Задача № 5

Трубчатый испаритель воды обогревается дымовыми газами. Давление воды р, температура воды на входе в испаритель равна температуре насыщения (t_s) при давлении р, на выходе – сухой насыщенный пар.

Давление воды (р), температура дымовых газов на входе (t₁') и на выходе из испарителя (t₁''), а также расход газов (G₁) даны в табл. 25 по вариантам.

Принять средний коэффициент теплопередачи от пара к воде через стенку трубы К=70 Вт/(м² ·К). потерями тепла в окружающую среду пренебречь.

Определить расход воды (G₂, кг/с) и площадь поверхности теплообмена испарителя (F, м²).

Представить график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

Таблица 25

№ вар	5	10	15	20	25
p1, бар	2,7	3,4	4,4	5,6	6,5
t1' , оС	600	650	700	750	800
t1'', оС	320	340	380	420	460
G1, кг/с	38	40	43	45	50

ЗАДАНИЕ № 6

Расчет теплопередачи со сложным теплообменом на поверхностях

Рекомендуется разобраться с данной темой на примере задач № 1 и № 2. Решение данных задач необязательно, но желательно в целях повышения уровня знаний по данной дисциплине.

Задача № 1

Рассчитать теплопотери (Q, Вт/м) через стенку горячей горизонтальной трубы в окружающую среду (к спокойному воздуху).

Диаметр трубы d₂/d₁ = 150/140 мм, коэффициент теплопроводности стали λ_с=50 Вт/(м·К), температура на внутренней поверхности трубы t₁ = 90 ^оС, степень черноты наружной поверхности трубы ε_с = 0,9, температура воздуха t_ж =10 ^оС.

Задача № 2

Рассчитать теплопотери (Q, Вт/м) из помещения в окружающую среду через оконный проем с двойным стеклом (рис. 1.)

Рис. 1

Температуры на поверхностях стекла: t₁ = 10 ^оС, t₄ = -20 ^оС; толщина стекла δ_с= 3 мм, ширина воздушного зазора между стеклами δ= 15 см. Площадь поверхности оконного проема F= 2 · 1,5 м². Степень черноты стекла ε_с = 0,937, коэффициент теплопроводности стекла λ_с = 0,74 Вт/(м ·К).

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте условия подобия физических процессов. Каково практическое применение теории подобия и моделирования процессов конвективного теплообмена?

2. Дайте краткую характеристику теплофизических теплоносителей: коэффициентов динамической и кинематической вязкостей, коэффициента сжимаемости, температурного коэффициента объемного расширения.

3. Запишите число Грасгофа, поясните его физический смысл. Назовите все величины, входящие в число Грасгофа, укажите их размерность.

4. Запишите числа Рейнольдса и Прандтля, дайте их характеристику. Поясните физический смысл т размерность величин, входящих в эти числа.

5. Приведите примеры определяемых и определяющих чисел подобия. Дайте понятие определяющей температуры и определяющего размера в уравнениях подобия.

6. Приведите уравнение подобия для расчета среднего коэффициента теплоотдачи при вынужденном турбулентном течении жидкости в трубе. Проанализируйте зависимость коэффициента теплоотдачи от диаметра трубы (d), вязкости (v), скорости (w), теплопроводности (λ), теплоемкости (c) и плотности (ρ) жидкости.

7. Что характеризует коэффициент ? Рассчитайте коэффициент ε_t для следующих случаев:

а) нагрев воды с температурой t_ж = 60 ^оС у поверхности с температурой t_с = 80 ^оС;

б) охлаждение воды с температурой t_ж = 80 ^оС у поверхности с температурой t_с = 60 ^оС;

в) нагрев и охлаждение воздуха при тех же условиях.

Сделайте выводы. Таблицы теплофизических свойств воды и воздуха имеются в учебнике [4. с. 402-403.]

8. Ниже перечислены величины, влияющие на коэффициенты теплоотдачи:

λ [Вт/м·К], l [м], υ =t_c-t_ж [⁰С], g [м/c²], β [1/K], v [м²/c], α [м²/c], c [Дж/(кг·К)],

ρ [кг/м³], w[м/с].

Укажите величины, влияющие на теплоотдачу при естественной конвекции.

9. Ниже перечислены величины, влияющие на коэффициенты теплоотдачи:

λ [Вт/м·К], l [м], υ =t_c-t_ж [^оС], g [м/c²], β [1/K], v [м²/c], α [м²/c], c [Дж/(кг·К)],

ρ [кг/м³], w[м/с].

Укажите величины, влияющие на теплоотдачу при омывании поверхности вынужденным продольным потоком жидкости.

10. Ниже перечислены величины, влияющие на коэффициенты теплоотдачи:

λ [Вт/м·К], l [м], d [м], υ =t_c-t_ж [^оС], g [м/c²], β [1/к], v [м²/c], α [м²/c],

c [Дж/(кг·К)], ρ [кг/м³], w[м/с].

Укажите величины, влияющие на теплоотдачу при вынужденном турбулентном течении жидкости в трубах.

11. Какие режимы могут иметь место при вынужденном течении жидкости в трубах? Как определить режим течения?

12. Какие режимы течения в пограничном слое могут иметь место при естественной конвекции жидкости около вертикальной поверхности в большом объеме? Как определить режим течения?

13. Укажите величины, характеризующие теплофизические свойства жидкостей, которые влияют на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости в условиях естественной конвекции. Приведите их размерность.

14. Укажите величины, характеризующие теплофизические свойства пара или пленки конденсата, которые влияют на коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности. Приведите их размерность.

15. Приведите кривую кипения при паровом обогреве и дайте характеристику ее отдельных участков.

16. Приведите кривую кипения при электрическом обогреве. При каком условии возможен пережог поверхности нагрева в теплообменниках с кипением?

17. Перечислите микро- и макрохарактеристики, влияющие на интенсивность пузырькового кипения жидкости. Как зависит коэффициент теплоотдачи от этих характеристик?

18. Как влияет скорость вынужденного течения жидкости в испарительных трубах теплообменников на процесс кипения?

19. При каких условиях наблюдается

а) пленочная конденсация пара;

б) капельная конденсация пара?

Сравните их по коэффициенту теплоотдачи. Какой тип конденсации имеет место в промышленных конденсаторах?

20. Укажите особенности расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации перегретого или мокрого пара по сравнению с конденсацией сухого насыщенного пара.

21. Как влияет на коэффициент теплоотдачи при конденсации пара

а) состояние поверхности (гладкая, шероховатая),

б) содержание воздуха в паре?

22. Ниже записаны два уравнения теплового баланса:

а) Gr=α (t_s-t_c) F,

б) Gr=α (t_c-t_s) F.

Для каких процессов записаны уравнения? Поясните их смысл. Укажите размерность всех величин.

23. Для процесса пленочной конденсации неподвижного сухого насыщенного пара на горизонтальной трубе проанализируйте:

а) зависимость коэффициента теплоотдачи α от разности температур (t_s-t_c),

б) зависимость теплового потока (q, Вт/м²) от разности температур (t_s-t_c).

Сделайте выводы.

24. Какие режимы питания стекающей пленки конденсата могут иметь место при пленочной конденсации неподвижного сухого насыщенного пара на вертикальной поверхности?

25..Как определить режим течения и какими уравнениями воспользоваться для расчета среднего коэффициента теплоотдачи?

26. Дайте понятие степени черноты твердого тела. Как рассчитать поток собственного излучения тела с известной температурой Т и площадью излучающей поверхности F?

27. Известно, что уменьшить передачу излучением между телами можно, если поставить между ними экран.

Как влияет расстояние от излучающей поверхности до экрана на лучистый поток для системы тел:

а) две параллельные плоские поверхности,

б) труба в цилиндрическом кожухе?

28. Назовите, какой имеет спектр излучения (сплошной или дискретный) и от каких факторов зависит излучательная способность

а) твердых тел,

б) излучающих газов.

29. Приведите уравнении для расчета теплообмена излучением между двумя телами, произвольно расположенными в пространстве. Дайте понятие угловых коэффициентов , . В каких пределах изменяются угловые коэффициенты и от чего они зависят?

30. Дайте понятие коэффициентов поглощения, отражения и пропускания. Назовите пределы их изменения. Запишите связь между ними.

31. Какие газы излучают и поглощают лучистую энергию? Как определяется степень черноты излучающих газов?

32. Запишите связи между потоками излучения:

а) падающим, поглощенным, отраженным, пропущенным;

б) эффективным, собственным, отраженным;

в) результирующим, собственным, поглощенным;

г) результирующим, падающим, эффективным.

33. Как рассчитывается длина пути луча для замкнутых объемов излучающего газа и как она используется в расчетах теплообмена излучением между газом и оболочкой?

34. Дайте понятие для излучающего газа:

а) степени черноты ε_г,

б) предельной степени черноты .

Как определяются ε_г и .?

35. Сравните излучательную способность углекислого газа (СО₂) и водяных паров (Н₂О) Сделайте выводы.

36. Дайте формулировку и математическую запись закона Стефана – Больцмана. Приведите формулы для расчета собственного излучения

а) твердых тел,

б) излучающих газов.

37. Какой закон теплового излучения устанавливает равенство между степенью черноты тела (ε) и коэффициентом поглощения (А)? Приведите доказательство равенства ε = А.

38. Запишите уравнение теплового баланса для расчета теплообменников. Дайте понятие расходных теплоемкостей теплоносителей. Какова связь между расходными теплоемкостями и изменением температур теплоносителей?

39. Чему равны расходные теплоемкости теплоносителей для испарителя, в котором происходит испарение холодного теплоносителя за счет тепла конденсации горячего теплоносителя? Приведите график изменения температур вдоль поверхности нагрева такого испарителя.

40. Какова цель конструкторского расчета теплообменника? Как рассчитывается коэффициент теплоотдачи?

41. Какова роль поверочного расчета теплообменников? Приведите уравнения для расчета конечных температур теплоносителей t₁'', t₂''.

42. Сравните по эффективности теплообмена схемы движения теплоносителей: прямоток и противоток. В каких случаях прямоток и противоток равнозначны? Приведите примеры таких теплообменников.

43. Перечислите виды теплообменников. К каким видам можно отнести: конденсатор, паровой котел, градирню, подогреватель питательной воды поверхностного типа, теплогенератор, ядерный реактор?

44. Приведите графики изменения температуры теплоносителей для следующих соотношений между расходными теплоносителями:

а) с₁>с₂; б) с₁>>с₂; с₁ ∞

45. Приведите графики изменения температуры теплоносителей для следующих соотношений между расходными теплоносителями:

а) с₂>с₁; б) с₂>>с₁; с₂ ∞

46. Запишите уравнение теплового баланса теплообменника с учетом потерь тепла в окружающую среду.

47. Как вычислить средний температурный напор для прямотока, противотока, перекрестного тока?

48. В каком случае среднелогарифмический температурный напор можно заменить среднеарифметическим? Приведите график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и поясните ответы.

49. Какие теплообменники называются рекуперативными? Приведите примеры таких теплообменников.