Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Сборник задач по термодинамике (Арнольд).doc
Скачиваний:
146
Добавлен:
09.03.2016
Размер:
6.53 Mб
Скачать

Оребрение

Оребрение производится с той стороны поверхности, где коэффициент теплоотдачи меньше. Коэффициент теплопередачи оребренной стенки трубы (отнесенный к гладкой поверхности) определяется по формуле

где β= — коэффициент оребрения;

Fребрм2- — оребренная поверхность (с учетом простенков между ребрами);

Fглм2— соответствующая гладкая поверхность (поверхность несущей трубы с диаметромd2).

Пример. Дана плоская многослойная стенка, состоящая из стального листа толщиной 10 мм, слоя совелита толщиной 40 мм и листового асбеста толщиной 2 мм. Определить температуры на границах слоев, если известно, что температура наружной поверхности стального листаtст=250° С, а тепловой поток составляет 200 ккал/м2час.

Ре ш е н и е. Температура на наружной поверхности листового асбеста определяется по формуле

Значения коэффициентов

теплопроводности материалов

приняты по приложению 11.

Температуры на границах

слоев

Изменение температуры по толщине многослойной стенки изображено на рис. 73.

Пример. Определить температуру на внутренней и наружной поверхности котельного листа толщиной 18 мм, если температура омывающих газов 800° С, а коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке α1= 20 ккал/м2град. Насколько возрастет температура котельного листа, если на его поверхности, обращенной к воде, образуется накипь толщиной З мм с коэффициентом теплопроводности λи= 0,8 ккал/м час град? Давление в котле 10 ата. Каково значение теплового потока в обоих случаях?

Р е ш е н и е. Давлению насыщения р=10 ата соответствует температура ts=1790С (приложение 9). Практически термическим сопротивлением перехода тепла от воды к стенке можно пренебречь, т. е.0. Тогда температура на внутренней поверхности котельного листа (со стороны воды) будет равна температуре кипения, т. е.tст2=ts=1790С.

Тепловой поток через 1 м2незагрязненной поверхности нагрева определяется по формуле

Температура наружной поверхности котельного листа

Тепловой поток через 1 м2поверхности нагрева, покрытый слоем накипи

Температура на внутренней и внешней поверхности котельного листа

Пример. Стальной паропровод диаметром 114 мм изолирован слоем совелита толщиной 80 мм, а затем слоем пробки толщиной 25 мм (рис. 74). Температура наружной поверхности стальной трубы паропроводаtстд=1600С, наружная поверхность слоя пробки имеет температуруtст3= 400С. Определить потери тепла на 1 пог. м паропровода и температуру на поверхности раздела слоев изоляции.

Р е ш е н и е. Потери тепла находим по формуле

Температура на поверхности раздела слоев изоляции

Пример. По стальному паропроводу диаметром 25/19 мм движется пар температурыt1= 300° С. Каким изоляционным материалом необходимо покрыть паропровод, чтобы толщина изоляции не превышала 55 мм, а температура на наружной поверхности изоляции составлялаtст2= 40° С? Температура окружающего воздуха 200С.

Решение: Предварительно определяем коэффициент теплоотдачи α2

Тепловые потери 1 пог. м паропровода находим по формуле

Коэффициент теплоотдачи α1от пара к стенке обычно настолько велик, что практически термическим сопротивлением теплоотдачи () можно пренебречь. Термическим сопротивлением самой стенки трубы при расчете изоляции также обычно пренебрегают. В этом случае температуру наружной поверхности трубыtст1можно считать равной температуре параtст1=t1=2800С.

Значение коэффициента теплопроводности иэоляции λ. может быть определено из уравнения

По значению коэффициента теплопроводности λ (приложение 11) определяем материал изоляции: совелит или ньювель.

Пример. Наружный диаметр стального паропровода 108 мм, температура параt1= 330° С, температура окружающего воздухаt2= 25° С. Определить толщину изоляции из совелита при условии, чтобы тепловые потери паропровода не превышали 150 ккал/пог. м час.

Р е ш е н и е. Задаемся температурой на наружной поверхности изоляции tст2=400С. Тогда количество переданного тепла

Из этого уравнения определяем отношение , а затем наружный диаметр изоляцииd2

Толщина изоляции

Проверяем ранее принятую температуру на наружной поверхности изоляции. Предварительно определяем коэффициент теплоотдачи от изолированного паропровода к окружающей среде по формуле

Расхождение составляет 5,5%. В случае расхождения температур более 10% следует задаться другим значением темпёратуры и повторить расчет.

Вместо метода последовательных приближений может быть также использован графический метод.

Пример. Определить количество тепла, передаваемого через оребренную стальную трубу диаметром 75/65 мм, длиной 1 м, с коэффициентом оребрения, равным 10. Греющая среда - дымовые газы с температуройt1=320° С, нагреваемая среда - вода с температуройt2= 120° С. Коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке трубы и от стенки к воде соответственно равны α1 = 20 ккал/м2час град и α2 = 4500 ккал/м2час град. Какое количество тепла было бы передано воде, если бы оребрение отсутствовало?

Р е ш е н и е. Определяем коэффициенты теплопередачи для оребренной трубы и для трубы без ребер

Количество тепла, переданное воде через оребренную и гладкую трубу

Таким образом, оребрение трубы со стороны дымовых газов позволило увеличить теплопередачу в 9,3 раза.

Задачи

388. Определить часовую потерю тепла через 1 м2стенки из шамотного кирпича толщиной 130 мм, если температура внутренней поверхности стенкиtст1= 420° С, а наружной —tст2= 180° С.

Ответ: q=1330 ккал/м2час

389. Какой толщины необходимо выполнить стенку из строительного кирпича или листового асбеста, чтобы потеря тепла через 1 м2стенки составляла 3000 ккал/час? Температура внутренней поверхности стенки

tст1 =4250С, наружной –tст2=100° С.

Ответ: sкир= 65 мм;sасб= 10,8 мм.

390. Определить температуры на границах слоев многослойной стенки площадью 5 м2, состоящей из кирпичной кладки толщиной 130 мм (коэффициент теплопроводности 0,65 ккал/ м час град), огнеупорной глины толщиной 20 мм, листового асбеста толщиной 25 мм и стального листа толщиной 5 мм. Потери тепла стенкой составляют 5000 ккал/час. Температура наружной поверхности кирпичной клалкиtст1= 600° С.

Ответ: tст2= 4000С;tст3 = 377,5° С;tст4 = 127,5° С.

391. Определить температуры на границах слоев четырехслойной плоской стенки, состоящей из стального листа толщиной 5 мм, листового асбеста толщиной 25 мм, кирпичной кладки толщиной 250 мм и котельного шлака толщиной 20 мм. Температура наружной поверхности стали tст5= 40° С, температура наружной поверхности шлакаtст1= 9000С. Определить также часовую потерю тепла через 1 м2стенки.

Ответ: tст2= 798° С;tст3=358° С;tст4=40,2° С;q=1270 ккал/м2час.

392. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности обмуровки котла, состоящей из листового железа толщиной З мм, листового асбеста толщиной 25 мм и кирпичной кладки толщиной 250 мм.

Ответ: λэкв =0,465 ккал/м час град

393. Плоская стальная стенка толщиной 10 мм изолирована от тепловых потерь слоем огнеупорной глины толщиной 40 мм и слоем листового асбеста толщиной 25 мм. Какой толщины изоляцию из стеклянной ваты необходимо наложить на стальной лист вместо огнеупорной глины и листового асбеста, чтобы тепловые потери через стенку остались прежними?

Ответ: s= 8,7 мм.

394. В судовом огнетрубном котле (рис. 75) тепловая нагрузка жаровой трубы 1 составляет 41 500 ккал/м2час. Толщина стальной стенки жаровой трубы 20 мм. Определить разность температур на наружной и внутренней поверхностях жаровой трубы:

а) при чистой ее поверхности:

б) при наличии со стороны воды накипи толщиной 1,5 мм с коэффициентом теплопроводности λmax=1,2 ккал/ м час град;

в) при наличии со стороны воды накипи толщиной 1,5 мм с коэффициентом теплопроводности λmax=1,2 ккал/ м час град и со

стороны газон — сажи толщиной

2 мм с коэффициентом теплопро

водности λс= 0,2 ккал./м час град.

Стенку жаровой трубы вследствие

малой кривизньг можно считать

плоской.

Ответ: Δt= 21,30С; Δt= 73,20С; Δt=4880С.

395. Определить температуру

наружной поверхности корпуса

котла толщиной 30 мм, выполненной

из стали, если давление в котле 12 ата,

температура окружающего воздуха 25° С,

коэффициент теплоотдачи от наружной

стенки к воздуху α2= 17 ккал/м2час град.

Насколько снизится температура наружной

поверхности, если корпус котла покрыть слоем

совелита толщиной 120 мм? Коэффициент

теплоотдачи от изолированной поверхности

к окружающему воздуху α2=9,0 ккал/м2час град. Определить также потерю тепла через 1 м2поверхности корпуса котла в обоих случаях. При решении задачи стенку корпуса котла вследствие малой кривизны считать плоской.

Ответ: tст2= 184,7° С;q=2715 ккал/м2час;

tст2 =36,6° С;q/= 105 ккал/м2час.

396. Определить температуру водяной в огневой поверхности плоского стального котельного листа толщиной 18 мм и величину теплового потока, если известно, что коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке равен 40 ккал/м2град, коэффициент теплоотдачи от воды к стенке 5000 ккал/м2град. Температура газовt1= 1100° С; температура воды в котле

t2=195° С.

Ответ: tст3 = 2180С;tст2= 202° С;q= 35 300 ккал/м2час.

397. Определить, насколько уменьшится количество передаваемого тепла через поверхность нагрева парового котла вследствие

образования слоя накипи толщиной 2 мм (с коэффициентом теплопроводности 0,12 ккал/м час град). Толщина стенки листа стали 20 мм. Температура дымовых газов t1= 900° С, температура воды в котлеt2= 1500С. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенкеα1= 25 ккал/м2час град, коэффициент теплоотдачи от воды к стенкеα2=4000 ккал/м2час град.

Ответ: ∆q=5400 ккал/м2час.

389. Определить, насколько уменьшится потеря тепла через обмуровку котла, выполненную из шамотного кирпича толщиной

260 мм, листового асбеста толщиной 25 мм и железа толщиной З мм (рис. 76, а), если между кирпичом и асбестом сделать воздушную прослойку толщиной 40 мм (рис. 76, б). Коэффициент теплопроводности воздуха λв= 0,05 ккал/м час град. Передачу тепла конвекцией и излучением через воздушную прослойку не учитывать. Значения температур наружной и внутренней поверхностей в обоих случаях одинаковы и равны соответственно 8000и 50° С. Какое значение температур на границах слоев?

Ответ: а) tст2= 357° С;tст3 =50,2° С

б) tст2=609°С;tст3=1840С;tст4 =51°С;

∆q=695 ккал/м2час.

399. Определить суточную потерю тепла стальным паропроводом диаметром 38/30 мм, длиной 50 м, покрытым слоем изоляции толщиной 40 мм с коэффициентом теплопроводности λ=0,06 ккал/м час град. По паропроводу движется насыщенный пар при давлении 10 ата. Температура внешней поверхности изоляции 400С.

Ответ: Q= 55 300 ккал.

400. Определить тепловые потери 1 пог. м чугунной трубы диаметром 112/80 мм, если температура внутренней поверхности tст1 =1200С, температура наружной поверхностиtст2 =1000С. Какова была бы допущена ошибка в определении тепловых потерь, если расчет произвести по формулам для плоской стенки?

Ответ: q=20 150 ккал/пог. м час; ошибка- 1.0%.

401. По паропроводу диаметром 100/90 мм движется перегретый пар с температурой 350° С. Определить, какая должна быть толщина изоляции из асбестовой ваты или ньювеля, чтобы температура наружной поверхности была 60° С, а тепловые потери не превышали 200 ккал/м час.

Ответ: sасб = 69 мм,sн= 49 мм.

402. По стальному трубопроводу диаметром 60/50 мм протекает горячая вода с температурой 140° С. Расход воды 1.6 м3/час. Трубопровод покрыт изоляцией толщиной 40 мм (с коэффициентом теплопроводностиλ=0,12 ккал/м час град). Температура наружной поверхности изоляции 50° С. Определить тепловые потери и падение температуры воды на 1 пог. м.

Ответ: q=80 ккал/пог. м час; ∆t=0,050С.

403. По стальному паропроводу диаметром 220/200 мм, длиной

20 м движется насыщенный пар при давлении 16 ата. Определить

температуру наружной поверхности изоляции из совелита толщиной 100 мм, если потеря тепла паропроводом составляет 2460 ккал/ час.

Ответ: tст2= 500С.

404. Для определения тепловых потерь трубопроводами в производственных условиях применяют прибор, называемый тепломером. Тепломер представляет собой резиновую ленту, плотно прижатую к наружной поверхности трубопровода. Температура наружной и внутренней поверхности ленты измеряется термопарами. Определить тепловые потери 1 пог. м трубопровода диаметром 160/150 мм с изоляцией из асбестовой ваты толщиной 90 мм, если падение температур по толщине резиновой ленты тепломера составляет ∆t=2° С. Толщина резиновой ленты З мм, коэффициент теплопроводности ееλ= 0,14 ккал/м час град. Определить также падение температуры в слое изоляции трубопровода.

Ответ: q= 98,0 ккал/м час; ∆t=1240С.

405. Главный паропровод от котла к машине диаметром 140 мм покрыт слоями стекловойлока толщиной 20 мм (с коэффициентом теплопроводности λ=0.034 ккал/м час град) и асбестового волокна толщиной 60 мм. По паропроводу движется насыщенный пар при давлении 16 ата. Температура наружной поверхности изоляции 450С. Определить потери тепла на 1 пог. м паропровода и температуру на поверхности раздела слоев изоляции. Какой толщины изоляцию необходимо было бы выполнить из совелита при условии, что потери тепла паропроводом остаются прежними?

Ответ: q=76,5 ккал/ пог. м час;tст2=1100С;sсоп=135 мм.

406. При выполнении тепловой изоляции из нескольких материалов, накладываемых последовательно слоями, получить совершенного соприкосновения между ними не удается. Поэтому в многослойных стенках наблюдается падение температуры на границах соприкосновения слоев.

Определить падение температуры в составной стенке, состоящей из шамотного кирпича толщиной 230 мм (с коэффициентом теплопроводности λк=0,8 ккал/м час град) и листового асбеста толщиной 30 мм ( с коэффициентом теплопроводности λасб=0,1 ккал/м час град). Потери тепла через составную стенку, определенные с помощью тепломера, составляют 620 ккал/м2час. Значения температур на наружной поверхности шамотного кирпича и листового асбеста, замеренные с помощью термопар, равны соответственно 5000и 80° С.

Ответ: ∆t= 560С.

407. Наружный диаметр главного паропровода 120 мм, температура пара t1= 3200С. Температура воздуха в машинном отделенииt2=300С. Определить толщину изоляции из ньювеля при условии, чтобы температура на наружной поверхности изоляции не превышала 500С.

Ответ: s=72 мм.

408. Построить зависимость температуры стенки водогрейной трубы парового котла от толщины слоя накипи в пределах от 0 до 4 мм. Температура дымовых газов t1=1000° С; температура котловой водыt2=2000С. Диаметр трубы 38/32 мм. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы 30 ккал/м2час град. Коэффициент теплопроводности накипи принять равнымλнак= 0,5 и 0,07 ккал/м час град.

409. Построить кривую изменения тепловых потерь паропровода диаметром 15 мм в зависимости от толщины изоляции, изменяющейся в пределах от 0 (голый паропровод) до 150 мм, если температура пара t1=3000С, а температура окружающего воздухаt2= 20° С. Коэффициент теплопроводности изоляцииλ=0,25 ккал/м час град. Коэффициент теплоотдачи от паропровода к окружающему воздуху считать постоянным и равнымα2= 10 ккал/м2час град. Определить критический диаметр изоляции.

Ответ: dкр= 50 мм.

410. Определить потери тепла 1 пог. м паропровода диаметром 20 мм при критическом диаметре изоляции. Коэффициент теплопроводности изоляции 0,2 ккал/м час град. Температура пара

t1 = 150° С, температура окружающего воздухаt2= 25° С. Определить также потери тепла голым паропроводом. При какой толщине изоляции потери тепла будут такими же, что и при отсутствии изоляции?

Ответ: dкр=43 мм;qкр=181 ккал/ пог. м час;qгт=133 ккал/пог. м час;

Sи=20 мм.

411. По паропроводу диаметром 110. 100 мм и длиной 20 м движется перегретый пар давления 16 ата и температуры ts=3500С со скоростью 40 м/сек. Какой толщины изоляцию из асбестового волокна необходимо наложить на паропровод, чтобы снижение температуры пара по длине паропровода составляло не более 3° С? Температура воздуха в машинно-котельном отделенииt2=30° С.

Ответ: s= 25 мм.

412. Для нанесения изоляции на паропровод диаметром 100 мм и длиной 10 м доставлено 12,8 кг стекловойлока (с коэффициентом теплопроводности λстекл= 0,034 ккал/м час град) и 158 кг асбозурита (λасб= 0,103 ккал/м час град). По паропроводу движется пар, температура которогоt1= 2000С. Определить в каком порядке необходимо наложить изоляцию, чтобы тепловые потери на 1 пог. м были наименьшими. Каково значение потерь? Температура окружаюшего воздухаt2=300С. Объемный вес стекловойлока 170 кг/м3, асбозурита - 700 кг/м3.

Ответ: Стекловойлок — асбозурит; потери составляют q= 70 ккал/пог. м час.

413. Плоская чугунная стенка толщиной 12 мм оребрена с наружной стороны. Коэффициент оребрения равен 9,0. Греющая среда- вода с температурой t1 = 1250С, нагреваемая — воздух с температуройt2= 20° С. Коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке и от стенки к воздуху соответственно равныα1= 2000 ккал/м2час град иα2= 9.0 ккал/м2час град. Определить количество тепла, передаваемое через 1 м2поверхности плоской стенки. Какое

количество тепла было бы передано воздуху, если бы оребрение

отсутствовало?

Ответ: qребр=8040 ккал/м2 час;q=940 ккал/м2час.

414. Определить количество тепла, передаваемое дымовыми газами воде через оребренную стальную трубу диаметром 60/50 мм.

длиной 1м (рис. 77), если коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке трубы и от стенки к воде соответственно равныα1= 50 ккал/ м2час град иα2= 5000 ккал/м2час град. Температура дымовых газовt1= 260С, температура водыt2= 80° С.

Ответ: q1= 8660 ккал/пог. м час.

415. Количество тепла, передаваемого через оребренную стальную трубу диаметром 44,5/38 мм, составляет qi= 12 000 ккал/пог. м час. Греющая среда- воздух с температуройt1= 3000С, нагреваемая среда -вода с температуройt2= 100° С. Коэффициенты

теплоотдачи: от воздуха к стенке трубы α1= 70 ккал/м2час град; от стенки трубы к водеα2= 4000 ккал/м2час град. Определить коэффициент оребрения и высоту ребер, если толщина их 2 мм, шаг

10 мм.

Ответ: β=7,35;hребр=24 мм.