 250 мм и внутреннего слоя совелита толщиной δ₂ = 200 мм, имеет температуру наружной по­верхности t₁^ст и внутренней t₃^ст. Коэффициенты теплопроводно­сти .материала слоев соответственно равны: λ₁= 0,24 Вт/(м-К) и λ₂ = 0,09 Вт/(м-К). Определить плотность теплового потока через стенку и температурные градиенты в отдельных слоях. Предста­вить графически распределение температуры по толщине стенки.

2.По стальному паропроводу с внутренним диаметром d₁и толщиной стенки δ₁ = 8 мм протекает перегретый пар с темпера­турой t₁. Паропровод покрыт слоем изоляции толщиной δ₂, коэффициент теплопроводности которой ₂= 0,1 Вт/(м-К). Температу­ра окружающего воздуха t₂ = 25°C. Коэффициенты теплоотдачи со стороны пара и окружающего воздуха соответственно равны: а. ₁=250 Вт/(м²-К), ₂ = 12 Вт/(м²-К). Определить потери тепла q₁ на 1 пог.м паропровода, а также температуру наружной поверхно­сти изоляции. Коэффициент теплопроводности стали ₁принять равным 35 Вт/(м-К).

3.Коэффициент теплопередачи через наружное ограждение (стену) помещения k, коэффициент теплоотдачи от воздуха внутри помещения к поверхности стены . Определить, на сколько гра­дусов изменится температура внутренней поверхности стены, если температура наружного воздуха понизится на 25°С, а температура воздуха внутри помещения уменьшится на 5°С.

4.Теплопровод покрыт двумя слоями изоляции, имеющими одинаковую толщину . Средний диаметр второго слоя d_m2 в п раз больше среднего ₁диаметра первого слоя d_m1, а коэффициент теп­лопроводности изоляции второго слоя в п раз меньше коэффици­ента теплопроводности первого слоя. На сколько процентов изме­нится потеря тепла (линейная плотность теплового потока q₁, Вт/пог.м), если при неизменных температурах наружной и внут­ренней поверхности слои изоляции поменять местами?

5.До какого предельного значения можно понизить темпера­туру воздуха в помещении, чтобы температура внутренней по­верхности стены осталась не ниже t при температуре наружно­го воздуха t₂ = -35°С, если толщина стены , коэффициент теп­лопроводности материала стены ,а коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной сторон соответственно ₁ = 9 Вт/(м²-К) и = 20 Вт/(м²-К)?

6.По стальному неизолированному трубопроводу диаметром 80 x 5 мм течет холодильный агент, температура которого t₂ = -20°С. Температура воздуха в помещении, где проходит трубопро­вод, t₁= 20°С. Коэффициент теплоотдачи со стороны возду­ха ₁ = 10 Вт/(м²-К), со стороны холодильного аген­та ₂ = 1000 Вт/(м²-К). На сколько процентов снизится потеря холода, если трубопровод покрыть слоем изоляции с коэффициен­том теплопроводности ₂ толщиной ₂?

7.Определить потери тепла через кладку камеры сгорания толщиной _cт= 0,45 м, площадью F = 8 м². Кладка выполнена в виде плоской стенки из шамотного кирпича, коэффициент тепло­проводности которого _ст,Вт/(м-К), связан с температурой зави­симостью _ст = 0,84 + 0,0006t.

Температура газов в камере сгорания t₁,температура холод­ного воздуха t₂ = 20°С. Коэффициенты теплоотдачи со стороны газов и воздуха соответственно ₁ и ₂.

8.Какова толщина слоя изоляции паропровода, если при тем­пературе внутренней поверхности t наружная поверхность диаметром d₂ имеет температуру t = 50°C? Коэффициент теп­лопроводности изоляции = 0,08 Вт/(м-К). Коэффициент тепло­отдачи от поверхности изоляции к окружающему возду­ху ₂ = 15 Вт/(м²-К). Температура воздуха t ₂ ⁼ 20°С.

9.Плоская стальная стенка толщиной _cт = 10 мм омывается с одной стороны дымовыми газами с температурой t₁= 950°С, а с другой стороны — водой с температурой t₂ = 250°С. Коэффициент теплопередачи со стороны газов и со стороны воды соответствен­но ₁ и ₂. Коэффициент теплопроводности материала стен­ки _ст = 50 Вт/(м-К). Определить плотность теплового потока че­рез стенку и температуру ее поверхностей со стороны газов и воды для случая чистой стенки, а также для случая, когда она покрыта слоем накипи с коэффициентом теплопроводно­сти _н= 1,4 Вт/(м- К) толщиной _н. Для обоих случаев показать графически распределение температуры по толщине стенки.

10.Голый металлический провод диаметрам d = 4 мм имеет температуру поверхности t = 95°С. Активное электрическое со­противление провода

r =4ּ10³ Ом/м. Коэффициент теплоотдачи от поверхности провода к окружающему воздуху . Температура воздуха t_в. Какой будет температура поверхности этого прово­да t_ст подслоем изоляции толщиной = 3 мм с коэффициентом теплопроводности при неизменном токе и прочих равных условиях? Определить также максимальное значение тока в изолиро­ванном проводе, если первоначальную температуру провода счи­тать предельно допустимой. Дайте объяснение полученным ре­зультатам.

11. Определить требуемые значения кинематического коэффициента вязкости _m и скорости течения жидкости w_м в модели, в которой исследуется теплообмен при вынужденной конвекции. Коэффициент температуропроводности жидкости в моде­ли _м = 0,8- 10^-6м²/с. В образце, представляющем собой канал с эквивалентным диаметром d₀,протекает воздух со средней скоро­стью w₀. Определяющая температура воздуха t₀, давле­ние р₀ = 0,3 МПа. Геометрические размеры модели в шесть раз меньше размеров образца.

12.Определить значение коэффициента теплоотдачи при те­чении воздуха по цилиндрической трубе диаметром d = 40 мм. Средняя температура воздуха

t_в, давление р = 0,3 МПа, расход G. Относительная длина трубы l/d > 50.

13. По трубе с внутренним диаметром d =50 мм течет вода со средней скоростью w. Средняя температура воды t_ж, температура стенки трубы t_ст постоянна. Определить среднее значение коэф­фициента теплоотдачи и количество передаваемого в единицу времени тепла (линейную плотность теплового потока, Вт/м), если относительная длина трубы l/d- 100.

14,Определить среднее значение коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании пучка коридорно расположенных труб диаметром d=20 мм, если средняя определяющая скорость возду­ха в пучке w, средняя температура воздуха t_e. Какова средняя ли­нейная плотность теплового потока в пучке q_i, если температура поверхности трубы t^' постоянна и равна 200°С? Поправкой на число рядов труб пренебречь.

15.По трубе диаметром d = 40 мм движется воздух при дав­лении р = 0,1 МПа. Расход воздуха G, температура воздуха на входе t . Какой должна быть длина трубы, имеющей температуру

стенки t_cт = 100°С, чтобы температура воздуха на выходе была t^"_в ?

16. По цилиндрическому каналу диаметром d = 14 мм движется вода. Расход воды G, ее температура на входе t^' . На каком расстоянии от входа средняя по сечению температура воды достигнет t^″ , если температура внут-

ренней поверхности канала t_ст = 100⁰С постоянна?

17. Найти среднее значение коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации сухого насыщенного водяного пара давлением р около горизон-

тальной трубки ( диаметром d = 0,03 м и длиной l = 0,8 м ), имеющей темпера-

туру поверхности t_ст. Какое количество указанных трубок потребуется для

конденсации 500 кг пара в час?

18. Горизонтальный трубопровод с наружным диаметром d = 0,25 м, дли-

ной l = 20 м имеет температуру поверхности t_ст, степень черноты поверхности

₁ = 0,72. Определить количество тепла, которое отдает трубопровод в окружающую среду излучением и конвекцией, кВт ( в условиях свободного

движения воздуха ), если температура воздуха t_в = 23 С . Как изменится сум-

марный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением ( отношение сум-

марного удельного теплового потока к разности температур поверхности и среды ), если при прочих неизменных условиях путем специального покрытия

уменьшить степень черноты поверхности до ₂?

19. Трубопровод диаметром d₁ = 150мм, имеющий температуру поверхности t₁ и степень черноты = 0,75, окружен цилиндрическим экраном диаметром d₂ , обе поверхности которого имеют степень черноты _э .

Определить потери тепла излучением на 1 пог. М трубопровода при температуре окружающей среды t₂ = 27⁰C, приняв ее поглощательную способность равной единице. На сколько процентов будут больше указанные потери при тех же условиях для трубопровода без экрана?

20. Для измерения температуры движущегося с относительно небольшой скоростью горячего воздуха в канале установлена термопара, показания которой t_T . Какова действительная температура воздуха, если коэффициент теплоотдачи от потока воздуха к спаю , степень черноты спая = 0,82, а температура стенок ка­нала t_ст?

21. Определить температуру поверхности трубы с наружным диаметром d, если линейная плотность результирующего потока излучением от нее составляет q₁, а интегральная степень черноты поверхности . Температура окружающего воздуха t_в = 17°С.

22.Определить расход греющего пара и требуемую площадь теплообменной поверхности пароводяного подогревателя для по­догрева G_w воды t_w= 10°C до t^"_w= 80°C. Давление греющего па­ра р, степень сухости х. Поверхность нагрева теплообменника со­стоит из стальных труб: d_H = 30 мм; d_вн = 24 мм; = 50 Вт/(м-К). Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к сте­не ₁= 6000 Вт/(м^:-К), от стенки к воде ₂ = 5500 Вт/(м^:-К). Тем­пературу конденсата на выходе из теплообменника принять рав­ной температуре насыщения, соответствующей давлению р. Теп­ловыми потерями пренебречь.

23.Определить температуру масла t^"_м на выходе из масляного холодильника на основании следующих данных:

площадь теплообменной поверхности холодильни­ка F= 80м²;

расход охлаждаемого масла С_м = 20 кг/с;

расход охлаждаемой води G_w = 30 кг/с;

температура воды на входе в холодильник t^'_w;

температура масла на входе в холодильник t^'_м = 85°С;

коэффициент теплопередачи k;

удельная теплоемкость масла С_м= 2,2 кДж/(кг-К).

Схема движения теплоносителей противоточная.

24.Определить требуемую площадь теплообменной поверх­ности охладителя наддувочного дизеля на основании следующих данных:

- температура воздуха на входе в охладитель t'_в = 115°С;

- температура воздуха на выходе из охладителя t^"_в = 65°С;

- расход воздуха G_B;

- температура охлаждающей воды на входе в охладитель t^'_w;

- расход охлаждающей воды G_w = 1,25 кг/с;

- коэффициент теплопередачи k = 100 Вт/(м²-К).

Схемы движения теплоносителей:

а) противоточная;

б) прямоточная.

25.В рекуперативном прямоточном теплообменнике темпера­тура греющего и нагреваемого теплоносителей равна:

а) на входе в теплообменник t^"₁ = 200°С, t^'₁=20°C;

б) на выходе из теплообменника t^"₁, t^"₂.

Расход греющего теплоносителя G₁, теплоем­
кость с₁ = 4,2 кДж/кг-К). Площадь теплообменной поверхности
теплообменника F = 25 м². Определить средний коэффициент теп­
лопередачи k при заданной схеме движения теплоносителей. На
сколько процентов увеличится количество передаваемого тепла,
если при неизменных температурах теплоносителей на входе в те­-
плообменник его площадь поверхности теплообмена будет в два
раза больше, т.е. 50 м²? Значение коэффициента теплопередачи
считать неизменным.

26.Определить плотность теплового потока через плоскую стенку нагревательной печи, состоящую из двух слоев кладки : шамотного кирпича толщиной ₁ = 0,56 м и диамитового кирпича ₁= 0,24 м, если температура внутренней поверхности кладки равна t^ст₁, а температура наружного воздуха t₀= 25°C. Ко­эффициент теплопроводности внутреннего слоя кладки ₁= 0,95 Вт/(м-К), наружного слоя ₂ = 0,15 Вт/(м-К). Коэффициент теплоотдачи конвекцией со стороны наружной поверхно­сти _к = 8,5 Вт/(м²-К), а ее степень черноты .

27.Между двумя вертикальными плоскими пластинами раз­мером 0,5x0,5 м помещен электрический нагреватель с равномер­но распределенной плотностью тепловыделения. Степень черноты поверхностей . Какова должна быть мощность электрического нагревателя, чтобы при температуре окружающего воздуха t_в поддерживать температуру поверхностей пластин t_ст , если коэффициент теплоотдачи конвекцией к воздуху определяется соотношением:

= 2,65(t_ст – t_в)^0,25 ?

( Теплоотдачу пластин не учитывать ).

28. Средняя температура поверхности токоведущей шины равна t_ст , а ее интегральная степень черноты .

Температура окружающего воздуха t_в = 20⁰С . Коэффициент теплоотдачи конвекцией связан с температурой поверхности t_ст соотношением:

= 2,75(t_ст – t_в)^0,25

В результате покрытия шин тонким слоем лака интегральная степень черноты поверхности ^' = 0,9 . Какова теперь будет средняя температура поверхности шин t при том же значении тока и прочих неизменных условиях?

29. В трубчатом калорифере воздух нагревается насыщенным водяным паром давлением Р=0,1Мпа. Температура воздуха на входе t^'_в = 20⁰С.Площадь теплообменной поверхности F = 1м². Определить температуру воздуха на выходе из калорифера t^"_в, если его расход составляет G_в = 0,1кг/с, а коэффициент теплопередачи равен k,Вт/м²ּК.

30. В пароводяном теплообменнике вода нагревается насыщенным паром

( при р = 0,6 МПА ) от температуры t = 20⁰C до t = 50⁰C. В результате

интенсификации теплообмена конечная температура подогрева воды

повысилась до t при неизменном расходе G = 1 кг/с. Определить, во сколько раз увеличился коэффициент теплопередачи.

Таблица 3