1. Вопросы

1. Назовите и охарактеризуйте простые виды теплообмена.

2. Объясните суть понятий: температурное поле, температурный градиент, изотермическая поверхность, стационарный и нестационарный режимы теплообмена.

3. Сформулируйте основной закон теплопроводности. Объясните физический смысл коэффициента теплопроводности. Как зависит коэффициент теплопроводности от температуры. Чему равны коэффициенты теплопроводности меди, стали, воды, воздуха, котельной накипи, сажи.

4. Расчет теплопроводности плоской стенки (однослойной и многослойной). Что такое тепловая проводимость, термическое сопротивление и эквивалентный коэффициент теплопроводности.

5. Расчет теплопроводности цилиндрической стенки. Как упростить полученные зависимости?

6. Охарактеризуйте понятия: теплоотдача, естественная и вынужденная конвекция, тепловой и гидродинамический пограничный слой.

7. Дайте определения коэффициента теплоотдачи. Запишите формулу Ньютона. Приведите примерные значения коэффициента теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции в газах и жидкости, при кипении и конденсации.

8. Запишите формулы и охарактеризуйте сущность критериев Nu, Re, Gr, Pr.

9. Как осуществляется теплоотдача при естественной конвекции? Какие факторы влияют на теплоотдачу? Запишите общий вид критериального уравнения теплообмена при естественной конвекции.

10. Дайте характеристику вынужденной конвекции. Какие факторы влияют на теплоотдачу? Как развивается процесс теплоотдачи при течении жидкости внутри трубы? Запишите критериальное уравнение теплообмена при турбулентном течении жидкости внутри трубы.

11. Изложите последовательность расчета коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения жидкости внутри трубы.

12. Поясните особенности теплоотдачи при поперечном обтекании одиночной трубы и пучка труб. Запишите общий вид критериального уравнения теплообмена при поперечном обтекании пучка труб. Какие факторы влияют на гидродинамические условия течения и соответственно на интенсивность теплоотдачи?

13. Что такое кипение? Что такое центры парообразования, какие режимы кипения бывают, что такое кризис кипения первого рода?

14. В чем причины высокой интенсивности теплоотдачи при кипении? Какие теплообменные поверхности способствуют более быстрому закипанию - полированные или шероховатые, смачиваемые или не смачиваемые и почему? От чего зависит коэффициент теплоотдачи при кипении. Запишите расчетную эмпирическую зависимость α = f(q).

15. Охарактеризуйте процесс конденсации и виды конденсации. От чего зависит коэффициент теплоотдачи при конденсации, как интенсифицировать процесс конденсации? Запишите расчетное уравнение (уравнение Нуссельта) коэффициента теплоотдачи при конденсации на вертикальной и горизонтальной трубах.

16. Охарактеризуйте процесс теплопередачи. Запишите выражение коэффициента теплопередачи для однослойной плоской стенки и трубы. От чего зависит (чем определяется) коэффициент теплопередачи? Что такое общее и частные термические сопротивления? Как интенсифицировать процесс теплопередачи?

17. Охарактеризуйте пути интенсификации теплопередачи. При каких условиях коэффициент теплопередачи принимает оптимальное значение.

18. Запишите выражение для расчета коэффицинта теплопередачи оребренной поверхности. Что такое коэффициент оребрения?

19. Что такое степень черноты? Запишите основные законы теплового излучения.

20. Чем отличаются процессы теплового излучения газов от излучения твердых тел?

2. Задачи

Задача 1. Определить потери тепла через стенку длиной l, высотой h, толщиной , если на поверхностях стенки поддерживаются температуры t₁ и t₂, коэффициент теплопроводности стенки .

1. l = 10 м, h = 4 м,  = 0,3 м, t₁ = 30° C, t₂ = 0° C,  = 0,3 Вт/(м·К).

2. l = 8 м, h = 5 м,  = 0,4 м, t₁ = 20° C, t₂ = 5° C,  = 0,5 Вт/(м·К).

3.l = 9 м, h = 4,5 м,  = 0,35 м, t₁ = 40° C, t₂ = 0° C,  = 0,4 Вт/(м·К).

Задача 2. Стенки топки парового котла выполнены из кирпича толщиной . Температуры на внутренней и внешней поверхностях равны соответственно t₁ и t₂. Теплопроводность кирпича зависит от температуры  = 0,6(1 + 0,001t). Вычислить и изобразить в масштабе распределение температур внутри стенки на расстояниях x₁, x₂, x₃ и x₄ от внутренней поверхности.

1.  = 0,25 м, t₁ = 1400° C, t₂ = 30° C, x₁ = 0,05 м, x₂ = 0,10 м, x₃ = 0,15 м, x₄ = 0,20 м.

2.  = 0,30 м, t₁ = 1200° C, t₂ = 60° C, x₁ = 0,06 м, x₂ = 0,12 м, x₃ = 0,18 м, x₄ = 0,24 м.

 = 0,25 м, t₁ = 1000° C, t₂ = 40° C, x₁ = 0,05 м, x₂ = 0,10 м, x₃ = 0,15 м, x₄ = 0,20 м.

Задача 3. Паропровод, внутренний диаметр которого d₁, а наружный d₂, покрыт двухслойной изоляцией. Толщина первого слоя изоляции ₂, второго слоя ₃, теплопроводность трубы ₁, первого слоя изоляции ₂, второго слоя изоляции ₃. Температура внутренней поверхности трубы t₁, температура наружной поверхности изоляции t₄. Определить теплопотери одного погонного метра трубопровода и температуры на поверхностях раздела.

1. d₁ = 0,200 м, d₂ = 0,218 м, ₂ = 0,025 м, ₃ = 0,070 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,12 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,06 Вт/(м²·К), t₁ = 80° C, t₄ = 20° C.

2. d₁ = 0,150 м, d₂ = 0,160 м, ₂ = 0,025 м, ₃ = 0,050 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,15 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,08 Вт/(м²·К), t₁ = 70° C, t₄ = 10° C.

3. d₁ = 0,250 м, d₂ = 0,270 м, ₂ = 0,035 м, ₃ = 0,070 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,12 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,06 Вт/(м²·К), t₁ = 80° C, t₄ = 20° C.

Задача 4.(Задачу необходимо решить по упрощенной методике). Паропровод, внутренний диаметр которого d_{1, а наружный} d_2, покрыт двухслойной изоляцией. Толщина первого слоя изоляции ₂ , второго слоя ₃ , теплопроводность трубы ₁, , первого слоя изоляции ₂, второго слоя изоляции ₃. Температура внутренней поверхности трубы t₁ , температура наружной поверхности изоляции . Определить теплопотери одного погонного метра трубопровода и температуры на поверхностях раздела.

1. d₁ = 0,200 м, d₂ = 0,218 м, ₂ = 0,025 м, ₃ = 0,070 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,12 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,06 Вт/(м²·К), t₁ = 80° C, t₄ = 20° C.

2. d₁ = 0,150 м, d₂ = 0,160 м, ₂ = 0,025 м, ₃ = 0,050 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,15 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,08 Вт/(м²·К), t₁ = 70° C, t₄ = 10° C.

3. d₁ = 0,250 м, d₂ = 0,270 м, ₂ = 0,035 м, ₃ = 0,070 м, ₁ = 50 Вт/(м²·К), ₂ = 0,12 Вт/(м²·К) , ₃ = 0,06 Вт/(м²·К), t₁ = 80° C, t₄ = 20° C.

Задача 5. Определить средний коэффициент теплоотдачи от стенок трубы конденсатора к охлаждающей воде, если температура воды на входе в конденсатор t_ж1, а на выходе t_ж2. Скорость воды в трубах V, а средняя температура стенок труб, контактирующих с водой, t_ст. Внутренний диаметр трубок d.

1. t_ж1 = 10° C, t_ж2 = 30° C, t_ст = 40° C, V = 2 м/c, d = 0,020 м.

2. t_ж1 = 15° C, t_ж2 = 25° C, t_ст = 30° C, V = 1,5 м/c, d = 0,032 м.

3.t_ж1 = 15° C, t_ж2 = 35° C, t_ст = 40° C, V = 2,5 м/c, d = 0,032 м.

Задача 6. В теплообменнике типа "труба в трубе" в кольцевом зазоре движется вода со скоростью V. Средняя температура воды t_ж, температура стенки t_c. Определить средний коэффициент теплоотдачи и тепловую мощность теплообменника, если известна длина трубы L и .

1. t_ж = 20° C, t_c = 30° C, V = 2,5 м/c, L = 15 м, .

2. t_ж = 30° C, t_c = 40° C, V = 2,2 м/c, L = 10 м, .

3. t_ж = 25° C, t_c = 35° C, V = 2,0 м/c, L = 10 м, .

Задача 7. По трубе внутренним диаметром d со скоростью V течет воздух. Определить среднее значение теплоотдачи, если средняя температура воздуха t_ж.

1. t_ж = 120° C, V = 10 м/c, d = 0,2 м.

2. t_ж = 80° C, V = 8 м/c, d = 0,4 м.

3. t_ж = 100° C, V = 9 м/c, d = 0,3 м.

Задача 8. Определить потери теплоты с 1 м² неизолированной поверхности корпуса горизонтального теплообменника, наружный диаметр которого d, если температура воздуха в машинном отделении t_ж, а температура поверхности t_с.

1. d = 0,5 м, t_ж = 25° C, t_с = 170° C.

2. d = 0,3 м, t_ж = 35° C, t_с = 130° C.

3. = 0,4 м, t_ж = 30° C, t_с = 120° C

Задача 9. Определить потери теплоты с 1 м² изолированной поверхности корпуса горизонтального теплообменника, наружный диаметр изоляции которого d, температура поверхности изоляции t_с, а температура воздуха в машинном отделении t_ж.

1. d = 0,6 м, t_ж = 30° C, t_с = 65° C.

2. d = 0,7 м, t_ж = 25° C, t_с = 70° C.

3. d = 0,7 м, t_ж = 30° C, t_с = 60° C.

Задача 10. Определить потери теплоты с 1 м² неизолированной поверхности корпуса вертикального теплообменника высотой H, если температура наружной поверхности теплообменника t_с, а температура окружающего воздуха t_ж.

1. H = 0,6 м, t_ж = 35° C, t_с = 180° C.

2. H = 0,7 м, t_ж = 28° C, t_с = 140° C.

3. H = 0,7 м, t_ж = 30° C, t_с = 150° C.

Задача 11. Определить потери теплоты с 1 м² изолированного вертикального теплообменника высотой H, если температура наружной поверхности теплообменника t_с, а температура окружающего воздуха t_ж.

1. H = 1,8 м, t_ж = 29° C, t_с = 40° C.

2. H = 1,2 м, t_ж = 27° C, t_с = 60° C.

3. H = 1,0 м, t_ж = 28° C, t_с = 50° C.

Задача 12. Определить средний коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании коридорного пучка труб воздухоподогревателя, если наружный диаметр труб d, число рядов труб n, средняя температура воздуха t_ж, скорость воздуха в узком сечении пучка V.

1. d = 25 мм = 0,025 м, n = 8, t_ж = 25° C, V = 8 м/с.

2. d = 30 мм = 0,030 м, n = 12, t_ж = 30° C, V = 12 м/с.

3. d = 35 мм = 0,035 м, n = 10, t_ж = 30° C, V = 12 м/с.

Задача 13. Определить средний коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании шахматного пучка труб воздухоохладителя, если диаметр труб d, число рядов труб n, средняя температура воздуха t_ж, скорость воздуха в узком сечении пучка V.

1. d = 38 мм = 0,038 м, n = 12, t_ж = 15° C, V = 10 м/с.

2. d = 25 мм = 0,025 м, n = 14, t_ж = 20° C, V = 8 м/с.

3. d = 30 мм = 0,030 м, n = 14, t_ж = 25° C, V = 8 м/с.

Задача 14. Определить интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении воды при давлении p и плотности теплового потока q.

1. p = 2·10⁵ Па, q = 0,4·10⁵ Вт/м².

2. p = 4·10⁵ Па, q = 2·10⁵ Вт/м².

3. p = 3·10⁵ Па, q = 3·10⁵ Вт/м².

Задача 15. Определить массу конденсата образующегося при пленочной конденсации водяного пара на наружной поверхности труб, если температура стенки труб t_с, диаметр труб d, длина труб l, количество труб — n. Давление атмосферное.

1. Расположение труб — вертикальное, d = 0,020 м, l = 1,5 м, t_с = 40° C.

2. Расположение труб — горизонтальное, d = 0,020 м, l = 1,5 м, t_с = 40° C.

3. Расположение труб — вертикальное, d = 0,030 м, l = 2,0 м, t_с = 40° C.

Задача 16. Определить потери тепла лучеиспусканием с поверхности стальной трубы диаметром d и длиной l, если труба находится в кирпичном канале сечением a×b, температура трубы t₁, температура стенок канала t₂.

1. d = 0,108 м, l = 8 м, a×b = 0,3×0,3 м, t₁ = 80° C, t₂ = 20° C.

2. d = 0,089 м, l = 12 м, a×b = 0,25×0,25 м, t₁ = 75° C, t₂ = 25° C.

3. d = 0,076 м, l = 10 м, a×b = 0,25×0,25 м, t₁ = 75° C, t₂ = 25° C.

Задача 17. Определить количество теплоты при лучеиспускании от газов на 1 м² поверхности газохода ДВС. Средняя температура газов t_г, средняя температура поверхности газохода t_ст, степень черноты газов _г, а степень черноты газов _ст.

1. t_г = 500° C, t_ст = 200° C, _г = 0,25, _ст = 0,9.

2. t_г = 350° C, t_ст = 150° C, _г = 0,24, _ст = 0,92.

3. t_г = 450° C, t_ст = 180° C, _г = 0,24, _ст = 0,91.

Задача 18. В процессе эксплуатации внутренняя поверхность трубок газотрубного котла покрылась слоем сажи толщиной _с, теплопроводность которой _с. Наружная поверхность трубок покрылась слоем накипи _н, теплопроводность которой _н. Температура греющих газов t_г, а температура кипения воды t_ж. Известны коэффициенты теплоотдачи со стороны греющих газов α₁, и со стороны кипящей воды α₂. Определить уменьшение плотности теплового потока в результате загрязнений, если чистые трубки котла имеют следующие параметры: внутренний диаметр d₁, внешний диаметр d₂, теплопроводность материала трубок _ст.

1. d₁ = 0,028 м, d₂ = 0,032 м, _ст = 50 Вт/(м·К), _с = 1,5 мм = 0,0015 м, _с = 0,1 Вт/(м·К), _н = 2,5 мм = 0,0025 м, _н = 0,9 Вт/(м·К), α₁= 120 Вт/(м²·К), α₂. = 5000 Вт/(м²·К).

2. d₁ = 0,032 м, d₂ = 0,038 м, _ст = 45 Вт/(м·К), _с = 1 мм = 0,001 м, _с = 0,09 Вт/(м·К), _н = 2 мм = 0,002 м, _н = 0,8 Вт/(м·К), α₁= 160 Вт/(м²·К), α₂ = 7000 Вт/(м²·К).

3. d₁ = 0,030 м, d₂ = 0,036 м, _ст = 48 Вт/(м·К), _с = 1 мм = 0,001 м, _с = 0,09 Вт/(м·К), _н = 2 мм = 0,002 м, _н = 0,8 Вт/(м·К), α₁= 150 Вт/(м²·К), α₂ = 6000 Вт/(м²·К).

Задача 19. Определить площадь поверхности нагрева водо-водяного подогревателя, выполненного из латунных труб , теплопроводность которых _л. Коэффициенты теплоотдачи: со стороны горячей воды α₁, со стороны холодной воды α₂. Средние температуры: горячей воды t_г, холодной воды t_х. Тепловая мощность нагревателя Q.

1. ,  = 85 Вт/(м·К), α₁= 7000 Вт/(м²·К), α₂= 6000 Вт/(м²·К), t_г = 90° C, t_х = 40° C, Q = 200 Вт.

2. ,  = 90 Вт/(м·К), α₁= 6000 Вт/(м²·К), α₂= 5000 Вт/(м²·К), t_г = 80° C, t_х = 30° C, Q = 250 Вт.

3. ,  = 80 Вт/(м·К), α₁= 6000 Вт/(м²·К), α₂= 6000 Вт/(м²·К),

t_г = 95° C, t_х = 35° C, Q = 200 Вт.

Задача 20. Паропровод наружным диаметром d₂ и внутренним диаметром d₁ покрыт слоем изоляции _из, теплопроводность которой _из. Температура пара t_г, температура наружного воздуха t_х. Теплопроводность стали _ст. Коэффициенты теплоотдачи: стороны пара α₁, и со стороны воздуха α₂. Определить линейную плотность теплового потока и температуру на поверхности изоляции.

1. , _из = 0,1 м, _из = 0,08 Вт/(м·К), _ст = 50 Вт/(м·К), t_г = 200° C, t_х = 20° C, α₁= 80 Вт/(м²·К), α₂= 6 Вт/(м²·К).

2. , _из = 0,080 м, _из = 0,08 Вт/(м·К), _ст = 50 Вт/(м·К), t_г = 100° C, t_х = 10° C, α₁= 60 Вт/(м²·К), α₂= 8 Вт/(м²·К).

3. , _из = 0,090 м, _из = 0,08 Вт/(м·К), _ст = 50 Вт/(м·К), t_г = 150° C, t_х = 15° C, α₁= 70 Вт/(м²·К), α₂= 7 Вт/(м²·К).

Л 63

Лісін В.В. Теплопередача: навчальний посібник / В.В. Лісін.— Одеса: ОНМА, 2011. — 101 с. У начальному посібнику викладені: характеристики процесів теплопровідності, конвекції, теплопередачі у залежності від умов протікання процесу на межі тверда стінка – рідина, основи теорії подібності та крітеріальні залежності для розрахунку процесів теплообміну, особливості променистого теплообміну і теплообміну при зміні агрегатного стану теплоносія. Навчальний посібник призначений для курсантів і студентів вищих морських навчальних закладів напряму підготовки 6.070104 «Морський та річковий транспорт». Рос. мовою. УДК 621.1.016.(075.8) ББК 31.312