- •Тема 1.Основные положения теории теплопроводности………..……………….…6
- •Тема 1. Основные положения теории теплопроводности
- •Тема 2 Теплопроводность при стационарном режиме
- •Вопросы для самопроверки.
- •Тема 3 Теплопроводность при нестационарном режиме
- •Тема 4 Основные положения конвективного теплообмена
- •Тема 5. Основы метода подобия и моделирования
- •Тема 6 Основные вопросы методологии эксперимента
- •Тема 7 Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности
- •Тема 8 Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах и при поперечном омывании труб
- •Тема 9. Теплоотдача при свободном движении жидкости
- •Тема 10 Отдельные задачи конвективного теплообмена в однородной среде
- •Тема 11 Теплообмен при конденсации чистого пара
- •Тема 12 Теплообмен при кипении однокомпонентных жидкостей
- •Тема 13 Конвективный тепло- и массообмен в бинарных смесях
- •Тема 14 Основные законы теплового излучения
- •Тема 15 Теплообмен излучения между непрозрачными телами, разделенными прозрачной средой
- •Тема 16 Теплообмен излучением в поглощающих средах. Сложный теплообмен
- •Тема 17 Теплообменные аппараты
- •Пояснения к ответам на вопросы для самопроверки
- •Контрольные задания Методические указания
- •Контрольная работа 1 Вопросы
- •Методические указания
- •Контрольная работа 2 Вопросы
- •Вариант 2 ( к.Р. №2 ) Задачи
- •Методические указания
- •Контрольная работа 3 Вопросы
- •Вариант 1 (Кр.№3) Задачи
- •Методические указания
- •Примерный перечень лабораторных работ
- •Литература
- •Приложение 1
- •Приложение 2
- •Приложение 3 Теплофизические свойства жидких масел, указанных в условии задачи 1 контрольной работы 2 (Вариант 2), в зависимости от температуры
- •Теплофизические свойства масла мс-30
- •Теплофизические свойства масла мк
- •Теплофизические свойства масла амт-300
Вариант 1 (Кр.№3) Задачи
Задача 1 (к теме 11). При заданных условиях конденсации определить: а) средний коэффициент теплоотдачи и сравнить результат с данными номограммы на рис. 12-9 [1]; б) мощность теплового потока, отводимого через стенку, трубы при конденсации пара; в) расход конденсата, стекающего с трубы (режим конденсации рассматривать как пленочную конденсацию неподвижного пара).
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из табл 8.1
Таблица 8.1
Наименование |
Варианты |
задач | ||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | |
Давление сухого Насыщенного водяного Пара кПа |
4,2 |
7,4 |
7,4 |
100 |
100 |
4,2 |
7,4 |
7,4 |
100 |
100 |
Пар конденсируется На стенках трубы |
Стенка расположена вертикально |
Стенка расположена горизонтально | ||||||||
Длина трубы, м |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
Диаметр трубы, м |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
Температура стенки, |
25 |
30 |
35 |
70 |
60 |
25 |
30 |
35 |
70 |
70 |
Методические указания. Прежде всего следует определить, является ли режим стекания конденсата с трубы ламинарным или смешанным, с появлением внизу участка турбулентности. Для этого определяют число подобия [1, § 12.2.1]:
где индекс «ж» является указателем определяющей температуры, согласно которому являются свойствами конденсата при средней температуре пленки tж=0,5(tн+tc)
Значение теплоты конденсации r находят по температуре насыщения, которая определяется по заданному давлению р сухого насыщенного пара с помощью известных из курса термодинамики таблиц. При определении физических. свойств воды в состоянии насыщения [1, табл. 5] или [2, табл. 11] следует иметь в виду, что собственно давления насыщенного пара pн приведены здесь лишь для температур tн=100°С и выше.
Значение p= 1,013 бар, приводимое в таблице в интервале температур 0-90°С, указывает лишь на давление, при котором здесь были определены другие физические параметры воды.
В случае отсутствия под рукой таблиц воды и водяного пара в состоянии насыщения можно воспользовался следующими значениями температуры и теплоты испарения (конденсации) в зависимости от давления сухого насыщенного водяного пара:
р, МПа |
°С |
r, кДж/кг |
р, МПа |
°С |
r, кДж/кг |
0,0042 0,0074 |
30 40 |
2430 2406 |
0,0123 0,1000 |
50 99,63 |
2382 2258,2 |
После вычисления Z сравнивают результат с zcр=2300. Если то режим стекания пленки конденсата ламинарный Тогда число Rе находят согласно формуле (12-15) [1]: Rе =0,95
Далее определяют искомый коэффициент теплоотдачи, который входит в -состав
Если же , то режим стекания пленки на нижнем участке становится турбулентным. В этом случае расчет числа выполняют по формуле (12 20) [1]:
Значение является поправкой на изменение теплофизических свойств пленки конденсата в зависимости от изменения температуры по толщине пленки.
Задача 2 (к темам 14 и 15). Определить долю теплоотдачи излучения в составе полной (суммарной) теплоотдачи при нагревании помещения с температурой 20°С радиатором водяного отопления. Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции от радиатора к воздуху принять равным 5,5
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из табл. 9.1
Таблица 9.1
Наименование условий |
Варианты задачи | |||||||||
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 ' |
17 |
18 |
19 |
20 | |
Температура поверхности радиаторов, °С |
80
|
75
|
70
|
65
|
60
|
65
|
70
|
75
|
80
|
85
|
Степень черноты радиаторов (в зависимости от окраски) |
0,8 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
0,8 |
0,5 |
Методические указания. При расчете приведенной поглощательной способности по формуле Стефана — Больцмана поглощательную способность следует принять близкой к единице.
Теплообмен излученном между радиаторам и помещением сводится к случаю теплообмена между выпуклым телом и его оболочкой.При решении задачи на теплообмен излучением нужно пользоваться-следующими числовыми значениями постоянных: Постоянная Стефана-Больцмана =; соответствующий коэффициент излучения абсолютно черного тела .
Задача 3 (к темам 14—10). Вычислить результирующий тепловой поток. излучением от газовой среды к стенкам газохода, приходящийся на единицу поверхности газохода и выраженный в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) Поправкой на взаимное поглощение излучений компонентами газовой смеси пренебречь.
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из табл. 10.1
Таблица 10.1
Варианты задач | ||||||||||
Наименование заданных условий |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 |
Несветящаяся газовая среда (без частиц сажи и золы) при общем давлении 98 кПа средней температуре Tг, |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1100 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1100 |
Размеры газохода, м: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диаметр |
0,4 |
0,5 |
0 6 |
0,7 |
0,7 |
- |
- |
- |
- |
- |
высота |
- |
- |
- |
- |
- |
0,2 |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
ширина |
- |
- |
- |
- |
- |
0,2 |
0 3 |
0,2 |
0 3 |
0,3 |
Температура стенок газоходаTс, |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
Степень черноты стенок |
0,8 |
0,9 |
0,8 |
0,9 |
0,8 |
0,9 |
0,8 |
0,9 |
0,8 |
0,9 |
Парциальное давление трехатомных газов р, кПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водяного пара |
7,5 |
8 |
8,5 |
9 |
9,5 |
7,5 |
8 |
8,5 |
9 |
9,5 |
двуокиси углерода |
12 |
10 |
11 |
12 |
12 |
11 |
12 |
10 |
11 |
12 |
Примечание: Для вариантов 21—25 газовая среда проходит по газоходу цилиндрического сечения, а для вариантов 20—30-—по газоходу прямоугольного сечения.
Методические указания. В учебной литературе [1] и [2] предлагаются два. несколько отличающихся способа решения задач.
Согласно способу, изложенному в учебнике [1], искомая плотность результирующего излучения определяется по формуле (18-40) [1, § 18 6]:
где —предельная степень черноты газовой смеси при Тг и при бесконечном
увеличении объема; —то же, при Тc; — степень черноты газовой смеси заданном объеме. Значения остальных обозначений приведены в
условии задачи.
Численные значения Тг, ,для смеси вычисляют через индивидуальные степени черноты компонентов газовой смеси согласно формуле (18-41):
Числовые значения , определяют с помощью графика на рис 18-6 [1] в зависимости от указанной температуры (Tг или Tc).
Числовые значения и определяют с помощью графиков на рис. 18-4 и 18-5 [1] в зависимости от парциального давления, средней длины луча и температуры Tг, выраженной в градусах Цельсия. Поправкой для упрощения задачи можно пренебречь. Наконец, среднюю длину пути луча рекомендуется определять по приближенной формуле (18-42) [1]:
l=0,9(4V)/Fc
Естесcтвенно, что для длинного газохода отношение V/Fc=S/Р, где S — площадь поперечного сечения газохода; P —периметр газохода
Задача 4 (к теме 17). Определить расход пара на обогрев воды в пароводяном теплообменнике при условии, что весь пар в теплообменнике превращается в конденсат, выходящий из теплообменника в состоянии насыщения при давлении греющего пара Найти площадь поверхности нагрева в теплообменнике при условии, что средний коэффициент теплоотдачи .
Представить схематично графики изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева Объяснить, зависит ли средний логарифмический температурный напор и площадь поверхности нагрева в таком пароводяном теплообменнике от включения теплоносителей по схеме «прямоток» или «противоток». Потерями теплоты через стенки теплообменника в окружающую среду пренебречь Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из табл 11.1
Таблица 11.1
Наименование заданных условий |
Варианты задачи |
| ||||||||
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
36 |
37 |
38 |
39 |
40 | |
Расход воды в пароводяном теплообменнике |
кг/ч |
30 кг/с |
2 /мин |
50 /ч |
30 кг/с |
кг/ч |
20 /мин |
0,5 /мин |
20 кг/с |
0,015 /с |
Температура воды, °С - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на входе |
20 |
20 |
25 |
25 |
30 |
35 |
35 |
35 |
40 |
40 |
на выходе |
70 |
70 |
75 |
75 |
80 |
80 |
85 |
85 |
90 |
90 |
Давление греющего пара (при степени сухости 0,98 МПа)) |
0,11 |
0,11 |
0,12 |
0,12 |
0,13 |
0,13 |
0,14 |
0,14 |
0,15 |
0,15 |
Методические указания. При решении задачи следует учитывать, что весь пар превращается в теплообменнике в конденсат и этот конденсат выходит из теплообменника при температуре насыщения, соответствующего заданному давлению греющего пара. Отсюда следует, что в теплообменнике используется теплота конденсации греющего пара со степенью сухости x=0,98 на входе и x=0 на выходе. Теплоту конденсации 1 кг пара в состоянии давления определяют по таблицам воды и водяного пара в состоянии насыщения. Тогда расход пара определяют из выражения: где Q- мощность теплового потока, переходящего от греющего пара к воде.
Вариант 2(К.р.№ 3)
Задачи
Задача 1 (к теме 11). При заданных условиях конденсации определить: а) средний коэффициент теплоотдачи и сравнить результат с данными номограммы на рис. 12.8 [1]; б) мощность теплового потока, отводимого через стенку трубы при конденсации пара; в) расход конденсата, стекающего с трубы (режим конденсации рассматривать как пленочную конденсацию неподвижного пара) .
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из
табл. 8.2.
Методические указания даны в первом варианте (К.р. №3).
Таблица 8.2.
Наименование |
Варианты задачи | |||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 | |
Давление сухого насыщенного пара p, кПа |
2,33 |
4,24 |
4,24 |
4,24 |
7,37 |
2,33 |
4,24 |
4,24 |
4,24 |
7,37 |
Пар конденсируется на внешней стенке трубы, м |
Труба расположена вертикально |
Труба расположена горизонтально | ||||||||
Длина трубы, м |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
Диаметр трубы, м |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
0,04 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
0,02 |
0,024 |
Средняя температура стенки, °С |
15 |
25 |
20 |
27 |
35 |
15 |
25 |
20 |
27 |
35 |
Задача 2 (к теме 12). Пользуясь формулой Кутателадзе и формулой Михеева, определить коэффициент теплоотдачи а, температурный напор t и температуру tc поверхности нагрева при пузырьковом кипении воды в неограниченном объеме, если даны интенсивность q теплового потока, подводимого к поверхности нагрева, и давление р, при котором происходит кипение. Сопоставить результаты расчета по обеим формулам, вычислив процент несовпадения.
Построить схематично график зависимости q от t при кипении воды, указав на ней область пузырькового кипения и ориентировочно положение точки, соответствующей заданному режиму.
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, взять из табл. 9.2.
Таблица 9.2.
Заданные варианты |
Варианты задачи | |||||||||
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 | |
Интенсивность теплового потока q, МВт/ м2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
0,6 |
Давление насыщения p, МПа |
1,0 |
1,56 |
2,32 |
3,35 |
4,7 |
1,0 |
1,56 |
2,32 |
3,35 |
4,7 |
Для произвольных жидкостей – формула Кутателадзе:
Где значение в первых скобках выражается в м-2; во вторых скобках – безразмерно; =9,81;- плотности кипящей жидкости и сухого насыщенного пара,кг/м3; -коэффициент теплопроводности кипящей жидкости, ;- ее поверхностное натяжение,;- ее коэффициент температуропроводности,; Рн – ее давление насыщения, Па; - удельная теплота испарения,;q – интенсивность теплоотдачи, ;Pr – число Прандтля жидкости. Контроль за единицами величин, подставляемых в формулу, должен быть особенно тщательным.
Определив коэффициент теплоотдачи по этой формуле для заданного значенияq, получают возможность вычислить и температурный напор
Более простая и точная (+/-35%) формула теплоотдачи при пузырьковом кипении, но применимая только для воды, рекомендована Михеевым:
,
где -, Р – МПа,-
Методические указания. Наиболее вероятный источник ошибок при вычислении — недостаточный контроль за единицами величин, подставляемых в формулы. После вычисления по указанным формулам коэффициента теплоотдачи определяют по формуле Ньютона — Рихмана температурный напор t при кипении. Зная давление кипящей воды, определяют по таблицам термодинамических свойств насыщенного водяного пара и воды (или по табл. 5 приложения [1]) температуру насыщения tH, a пo tH и t находят температуру поверхности нагрева. График зависимости q от t схематично приведен на рис. 13.6 и 13.7 учебника [1]. Правильность решения задачи можно проконтролировать, сопоставив результат с диапазоном значений коэффициента теплоотдачи при пузырьковом (пузырчатом) кипении воды. Нижняя граница этого диапазона 20 кВт/(м2 • К), верхняя представлена в зависимости от давления на рис. 13.26 [1].
Задача 3 (к темам 14 и 15). Определить долю теплоотдачи излучением в составе полной (суммарной) теплоотдачи при нагревании помещения с температурой 20 ° С радиатором водяного отопления. Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции от радиатора к воздуху принять равным 6,5 Вт/ (м2 • К).
Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать из табл. 10.2.
Таблица 10.2.
Наименование условия |
Варианты задачи | |||||||||
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
30 | |
Температура поверхности радиаторов, ° С |
75 |
70 |
65 |
60 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
Степень черноты радиаторов (в зависимости от окраски) |
0,7 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,5 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
Методические указания даны в первом варианте(К.р.№ 3).
Задача 4 (к теме 17). Определить расход пара на обогрев воды в пароводяном теплообменнике при условии, что весь пар в теплообменнике превращается в конденсат, выходящий из теплообменника в состоянии насыщения при давлении греющего пара. Найти площадь поверхности нагрева в теплообменнике при условии, что средний коэффициент теплопередачи Кср = 2500 Вт/ (м2 • К).
Представить схематично графики изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева. Объяснить, зависит ли средний логарифмический температурный напор и площадь поверхности нагрева в таком пароводяном теплообменнике от включения теплоносителей по схеме "прямоток" или "противоток". Потерями теплоты через стенки теплообменника в окружающую среду пренебречь. Данные, необходимые для решения своего варианта задачи, выбрать по табл. 11.2.
Таблица 11.2.
Наименование заданных условий |
Варианты задачи | |||||||||
31 |
32 |
33 |
34 |
35 |
36 |
37 |
38 |
39 |
40 | |
Расход воды в пароводяном теплообменнике, кг/с |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
Температура воды, ° С на входе… на выходе… |
20 70 |
20 70 |
25 75 |
25 75 |
30 80 |
30 80 |
35 85 |
35 85 |
40 90 |
40 90 |
Давление греющего пара (при степени сухости 0,98), МПа |
0,11 |
0,11 |
0,12 |
0,12 |
0,13 |
0,13 |
0,14 |
0,14 |
0,15 |
0,15 |
Вариант 3 (К.р.№ 3)