Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образ...
93 downloads
211 Views
1MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Северо-Западный государственный заочный технический университет
Кафедра Теплотехники и теплоэнергетики
ТЕПЛОМАССООБМЕН Рабочая программа Задания на контрольные работы Методические указания к выполнению контрольных работ Практические работы и методические указания к их выполнению
Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 650800 – теплоэнергетика 100500 – тепловые электростанции 100700 – промышленная теплоэнергетика Направление подготовки бакалавра 550900 – теплоэнергетика
Санкт – Петербург 2003
Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.1.016.4 Тепломассообмен: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению контрольных работ, практические работы и методические указания к их выполнению. – СПб.: СЗТУ, 2003 – 52 с.
Методический комплекс соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650800 – «Теплоэнергетика» (специальности: 100500 – «Тепловые электрические станции», 100700 – «Промышленная теплоэнергетика») и направлению подготовки бакалавра 550900 – «Теплоэнергетика». Дисциплина охватывает основные положения учения о тепломассообмене и их приложение к анализу работы теплоэнергетического оборудования. Последовательно рассматриваются элементарные виды переноса теплоты (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение), а также процессы конвективной теплоотдачи, сложный процесс теплопередачи и основы расчета теплообменных аппаратов.
Рассмотрено на заседании кафедры теплотехники и теплоэнергетики 4 июля 2003 г.; одобрено методической комиссией энергетического факультета 3 июля 2003 г. Рецензенты: кафедра теплотехники и теплоэнергетики СЗТУ (зав. кафедрой З.Ф. Каримов, д-р техн. наук, проф.), В.Д. Иванов, канд. техн. наук, доц. кафедры тепловых установок и тепловых двигателей СанктПетербургского технологического университета растительных полимеров. Составитель О.В. Шелудько, канд. техн. наук, доц. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003 2
ПРЕДИСЛОВИЕ Цель изучения дисциплины – приобретение студентами знаний по теории процессов тепломассообмена и их практическое применение в последующих специальных дисциплинах, на стадии курсового и дипломного проектирования и в профессиональной деятельности. Задачи изучения дисциплины – получение знаний закономерностей основных процессов тепломассообмена (теплопроводности, конвекции, теплового излучения), а также конвективной теплоотдачи, теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества, массообмена; усвоения сложного процесса теплопередачи и основ расчета теплообменных аппаратов; ознакомления с путями решения современных проблем тепломассообмена, проведения тепловых расчетов, решения практических задач, связанных с тепломассообменом в элементах энергетического оборудования. Место дисциплины в учебном процессе. Дисциплина базируется на знаниях, полученных при изучении высшей математики, физики, технической термодинамики и гидрогазодинамики. Знания, полученные при изучении данной дисциплины, используются в специальных курсах: «Котельные установки и парогенераторы», «Тепломассообменное оборудование предприятий», «Основы централизованного теплоснабжения», «Технология централизованного производства электроэнергии и теплоты», «Водоподготовка» и др. На очных занятиях (чтение лекций, практические работы, лабораторный практикум) студент изучает примерно 1/4 содержания дисциплины, остальные 3/4 изучает самостоятельно, используя рекомендованную литературу и консультации преподавателя. При изучении дисциплины рекомендуется составлять конспект соответствующих разделов курса. Это не только способствует усвоению материала, но и прививает навыки творческого отношения к своей специальности. После изучения материала дисциплины усвоение основных положений проверяется вопросами для самоконтроля, тестами. Затем студент выполняет практические и лабораторные работы, решает задачи контрольных работ.
3
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС Способы теплообмена; дифференциальное уравнение теплопроводности и его решения; система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена; применение методов подобия и размерностей к изучению процессов конвективного теплообмена; теплоотдача и гидравлическое сопротивление при вынужденном течении в каналах, обтекании трубы и пучка труб; расчет коэффициентов теплоотдачи при свободной конвекции; теплообмен при фазовых превращениях; теплообмен излучением, сложный теплообмен; массообмен: поток массы компонента; вектор плотности потока массы; молекулярная диффузия: концентрационная диффузия, закон Фика; термо- и бародиффузия; массоотдача, математическое описание и аналогия процессов массо- и теплообмена; теплогидравлический расчет теплообменнных аппаратов. 1.2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 240 часов) ВВЕДЕНИЕ (4 часа) [l], c.3...6, [2], с.4...5 Предмет курса, общие понятия. Элементарные процессы передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Теплоотдача. Теплопередача. Макроскопический характер учения о теплоте. Важнейшие этапы развития учения о тепло- и масссобмене. Современные проблемы теплоотдачи. Вклад советских ученых в развитие изучаемой дисциплины.
Вопросы для самоконтроля 1. Верно ли, что между стенками, разделенными слоем газа, может существовать как конвективный теплообмен, так и теплообмен излучением? 2. Возможен ли конвективный теплообмен в твердом теле? 3. Является ли процесс теплопередачи элементарным процессом? 4. Является ли процесс теплоотдачи элементарным процессом? 5. Возможно ли явление массообмена при отсутствии конвекции? 1.2.1. OCHOBHЫE ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ (10 часов) [1], с. 7...24, [2], с. 8...12, 39...41 Механизм процесса теплопроводности в газах, жидкостях, металлах, твердых диэлектриках. Температурное поле. Градиент температуры. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от различных 4
факторов. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Краевые условия для процессов теплопроводности; граничные условия первого, второго, третьего и четвертого рода. Закон Ньютона-Рихмана для теплоотдачи. Общие представления о методах решения задач теплопроводности.
Вопросы для самоконтроля 1. Могут ли изотермические поверхности пересекаться? 2. Достаточно ли знать градиент температурного поля, чтобы определить разность температур между точками поля? 3. Можно ли рассматривать дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье как одну из форм закона сохранения энергии? 4. Входят ли физические параметры тела в состав условий однозначности, необходимых для решения дифференциального уравнения теплопроводности? 5. Тождественны ли понятия "условия однозначности" и "краевые условия"? 6. В чем отличие коэффициентов теплопроводности и температуропроводности? 1.2.2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ (18 часов) [1], с.24...39, 44...49, 58...66, [2], с. 13...23, 27...33, 195...220 Передача теплоты через однослойную и многослойную плоскую стенки при граничных условиях I и III рода. Распределение температур при постоянном и переменном коэффициентах теплопроводности. Коэффициент теплопередачи. Передача теплоты через однослойную и многослойную цилиндрические стенки при граничных условиях I и III рода. Линейный коэффициент теплопередачи. Критический диаметр изоляции. Теплопередача через плоскую ребристую стенку. Способы интенсификации процессов теплопередачи. Связь вопросов интенсификации теплопередачи с современными проблемами экономии материальных и энергетических ресурсов и повышением экономичности производства. Теплопроводность в неограниченной плоской стенке и круглом стержне при наличии внутренних источников теплоты.
5
Вопросы для самоконтроля 1. Каков характер температурной кривой при постоянном коэффициенте теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок? 2. Всегда ли термическое сопротивление теплопередачи больше термического сопротивления стенки? 3. Может ли возрастать тепловой поток через цилиндрическую стенку вследствие увеличения ее толщины, если при этом сохраняются неизменными температура внутреннего слоя стенки, температура окружающей среды, коэффициент теплоотдачи от наружного слоя стенки к окружающей среде? 4. Каков характер изменения температурной кривой в круглом стержне при наличии в нем внутренних источников теплоты? 5. Можно ли вычислить критический диаметр изоляции цилиндрической стенки, не учитывая условий теплообмена ее внешней поверхности с окружающей средой? 6. Если на двух плоских стенках одинаковой толщины наблюдается одинаковый перепад температур, то может ли быть различной плотность теплового потока через эти стенки?
1.2.3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ (8 часов) [1], с. 66...84, 87...102, [2], с. 220...245 Методы решения задач теплопроводности при нестационарном режиме. Теплопроводность тонкой пластины, длинного цилиндра при граничных условиях III рода. Анализ решений. Частные случаи. Нагревание (охлаждение) параллелепипеда и цилиндра конечной длины. Определение количества теплоты, отдаваемой или воспринимаемой телом в процессе нестационарной теплопроводности. Регулярный тепловой режим нагревания (охлаждения) тел. Численные методы решения задач нестационарной теплопроводности.
Вопросы для самоконтроля 1. Нарисуйте кривые распределения температур в теле для различных моментов времени при граничных условиях I, II, III рода. 2. Как изменится положение "направляющей" точки при изменении коэффициента теплоотдачи? 3. Укажите физический смысл критериев подобия Био и Фурье. 4. Как влияет изменение коэффициента температуропроводности на скорость охлаждения тела? ' 5. Укажите сущность регулярного режима? 6
6. В чем заключается сущность метода конечных разностей? 1.2.4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА (8 часов) [I], с. 108...128, [2], с.34...46 Теплоотдача в однофазных жидкостях и при фазовых и химических превращениях, при естественной и вынужденной конвекции. Физические свойства жидкости, существенные для процессов течения и теплоотдачи. Основной закон теплоотдачи. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном течениях жидкости. Динамический и тепловой пограничные слои. Основные допущения теории плоского пограничного слоя. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена; условия однозначности.
Вопросы для самоконтроля 1. Какие факторы влияют на интенсивность конвективного теплообмена? 2. Может ли свободная конвекция влиять на теплоотдачу в условиях вынужденного движения? 3. Могут ли совпадать по толщине гидродинамический и тепловой пограничные слои? 4. Сформулируйте физический смысл дифференциальных уравнений' конвективного теплообмена. 5. Определите условия однозначности для процессов теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции. 1.2.5. ОСНОВЫ МЕТОДА ПОДОБИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ (16 часов) [l], с.129...145, [2], с.46...63 Метод размерностей. Пи-теорема. Приведение дифференциальных уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Критерии подобия. Общие условия подобия физических процессов. Свойства подобных процессов. Три теоремы подобия. Вывод критериев подобия из анализа дифференциальных уравнений. Физический смысл критериев гидродинамического и теплового подобия. Сущность моделирования.
Вопросы для самоконтроля 1. Определите подобие физических явлений. Укажите условия подобия. 7
2. Относятся ли явления свободной конвекции в большом объеме и вынужденной конвекции к одному классу физических явлений? 3. Объясните содержание трех теорем подобия. 4. Дайте определение критерия подобия и поясните метод их получения из анализа дифференциальных уравнений. 5. Объясните различие между определяемыми и определяющими критериями подобия. 6. Объясните практическое осуществление и методы моделирования. 7. Укажите физический смысл критериев гидродинамического и теплового подобия. 1.2.6. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ (10 часов) [1], c.146...155, [2], с.63...69 Осреднение коэффициентов теплоотдачи. Осреднение температуры жидкости по длине канала. Средний температурный напор. Выбор определяющих размеров и температур. Обработка и обобщение опытных данных на основе теории подобия. Критериальные уравнения. Границы применения обобщений.
Вопросы для самоконтроля 1. Можно ли определить коэффициент теплоотдачи из справочных данных? 2. Как выбираются определяющие геометрический размер и температура? 3. Укажите условия при выборе критериального уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи. 4. Дают ли критериальные уравнения общее решение? 5. Как определяется средний температурный напор в процессах теплоотдачи? 1.2.7. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ПРОДОЛЬНОМ ОМЫВАНИИ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ (10 часов) [1], с.155...172, [2], с.69...78 Гидродинамический и тепловой пограничные слои. Теплоотдача при ламинарном течении в пограничном слое; метод теоретического расчета; эмпирические расчетные уравнения. Теплоотдача при турбулентном течении в пограничном слое на основе гидродинамической теории теплообмена. Область применения и расчетные уравнения. Расчет теплоотдачи при одновременном наличии ламинарного и турбулентного пограничных слоев. 8
Вопросы для самоконтроля 1. Как меняется толщина ламинарного гидродинамического пограничного слоя с расстоянием от передней кромки пластины? 2. Зависит ли отношение толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев при ламинарном движении от физических свойств жидкости? 3. Как влияет скорость набегающего на пластину потока на критическое значение критерия Рейнольдса? 4. Изобразите графически изменение коэффициента теплоотдачи при полностью турбулентном течении в пограничном слое. 1.2.8. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ И ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОМЫВАНИИ ТРУБ И ПУЧКОВ ТРУБ (10 часов) [1], c.173...201 [2], с.78...94, 101...110 Особенности течения и теплообмена в трубах. Участки тепловой и гидродинамической стабилизации. Теплоотдача при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости в гладких трубax круглого сечения. Влияние изогнутости и шероховатости труб. Режимы течения в пограничном слое при поперечном омывании цилиндра и связь с теплоотдачей. Характер изменения теплоотдачи по окружности цилиндра при различных условиях oмывания. Средняя теплоотдача. Расчетные уравнения. Теплоотдача в коридорных и шахматных пучках труб. Расчетные уравнения. Сравнение теплоотдачи шахматных и коридорных пучков труб. Влияние угла атаки.
Вопросы для самоконтроля 1. Одинаковы ли значения местного и среднего коэффициентов теплоотдачи на участке термической стабилизации? 2. Допускается ли применение расчетных формул, соответствующих течению в круглых трубах, для расчета теплоотдачи при поперечном омывании труб? 3. Одинаковы ли местные коэффициенты теплоотдачи по окружности трубы при поперечном ее омывании жидкостью? 4. Как зависит коэффициент теплоотдачи от угла атаки при поперечном омывании трубы? 5. Как влияет на величину коэффициента теплоотдачи шахматное или коридорное расположение труб в пучке?
9
1.2.9. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ (10 часов) [1], с.201...210, [2], с.94...101 Факторы, обуславливающие свободное движение. Распределение температур и скоростей. Характер движения жидкости вдоль вертикальной стенки, влияние на коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача вблизи горизонтальных труб и пластин. Критериальные уравнения теплоотдачи при свободном движении жидкости в неограниченном объеме. Методика расчета теплоотдачи при естественной конвекции в ограниченном пространстве.
Вопросы для самоконтроля 1. Как меняется местный коэффициент теплоотдачи вдоль вертикальной стенки? 2. Зависит ли коэффициент теплоотдачи от формы, размера и положения теплоотдающей поверхности при свободном движении жидкости? 3. Укажите особенности расчета теплоотдачи в ограниченном объеме. 4. Какие процессы теплообмена характеризует эквивалентный коэффициент теплопроводности? 1.2.10. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА (10 часов) [1], c.226...250, [2], с.138…160 Пленочная и капельная конденсация. Конденсация пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки конденсата. Метод теоретического расчета теплоотдачи. Влияние различных факторов на теплоотдачу. Теплоотдача при смешанном стекании пленки конденсата; расчетные уравнения для теплоотдачи. Конденсация пара на горизонтальных трубах и пучках труб. Характер обтекания конденсатом пучков труб, изменение теплоотдачи по рядам, влияние скорости пара и других факторов. Расчет теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальных пучках труб. Теплоотдача при капельной конденсации пара. Влияние перегрева и влажности пара на коэффициент теплоотдачи. Особенности теплоотдачи при конденсации паров металлов.
Вопросы для самоконтроля 1. При каких условиях наблюдается процесс конденсации пара?
10
2. Может ли средний коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации водяного пара уменьшаться при увеличении температурного напора? 3. Как влияет наличие неконденсирующихся газов в паре на теплоотдачу при конденсации? 4. Почему коэффициент теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе больше, чем на вертикальной? 5. Поясните допущения при выводе формулы Нуссельта для пленочной конденсации на вертикальной стенке. 1.2.11. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ (14 часов) [1], с. 250...282, [2], с. 110...138 Условия возникновения кипения; влияние смачиваемости стенки жидкостью. Рост, отрыв и движение пузырей пара. Минимальный радиус центра парообразования. Число действующих центров парообразования. Изменение диаметра пузыря во времени. Отрывной диаметр. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока и температурного напора при кипении в большом объеме для области пузырькового режима кипения. Пленочное кипение. Первый и второй кризисы кипения. Расчетные формулы теплообмена при кипении в большом объеме. Кипение недогретой жидкости, его практическое значение. Структура двухфазного потока и теплообмен при кипении жидкости внутри труб. Характер движения парожидкостной смеси в горизонтальных, вертикальных и наклонных трубах; зависимость теплоотдачи от скорости циркуляции и других факторов. Кризисы кипения I и II рода. Расчет теплоотдачи при кипении в трубах.
Вопросы для самоконтроля 1. Поясните физический механизм теплообмена при кипении. 2. Как меняется коэффициент теплоотдачи в зависимости от режима кипения? 3. В чем физический механизм. I и II кризисов кипения? 4. Как зависит минимальный радиус парового пузыря от температурного напора? 5. Поясните режимы кипения жидкости в вертикальной трубе и возникновение кризиса кипения II рода.
11
1.2.12. ТЕПЛО - И МАССООБМЕН В ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СРЕДАХ (14 часов) [1], с.282…301 Основные положения теории массообмена. Термо- и бародиффузия. Закон Фика. Коэффициент диффузии, факторы, влияющие на его величину. Конвективный массообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса вещества. Плотность потока массы в процессе конвективного массообмена. Диффузионный пограничный слой. Система дифференциальных уравнений диффузионного пограничного слоя. Граничные условия на поверхности раздела фаз. Коэффициент массоотдачи. Применение методов подобия и размерностей к процессам массообмена. Диффузионное число Нуссельта, число Прандтля. Аналогия процессов тепло- и массообмена. Перенос загрязняющих примесей в атмосфере. Значение охраны окружающей среды в современных условиях.
Вопросы для самоконтроля 1. Укажите особенности видов диффузии, конвективного массообмена и массоотдачи. 2. Поясните физический смысл критериев подобия тепломассообмена. 3. В чем различие адиабатного и неадиабатного испарения? 4. Укажите, как расходуется теплота при воздействии парогазового потока на свободную поверхность жидкости. 5. В чем сущность тройной аналогии? 6. Как протекает тепломассоперенос в капилляропористых телах? 1.2.13. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (10 часов) [1], с.3I2...326, [2], с.160...173 Основные понятия лучистого теплообмена. Природа теплового излучения. Лучистый поток. Плотность лучистого потока. Интенсивность излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способность тел. Законы излучения абсолютно черного тела: Планка, Вина, СтефанаБольцмана, Киргофа. Серое тело. Степень черноты. Закон Стефана-Больцмана для серого тела. Закон Ламберта.
12
Вопросы для самоконтроля 1. Как связаны между собой поглощательная и излучательная способности тела? 2. Дайте определение серого тела и степени черноты. 3. Чем отличаются излучение твердых тел и газов? 4. В каких случаях лучистый теплообмен преобладает над другими процессами теплопереноса? 5. В каких случаях проявляется совместное действие конвективного и лучистого теплообмена? 1.2.14. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ МЕЖДУ ТЕЛАМИ, РАЗДЕЛЕННЫМИ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДОЙ (8 часов) [I], с.326...360, [2], с.173....193 Виды лучистых потоков, их взаимосвязь. Коэффициенты облученности и взаимные поверхности излучения. Методы определения коэффициентов облученности. Теплообмен излучением в замкнутой системе, состоящей из двух серых тел. Общий случай: тела, одно из которых находится в полости другого; тела с плоско-параллельными поверхностями. Применение экранов. Зональный метод расчета теплообмена излучением. Особенности теплообмена излучением в поглощающих средах. Расчет теплообмена между излучающей средой и поверхностью твердого тела. Сложный теплообмен.
Вопросы для самоконтроля 1. Поясните понятие приведенная степень черноты. 2. Какие материалы используются для экранирования лучистых потоков? 3. Как определяется коэффициент лучистого теплообмена? 4. Какие факторы влияют на лучеиспускательную способность газов? 5. Поясните влияние длины луча, парциального давления газа, температуры на степень черноты газа. 1.2.15. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ (20 часов) [l], c.379...394,[2], c.245...266 Общие сведения. Назначение теплообменников, классификация по принципу действия. Основы теплового и гидравлического расчетов теплообменников, проектный и поверочный тепловые расчеты. Уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. 13
Среднелогарифмический температурный напор, его определение для основных схем движения теплоносителей. Сравнение прямотока и противотока, вычисление конечных температур теплоносителей. Выражение для полного падения давления в теплообменнике; сопротивление трения и местные сопротивления; затраты напора, обусловленные ускорением потока и преодолением гидростатического давления столба жидкости. Мощность, необходимая для перемещения теплоносителя.
Вопросы для самоконтроля 1. Дайте характеристику основных типов теплообменников и схем движения теплоносителей. 2. Выведите соотношение для среднего температурного напора в случаях прямотока и противотока. 3. Сравните эффективность прямоточных и противоточных теплообменных аппаратов. 4. Какие уравнения лежат в основе расчета теплообменников? Дайте их характеристики. 5. Изложите основные положения расчета регенеративных и смесительных теплообменных аппаратов. 1.3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ (для студентов очно-заочной формы обучения) (32 часа) Темы лекций
1. Введение. Проблемы энергетики на современном уровне развития. Виды теплообмена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Основные положения теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях I и III рода. . . . . . . . . . 3. Теплопроводность при нестационарном режиме. . . . . . . . . . . . . . . 4. Основные положения конвективной теплоотдачи. Математическое описание процессов конвективного теплообмена. . . . . . . . . 5. Основы теории подобия. Вывод критериев подобия. . . . . . . . . . . . 6. Обобщение опытных данных на основе теории подобия. . . . . . . . . 7. Теплообмен при кипении жидкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Теплообмен при конденсации пара. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Основы массообмена. Тройная аналогия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. Закономерности теплового излучения. Излучение газов. . . . . . . . 11. Теплообменные аппараты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Основы конструкторского и поверочного расчетов теплообменных аппаратов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Объем, часы
2 часа 4 часа 2 часа 2 часа 4 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 4 часа 2 часа 4 часа
1.4. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (12 часов) Темы лабораторных работ
1. Определение коэффициента теплопроводности твердых материалов методом трубы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Теплоотдача горизонтальной и вертикальной труб при свободном движении воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Теплоотдача в ограниченном объеме при свободном движении воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Теплоотдача при вынужденном движении воздуха в трубе. . . . . . . . 5. Теплоотдача при поперечном обтекании цилиндра воздухом. . . . . . 6. Определение степени черноты тела радиационным методом. . . . . .
Объем, часы
2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа
1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (16 часов) Темы практических занятий
1. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях I и II рода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Конвективный теплообмен. Теория подобия. Практические расчеты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества. . . . . 4. Расчет теплообменных аппаратов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Объем, часы
4 часа 4 часа 4 часа 4 часа
1.6. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Основной: Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. 340 с. Шелудько О. В., Оноприенко А. И. Тепломассообмен – СПб.:СЗТУ, 2003. Дополнительный: Краснощеков Е. А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. - 288 с. Галин Н. М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 375 с. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. /под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М./ - М.: Энергоиздат, 1982. - 510 с. Арсеньев Г.В. Энергетические установки. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 335 с.
15
2. ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ Решать задачи задания необходимо строго придерживаясь своего варианта. Условия задачи в контрольной работе следует переписывать полностью. Решения задач должны сопровождаться краткими объяснениями и подробными вычислениями. В процессе решения необходимо сначала приводить формулы, лежащие в основе вычислений, а затем подставлять соответствующие числовые значения и производить вычисления. Нужно указать размерности как заданных в условии задач величин, так и найденных в результате решения. При решении задач следует придерживаться принятой Международной системы единиц (СИ). Перед выполнением контрольного задания студент может ознакомиться с методикой решения соответствующих задач по примерам, приведенным в учебнике [2] или задачнике [4], а также в разделе 4 (практические работы) данного методического комплекса. Необходимые для решения задач справочные материалы приведены в [2], [3]. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1 Задача 1. Стенка топочной камеры имеет размеры 3х5 м2. Стенка состоит из шамотного кирпича (250 мм) и одного красного кирпича (250 мм); в промежутке между ними имеется изоляционная совелитовая прокладка толщиной δ. Температура внутренней поверхности стенки t1; температура наружной поверхности по условиям техники безопасности не должна превышать 60°С. Определить тепловой поток через стенку за 10 часов работы и экономию в процентах от применения изоляционной прослойки по сравнению со стенкой той же толщины, но выполненной из шамотного кирпича. Найти температуры на обеих поверхностях изоляционной прослойки; результаты представить графически. Коэффициент теплопроводности: шамота λ1 = 1,1 Вт/(м⋅К), совелита λ2 = 0,09 Вт/(м⋅К), красного кирпича λ3. Параметры выбрать по таблице 1. Таблица 1 Параметры
t1, °С λ3, Вт/(м⋅К) δ, мм
Вариант 0
1
1300 0,82
1250 0,81
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 1200 1150 1350 1300 0,8 0,79 0,83 0,82
6
7
8
9
1250 0,8
1200 0,83
1150 0,85
1300 0,82
Предпоследняя цифра шифра 0,125 0,150 0,125 0,175 0,125 0,150 0,175 16
0,2
0,125 0,150
Задача 2. Железобетонная дымовая труба внутренним диаметром 800 мм и наружным диаметром 1300 мм должна быть футерована внутри огнеупором. Определить толщину футеровки и температуру наружной поверхности трубы из условий, чтобы тепловые потери с одного погонного метра трубы не превышали q1, а температура внутренней поверхности трубы не должна превышать t2. Температура внутренней поверхности футеровки t1. Коэффициент теплопроводности футеровки λ1 = 0,838 + 0,001t Вт/(м⋅К), коэффициент теплопроводности бетона λ2. Параметры выбрать по таблице 2. Таблица 2 Параметры
Вариант 0
1
q1, Вт/м t1, °С t2, °С
1800 410 180
1900 420 190
λ2, Вт/(м⋅К)
1,05
1,07
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 2000 2100 2200 2300 425 430 440 450 200 210 220 230 Предпоследняя цифра шифра 1,1 1,12 1,14 1,16
6
7
8
9
2400 460 240
2500 480 230
2600 520 260
2700 560 280
1,18
1,2
1,22
1,24
Задача 3. Тепловыделяющий элемент ядерного реактора выполнен из смеси карбида урана и графита в виде цилиндрического стержня диаметром d =12 мм. Объемная производительность источников теплоты равномерно распределена по объему и равна qv, теплопроводность материала стержня λ. Определить температуру и плотность теплового потока на поверхности тепловыделяющего элемента, если по оси стержня температура равна t0. Параметры выбрать по таблице 3. Таблица 3 Параметры
Вариант 0
1
λ, Вт/(м⋅К) qv, МВт/м3
50 400
48 420
t0, °С
800
780
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 46 52 45 47 46 440 450 380 400 420 Предпоследняя цифра шифра 760 740 720 700 680
17
7
8
9
51 440
50 460
48 380
660
650
640
Задача 4. Стенка котла толщиной δ и теплопроводностью λ = 50 Вт/(м⋅К) омывается с одной стороны дымовыми газами с температурой tж1, а с другой – кипящей водой при температуре tж2. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке α1, а от стенки к воде α2. Определить коэффициент теплопередачи от газов к воде, плотность теплового потока и температуры поверхностей стенки толщиной δ. Решить задачу при условии, что стенка покрылась со стороны газов слоем сажи толщиной δс, а со стороны воды – слоем накипи толщиной δн. Коэффициент теплопроводности сажи λс = 0,08 Вт/(м⋅К), а накипи λн = 0,5 Вт/(м⋅К). Сравнить результаты расчетов. Определить уменьшение плотности теплового потока. Построить график распределения температур по толщине стенки. Параметры выбрать по таблице 4. Таблица 4 Параметры
Вариант 0
1
tж1, °С tж2, °С α1, Вт/(м2⋅К)
1400 300 150
1300 280 140
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 1150 1500 1200 1100 250 300 260 200 130 140 130 120
6
7
8
9
1000 190 100
1200 270 130
1400 300 150
1350 290 140
α2, Вт/(м2⋅К) δс, мм δн, мм δ, мм
5500
5300
Предпоследняя цифра шифра 5200 5100 5000 4900 4800
5000
5500
5400
1,0 0,8 20
1,5 1,0 18
2,0 2,1 24
1,0 2,2 26
1,5 1,2 12
1,3 1,5 16
1,2 1,8 14
0,8 1,3 12
1,6 1,5 10
1,8 2,0 22
Задача 5. По паропроводу, внутренний диаметр которого d1, движется пар со средней температурой, равной tж1, коэффициент теплоотдачи от пара к стенке α1, а температура окружающей среды tж2 = 20°С. Коэффициент теплопроводности стенки λст = 48 Вт/(м⋅К), толщина стенки δст. Определить тепловые потери в следующих случаях: а) при оголенном паропроводе, непосредственно охлаждаемом окружающей средой; интенсивность теплоотдачи от паропровода к среде определяется величиной коэффициента теплоотдачи α2; б) при покрытии паропровода слоем изоляции толщиной δиз при коэффициенте теплоотдачи от поверхности слоя изоляции к среде, равном α′2, и коэффициенте теплопроводности изоляции λиз. 18
Найти величину критического диаметра изоляции, дать пояснение. Параметры выбрать по таблице 5. Таблица 5 Параметры
Вариант 0
1
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 350 250 275 300 42 52 72 62 2200 2000 2300 2400
6
7
8
9
tж1, °С d1, мм α1, Вт/(м2⋅К) δст, мм
300 44 2000
325 70 2100
325 55 2100
350 64 2300
275 74 2500
250 54 2200
3
5
5
3
5
λиз, Вт/(м⋅К) α2, Вт/(м2⋅К) α′2, Вт/(м2⋅К) δиз, мм
0,12
0,18
0,12
0,14
0,16
17
21
18
19
20
16
19
22
23
20
9
10
12
13
14
12
11
10
12
14
80
85
82
78
85
80
87
90
86
82
4 3 4 4 3 Предпоследняя цифра шифра 0,16 0,19 0,21 0,23 0,21
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2 Задача 6. В паропроводе, внутренний диаметр которого 100 мм, движется насыщенный водяной пар давлением р со скоростью w. Чему должна быть равна скорость воды при комнатной температуре (tж = 20°С) в гидродинамической модели паропровода диаметром 24 мм? Параметры выбрать по таблице 6. Таблица 6 Параметры
Вариант 0
1
р, Мпа
0,14
0,2
w, м/с
8
10
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 0,27 0,36 0,48 0,62 0,79 Предпоследняя цифра шифра 6 9 10 7 9
7
8
9
0,1
0,13
0,15
10
12
5
Задача 7. Внутри вертикальной стальной трубы высотой l м и диаметром dн/dвн, мм движется вода, температура которой t1 °С. Скорость течения воды wж 19
м/с. Снаружи стенка трубы охлаждается поперечным потоком воздуха с температурой t2 °С и скоростью 5 м/с. Вычислить коэффициент теплопередачи от воды к воздуху и количество передаваемой теплоты. Температуру стенки трубы принять равной tст = t1 – (5 ÷ 10) °С. Параметры выбрать по таблице 7. Таблица 7 Параметры
Вариант 0
l, м dн/dвн, мм t1, °С t2, °С wж, м/с
1
2 3 4 5 6 7 8 9 Последняя цифра шифра 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 32/38 32/38 32/38 28/25 28/25 28/25 28/25 25/19 25/19 25/19 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 Предпоследняя цифра шифра 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,2 2,3
Задача 8. Определить средний коэффициент теплоотдачи n-рядного: а) коридорного и б) шахматного пучков кипятильных труб котлоагрегата, омываемого дымовыми газами (воздухом), направление потока которых к трубам осуществляется под углом атаки, равным ψ. Скорость движения потока в узком сечении w, диаметр трубок d, средняя температура дымовых газов, омывающих пучок tж. Параметры выбрать по таблице 8. Таблица 8 Параметры
Вариант 0
1
tж, °С w, м/с d, мм
600 8 24
700 10 32
n ψ
6 25
8 30
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 500 450 550 600 700 12 14 15 8 10 38 52 38 24 32 Предпоследняя цифра шифра 10 7 5 9 11 40 25 45 35 25
Пояснить, почему коэффициент теплоотдачи расположении труб в пучке больше, чем при коридорном. 20
7
8
9
500 6 52
650 12 38
550 15 24
12 50
4 35
8 40
при
шахматном
Задача 9. Определить коэффициент теплоотдачи сухого насыщенного водяного пара на горизонтальной трубе n-го ряда конденсатора при коридорном и шахматном расположении в нем труб. Найти количество конденсирующего за 1 час пара, если абсолютное давление в конденсаторе р, температурный напор пар – стенка ∆t, наружный диаметр латунных труб в конденсаторе 16 мм, а длина l. Насколько изменится коэффициент теплоотдачи, если в паре содержится 1% воздуха? Параметры выбрать по таблице 9. Таблица 9 Параметры
Вариант 0
1
р, Па ∆t, °С
3500 8
4000 10
n l, м
11 3,5
8 3,0
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 3000 4000 5000 4000 4000 12 14 16 15 13 Предпоследняя цифра шифра 7 9 12 13 17 4 4,5 6 5 6,5
7
8
9
5000 18
3500 20
4000 19
15 7
10 7,5
12 8
Задача 10. Определить необходимую поверхность нагрева парогенератора производительностью G тонн пара в час при абсолютном давлении р. Какой температурный напор необходимо обеспечить, чтобы увеличить производительность парогенератора в n раз при той же поверхности нагрева? Определить критическое значение температурного напора и тепловой нагрузки для заданного давления р. Параметры выбрать по таблице 10. Таблица 10 Параметры
Вариант 0
1
р, МПа ∆t, °С
0,6 8
0,7 9
G, т/ч n
20 3,0
25 4,0
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 0,8 1,5 1 0,9 1 9 10 11 12 10 Предпоследняя цифра шифра 30 40 35 45 30 2,0 2,0 1,5 1,7 1,5
21
7
8
9
2 12
2,8 13
1 14
45 1,5
50 1,2
55 2
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 3 Задача 11. Определить тепловой поток, теряемый за счет излучения стальной трубой диаметром 80 мм и длиной l. Труба, температура которой t1, расположена в помещении на большом удалении от его стен. Степень черноты материала трубы ε1, температура стен в помещении t2. Как изменится лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи от поверхности трубы, если ее покрыть цилиндрическим кожухом (экраном) толщиной 20 мм, выполненным из тонких алюминиевых листов (степень черноты ε2 = 0,055)? Найти температуру алюминиевого кожуха. Конвективным теплообменом при расчетах пренебречь. Параметры выбрать по таблице 11. Таблица 11 Параметры
Вариант 0
1
ε1 l, м
0,8 6
0,79 7
t1, °С t2, °С
270 25
260 23
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 8 9 10 11 12 Предпоследняя цифра шифра 250 280 260 290 250 21 19 17 25 23
7
8
9
0,73 13
0,72 14
0,7 15
280 26
300 24
290 22
Задача 12. Определить удельный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи излучения между двумя параллельно расположенными пластинами, с температурой t1 и t2 и степенью черноты ε1 и ε2. Как изменится удельный тепловой поток, если между пластинами установить экран со стеною черноты εэ. Параметры выбрать по таблице 12. Таблица 12 Параметры
Вариант 0
1
ε1 ε2 εэ
0,5 0,6 0,04
0,55 0,65 0,06
t1, °С t2, °С
200 20
250 30
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 0,6 0,7 0,8 0,7 0,7 0,75 0,6 0,5 0,07 0,08 0,1 0,08 Предпоследняя цифра шифра 300 350 400 450 40 50 60 50 22
6
7
8
9
0,65 0,85 0,05
0,75 0,65 0,06
0,8 0,7 0,07
0,65 0,5 0,1
500 40
550 30
600 70
650 50
Задача 13. Определить, какое количество сухого насыщенного пара давлением р сконденсируется в стальном горизонтальном паропроводе диаметром d, длиною l, если он находится в кирпичном канале (0,7 х 0,7) м температура стенок которого t; степень черноты стали εст = 0,8, кирпича εк = 0,9. Параметры выбрать по таблице 13. Таблица 13 Параметры
Вариант 0
l, м d, мм
20 150
р, Мпа t, °С
0,27 25
1
2 3 4 5 6 7 8 Последняя цифра шифра 30 40 50 40 30 20 30 40 160 170 180 190 200 210 220 230 Предпоследняя цифра шифра 0,361 0,476 0,618 0,792 1,003 1,235 1,555 0,476 30 35 40 45 50 55 40 30
9 50 240 0,27 25
Задача 14. Выполнить тепловой расчет паропроводяного кожухотрубного теплообменника, предназначенного для нагрева G1, т/ч воды от температуры t′в = 10°С до t′′в. Вода движется внутри латунных трубок диаметром dн/dвн = 17/14 мм; коэффициент теплопроводности латуни λ = 85 Вт/(м⋅К). Греющий теплоноситель – сухой насыщенный пар давлением р движется в межтрубном пространстве. Скорость движения воды w принять 1…2,5 м/с. Параметры выбрать по таблице 14. Таблица 14 Параметры
Вариант 0
G1, т/ч р, Мпа t′′в, °С
1
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 45 50 55 60 70 75 80 0,476 0,547 0,147 0,17 0,198 0,234 0,27 Предпоследняя цифра шифра 100 95 90 85 80 85 90
7
8
9
85 90 70 0,315 0,361 0,419 95
100
105
Задача 15. Определить поверхность охлаждения конденсатора паровой турбины мощностью Nт с удельным расходом пара d0, если давление пара в конденсаторе рк, температура охлаждающей воды на входе t′2 равна 10°С, а на выходе – на 3°С ниже температуры насыщенного пара при давлении рк; кратность охлаждения m; коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к охлаждающей воде К. 23
Параметры выбрать по таблице 15. Таблица 15 Параметры
Вариант 0
1
Nт, МВт d0, кг/(кВт⋅ч) рк, кПа
10 5,5
11 5,2
4
4
m, кг/кг К кВт/(м2⋅К)
50 3,5
48 3,2
2 3 4 5 Последняя цифра шифра 12 13 14 15 5,0 4,8 4,6 4,5
6
7
8
9
16 4,7
17 4,9
18 5,3
20 5,1
3
4
5
54 4,8
56 4,0
58 3,7
5 5 4 5 3 Предпоследняя цифра шифра 46 44 42 40 52 3,4 3,8 4,1 4,3 4,5
Задача 16. В деаэратор конденсата ТЭЦ производительностью пара Gп (деаэратор атмосферного типа, температура воды в баке 102°С) поступает возвращенный конденсат (80%) с температурой 70 °С. Определить расход пара из отбора, поступающего в деаэратор с энтальпией hот = 2700 кДж/кг; КПД деаэратора 0,99. Расход поступающей добавочной питательной воды на покрытие потерь производственного конденсата составляет Gп п, на компенсацию потерь конденсата на ТЭЦ – 15,6 т/ч, на компенсацию потерь с продувочной водой – 8,3 т/ч. Параметры для расчета выбрать по таблице 16. Таблица 16 Параметры
Вариант 0
1
Gп, т/ч
370
368
Gп п, т/ч
74
73,6
2 3 4 5 6 Последняя цифра шифра 366 364 362 360 358 Предпоследняя цифра шифра 73,2 72,8 72,4 72 71,6
24
7
8
9
356
354
352
71,2
70,8
70,4
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ В контрольной работе 1 приведены задачи на раздел курса теплопроводность. В задачах 1,2 тепловой поток и соответствующие температуры определяются по формулам теплопроводности плоской и цилиндрической стенок, полученных на основании закона Фурье. В задаче 2 коэффициент теплопроводности футеровки λ1 рассчитывается по средней температуре слоя футеровки t. Задача 3 решается с помощью формул, относящихся к теплопроводности однородного цилиндрического стержня при наличии внутренних источников теплоты с заданной объемной плотностью. В задачах 4,5 рассматривается теплопроводность при граничных условиях III рода (теплопередача) плоской и цилиндрической стенок. В контрольной работе 2 даны задачи на темы курса: конвективный теплообмен однородной среды и теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества (конденсация, кипение). В основе решения задачи 6 лежит первая теорема подобия физических явлений о равенстве критериев подобия у подобных явлений. Задачи 7, 8 решаются с использованием критериальных уравнений, полученных на основе теории подобия [1], [2]. Нужно обратить внимание на выбор критериальных уравнений и определяющих параметров: геометрического размера и температуры в этих уравнениях. При решении использовать данные таблиц 1-4 приложения, а также ознакомиться с задачами такого типа в разделе 4 методического комплекса. Коэффициент теплоотдачи в задаче 9 определяют по формуле Нуссельта [1], [2] для пленочной конденсации на горизонтальной трубе; данные для расчета выбрать из табл. 5 приложения. Значение поправочного коэффициента для n ряда труб выбирается по графику (рис. 1), влияние воздуха, находящегося в паре, на величину коэффициента теплоотдачи при конденсации (рис.2).
Рис. 1. К определению поправочного коэффициента для n –ряда труб в пучке при коридорном (кривая 2) и шахматном (кривая 1) расположении труб в пучке
Рис.2. К определению коэффициента теплоотдачи при конденсации пара, содержащего воздух
25
Коэффициент теплоотдачи (задача 10) определяется по эмпирическим формулам для пузырькового режима кипения воды в диапазоне давлений от одного до 40 бар [1]: α = 3,15 q0,7р0,5; α = 46,1 ∆t2,33р0,5, где α, q, p, ∆t измеряются соответственно в Вт/(м2⋅К), Вт/м2, бар, °С. Критические значения температурного напора ∆tкр, и тепловой нагрузки qкр1 находят, используя график (рис. 3).
Рис. 3. Изменение qкр1, αкр1, ∆tкр1 в зависимости от давления при кипении воды В контрольной работе 3 рассматриваются задачи к темам курса: тепловое излучение, расчет теплообменных аппаратов. В задаче 15 нужно рассчитать среднеарифметический температурный напор. Кратность охлаждения для конденсатора m=
G , Дк
где G – количество охлаждающей воды, кг/с; Дк – количество конденсирующего пара, кг/с. Для решения задачи 16 используется уравнение теплового баланса[1], [2]. При решении задач контрольной работы 3 (особенно задачи 13 и 14) детально ознакомиться с разделом 4 методического комплекса.
26
4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ В соответствии с государственным образовательным стандартом выпускники теплоэнергетических специальностей должны не только понимать физические основы работы теплоэнергетического оборудования, но и уметь применять теоретические знания при решении практических задач как при конструировании и наладке, так и при эксплуатации его. Практические занятия по дисциплине «Тепломассообмен» позволяют студентам на конкретных примерах овладеть закономерностями основных процессов переноса теплоты и массы, усвоить результаты теоретических и экспериментальных исследований, проводить тепловые расчеты практических задач, связанных с теплообменом в элементах энергетических установок, использовать полученные знания и навыки на стадии курсового и дипломного проектирования, в профессиональной деятельности. Задачи, представленные в практических работах, могут оказать помощь при выполнении контрольных заданий по дисциплине. Задача 1 Определить плотность теплового потока q, Вт/м2 через плоскую шамотную стенку толщиной δ = 0,5 м и найти распределение температуры, если на наружных поверхностях температуры соответственно t1 = 1000°С, t2 = 0°С и коэффициент теплопроводности шамота λ = (1 + 0,001⋅t), Вт/(м⋅К). Порядок решения. Вычислим среднюю температуру стенки t = 0,5 (t1 + t2), а затем найдем λ. Подставляя λ в уравнение, найдем плотность теплового потока q: q=
λ (t 1 − t 2 ) . δ
Распределение температуры в стенке определяется при λ = const: х δ
tx = t1 – (t1 – t2)⋅ . Задача 2 Определить плотность теплового потока q, Вт/м2, проходящего через стенку котла, если толщина ее δ1 = 20 мм, коэффициент теплопроводности λ1 = 50 Вт/(м⋅К); стенка покрыта слоем накипи толщиной δ2 = 2 мм, λ2 = 1 Вт/(м⋅К). Температура на поверхности накипи t1 = 250 °С, на наружной поверхности стенки t3 = 200 °С. Найти температуру t2 в плоскости соприкосновения слоев.
27
Порядок решения. Плотность теплового потока q равна q=
Температура t2 = t1 - q⋅
t1 − t 3 . δ1 δ 2 + λ1 λ 2
δ2 . λ2
Задача 3 Паропровод диаметром 160/170 мм покрыт двухслойной изоляцией. Толщина первого слоя δ2 = 30 мм и второго δ3 = 50 мм. Коэффициент теплопроводность материала трубы и изоляции соответственно равны λ1 = 50, λ2 = 0,15 и λ3 = 0,08 Вт/(м⋅К). Температура внутренней поверхности паропровода t1 = 300°С и внешней поверхности изоляции t4 = 50°С. Определить линейную плотность теплового потока ql, Вт/м и температуры t2 и t3 в плоскости соприкосновения слоев. Порядок решения qA =
2π ⋅ (t 1 − t 4 ) ; d3 d4 d1 1 1 1 ln ln ln + + λ1 d 2 λ 2 d 2 λ 3 d 3
t 2 = t1 −
qA 1 d ln 2 ; 2π λ 1 d 1
t3 = t2 −
qA 1 d ln 3 . 2π λ 2 d 2
Задача 4 Плоская стальная стенка толщиной δ1 = 10 мм омывается с одной стороны газами с температурой tж1 = 310°С, а с другой изолирована от окружающего воздуха, имеющего температуру tж2 = 10°С, плотно прилегающей к ней пластиной толщиной δ2 = 15 мм. Определить плотность теплового потока и температуры поверхностей стенок, если известно, что коэффициент теплопроводности стали λ1 = 40 Вт/(м⋅К), а материала изоляционной пластины λ2 = 0,15 Вт/(м⋅К). Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке α1 = 25 Вт/(м2⋅К), а от пластины к воздуху α2 = 10 Вт/(м2⋅К). Порядок решения. Полное термическое сопротивление плоской многослойной стенки R=
δ δ 1 1 , м2⋅К/Вт, + 1 + 2 + α1 λ1 λ 2 α 2
28
коэффициент теплопередачи К = 1/R, Вт/(м2⋅К). По уравнению теплопередачи плотность теплового потока q q = К (tж1 - tж2), Вт/м2. Температура t1 на поверхности стальной стенки t1 = tж1 – q/α1, на границе между стальной стенкой и изоляционной пластины t2 = t1 – q⋅δ1/λ1, на поверхности изоляционной пластины t3 = tж2 + q/α2. Задача 5 Паропровод диаметром 200/216 покрыт слоем совелитовой изоляции толщиной δ = 120 мм, коэффициент теплопроводности которой λ2 = 0,1 Вт/(м⋅К). Температура пара tж1 = 300°С и окружающего воздуха tж2 = 25°С. Известны коэффициент теплопроводности материала паропровода λ1 = 40 Вт/(м⋅К) и коэффициенты теплоотдачи α1 =1000 Вт/(м2⋅К) и α2 = 10 Вт/(м2⋅К). Определить линейный коэффициент теплопередачи Кl, линейную плотность теплового потока ql и температуру t3 в месте соприкосновения паропровода и слоя изоляции. Порядок решения. Полное линейное термическое сопротивление цилиндрической многослойной стенки Re =
d d 1 1 1 1 + ln 2 + ln 3 + α 1d 1 2λ 1 d 1 2λ 2 d 2 α 2d3
, м⋅К/Вт,
линейный коэффициент теплопередачи Кl = 1/Rе, Вт/(м⋅К). По уравнению теплопередачи линейная плотность теплового потока q1 = кl (tж1 - tж2),. Вт/м. Температура t3 = tж2 +
ql 1 ⋅ . π α 2d 3
29
Задача 6 Через трубу диаметром d = 50 мм и длиной l = 3 м со скоростью w = 0,8 м/с протекает вода. Определить средний коэффициент теплоотдачи, если средняя температура воды tж = 50 °С, а температура стенки tс = 70 °С. Порядок решения. При tж = 50 °С λж = 0,648 Вт/(м⋅К),. vж = 5,56⋅10-7 м2/с, Рrж = 3,54, Рrс = 2,55 при tс = 70 °С (табл. 1 приложения). Определим режим течения воды: Re =
wd 0,8 ⋅ 0,05 = = 7,2 ⋅ 10 4 〉10 4 , − 7 v ж 5,56 ⋅ 10
режим турбулентный. В этом случае критериальное уравнение имеет вид Nu d ,ж = 0,021 Re 0d,,8ж Рrж0, 43 (
Рrж 0, 25 ) Рrс
εе;
3
Nu d ,ж = 0,021 ⋅ 7,7 ⋅10 ⋅ 1,72 ⋅ 1,09 ⋅ 1 = 303; Nu d , ж =
Nu ⋅λ αd 2 303 ⋅ 0,648 , α = d,ж ж = = 3920 Вт/(м ⋅К). d 0,05 λж
Так как l/d = 60 > 50, то поправка на влияние длины трубы приложения).
εе = 1 (табл.4
Задача 7 Условие задачи остается таким же, как в задаче 6. Требуется определить среднее значение коэффициента теплоотдачи, если труба изогнута в виде змеевика диаметром Д = 600 мм. Порядок решения. Для прямой трубы α = 3,92 ⋅ 103 Вт/(м2⋅К), а для изогнутой согласно формуле
εR = 1 + 1,77 d/R, αиз = α ⋅ εR;
αиз = 3,92 ⋅ 103 (1 + 1,77 50/300) = 5,1 ⋅ 103 Вт/(м2⋅К). Задача 8 Определить потерю теплоты вертикальным неизолированным паропроводом диаметром d = 100 мм и высотой 4 м, если температура его поверхности tс = 170 °С, а температура воздуха tж = 30оС. Порядок решения. При tж = 30оС имеем λж = 2,67 ⋅ 10-2 Вт/(м⋅К), vж = 16,0 ⋅ 10-6 м2/с Рrж = 0,7 (табл.3 приложения). 30
Определяем 3
(Gr Pr )h,ж = β gh2 ∆t Рrж ; β = vж
1 ; Тж
3 (Gr Pr )h,ж = 1 ⋅ 9,8 ⋅ 4 ⋅ (170 − 230) ⋅ 0,7 = 8,0 ⋅ 1011 .
(
303 ⋅ 16 ⋅ 10 −6
)
Выбираем критериальное уравнение. При 103 103
;
.
Для воздуха эти соотношения упрощаются и имеют вид Re < 103
Nu d ,ж = 0,45 ⋅ Re d0,,50 ж ;
Re > 103
Nu d ,ж = 0,216 ⋅ Re d0,,60 ж ;
α=
Nu d , ж ⋅ λ ж d
.
Задача 10 Определить средний коэффициент теплоотдачи для восьмирядного коридорного пучка n = 8, состоящего из труб диаметром d = 40 мм. Средняя температура воздуха tж = 300°С, средняя скорость w = 10 м/с и угол атаки ψ = 60 °С Порядок решения. Для выбора критериального уравнения рассчитать Re =
wd . vж
Для коридорных пучков труб: при Rе < 103 ⎞ ⎟⎟ ⎠
0, 25
Nu d , ж =
0, 36 ⎛ Рrж 0,52 ⋅ Re d0,,50 ж ⋅ Prж ⋅ ⎜ ⎜ Pr ⎝ с
⎞ ⎟⎟ ⎠
0, 25
Nu d , ж =
0, 36 ⎛ Рrж 0,27 ⋅ Re d0,,63 ж ⋅ Prж ⋅ ⎜ ⎜ Pr ⎝ с
;
при Re > 103
Для воздуха формулы принимают вид Re < 103
Nu d ,ж = 0,49 ⋅ Re d0,,50 ж ;
Re > 103
Nu d ,ж = 0,21 ⋅ Re d0,,65 ж .
32
.
Средний коэффициент теплоотдачи при угле атаки ψ = 90 °С α′ =
Nu d , ж ⋅ λ ж d
.
Средний коэффициент теплоотдачи пучка труб для ψ = 90 °С α=
[0,6 + 0,9 + (n − 2)]α ′ . n
Поправку на угол атаки εψ находят из таблицы ψ° εψ
90 1
80 1
70 0,98
60 0,94
50 0,88
40 0,78
30 0,67
20 0,52
10 0,42
α ψ = ε ψ α пуч .
Задача 11 Определить, как изменится средний коэффициент теплоотдачи пучка в условиях задачи 10, если трубы в пучке расположены в шахматном порядке, а все остальные условия остаются без изменений: d = 40 мм, tж = 300 °С, w = 10 м/с, ψ = 60°. Порядок решения. Определить значение Re =
wd . vж
Для шахматных пучков труб: при Rе < 103 ⎞ ⎟⎟ ⎠
0, 25
Nu d , ж =
0, 36 ⎛ Рrж 0,71 ⋅ Re d0,,50 ж ⋅ Prж ⋅ ⎜ ⎜ Pr ⎝ с
⎞ ⎟⎟ ⎠
0, 25
Nu d , ж =
0, 36 ⎛ Рrж 0,41 ⋅ Re d0,,60 ж ⋅ Prж ⋅ ⎜ ⎜ Pr ⎝ с
;
при Re > 103
Для воздуха Re < 103
Nu d ,ж = 0,68 ⋅ Re d0,,50 ж ;
Re > 103
Nu d ,ж = 0,37 ⋅ Re d0,,60 ж.
.
Средний коэффициент теплоотдачи при угле атаки ψ = 90° α′ =
Nu d , ж ⋅ λ ж d
.
Средний коэффициент теплоотдачи для пучка труб 33
α=
[0,6 + 0,9 + (n − 2)]α ′ . n
Поправку на угол атаки εψ находят из таблицы, приведенный в задаче 10. α ψ = ε ψ α пуч .
Задача 12 Определить коэффициент теплоотдачи α, температурный напор ∆t и температуру поверхности нагрева tс при пузырьковом кипении воды в неограниченном объеме, если плотность теплового потока q = 0,4 МВт/м2, подводимого к поверхности нагрева, давление при котором происходит кипение р = 1,56 МПа. Сопоставить результаты расчета по формулам Михеева и Кутателадзе Порядок решения. Для определения коэффициента теплоотдачи: формула Михеева α = 3 ⋅ q0,7 ⋅ р0,15, а формула Кутателадзе 3,4р 0,18 α= q2/ 3 , 1 − 0,0045р
где р и q измеряются в барах и Вт/м2 соответственно. Температурный напор ∆t = q / α. По табл. 1 приложения найти температуру насыщения tн, а по tн и ∆t находят температуру поверхности нагрева tс. Задача 13 Определить, какое количество сухого насыщенного водяного пара G, кг/ч может сконденсироваться на вертикальной трубе диаметром d = 20 мм и высотой Н = 3 м при давлении р = 0,1013 МПа, если температура поверхности трубы tс = 94°С. Как изменится величина коэффициента теплоотдачи, если трубу расположить горизонтально? Порядок решения. По давлению р из табл. 2 приложения определить температуру насыщения tн и скрытую теплоту парообразования ч, Дж/кг. Температурный напор ∆t = tн – tс, а средняя температура tср = 0,5 (tн + tc). По средней температуре tср из табл. 1 приложения найти ρ, ν, λ. 34
По формулам Нусселата средний коэффициент теплоотдачи: для вертикально расположенной трубы α = 1,15
4
ρ ⋅ λ3 ⋅ r ⋅ g , ν ⋅ Н ⋅ ∆t
для горизонтально расположенной трубы α = 0.73
4
ρ ⋅ λ3 ⋅ r ⋅ g . ν ⋅ d ⋅ ∆t
В формулы Нуссельта r подставить в Дж/кг. Количество сконденсировавшегося пара G=F
α ⋅ ∆t , r
где F = πdН площадь поверхности трубы. Задача 14 Стальной паропровод (ε1 = 0,8) диаметром d1 = 300 мм, температура наружной стенки которого t1 = 297°С, проложен в помещении. В целях уменьшения потерь теплоты паропровод закрыт двойным цилиндрическим кожухом (экраном). Первый кожух диаметром d2 = 320 мм выполнен из тонких стальных листов (ε2 = 0,82), второй кожух диаметром d3 = 340 мм выполнен из тонких алюминиевых листов (ε3 = 0,055). Определить потерю теплоты на 1 пог.м оголенного и экранированного паропровода, а также температуру алюминиевого кожуха. Температура в помещении t4 = 25°С. Конвективным теплообменом пренебречь. Как уменьшатся тепловые потери в результате установки экранов? Порядок решения. Потеря теплоты оголенным паропроводом ⎡⎛ Т ⎞ 4 ⎛ Т ⎞ 4 ⎤ Q1− 2 = ε пр С о F1 ⎢⎜⎜ 1 ⎟⎟ − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎥ , ⎢⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥⎦
где приведенная степень черноты εпр ε пр =
1 ⎞F 1 ⎛ 1 + ⎜⎜ − 1 ⎟⎟ 1 ε1 ⎝ ε 2 ⎠ F2
35
,
коэффициент излучения абсолютно черного тела Со = 5,7 Вт/(м2К4). При условии F1