Контрольні задачі до і–ііі розділів

І-ІІІ.1. У скільки разів збільшиться термічний опір стінки сталевого змійовика, згорнутого із труби з діаметром 38  2,5 мм, якщо покрити її шаром емалі завтовшки 0,5 мм? Вважати, що стінка є плоскою. Коефіцієнт тепло­провідності емалі – 1,05 Вт / (м · К).

І-ІІІ.2. Паропровід завдовжки 40 м з діаметром 51  2,5 мм покритий шаром ізоляції завтовшки 30 мм; температура зовнішньої поверхні ізоляції t₂ = = 45 °С, внутрішньої – t₁ = 175 °С. Визначити кількість теплоти, що втрачає паро­провід за 1 год. Коефіцієнт теплопровідності ізоляції = 0,116 Вт / (мК).

І-ІІІ.3. Сталева труба з діаметром 60  3 мм ізольована шаром корка завтовшки 30 мм і зверху ще шаром совеліту (85  % магнезії + 15  % азбесту) завтовшки 40 мм. Температура стінки труби –110 °С, а зовнішньої поверхні ізоляції – 10 °С. Обчислити годинну втрату холоду з 1 м довжини труби.

І-ІІІ.4. Як зміниться втрата холоду в умовах попередньої задачі, якщо внутрішній шар зробити совелітовим ( = 40 мм), а зовнішній – корковим ( = 30 мм)?

І-ІІІ.5. Знайти температуру внутрішньої поверхні обмурування апарата (рис. І-ІІІ.19), якщо температура на її зовнішній поверхні становить 35 °С. Товщина обмурування – 260 мм. Термометр, заглиблений на 50 мм від зовнішньої поверхні, показує температуру 70 °С.

Рис. І–ІІІ.19. До контрольної задачі І-ІІІ.5

І-ІІІ.6. Обчислити коефіцієнт теплопровідності для: а) рідкого хлоро­форму за t= 20 °С; б) сірчистого газу за t = 160 °С та абсолютного тиску 1 кгс / см² (~0,1 МПа); в) 25 % водяного розчину хлористого кальцію за t = 30 °С.

І-ІІІ.7. Необхідно випарувати 1600 кг/год рідини, що кипить за t = 137 °С і надходить у випарник за цієї самої температури. Питома теплота випарову­вання рідини r = 37710³ Дж / кг. Температура пари, що гріє, повинна бути не нижчою, ніж 150 °С. Визначити витрату гріючої пари: а) сухої насиченої р_надл. = = 4 кгс / см² (~0, 4 МПа); б) перегрітої до 250 °С, р_надл. = 4 кгс / см² (~0,4 МПа); в) перегрітої до 250 °С, р_надл  = 3 кгс / см² (~0,3 МПа). Питома теплоємність перегрітої пари 2,14·10³ Дж / (кгК).

Показати процеси зміни стану пари, що гріє, на діаграмі Т – S. Конденсат гріючої пари відводиться за температури конденсації.

І-ІІІ.8. До якої температури будуть нагріті глухою парою 2 т розчину хлористого кальцію, якщо витрата гріючої пари (р_абс. = 2 кгс / см², тобто ~0,2 МПа) за 2,5 год становить 200 кг, а витрата теплоти на нагрівання апарата та втрати теплоти в навколишнє середовище становлять у середньому 2030 Вт? Початкова температура розчину – 10 °С. Питома теплоємність розчину – 2,510³ Дж / (кгК).

І-ІІІ.9. Визначити кількість переданої теплоти в протитечійному конденсаторі, у якому конденсується 850 кг / год пари сірковуглецю під атмосферним тиском. Пара сірковуглецю надходить у конденсатор з температурою 90 °С. Рідкий сірковуглець виходить із конденсатора за температури на 8 °С нижчої від температури конденсації. Питома теплоємність пари сірковуглецю 0,6710³ Дж / (кгК).

І-ІІІ.10. У кожухотрубний конденсатор надходить 120 кг/год сухої насиченої пари діоксиду вуглецю під тиском р_абс. = 60 кгс / см² (~6,0 МПа). Рідкий діоксид вуглецю виходить із конденсатора під тим самим тиском за температури конденсації. Приймаючи різницю температур діоксиду вуглецю й води на виході води з конденсатора такою, що дорівнює 5 К, визначити необхідну витрату води, якщо вона надходить у конденсатор з температурою 10 °С.

І-ІІІ.11. Колона для ректифікації рідкого повітря покрита шаром теплової ізоляції з шлакової вати завтовшки 250 мм. Температура рідини всередині колони –190 °С, температура повітря в приміщенні – 20 °С. Яка кількість теплоти може проникати із навколишнього повітря в колону через 1 м² поверхні, якщо знехтувати термічними опорами з боку рідини, оточуючого повітря й металевої стінки колони?

І-ІІІ.12. Як зміниться коефіцієнт теплопередачі в апараті, якщо замінити сталеві труби з діаметром 38 x 2,5 мм на мідні такого самого розміру: а) у паровому калорифері для повітря, у якому _пов. = 41 Вт / (м² · К), _{гр. пари} = = 11600 Вт / (м²К); б) у випарному апараті, у якому _{кип.розч.} = 2320 Вт / (м²К), _{гр. пари} = 11600 Вт / (м²К)? Забруднень поверхні не враховувати.

І-ІІІ.13. Як зміниться величина коефіцієнта теплопередачі в теплообмінному апараті, виконаному із сталевих труб завтовшки 3 мм, якщо на поверхні труб відкладеться шар накипу (водяного каменю) завтовшки 2 мм: а) у водяному холо­дильнику для газу, у якому _газу = 58 Вт / (м²К), _води. = 580 Вт / (м²К); б) у випарному апараті, у якому _{кип. розч.} = 2780 Вт / (м² К), _{гр. пари} = 11600 Вт / (м²К)?

І-ІІІ.14. Яке найбільше питоме теплове навантаження (у Вт/м²) може бути у випарнику толуолу, якщо сталеві труби випарника завтовшки 4 мм по обидва боки покриті іржею? Товщина одного шару іржі – 0,6 мм. Випарник обігрівається насиченою парою (р_надл. = 3 кгс/см², тобто ~0,3 МПа). Толуол кипить під атмосферним тиском. Вважати, що термічний опір стінки й двох шарів іржі значно більший від суми інших термічних опорів.

І-ІІІ.15. Гарячий концентрований розчин, що виходить із випарного апарата з температурою 106 °С, використовується для нагрівання до 50 °С холодного разбавленого розчину, що надходить на випарювання з температурою 15 °С. Концентрований розчин охолоджується до 60 °С. Визначити середню різницю температур для прямотечійної та протитечійної схем.

І-ІІІ.16. У багатоходовому кожухотрубному теплообміннику, що має чотири ходи в трубному просторі та один хід у міжтрубному (рис. І-ІІІ.20), толуол охолоджується водою від 106 до 30 °С. Вода, що проходить трубами, нагрівається від 10 до 34 °С. Визначити середню різницю температур у теплообміннику.

І-ІІІ.17. 1930 кг/год бутилового спирту необхідно охолоджувати від температур 90 до 50 °С у протитечійному теплообміннику з поверхнею 6 м². Охолодження здійснюється водою з початковою температурою 18 °С. Коефіцієнт теплопередачі теплообмінника – 230 Вт / (м²К); вважати як середню арифметичну. Скільки кубічних метрів води за 1 год необхідно пропустити через теплообмінник?

І-ІІІ.18. На складі устаткування є кожухотрубний теплообмінник, що скла­дається з 19 латунних труб діаметром 18  2 мм, завдовжки 1,2 м. Чи достатня його поверхня для конденсації 350 кг/год насиченої пари етилового спирту, якщо прийняти коефіцієнт теплопередачі таким, що дорівнює 700 Вт / (м²К), початкову температуру води – 15 °С, а кінцеву – 35 °С? Конденсація спирту передбачається за атмосферного тиску, рідкий спирт відводиться за температури конденсації.

Рис. І-ІІІ.20. До контрольної задачі І-ІІІ.16

І-ІІІ.19. Кожухотрубний протитечійний теплообмінник (рис. І-ІІІ.21) перед контактним апаратом на сірчанокислотному заводі має поверхню теплообміну 360 м². Очищений газ колчеданних печей надходить у міжтрубний простір тепло­обмінника за температури 300 °С, виходить за температури 430 °С. Гарячий газ із контактного апарата входить у труби теплообмінника за температури 560 °С. Витрата газу – 10 т/год, питома теплоємність газу в середньому 1,0510³ Дж / (кг  К). Втрати теплоти через кожух теплообмінника становлять 10 % від кількості теплоти, отриманої газом, що нагрівається. Визначити коефіцієнт теплопередачі в теплообміннику.

І-ІІІ.20. Визначити коефіцієнт теплопередачі в спіральному теплообміннику за такими даними: поверхня теплообміну – 48 м²; в апараті підігрівається 85,5 т / год води від температури 77 до 95 °С; нагрівання здійснюється насиченою парою за р_надл = 23 кгс / см².

Рис. І-ІІІ.21. До контрольної задачі І-ІІІ.19

І-ІІІ.21. Визначити необхідну поверхню протитечійного теплообмінника під час охолодження 0,85 м³ / год сірковуглецю від температури кипіння під атмосферним тиском до 22 °С. Охолоджувальна вода нагрівається від температури 14 до 25 °С; = 270 Вт / (м²  К); = 720 Вт/(м²К). Товщина сталевої стінки – 3 мм. Врахувати наявність забруднень – іржі й накипу, прийнявши = = 0,00069 (м²К) / Вт. Визначити також витрату води.

І-ІІІ.22. Потрібно конденсувати 10 т / год насиченої пари н-гексану за температури 70 °С. Охолодження конденсатора може здійснюватись: а) водою, що нагрівається від 16 до 36 °С; б) повітрям, яке нагрівають від температури 25 до 48 °С. Коефіцієнт тепловіддачі пари гексану, що конденсується, в обох випадках прийняти таким, що дорівнює 1700 Вт / (м²К). Коефіцієнти тепловід­дачі для води та повітря взяти орієнтовно (середні значення) за табл. І-ІІІ.7, для води – під час турбулентного протікання трубами, для повітря – під час поперечного обтікання труб. Рідкий гексан відводиться за температури конденсації. Термічні опори стінки забруднень не враховувати. Питома теплота конденсації гексану – 33,310⁴ Дж / кг. Визначити витрати води й повітря (у м³ / год) і необ­хідні поверхні теплообміну.

І-ІІІ.23. Метан під надлишковим тиском 5 кгс / см² (~0,5 МПа) проходить міжтрубним простором кожухотрубного теплообмінника паралельно до труб зі швидкістю 4,6 м / с. Середня температура метану – 75 °С. Теплообмінник скла­дається з 37 сталевих труб діаметром 18  2 мм, вміщених у кожух, внутрішній діаметр якого 190 мм. Визначити коефіцієнт тепловіддачі.

І-ІІІ.24. 3700 кг / год метилового спирту підігрівається від температури 10 до 50 °С, проходячи трубним простором теплообмінника, що складається з 19 труб з діаметром 16  2 мм. Визначити коефіцієнт тепловіддачі, якщо прийняти температуру стінки 60 °С.

І-ІІІ.25. У кожухотрубному теплообміннику трубами з діаметром 46  3 мм проходить зі швидкістю 0,7 м / с вода, що нагрівається. Визначити коефіцієнт тепловіддачі, якщо середня температура поверхні стінки, що контактує з водою, 90 °С, а середня температура води – 46 ⁰С.

І-ІІІ.26. Визначити коефіцієнт теплопередачі для повітря, яке охолоджується під абсолютним тиском 2 кг / см² ( 0,2 МПа) від 90 до 30 °С в міжтрубному просторі кожухотрубного теплообмінника з поперечними перегородками. Труби з діаметром 25  2 мм розміщені за рухом газу в шаховому порядку. Швидкість повітря у вирізі перегородки (у найвужчому перерізі пучка труб) 8 м / с (рис. І–ІІІ. 22б).

І-ІІІ.27. Повітря атмосферного тиску нагрівається насиченою водяною парою в кожухотрубному конденсаторі з трубками діаметром 25  2 мм. Середня температура повітря – 60 °С. Порівняти коефіцієнти теплопередачі для двох випадків: 1) повітря проходить зі швидкістю 10 м / с (L / d > 50), гріюча пара конденсується в міжтрубному просторі (рис. І-ІІІ.22, а); 2) повітря проходить міжтрубним простором, що має поперечні перегородки. Швидкість повітря у вирізі перегородки (у найвужчому перетині пучка труб) 10 м / с (рис. І-ІІІ.22, б), гріюча пара конденсується в трубах. Прийняти коефіцієнт тепловіддачі пари таким, що дорівнює 11 600 Вт / (м²К).

І-ІІІ.28. Під час теплообміну двох турбулентних потоків (Re > 10000) в першого потоку  = 230 Вт / (м²К), в другого = 400 Вт / (м²К). У скільки разів збільшиться коефіцієнт теплопередачі, якщо швидкість першого потоку зросте удвічі, а швидкість другого – утричі (за інших незмінних умов)? Термічний опір стінки не враховувати.

Рис. І-ІІІ.22. До контрольної задачі І-ІІІ.27

І-ІІІ.29. Визначити коефіцієнт тепловіддачі для 98  % сірчаної кислоти, що проходить кільцевим (міжтрубним) простором горизонтального теплообмінника типу “труба в трубі” зі швидкістю 0,9 м/с. Середня температура кислоти – 72 °С, середня температура стінки – 58 °С. Зовнішня труба теплообмінника має діаметр 54  4,5 мм, внутрішня – 26  3 мм.

І-ІІІ.30. Чотирихлористий вуглець нагрівається в трубному просторі гори­зонтального кожухотрубного теплообмінника. Середня температура чотирихлорис­того вуглецю – 26 °С, швидкість його в трубах – 0,15 м/с. Середня температура поверхні забруднення труб, що контактує з чотирихлористим вуглецем – 34 °С. Діаметр труб – 25  2 мм. Визначити коефіцієнт тепловіддачі чотирихлористого вуглецю.

І-ІІІ.31. Через трубний простір кожухотрубного теплообмінника перекачу­ється розчин хлористого кальцію (23,8  %), що нагрівається за середньої темпе­ратури –20 °С. Швидкість розсолу в трубах – 0,5 м / с, середня температура поверхні стінки, що контактує з розчином, – 10 °С. Коефіцієнт об’ємного розширення розсолу – 0,3510^-3 К^-1, внутрішній діаметр труб – 0,021 м, довжина труб – 4 м. Визначити коефіцієнт тепловіддачі для розсолу.

І-ІІІ.32. Розчин хлористого натрію (21,2  % (мас.)) нагрівається в трубному просторі кожухотрубного теплообмінника від –15 до –12 °С. Внутрішній діаметр труб – 21 мм, довжина труб – 3 м. Швидкість розсолу в трубах – 0,3 м / с. Середня температура поверхні забруднення стінки, що контактує з розсолом – t_ст = –6,5 °С. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від розсолу до стінки. Коефіцієнт об’ємного розширення розсолу = 0,3510^-3 К^-1.

І-ІІІ.33. Етилацетат охолоджується в трубному просторі горизонтального кожухотрубного теплообмінника. Внутрішній діаметр труб – 21 мм, довжина труб – 3 м. Середня температура етилацетату, що охолоджується, t_сер = 50 °С, середня температура поверхні забруднення стінки з боку етилацетату – t_ст = 40 °С. Швид­кість етилацетату – 0,04 м / с. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від етилацетату до стінки. Коефіцієнт теплопровідності = 0,1128 Вт / (мК).

І-ІІІ.34. Бензол охолоджується в трубах горизонтального кожухотрубного теплообмінника. Внутрішній діаметр труб – 21 мм, довжина труб – 4 м. Середня температура охолоджуваного бензолу – 50 °С, середня температура поверхні забруднення стінки з боку бензолу t_ст = 30 °С. Швидкість бензолу – 0,05 м / с. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від бензолу до стінки.

І-ІІІ.35. У вертикальному кожухотрубному теплообміннику бензол прокачується через труби знизу догори під час охолодження від 70 до 30 °С. Внутрішній діаметр труб – 21 мм, висота труб – 4 м. Швидкість бензолу – 0,05 м / с. Середня температура поверхні забруднення стінки з боку бензолу – 30 °С. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від бензолу до вертикальної поверхні стінки.

І-ІІІ.36. Вода нагрівається в умовах вільного руху. Зовнішній діаметр гори­зонтальних труб – 76 мм. Визначити коефіцієнт тепловіддачі, якщо температуру поверхні труби прийняти такою, що дорівнює 45°С. Середня температура води – 25 °С.

І-ІІІ.37. В умовах вільної конвекції охолоджується толуол. Середня темпе­ратура толуолу – 50 ^оС. Діаметр горизонтальних труб 38 x 2 мм. Температура зовнішньої поверхні забруднення труб, що контактує з толуолом, – 30 °С. Визна­чити коефіцієнт тепловіддачі толуолу.

І-ІІІ.38. Вертикальний кожухотрубний теплообмінник складається з 91 труби діаметром 57  3 мм, заввишки 4 м. Внутрішньою поверхнею труб стікає плівкою вода в кількості 52 м³ / год, яка нагрівається від 18 до 25 °С. Середня температура внутрішньої поверхні труб – 26 °С. Визначити коефіцієнт тепловіддачі.

І-ІІІ.39. Вертикальною стінкою плівкового холодильника стікає плівкою 60 % сірчана кислота в кількості 2,1 л / с на 1 м ширини стінки. Висота холодильника – 5 м. Середня температура поверхні стінки – 24 °С, середня температура кислоти – 50 °С. Обчислити коефіцієнт тепловіддачі для кислоти, якщо коефіцієнт її теплопровідності дорівнює 0,43 Вт / (мК).

І-ІІІ.40. Обчислити коефіцієнт тепловіддачі киплячого під атмосферним тиском 20  % – ного водяного розчину хлористого натрію. Різниця температур поверхні, що гріє, і киплячого розчину – 10 К. Для киплячого розчину = = 0,658 Вт / (мК).

І-ІІІ.41. В кубі ректифікаційної колони під атмосферним тиском усередині вертикальних труб заввишки 4 м кипить толуол з невеликим вмістом бензолу (наявність бензолу не враховувати). Діаметр труб – 25  2 мм. Визначити коефіцієнт тепловіддачі для киплячого толуолу. Прийняти температуру поверхні забруднення стінки з боку толуолу 125,3 °С.

І-ІІІ.42. У міжтрубному просторі вертикального кожухотрубного теплооб­мінника, що складається з 261 труби діаметром 25  2 мм, конденсується під атмосферним тиском 4 т / год насиченої пари метилового спирту. Визначити коефіцієнт тепловіддачі.

І-ІІІ.43. Насичена водяна пара конденсується на зовнішній поверхні пучка горизонтальних труб. Зовнішній діаметр труб – 38 мм. Розміщення труб – шахове. Розрахункова кількість труб по висоті – 11. Температура конденсації – 160 °С. Визначити середній коефіцієнт тепловіддачі, прийнявши температуру зовнішньої поверхні труб 152 °С. Пара містить 0,5 відносних  % повітря.

І-ІІІ.44. Метиловий спирт (100 %) нагрівається в трубному просторі одноходового кожухотрубного теплообмінника від 15 до 42 °С. Протитоком у міжтрубному просторі тече вода, що охолоджується від 90 до 40 °С. Теплооб­мінник з кожухом 400 мм складається із 111 сталевих труб діаметром 25  2 мм. Швидкість метилового спирту в трубах – 0,75 м / с. Коефіцієнт тепловіддачі для води – 840 Вт / (м²К), сумарна теплова провідність стінки й обох її забруднень – 1700 Вт / (м²К), середня температура поверхні забруднення, що контактує зі спиртом – 38 °С. Визначити необхідну площу поверхні теплообміну.

І-ІІІ.45. Повітря підігрівається в трубному просторі одноходового кожухотрубного теплообмінника від температури 20 до 90 °С за середнього абсолютного тиску 810 мм рт. ст. Витрата повітря за нормальних умов становить 7770 м³ / год. У теплообміннику 197 труб діаметром 38  2 мм. У міжтрубний простір подається насичена водяна пара під абсолютним тиском 2 кгс / см² (~0,2 МПа). Коефіцієнт тепловіддачі пари – 10000 Вт / (м²К), сумарна теплова провідність стінки та обох її забруднень – 1700 Вт / (м²К). Визначити необхідну площу поверхні теплообміну.

І-ІІІ.46. Повітря атмосферного тиску в кількості 5200 м³ / год (за нор­мальних умов) нагрівається в трубному просторі кожухотрубчастого теплообмін­ника від 2 до 90 С. Кількість труб – 111. Діаметр труб – 38  2 мм. Абсолютний тиск водяної пари, що гріє, 2 кгс / см² (~0,2 МПа). Визначити необхідну дов­жину труб і витрату гріючої пари, якщо її вологість – 6 %. Прийняти К .

І-ІІІ.47. Змійовиком проходить 1,5 т / год толуолу, що охолоджується від 90 до 30 °С. Охолодження (протитоком) здійснюється водою, що нагрівається від 15 до 40 °С. Труба змійовика – сталева діаметром 57  3,5 мм; = = 580 Вт / (м²К). Діаметр витка змійовика – 0,4 м. Визначити необхідну довжину змійовика й витрату води. Термічний опір стінки і її забруднень прийняти 0,0007 Вт / (м²К), а відношення Рr / Рr_ст для толуолу дорівнює 0,75.

І-ІІІ.48. У теплообміннику типу “труба в трубі”, що складається із двох концентричних труб: внутрішньої діаметром 44,5  3,5 мм і зовнішньої діаметром 89 х 5 мм, охолоджується від 70 до 30 °С толуол у кількості 1900 кг/год. Толуол рухається кільцевим простором між зовнішньою й внутрішньою трубою; внутрішньою протікає холодна вода, що нагрівається від 14 до 21 ^оС. Середня температура поверхні забруднення з боку толуолу – 26 °С, з боку води – 20 °С. Визначити коефіцієнт теплопередачі. Врахувати термічні опори забруднень стінки з боку толуолу й з боку води (середньої якості). Розрахунок зробити: а) без врахування впливу Рr / Рr_ст; б) з врахуванням впливу Рr / Рr_ст.

І-ІІІ.49. Вертикальна стінка випарного апарата покрита шаром ізоляції [ = = 0,12 Вт / (м  · К)] завтовшки 45 мм. Температура киплячого розчину – 120 °С, темпе­ратура повітря в приміщенні – 20 ^оС. Визначити втрату теплоти випромінюванням і конвекцією з 1 м² за 1 год, приймаючи температуру поверхні стінки, яка контактує з киплячим розчином, такою, що дорівнює температурі останнього.

І-ІІІ.50. Горизонтальним паропроводом діаметром 51  2,5 мм, завдовжки 50 м рухається насичена пара під тиском р_абс = 4 кгс / см² (~0,4 МПа). Визначити кількість конденсату, що утвориться протягом доби в неізольованому трубопроводі. Температура повітря в цеху – 15 °С.

І-ІІІ.51. У скільки разів зменшиться втрата теплоти, якщо паропровід, розглянутий у попередній задачі, покритий теплоізоляційним шаром завтовшки 40 мм із коефіцієнтом теплопровідності, що дорівнює 0,093 Вт/(мК).

І-ІІІ.52. Апарат ізольований шаром шамотної цегли завтовшки 125 мм [ = = 0,68 Вт / (м·К)] і шаром ізоляційної маси [ = 0,12 Вт / (мК)]. Температура зовнішньої поверхні металевої стінки апарата – 500 °С. Знайти достатню товщину ізоляційного шару, щоб температура його зовнішньої поверхні не переви­щувала 50 °С за температури повітря в цеху 25 °С.

І-ІІІ.53. У сушарці, вздовж її плоскої стінки завдовжки 6 м, проходить зі швидкістю 2,5 м / с гаряче повітря з атмосферним тиском, що має середню температуру 85 °С. Сталева стінка сушарки завтовшки 5 мм ізольована ззовні шаром теплоізоляції завтовшки 30 мм. Температура повітря в приміщенні становить 18 °С. Визначити кількість теплоти, що втрачається за 1 год із 1 м² стінки сушарки конвекцією й випромінюванням. Врахувати теплову провідність забруднення внутрішньої стінки сушарки.