235

ББК 35.114 УДК 66.02(076.1)

Таран А.Л. Арутюнов Б.А.

Ф911

Задачник Тепловые процессы М. МИТХТ им. М.В.Ломоносова 2004-76 с.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В.Ломоносова в качестве задачника

Данное учебное пособие является практическим дополнением к лекционному курсу "Перенос энергии и массы гидро- и аэродинамика" читаемому в осеннем семестре бакалавриата 3 курса факультетов “Т” и “И” направлений 551600, 552200 по разделу “Перенос тепла”. Оно может применяться в курсовом проектирование. Основное назначение учебного пособия (задачника) – использование его для самостоятельной подготовки студентов к учебным занятиям.

Рецензенты:

к.т.н. проф. Лапшенков Г.И. (МГАТХТ, кафедра СУ и АХТП) к.т.н. доц. Назаров В.И. (МГУИЭ)

©МИТХТ им. М.В. Ломоносова

-2 -

www.mitht.ru/e-library

Глава 1.

Тепловые балансы……………………………………….…………….4

Глава 2.

Тепловые балансы в некоторых процессах химической технологии…………………………………………………….………….6

Глава 3.

Кондуктивный перенос тепла……………………………………...16

Глава 4.

Теплоотдача в турбулентном потоке…………………………….22

Глава 5.

Вынужденная конвекция……………………………………………24

Глава 6.

Свободная конвекция………………………………………………..29

Глава 7.

Теплопередача………………………………………………………...32

Глава 8.

Расчёт теплообменной аппаратуры……………………………..50

- 3 -

www.mitht.ru/e-library

Глава 1.

Тепловые балансы

Задача № 1

Три жидкости в количествах G1, G2 и G3 кг, с температура-

ми t1, t2, t3 и удельными теплоемкостями С1, С2, С3 кДжкг К пере-

мешиваются до достижения температуры tc. Требуется опреде-

лить температуру tc.

Решение:

tC G1 C1 t1 G2 C2 t2 G3 C3 t3 G1 C1 G2 C2 G3 C3

Контрольный вопрос:

Чему равна теплоемкость смеси?

Задача № 2

Требуется нагреть G1 кг жидкости с начальной температу-

при помощи острого перегретого водяного пара, имеющего дав-

ление 0,2 МПа и температуру tn, который полностью конденсиру-

- 4 -

www.mitht.ru/e-library

ется и его конденсат принимает температуру t2. Определить рас-

ход перегретого пара D. Аппарат считать ячейкой идеального смешения.

Решение:

Уравнение теплового баланса, из которого определяют рас-

ход D:

G1 C1 t1 D(iн Cp tn) G1 C1 t2 D Ck t2 ,

где iн – энтальпия насыщенного пара при P = 0,2 МПа;

Cp, Ck – теплоемкости перегретого пара и его конденсата, соот-

ветственно, кДжкг К

Контрольный вопрос:

В теплообменном аппарате происходит нагревание G кгс

жидкости от начальной температуры t1 до конечной температуры

t20C. Удельная теплоемкость жидкости постоянна, и равна

С кДжкг К . Требуется определить температуру t2, если на нагре-

вание расходуется D кгс насыщенного пара с давлением 0,4

МПа, а конденсат уходит с температурой на 5º ниже температу-

ры насыщения.

- 5 -

www.mitht.ru/e-library

Задача № 3

Определить количество льда G1 кг на охлаждение G кг

жидкости с удельной теплоемкостью С кДжкг К от температуры t1

до t2ºС. Теплота плавления льда равна 335 кДжкг . Температура

льда - 0ºС. Аппарат считать ячейкой идеального смешения.

Решение:

E G C (t1 t2),кг где Св – теплоемкость воды

335 Cв t2

Контрольный вопрос:

Определить в условиях предыдущей задачи расход холо-

дильной смеси, состоящей из 3-х массовых частей CaCl2, 6-ти частей воды и 2-х массовых частей льда, если известно, что та-

кая смесь при таянии льда охлаждается до 0ºС.

Глава 2

Тепловые балансы в некоторых процессах

химической технологии.

газов и атмосферного воздуха) с температурой 300ºС. Установка

- 6 -

www.mitht.ru/e-library

состоит из топки и камеры смешения. В топке сжигается кокс

следующего элементарного состава: С - 88%, H2 - 0,7%, О2 - 1,4%, S - 0,8%, Н2О - 3,5%, золы з - 4,6%. Теплотворная способ-

ность кокса QP = 30680кгс . Воздух поступает в топку и камеру

смешения с температурой 20ºС и относительной влажностью

100%. Коэффициент полезного действия топки Т 0,92, а ка-

меры смешения - кс 0,98.

Определить: коэффициент избытка воздуха в топке и, массо-

вые количества топочных газов G1, и вторичного воздуха G2,

приходящиеся на 1 кг сжигаемого топлива в кг/с и объемный

тура топочных газов 1000ºС.

Решение:

Теоретический расход абсолютно сухого воздуха (L кг асв. . .)

на 1 кг топлива. Коэффициенты расхода кислорода на сжигание элементов, составляющих топливо, берут из уравнений их окис-

ления:

LТ 4,31 (2,67С 8Н S) 0

4,31 (2,67 0,88 8 0,007 0,008) 0,014 10,39 кг асв. .

кг топл.

Для нахождения коэффициента избытка воздуха и соста-

вим уравнение теплового баланса топки [1]. Считаем, что зола выносит столько же тепла, сколько его вносит топливо.

T (1Qp и LT I0) [(1 з) и LT (1 d0)]CГ tГ ,

- 7 -

www.mitht.ru/e-library

где I0 – энтальпия воздуха на входе в топку, кгкДжасв. . ., равная

I0 CBtB x0in 1 20 1,52 10 2 2532 58,5кгкДжасв. . . ,

Pнас 0,0238105 H2 [2]

м

x0 – влагосодержание воздуха при t = 20ºС и 100% кг влаги

кг асв. . .

[1] (глава "Сушка"):

СВ – теплоемкость воздуха при t = 20ºС [3],

СГ – теплоемкость топочных газов при температуре tГ = 1000ºС

примем равную теплоемкости воздуха при той же температуре,

СГ 1,22кДжкг К [3],

В – атмосферное давление. В=0,1 МПа,

LT LT(1 xo), тогда из упрощенного уравнения (1) получим:

Для нахождения количества воздуха, подаваемого в камеру смешения, составим уравнение баланса камеры смешения:

(L1 CГ tГ Lкс I0) (L1 Lкс) Cкс tкс кс,

где L1- количество топочных газов, получаемых при сгора-

нии 1 кг топлива:

L1 [(1 з) u LT ] 1 0,046 2,24 10,39 24,2 кг асв. . .

Lкс – количество воздуха, подаваемого в камеру смешения

- 8 -

www.mitht.ru/e-library

Cкс, tкс – теплоемкость и температура газов после камеры сме-

шения, соответственно

Скс 1,09кДжкг К ; tКС 3000С [3]

Lкс L1(CГtГ ксCксtкс)

ксtксCкс I0

Суммарное количество газа, получившееся при сгорании 1

Определение расхода топлива, пренебрегая вкладом вла-

госодержания топочных газов (ошибка в запас):

Gтопл 107,36,67 6,216 10 2 кгс

Определение влагосодержания газовой смеси.

Определим массу влаги (Gвл.) на 1 кг топлива:

Gвл. Lобщ x0 9H H2O

107,31,5210 2 9 0,007 0,035 1,73 кг влаги кг топл.

Влагосодержание газовой смеси равно:

Определение условного удельного объема уходящей газовой

смеси [1] (глава "Сушка"):

- 9 -

www.mitht.ru/e-library

R T (0,622 x) 0 0,622 B

Определение объема уходящей газовой смеси:

Задача №5

1000 кг водного раствора поваренной соли, имея темпера-

туру кипения t1 и удельную теплоемкость С1 кДжкг К , находится

под давлением Р1=0,6 МПа. Раствор вводится в среду с давле-

нием Р2=0,1 МПа, где температура кипения t2 и удельная тепло-

емкость С2 кДжкг К . Начальная концентрация раствора а1 = 5%

масс. Требуется определить количество самоиспарившейся во-

ды W кг и конечную концентрацию раствора (потерями тепла в окружающую среду пренебречь, удельные теплоемкости найти по правилу аддитивности).

Решение:

Депрессия 5% раствора NaCl 0,9ºС [2],

- 10 -

www.mitht.ru/e-library