Файл: 478.pdf

Задача 2.2-7. Труба диаметром dН = 10 мм и температурой θ = 80 °C омывается водой при температуре 50 °C со скоростью w = 3 м/с. Определить коэффициент теплоотдачи и сравнить его с коэффициентом теплоотдачи при тех же условиях, если θ = 50 °C, а температура воды t = 80 °C. Угол атаки в обоих случаях ψ = 90 °.

Задача 2.2-8. Одиночная труба охлаждается поперечным потоком воды с температурой tЖ = 20 °C, скорость воды w = 2 м/с, угол атаки ψ = 20 °. Построить график зависимости коэффициента теплоотдачи от диаметра трубы,

если dН = 10 мм, 20 мм, 30 мм, 40 мм.

Задача 2.2-9. Воздухонагреватель представляет собой 20ти-рядный шахматный пучок труб диаметром dН = 50 мм. Построить зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от скорости поперечного потока воздуха в узком сечении пучка, если температура воздуха на входе в пучок t' = 20 °C, на выходе t" = 180 °C, средняя температура поверхности труб θ = 200 °C, а скорость w = 5 м/с, 10 м/с, 15 м/с и 20 м/с. Угол атаки ψ = 90 °.

Задача 2.2-10. Токопровод диаметром 15 мм охлаждается поперечным потоком воздуха с температурой t = 20 °C, скорость которого может быть равна 1 м/с, 2 м/с и 3 м/с. Выбрать необходимую скорость воздуха, если удельное электрическое сопротивление материала провода не зависит от температуры и равно ρ = 0,0175 Ом×мм2/м, сила тока I = 825 А, температура поверхности провода не должна превышать θ = 50 °C.

Пример 2.2-1. Определить коэффициент теплоотдачи для 8ми-рядного коридорного пучка d = 40 мм, омываемого потоком воздуха t = 300 °C и ско-

ростью в узком сечении w = 10 м/с. Температура стенок трубок θ = 400 °C.

Решение. При t = 300 °C: λ = 0,046 Вт/(м×К); ν = 4,833 × 10–5 м2/с; Prt = = 0,674. При t = 400 °C: Prθ = 0,678.

Таким образом, имеем:

Re wd 10 4 10 2 8276.

ν4,833 10 5

2.3. Конвективный теплообмен при свободном движении теплоносителей.

Краткая теоретическая часть.

Свободным называется движение жидкости (газа) вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, обусловленной их разно-

стью температур. При движении жидкости (газа) вдоль (около) поверхности образуется пограничный слой, толщина которого ограничена разностью температур Δt = θ – t или Δt' = t – θ, входящей в критерий Грасгофа. Сле-

довательно, зависимости, характеризующие теплоотдачу при свободном дви-

жении жидкости (газа) будут иметь вид для горизонтальных труб диамет-

ром d:

- 19 -

www.mitht.ru/e-library

при 103 < GrPr < 108:

При движении жидкости (газа) в ограниченном пространстве (ка-

налы, узкие щели), гидродинамика пограничного слоя усложняется, что влияет на теплообмен, который определяется из следующих соображений:[5]

где δ – толщина прослойки (щели), м; θ1, θ2 – температуры на поверхностях щели, °C; λЭКВ – эквивалентный коэффициент теплопроводности жидкости

(газа), который определяется как λЭКВ = λСРЕДЫ × εК. Значения εК находятся из зависимостей:

при 103 < GrPr < 107:

Задачи для самостоятельной работы.

Задача 2.3-1. Определить коэффициент теплоотдачи от вертикальной стены топки к окружающему спокойному воздуху, если известно, что температура воздуха вдали от поверхности t0 = 0 °C, температура поверхности стены θ = 60 °C, а высота стены H = 3 м.

Задача 2.3-2. Определить тепловой поток с 1 м2 поверхности вертикального варочного котла цилиндрической формы, если поверхность котла имеет температуру θ = 80 °C, высота котла H = 2 м. Охлаждение происходит путём свободной конвекции, а температура окружающего воздуха в помеще-

нии t = 20 °C.

Задача 2.3-3. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока через воздушную прослойку шириной равной 10 мм, имеющуюся в закалочной муфельной печи между наружным металлическим кожухом и внутренним огнеупорным слоем, если температура наружной поверхности огнеупорного слоя θ1 = 150 °C.

Задача 2.3-4. Определить количество тепла, переданное воде круглой цилиндрической трубой при естественной конвекции, если температура охлаждающей воды t = 10 °C, температура поверхности трубы θ = 90 °C, наружный диаметр трубы dН = 10 мм, длина трубы L = 50 см. Труба расположена горизонтально.

- 20 -

www.mitht.ru/e-library

Задача 2.3-5. Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток от вертикальной трубы с θ = 120 °C к воздуху при t = 20 °C, если высота трубы H = 2 м, 4 м, 5 м, 6 м, а dН = 120 мм. Построить график α = f(H).

Задача 2.3-6. В помещении имеются четыре вертикальных паропровода одинаковой длины l = 4 м, имеющие одинаковую температуру наружной поверхности θ = 110 °C с наружными диаметрами соответственно равными 50 мм, 100 мм, 150 мм и 200 мм. Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток от каждого паропровода к окружающему воздуху, имеющего температуру 10 °C и построить график зависимости теплового потока от диаметра, если взаимное тепловое влияние трубопроводов исключено.

Задача 2.3-7. Определить потери тепла с 1 м2 вертикальной стенки высотой H = 5 м с температурой θ = 90 °C к окружающему воздуху в летнее и зимнее время, если температура воздуха в летнее время соответственно равна t = 10 °C, 20 °C, 30 °C, а в зимнее t = 0 °C, – 10 °C, – 20 °C. Построить график α = f(t).

Задача 2.3-8. Нагреватель представляет собой горизонтальную цилиндрическую трубку с наружным диаметром dН = 20 мм и θ = 90 °C. Определить коэффициенты теплоотдачи, если этот нагреватель используется для поддержания постоянной температуры t = 40 °C воздуха, воды и масла МК путём естественной конвекции.

Задача 2.3-9. Определить потери тепла путём конвекции через вертикальную воздушную прослойку толщиной 30 мм, если температуры стенок равны θ1 = 200 °C и θ2 = 40 °C. Как изменится тепловой поток, если прослойка будет заполнена маслом МК?

Задача 2.3-10. Вертикальная труба диаметром dН = 20 мм, высотой 1 м, имеющая температуру θ = 20 °C, полностью опущена в воду с температурой 90 °C. Как изменится коэффициент теплоотдачи в условиях охлаждения, если температура воды равна t = 20 °C, а температура трубки θ = 90 °C?

Задача 2.3-11. Исследование тепловых потерь горизонтального паропровода в зависимости от температуры его наружной поверхности в условиях естественной конвекции дало следующие результаты:

Найти обобщённую критериальную зависимость для теплоотдачи, если диаметр паропровода dН = 30 мм, а температура окружающего воздуха вдали от паропровода t = 303 К.

Пример 2.3-1. Определить потери тепла путём конвекции вертикальным паропроводом диаметром d = 100 мм и высотой H = 4 м, если темпера-

тура поверхности θ = 170 °C, а температура воздуха вдали от него t = 30 °C.

Решение. При t = 30 °C: λ = 0,0267 Вт/(м×К), ν = 1,6 × 10–5 м2/с, Prt = = 0,70. Prθ = 0,70.

GrPr 1,132 1012 0,70 7,924 1011.

- 21 -

www.mitht.ru/e-library

Глава 3. Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния теплоносителя.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя (жидкость → пар или пар → жидкость) гидродинамика пограничного слоя значительно сложнее и отличается от рассмотренных выше видов конвективного тепло-

обмена, что в конечном итоге определяет перенос теплоты.

3.1. Теплоотдача при кипении жидкости.

Краткая теоретическая часть.

Кипением называется процесс образования пара из жидкости на поверхности, когда температура её оказывается выше температуры насыщения (кипения) t > tН при данном давлении, при условии θ > t.

В зависимости от плотности теплового потока q, подводимого к жидкости через поверхность нагрева, изменяется разность температур между ними (Δt = Vаr) и на поверхности нагрева возникают либо отдельные пузырьки пара либо образуется сплошной слой пара. Первый процесс называется пу-

зырьковым кипением, второй – плёночным.

Зарождение пузырьков пара на поверхности, их рост и движение после отрыва является сложным физическим процессом, зависящим от многих факторов (физические свойства жидкости, состояние поверхности и пр.) и вызывающим интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости как в пограничном слое, так и в объёме жидкости, вследствие чего резко возрастает теплоперенос.

Тепловой поток при увеличении температурного напора растёт не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимума и носит название критического – qКР, после чего с возрастанием Δt он уменьшается, а пузырьковый режим переходит в плёночный (при этом интенсивность теплообмена падает).

Для расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении предложен ряд формул, которые в большинстве своём носят эмпирический харак-

тер. При развитом кипении связь между α и q обычно представляют в виде степенной зависимости вида:

где B отражает свойства кипящей жидкости; n – показатель степени, (n ≈ 0,7). Выражая α=f(Δt) путём несложных преобразований получаем формулу,

позволяющую рассчитывать коэффициент теплоотдачи не только кипящей воды, но и при кипении органических и неорганических жидкостей:[1]

- 22 -

www.mitht.ru/e-library