7. Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании цилиндра и пучка труб

7.1. Цилиндрическая электрошина диаметром d и длиной l охлаждается поперечным потоком сухого воздуха с температурой t_ж и скоростью w. Найти тепловой поток, отдаваемый шиной с поверхности, и допустимую силу тока в ней при условии, что на её поверхности температура не должна превышать t_с; удельное электрическое сопротивление ρ_э. Как изменятся коэффициент теплоотдачи и сила тока, если вместо воздуха использовать трансформаторное масло?

Вариант	d, мм	l, м	tж, С	w, м/с	tс, С	ρэ, Омм
а	16	0,4	20	1,25	90	0,46·10^–6
б	14	0,5	25	1,5	80	1,75·10^–8
в	20	0,6	15	1	95	9,8·10^–8

7.2. Электрический провод диаметром d, покрытый резиновой изоляцией толщиной δ, охлаждается потоком сухого воздуха. Скорость и температура набегающего потока воздуха w и t_ж. Угол между направлением потока воздуха и осью трубы φ. Вычислить допустимую силу тока в электрическом проводе, если температура резиновой изоляции не должна превышать t_из. Как изменится коэффициент теплоотдачи и сила тока, если диаметр провода уменьшить в 2 раза?

Вариант	d, мм	δ, мм	w, м/с	tж, С	φ, ^о	tиз, С	ρэ, Омм
а	10	1,5	1,5	20	60	70	2,27·10^–8
б	8	2	2	15	50	65	0,36·10^–6
в	6	1	2,5	10	90	75	0,19·10^–6

7.3. Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток на 1 м длины трубы, омываемой потоком жидкости, если наружный диаметр трубы d_н, температура её поверхности t_с, температура жидкости t_ж и её скорость w. Как изменится коэффициент теплоотдачи и тепловой поток, если скорость жидкости увеличится в 2 и 3 раза? Построить график зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости α=ƒ(w). Определить также значение теплового потока, если при тех же средней температуре жидкости и температурном напоре будет производиться охлаждение жидкости при температуре стенки .

Вариант	dн, мм	tс, С	tж, С	w, м/с	, С	Жидкость
а	20	60	40	0,8	20	Вода
б	25	110	80	0,5	50	Масло МС – 20
в	15	180	100	1,5	20	Воздух

7.4. Найти отношение коэффициентов теплоотдачи от стенки трубы к среде: при движении её внутри трубы с внутренним диаметром d_вн; при внешнем поперечном обтекании одиночной трубы с наружным диаметром d_н. Сравнение произвести для скоростей: w₁, w₂, w₃, w₄. Среднюю температуру среды во всех случаях принять t_ж, среднюю температуру стенки t_с. Построить график зависимости α=ƒ(w) для продольного и поперечного потоков жидкости.

Вариант	dвн, мм	dн, мм	w1	w2	w3	w4	tж, С	tс, С	Среда
			м/с
а	50	50	4	8	16	32	200	100	Дымовые газы
б	40	40	5	10	20	40	60	200	Воздух
в	20	20	1	2	4	8	20	50	Вода

7.5. Определить средний коэффициент теплоотдачи для коридорного пучка труб, обтекаемого поперечным потоком масла, если внешний диаметр труб d_н, число труб вдоль потока z, поперечный шаг S₁, продольный шаг S₂. Средняя скорость масла в узком сечении w, средняя температура масла t_ж и средняя температура поверхности труб t_с. Как изменится коэффициент теплоотдачи, если трубы в пучке расположены в шахматном порядке? Как изменится коэффициент теплоотдачи, если поток масла направить вдоль труб? Длина труб в пучке 2 м.

Вариант	dн, мм	z	S1, мм	S2, мм	w, м/с	tж, С	tс, С	Масло
а	25	10	35	30	0,7	50	85	Трансформаторное
б	20	8	30	26	0,5	80	35	МК
в	14	13	21	18	0,9	50	25	МС – 20

7.6. Определить средний коэффициент теплоотдачи и количество передаваемой теплоты в воздухонагревателе, состоящим из z₁ рядов с числом труб z₂ в каждом ряду, расположенных в шахматном порядке. Поток воздуха омывает этот пучок под углом атаки φ со скоростью в наиболее узком сечении w. Диаметр и длина труб d_н и l, поперечный и продольный шаги трубного пучка S₁ и S₂. Средняя температура воздуха t_ж и средняя температура поверхности труб t_с. Как изменятся коэффициент теплоотдачи и количество передаваемой теплоты, если трубы в пучке расположить коридорно?

Вариант	z1	z2	φ, ^о	w, м/с	dн, мм	l, м	S1, мм	S2, мм	tж, С	tс, С
а	11	8	70	8	25	3	42	36	430	350
б	8	12	80	20	50	2	90	78	400	200
в	16	10	60	12	38	4	76	66	130	70

7.7. Трубчатый воздухоохладитель предполагается выполнить из труб диаметром d_н, расположенных в коридорном порядке с поперечным и продольным шагами S₁=S₂. Число труб в одном ряду поперёк потока z₁, число рядов z₂. Температура воздуха, поступающего в подогреватель t_ж1 и на выходе t_ж2, температура наружной поверхности труб t_с. Какой длины должны быть трубы, чтобы при скорости воздуха w в узком сечении пучка количество теплоты, передаваемое воздуху, составило Q? Как изменится коэффициент теплоотдачи и длина труб, если поток воздуха направить не поперёк труб, а вдоль?

Вариант	dн, мм	S1, мм	z1	z2	tж1, С	tж2, С	tс, С	w, м/с	Q, кВт
а	16	38	8	15	200	120	60	15	150
б	38	62	5	8	120	40	20	10	100
в	30	70	7	7	400	300	150	12	300

7.8. В теплообменнике шахматный пучок труб обтекается поперечным потоком воды. Трубы внешним диаметром d_н расположены в пучках по углам равностороннего треугольника с поперечным шагом S₁. Средняя скорость в узком сечении пучка w, средняя температура воды t_ж. Найти коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании пучка, если средняя температура t_с, число рядов труб в направлении потока z. Как изменится коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление, если скорость воды увеличится в 2 и 3 раза? Построить график α=ƒ(w).

Вариант	dн, мм	S1, мм	w, м/с	tж, С	tс, С	z
а	20	26	0,8	40	90	20
б	25	30	1	20	60	18
в	15	20	1,5	60	20	12

7.9. В теплообменном аппарате коридорный пучок обтекается потоком воды. Внешний диаметр труб d_н, число рядов по глубине пучка z с поперечными и продольными шагами S₁=S₂. Средняя температура воды t_ж, средняя скорость в узком сечении пучка w. Найти коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании пучка, если средняя температура поверхности труб t_с. Как изменится коэффициент теплоотдачи, если скорость воды уменьшится в 2 и 3 раза? Построить график α=ƒ(w).

Вариант	dн, мм	S1, мм	w, м/с	tж, С	tс, С	z
а	25	31	6	35	90	16
б	20	26	4,5	15	25	24
в	18	24	3	30	10	10

7.10. Пучок твэлов ядерного реактора продольно омывается охлаждающей водой со скоростью w при средней температуре t_ж. Наружный диаметр твэла d_н, элементы расположены в коридорном порядке по квадратной разбивке со стороной квадрата S. Найти средний коэффициент теплоотдачи и среднюю температуру на поверхности элемента, если мощность внутренних источников теплоты q_v. Как изменится температура на поверхности элемента, если омывание пучка твэлов будет осуществляться поперечным потоком воды?

Вариант	w, м/с	tж, С	dн, мм	S, мм	qv, МВт/м^3
а	3	200	10	14	440
б	2	280	30	40	20
в	4	250	20	26	500

7.11. В трубопровод диаметром d₂/d₁ поступает вода с расходом G и температурой t₁. Трубопровод омывается поперечным потоком воздуха с температурой t_в и скоростью w. Длина трубопровода l, коэффициент теплопроводности металла трубопровода _м=48 Вт/(мК). Определить температуру воды на выходе из трубопровода.

Вариант	d2/d1, мм	G, кг/с	t1, С	tв, С	w, м/с	l, м
а	159/150	18,0	120	5,0	5	200
б	194/184	27,0	130	–2,0	10	300
в	219/207	34,0	140	8,0	15	400

7.12. Рассчитать толщину изоляции из минплиты для трубопровода диаметром d₂/d₁, чтобы изменение температуры воды по длине трубопровода не превышало t. В трубопровод подаётся вода с температурой t₁ и расходом G. Трубопровод омывается поперечным потоком воздуха с температурой t_в и скоростью w. Длина трубопровода l, коэффициент теплопроводности металла трубопровода _м=52 Вт/(мК).

Вариант	d2/d1, мм	G, кг/с	t1, С	tв, С	w, м/с	l, м	t, С
а	159/150	16,0	120	–5,0	15	200	4
б	194/184	24,0	130	–10,0	10	300	6
в	219/207	32,0	140	–15,0	5	400	8

7.13. Воздушный поток со скоростью w и температурой t_в обдувает электрический провод диаметром d под углом атаки . Найти коэффициент теплоотдачи и силу тока в проводе, если удельное электрическое сопротивление провода _э=0,1510^–6 Омм, а температура на поверхности t_s. Как изменятся коэффициент теплоотдачи и сила тока, если: 1) увеличить скорость воздуха в 4 раза; 2) увеличить диаметр провода в 4 раза; 3) увеличить давление воздуха в 6 раз.

Вариант	d, мм	, 	ts, С	tв, С	w, м/с
а	5	60	90	–5,0	1
б	6	50	100	10,0	2
в	7	70	110	15,0	5

7.14. Вычислить коэффициент теплоотдачи от трубы к воздуху для двух случаев: 1) воздух движется в длинной трубе внутренним диаметром d; 2) воздух омывает трубу наружным диаметром d снаружи в поперечном направлении. В обоих случаях температура воздуха t_в, скорость воздуха принять 5, 12, 20 и 28 м/с. Построить график зависимостей α=ƒ(w) для продольного и поперечного потоков воздуха.

Вариант	d, мм	tв, С
а	40	60
б	50	70
в	60	80

7.15. Определить, какую температуру необходимо поддерживать на поверхности трубы с наружным диаметром d, чтобы плотность теплового потока была q. Труба охлаждается поперечным потоком маслом с температурой t_ж и скоростью w под углом атаки . Каков при этом будет коэффициент теплоотдачи?

Вариант	d, мм	tж, С	q, Вт/м^2	w, м/с	, 	Масло
а	25	20	80	1,0	50	Трансформаторное
б	34	30	90	1,5	45	МС–20
в	48	40	100	2,0	60	МК