Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов

 

Теплопередача в теплообменниках. Основные схемы движения и теплообмена потоков теплоносителей. Теплоносители,их основные характеристики. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Урав­нения для теплового потока и средней разности температур любой схемы теплообмена; сложный теплообмен. Методы интенсификации теплопередачи. Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Принцип расчета теплообменных аппаратов. Конструктив­ный и поверочный тепловые расчеты теплообменных аппаратов.

Методические указания.

При изучении этой темы студент должен обратить внимание на способы интенсификации теплообмена в теплообменниках, уметь анали­зировать влияние на коэффициент теплопередачи различных факторов и определять решающие из них. Усвоить методику вывода формулы среднего температурного напора для рекуперативных теплообменников, знать ограничения, допущенные при выводе ее, уметь рассчитывать теплообменники при различных схемах движения теплоносителей (противоток и прямоток), а также анализировать полученные результаты.

Вопросы для самопроверки. 1. Чем отличается теплопередача от теплоотдачи? 2. Как по графику t = f (R), где R — термическое сопротивление, определить температуру стенок? 3. При α₁ >> α₂ какой из коэффициентов теплоотдачи следует увеличить для увеличения коэффициента теплопередачи K? 4. Какие виды теплообменных аппа­ратов вы знаете? 5. Где применяют рекуперативные теплообменники? 6. На основе каких исходных уравнений построено определе­ние поверхности рекуперативных теплообменников? 7. При каких предположениях выводятся формулы, определяющие среднелогарифмический температурный напор? 8. Когда среднелогарифмический темпе­ратурный напор можно заменить среднеарифметическим? 9. Какие преимущества имеет противоточная схема теплообменника перед прямо­точной? В каких случаях эти схемы эквивалентны?

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Методические указания

 

К решению задач контрольного задания следует приступать после изучения соответствующего раздела курса и ознакомлением с ходом решения аналогичных задач по учебной литературе.

Студенты выполняют контрольные работы по 2 разделам «Техническая термодинамика» и «Теория теплообмена». По последней четной цифре личного шифра студента выполняются задачи № 1, 2. Задачи № 3,4 выполняются студентами, имеющими нечетную последнюю цифру личного шифра. Исходные данные к каждой задаче выбираются из соответствующих таблиц по последней и предпоследней цифре шифра.

При решении контрольных задач необходимо соблюдать следующие условия: а) выписывать условие задачи и исходные данные; б) решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника или были определены выше и т.д.); в) вычисления проводить в единицах СИ, показывать ход решения. После решения задачи нужно дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы. Всегда, если это возможно, нужно осуществлять контроль своих действий и оценивать достоверность полученных числовых данных.

2.2. Техническая термодинамика

Задача 1. Считая теплоемкость идеального газа зависящей от температуры, определить: параметры газа в начальном и конечном состояниях, изменение внутренней энергии, теплоту, участвующую в процессе, и работу расширения. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл.2,1., зависимость величины теплоемкости от температуры приведена в приложении 1.

Таблица 2.1

Последняя цифра шифра	Процесс	t1,°c	t2,°c	Предпоследняя цифра шифра	Газ	Р1, МПа	m, кг
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	Изохорный Изобарный Адиабатный Изохорный Изобарный Адиабатный Изохорный Изобарный Адиабатный Изобарный	2400 2200 2000 1800 1600 1700 1900 2100 2300 1500	400 300 300 500 400 100 200 500 300 100	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	О2 N2 H2 N2 CO CO2 N2 H2 O2 CO	1 4 2 3 5 6 8 10 12 7	2 5 10 4 6 8 3 12 7 9

 

Задача 2. Для теоретического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении определить параметры рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла, подведенную и отведенную теплоту, работу и термический к.п.д. цикла, если начальное давление р₁ = 0,1 МПа, начальная температура t₁ = 27,°C, степень повышения давления в компрессоре p, температура газа перед турбиной t₃.

Таблица 2.2

Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	G, кг/с	Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	G, кг/с
0 1 2 3 4	6 6,5 7 7,5 8	0 1 2 3 4	700 725 750 775 700	35 25 30 40 50	5 6 7 8 9	7,5 7 6,5 6 7	5 6 7 8 9	725 750 775 800 825	60 70 80 90 100

 

Определить теоретическую мощность ГТУ при заданном расходе воздуха G. Дать схему и цикл установки в pv- и Ts-диаграммах. Данные для решения задачи выбрать из табл. 2. Теплоемкость воздуха принять не зависящей от температуры.

Задача 3. Провести термодинамический расчет поршневого двигателя, работающего по циклу Дизеля, если начальный удельный объем газа n₁; степень сжатия ; начальная температура сжатия t₁; количество тепла, подводимое в цикле q₁. Определить параметры состояния в крайних точках цикла. Энтальпию (h), внутреннюю энергию (U) определить относительно состояния газа при Т₀ = 0 К, энтропию (S) — относительно состояния при условиях Т₀ = 273 К, Р = 0,1 МПа. Построить цикл в pv- и Ts-координатах. Для каждого процесса определить работу, количество подведенного и отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию. Определить работу цикла, термический к.п.д. цикла. Рабочее тело - воздух, масса 1 кг. R = 0,287кДж/кг×К; С_р = 1кДж/кг×К. Данные к задаче выбрать из табл. 2.3.

 

Таблица 2.3

 

Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра	Начальная температура сжатия, t1,°c	q1, кДж/кг
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	14 15 20 18 16 15 14 16 18 20	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	25 20 15 30 40 35 50 30 28 45	900 800 500 600 400 850 700 450 550 600

 

Задача 4. Определить конечное состояние газа, расширяющегося политропно от начального состояния с параметрами Р₁, t₁, изменение внутренней энергии, количество подведенной теплоты, полученную работу, если задан показатель политропы (n), конечное давление Р₂. Показать процесс в pv- и Ts-координатах. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 2.4.

 

Таблица 2.4

Последняя цифра шифра	Р1, МПа	t1,°c	Р2, МПа	n	Предпоследняя цифра шифра	Газ	m, кг
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 5 6	100 70 110 120 80 90 130 150 200 250	0,1 0,5 1,0 1,5 0,5 1,2 1,5 0,2 2 3,5	1,2 1,5 1,4 1,1 1,3 1,2 1,4 1,6 1,2 1,5	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	О2 N2 CO N2 H2 О2 CO2 О2 CO N2	1 2 3 4 5 6 8 2 5 3

Теория теплообмена

Задача 1. Плоская стальная стенка толщиной d₁ (l₁ = 40 Вт/м×К) с одной стороны омывается газами; при этом коэффициент теплоотдачи равен α­₁. С другой стороны стенка изолирована от окружающего воздуха плотно прилегающей к ней пластиной толщиной d₂ (l₂ = 40 Вт/м×К). Коэффициент теплоотдачи от пластины к воздуху равен α­₂. Определить тепловой поток q₁ Вт/м² и температуры t₁, t₂ и t₃ поверхностей стенок, если температура продуктов сгорания t_r, а воздуха - t_в. Данные для решения задачи выбрать из табл. 2.5.   

Таблица2.5

Последняя цифра шифра	d1, мм	α1, Вт/м^2·К	tr,°c	Предпоследняя цифра шифра	d2, мм	α­2, Вт/м^2·К	tв,°c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	5 6 7 8 9 10 6 5 3 4	35 45 40 30 35 25 42 30 34 38	350 400 370 350 330 300 380 320 400 280	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	10 12 14 16 18 20 22 24 26 28	5 6 7 8 9 10 9 8 6 5	30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -20

Задача 2. Воздух течет внутри трубы, имея среднюю температуру t_в, давление р₁ = 1 МПа и скорость ω. Определить коэффициент теплоотдачи от трубы к воздуху (α₁), а также удельный тепловой поток, отнесенный к 1м длины трубы, если внутренний диаметр трубы d₁, толщина ее δ и теплопроводность l₁ = 20 Вт/(м·К). Снаружи труба омывается горячими газами. Температура и коэффициент теплоотдачи горячих газов, омывающих трубу, соответственно равны t_r­, α­₂. Данные, необходимые для решения задачи выбрать из табл. 2.6. Физические параметры сухого воздуха для определения α₁ взять из приложения 2.

Таблица 2.6

Последняя цифра шифра	tr,°c	α­2, Вт/м^2·К	ω, м/c	Предпоследняя цифра шифра	tв,°c	d1	δ
						мм
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	500 550 600 650 700 750 800 780 740 520	20 20 40 50 40 60 50 40 30 20	10 9 6 8 10 12 14 16 18 20	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	150 200 130 100 150 200 250 200 150 100	70 80 60 40 20 50 80 60 40 20	3 5 4 3 2 3 5 4 3 2

Задача 3. Стальной трубопровод диаметром  с коэффициентом теплопроводности l₁ покрыт изоляцией в 2 слоя одинаковой толщины δ₂ = δ₃ = 50 мм., причем первый слой имеет коэффициент теплопроводности l₂, второй l₃.

Таблица2.7

Последняя цифра шифра	l1, Вт/м·К	l2, Вт/м·К	l3, Вт/м·К	Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	t4,°c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	50 30 40 60 45 20 50 40 45 35	0,06 0,03 0,08 0,10 0,04 0,01 0,05 0,02 0,06 0,04	0,12 0,06 0,16 0,20 0,14 0,15 0,12 0,08 0,10 0,15	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	250 300 400 350 500 450 380 280 550 200	50 100 200 150 120 90 60 50 20 70

Определить потери теплоты через изоляцию с 1 м. трубы, если температура внутренней поверхности t₁, а наружной поверхности изоляции t₄. Определить температуру на границе соприкосновения слоев t₃. Как изменится величина тепловых потерь с 1 м. трубопровода, если слой изоляции поменять местами, т.е. слой с большим коэффициентом l наложить непосредственно на поверхность трубы? Данные выбрать из табл. 2.7.

Задача 4. Определить потери теплоты в единицу времени с 1 м. длины горизонтально расположенной цилиндрической трубы, охлаждаемой свободным потоком воздуха, если температура стенки трубы t_c, температура воздуха в помещении t_в, а диаметр трубы d. Степень черноты трубы E_c = 0,9. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл.2.8.

Таблица 2.8

Последняя цифра шифра	d, мм	Предпоследняя цифра шифра	tc	tв	Последняя цифра шифра	d, мм	Предпоследняя цифра шифра	tc	tв
			°c				°c
0 1 2 3 4	220 230 210 240 250	0 1 2 3 4	150 140 130 120 110	15 20 25 35 25	5 6 7 8 9	270 300 320 340 360	5 6 7 8 9	100 190 180 170 160	20 15 10 5 0

ПРИЛОЖЕНИЕ 1