ТЕПЛОМАСООБМІН

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

ПРОГРАМА, МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ,

КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ ТА КУРСОВА РОБОТА

ЗА КУРСОМ «ТЕПЛОМАСООБМІН»

Для студентів спеціальності 7.090505

З усіх форм навчання

Затверджено

редакційно-видавничою

радою університету,

протокол № Х від ХХ. ХХ .08.

 

Харків НТУ «ХПІ» 2008

Програма, методичні вказівки, контрольні завдання та курсова робота за курсом «Тепломасообмін» для студентів спеціальності 7.090505 «Котли і реактори» всіх форм навчання / Уклад.: Гончаренко Л.В., Тютюник Л. І. - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - ХХ с.

 

 

Укладач: Л. В. Гончаренко

Л. І. Тютюник

 

 

Рецензент

 

Кафедра парогенераторобудування

Общие методические указания

Например, в учебной программе учтено то обстоятельство, что в топках котлов преобладающим является лучистый теплообмен. Целью изучения дисциплины является приобретение знаний на уровне… Задачей изучения дисциплины является овладение закономерностями протекания основных процессов переноса теплоты и массы…

Список источников информации

Основная:

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – 4-е изд. – М,: Энергия, 1981. – 466с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М,: Энергия, 1977. – 341 с.

3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – 4-е изд. – М,: Энергия, 1980. – 264 с.

 

Дополнительная:

4. Беляев Н.М. Основы теплопередачи: Учебник, - Киев: Вища школа. Головное изд.-во, 1989. – 343 с.

5. Леонтьев А.И. и др. Теория тепломассообмена . – М,: Высш. Шк., 1979. – 496 с.

6. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др., М,: Энергия, 1973. – 296 с.

Учебная программа и методические указания к темам

Введение. Основные положения теории теплопроводности

Общие понятия о процессах передачи теплоты и массы история развития теории теплообмена. Вклад отчественных и зарубежных ученых. Современные проблемы. Роль тепломассообмена в создании высокоэффективных котельных агрегатов, реакторов и парогенераторов АЭС.

Элементарные виды теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен, лучистый теплообмен. Температурное поле, изотермические поверхности, температурный градиент, линии теплового тока, тепловой поток. Закон Фурье, плотность теплового потока, коэффициент теплопроводности. Механизм передачи теплоты в газообразных, жидких, твердых, пористых, металлических телах. Коэффициенты теплопроводности этих тел.

Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности решения дифференциального уравнения теплопроводности. Закон Ньютона-Рихмана. Теплоотдача и теплопередача.

 

Методические_указания.

Следует установить, что тепломассообмен представляет собой самопроизвольный необратимый процесс распространения те5плоты и массы в пространстве.… Результатом изучения этой темы является получение представлений о… При рассмотрении дифференциального уравнения теплопроводности обратить внимание на то, что его вывод базируется на…

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Каковы роль и значимость теории тепломассообмена в решении научно-технических задач, стоящих перед теплоэнергетикой?

2. Каковы механизмы переноса теплоты энергии в элементарных процессах теплообмена? Какие отличительные особенности этих процессов?

3. Возможен ли конвективный теплообмен в твердом теле?

4. Каковы механизмы переноса теплоты в процессе теплопередачи? Является ли теплопередача одним из элементарных видов теплообмена?

5. В чем отличие от неустановившегося (нестационарного) тепловых режимов и, соответственно, температурных полей?

6. Могут ли пересекаться изотермические поверхности?

7. Достаточно ли знать градиент температур для определения разности температур между двумя точками температурного поля?

8. Как напрвлен вектор градиента температур по отношению к изотермической поверхности?

9. Положительна ли величина градиента температур в направлении убывания температуры?

10. Одинаковы ли размерности теплового потока и плотности теплового потока?

11. Что представляет собой линии теплового потока?

12. Почему закон Фурье имеет знак «минус» в первой его части?

13. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?

14. Почему пористые материалы имеют низкое значение коэффициента теплопроводности?

15. почему влажные строительные материалы имеют более высокое значение коэффициента теплопроводности по сравнению с аналогичными коэффициентами строительного материала и воды?

16. Какой закон положен в основу вывода дифференциального уравнения теплопроводности?

17. Какие значения приняты при выводе дифференциального уравнения теплопроводности?

18. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?

19. Для чего нужны условия однозначности?

20. Тождественны ли понятия «условия однозначности», «краевые условия», «граничные условия»?

21. Каковы способы задания граничных условий, необходимых для решения дифференциального уравнения теплопроводности?

22. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи, входящего в уравнение Ньютона-Рихмана?

23. Как формируется дифференциальное уравнение теплоотдачи (граничные условия третьего рода)?

24. Можно ли решить конкретную задачу с помощью дифференциального уравнения теплопроводности при отсутствии условий однозначности?

 

Теплопроводность при стационарном тепловом режиме

 

Передача теплоты через однослойную и многослойную плоские стенки при граничных условиях I и III родов. Определение закона распределения температуры в стенке (температурное поле) и количестве передаваемой теплоты при постоянном и переменном коэффициенте теплопроводности. Термические сопротивления и коэффициент теплопередачи. Передача теплоты через однослойную и многослойную цилиндрические стенки при граничных условиях I и III родов. Лининейные коэффициенты теплопередачи, плотность теплового потока, термические сопротивления. Критический диаметр цилиндрической стенки. Тепловая изоляция. Рациональность выбора материала тепловой изоляции. Передача теплоты через шаровую стенку. Теплопередача через сложные стенки: оребренные и прослойки. Интенсификация процессов теплопередачи.

Методические_указания.

В настоящем подразделе рассматриваются одномерные стационарные задачи для тел простейшей геометрической формы – плоской, цилиндрической и шаровой… Для плоской пластины: .

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Справедливо ли утверждать, что при стационарном режиме теплопроводности и постоянном значении плотности теплового потока температурный напор в плоской однородной стенке прямо пропорционален ее термическому сопротивлению?

2. Почему в плоской однородной стенке температура изменяется по линейному закону?

3. Как изменится характер распределения температуры в однородной плоской стенке, если коэффициент теплопроводности с ростом температуры: увеличится, уменьшится, не изменится?

4. Неизменна ли плотность теплового потока по толщине многослойных плоских стенок при стационарном режиме теплопроводности и отсутствии внутренних источников теплоты?

5. С какой целью введен эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной плоской стенки? От каких параметров он зависит?

6. Как связаны градиенты температур в отдельных слоях многослойной плоской стенки с их коэффициентами теплопроводности?

7. Как определить графическим способом температуры на границах слоев многослойной плоской стенки при граничных условиях I рода?

8. Как определить графическим способом температуры на поверхности однослойной плоской стенки при граничных условиях III рода?

9. Почему в цилиндрической и шаровой стенках температура изменяется по криволинейному закону?

10. Однаковы ли размерности плотности теплового потока и линейной плотности теплового потока цилиндрической стенки?

11. Верно ли, что термическое сопротивление плоской стенки зависит только от коэффициента теплоотдачи, а цилиндрической и шаровой нет?

12. Можно ли определить критический диаметр цилиндрической стенки без учета условий теплообмена ее наружной поверхности с окружающей средой?

13. В каких случаях потери теплоты через цилиндрическую тепловую изоляцию могут возрастать вследствие увеличения ее толщины при неизменных значениях температуры на внутреннем ее диаметре, температуры окружающей среды и коэффициенте теплоотдачи от наружной поверхности к окружающей среды?

14. С какой стороны теплопередающей поверхности необходимо увеличивать коэффициент теплоотдачи? Почему?

15. Какой вывод можно сделать при сравнении термических сопротивлений теплопроводности однослойных плоской цилиндрической и шаровой стенок при граничных условиях III рода?

16. В каком случае термическим сопротивлением стенки пренебрегать нельзя?

17. С какой целью применяется оребрение поверхности теплообмена? Что представляет собой коэффициент оребрения?

18. С какой стороны необходимо оребрять поверхности теплообмена? Почему?

19. Как осуществляется расчет передачи теплоты через газовую или жидкостную прослойку?

 

Основные положения теории конвективного теплообмена

 

Понятия и определения. Виды и режимы движения жидкости. Уравнение Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи. Физические свойства жидкостей (газов). Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена. Краткие сведения об аналитических, приближенных и экспериментальных методах решения задач конвективного теплообмена. Основы теории подобия: значение теории подобия, определения и теоремы. Критерии и критические уравнения подобия. Условия подобия процессов конвективного теплообмена. Физическое и математическое моделирование процессов конвективного теплообмена. Обобщение опытных данных на основе теории подобия.

 

Методические_указания.

Основной задачей теории конвективного теплообмена является получение зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи, который, в отличие от… Следует уяснить, что математическое описание конвективного теплообмена,…  

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Возможна ли конвекция в неподвижных жидкостях?

2. Каковы различия между свободной и вынужденной конвекцией?

3. В чем состоит физический смысл коэффициента теплоотдачи?

4. Одинаковы ли размерности коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи?

5. Может ли свободная конвекция оказать влияние на теплоотдачу в условиях вынужденной конвекции?

6. От каких факторов существенно зависит коэффициент теплоотдачи?

7. В чем состоит физический смысл коэффициентов вязкости? Одинаковы ли размерности динамического и кинематического коэффициентов вязкости?

8. В каком случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев совпадает?

9. Является ли система дифференциальных уравнений(энергии, движения, сплошности, теплоотдачи) системой, в полной мере характеризующей закономерность процесса конвективного теплообмена?

10. Действительны ли система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена для полной математической формулировки краевой задачи?

11. Одинаков ли перечень условий однозначности для процессов теплопроводности твердого тела и конвективного теплообмена?

12. В чем заключается физический смысл граничных условий III рода?

13. Какие основные положения понятия подобия физических явлений являются неотъемлемой частью теории подобия?

14. Могут ли постоянные подобия выбираться произвольно?

15. На базе каких уравнений выводятся числа подобия Рейнольдса, Нуссельта, Грасгофа, Прандтля?

16. Какие числа подобия являются определяющими и определяемыми?

17. Какой физический смысл чисел Рейнольдса, Нуссельта, Грасгофа, Прандтля?

18. Совпадают ли по форме и содержанию числа Био и Нуссельта?

19. Содержит ли одноименная физическая величина в числах Рейнольдса, Нуссельта, Пекле и Грасгофа?

20. Что представляют собой критериальные уравнения? Как они получаются?

21. Каковы условия подобия процессов конвективного теплообмена при вынужденном, свободном и свободно-вынужденном движенииях теплоносителей?

22. С какой целью и как осуществляется моделирование процессов конвективного теплообмена?

23. Что представляет собой определяющий размер? Может ли в качестве определяющего выбран любой линейный размер, введенный в условия однозначности?

24. Что представляет собой определяющая температура? Может ли быть взята в ее качестве любая температура, введенная в условие однозначности?

25. Как осуществляется окружение по поверхности коэффициентов теплоотдачи?

26. Как осуществляется окружение по поверхности температурного напора?

27. Как осуществляется получение эмпирических формул для определения коэффициентов теплоотдачи?

 

Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости

Теплоотдача при продольном омывании плоской поверхности. Гидродинамические условия развития процесса. Решение задачи теплоотдачи при ламинарном и… Теплоотдача при продольном течении жидкости в трубах. Гидродинамические… Теплоотдча при поперечном омывании одиночной цилиндрической трубы. Гидродинамические условия развития процесса.…

Методические_указания.

Необходимо обратить внимание на роль входящего в критериальное уравнение множителя , учитывающего направление теплового потока в условиях… В отличие от плоской пластины при омывании криволинейных поверхностей… Основной особенностью внешнего поперечного омывания жидкостью одиночной трубы является отрыв ламинарного и…

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. От каких параметров зависит изменение толщины пограничного слоя с увеличением расстояния от передней кромки пластины?

2. Зависит ли толщина вязкого подслоя при турбулентном течении от кинематического коэффициента вязкости?

3. Зависят ли нижний и верхний критические числа Рейнольдса от стенки турбулентности набегающего на пластину потока?

4. Зависит ли отношение толщин теплового и гидравлического пограничных слоев при ламинарном режиме течения от физических свойств жидкости?

5. При каком режиме течения (ламинарном или турбулентном) интенсивность теплоотдачи на пластине выше?

6. Одинаковы ли значения средних скоростей движения жидкости в трубе при ламинарном и турбулентном режимах течения?

7. От каких факторов зависит длина стабилизационного участка при ламинарном течении жидкости в трубе?

8. Имеются ли отличия в изменении распределения скорости и температуры по длине трубы при продольном движении жидкости?

9. Одинаковы ли значения местного и среднего коэффициентов теплоотдачи на участке термической стабилизации?

10. Как изменяется эпюра скоростей в вертикально расположенной трубе при совместном вынужденом и свободном движении жидкости?

11. Какое влияние на теплоотдачу оказывает свободная конвекция при вынужденном движении жидкости в горизонтально расположенной трубе?

12. Какое влияние на теплоотдачу при турбулентном режиме продольного течения жидкости в трубе оказывают скорость движения, физические свойства жидкости и диаметр трубы?

13. Допускается ли применять критериальные уравнения, соответствующие течению в круглых трубах, для расчетов теплоотдачи при течении в трубах другой формы поперечного сечения?

14. Почему в изогнутых трубах увеличивается интенсивность теплоотдачи?

15. Какое влияние на теплоотдачу оказывает шероховатость поверхности труб при ламинарном и турбулентном режимах течения?

16. Какие факторы оказывают существенное влияние на отрыв потока в кормовой части поперечно омываемой трубы?

17. Одинаковы ли местные коэффициенты теплоотдачи по окружности трубы при поперечном его омывании жидкости?

18. Чем обусловлено наличие минимума в эпюре изменение коэффициента теплоотдачи по окружности поперечно омываемой трубы?

19. Зависит ли коэффициент теплоотдачи при поперечном омывании трубы от угла атаки?

20. Одинаковы ли гидродинамические условия поперечного омывания жидкостью коридорных и шахматных пучков труб?

21. Верно ли, что коэффициенты теплоотдачи для третьего и последующих по ходу движения жидкости рядов труб в пучке имеют более высокие значения, чем для первых двух?

22. Как определяется средний коэффициент теплоотдачи для пучка труб?

23. В каком пучке (коридорном или шахматном) интенсивность теплоотдачи выше?

 

 

Теплоотдача при свободном движении жидкости

 

Основные положения. Теплоотдача в неограниченом пространстве. Ламинарная и турбулентная конвекция вдоль вертикальной поверхности. Свободная конвекция у горизонтальных труб и плит. Теплоотдача в ограниченном пространстве. Характер циркуляции жидкости. Расчетные уравнения.

 

Методические_указания.

В процессе узучения раздела необходимо уяснить, что свободная конвекция возникает в поле действия сил тяжести, потому важно характеристикой процесса является расположение обогреваемой (или охлаждаемой) поверхности в пространстве: вертикальное, горизонтальное, наклонное, а также форма поверхности: плоская, цилиндрическая. Учет этих обстоятельств определяет вид критериального уравнения для расчета теплоотдачи.

Следует обратить внимание, что расчет теплоотдачи при свободной конвекции в ограничеснном пространстве, где формируются у смежных сторон пограничные слои оказывает взаимное влияние друг на друга, значительно усложняется по сравнению со свободной конвекцией в неограниченном объеме. Для облегчения расчета процесс конвективного теплообмена заменяется процессом теплопроводности путем введения эквивалентного коэффициента теплопроводности, учитывающего передачу теплоты через ограниченный слой как конвекцией, так и теплопроводностью.

 

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Как изменяется скорость движения жидкости около нагретой вертикальной поверхности в неограничеснном пространстве? За счет чего происходит движение жидкости?

2. Как изменяется температура жидкости при свободном движении жидкости вдоль нагретой вертикальной поверхности в неограниченном пространстве?

3. Возможно ли свободная конвекция в неограниченном пространстве около вертикальной поверхности начиная с турбулентного режима течения?

4. Возможно ли свободная конвекция вдоль вертикальной поверхности без участка с турбулентным режимом движения жидкости?

5. Как изменяется местный коэффициентплоотдачи по высоте стенки или трубы в неограниченном объеме? Зависит ли он при турбулентном режиме движения жидкости от высоты стенки?

6. Какие параметры оказывают существенное влияние на коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве?

7. Почему нет циркуляции жидкости если нагретая горизонтально расположенная поверхность обращена вниз?

8. Что представляет собой коэффициент конвекции и почему он является функцией чисел Грасгофа и Прандтля?

9. Почему интенсивность теплоотдачи в ограниченном объме при увеличении чисел Грасгофа снижается?

10. Зависит ли от формы прослойки выбор окружающего размера и температуры при вычислении чисел подобия?

 

 

Теплообмен при кипении жидкости

Общие представления о процессе кипения. Механизм передачи теплоты при кипении в неограниченном объме: зарождение, рост и отрыв паровых пузырьков.… Теплообмен при кипении жидкости в трубах. Расчет теплоотдачи при пузырьковом… Теплоотдача при пленочном кипении.

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. От каких факторов зависит величина начального перегрева жидкости, необходимого для возникновения кипения?

2. Какие значения первой критической плотности теплового потока и температурного напора при кипении воды в атмосферных условиях?

3. Какие значения второй критической плотности теплового потока и температурного напора при кипении воды в атмосферных условиях?

4. Одинаковы ли условия перехода от пузырькового к пленочному режиму кипения при различных способах подвода теплоты к поверхности: или ?

5. Каковы условия возникновения и существования парового пузырька?

6. Всегда ли температура кипящей жидкости выше температуры в первом пузырьке?

7. Почему с уменьшением радиуса первого пузырька давление внутри его повышается?

8. От каких факторов существенно зависит минимальный радиус парового пузырька?

9. Какое влияние на отрывной диаметр пузырька оказывает смачиваемость и поверхностное натяжение жидкости?

10. От каких факторов зависит скорость роста паровых пузырьков?

11. Увеличивается ли коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении с повышением давления?

12. Почему критериальные уравнения вида неудобны в практических расчетах и, как правило, для этой цели используются эмпирические зависимости?

13. Какая величина принимается в качестве определяющего размера при определении чисел Рейнольдса и Нуссельта в случае использования критериального уравнения ?

14. Что представляют собой массовые и объемные расходные паросодержания?

15. Как осуществляется расчет коэффициентов теплоотдачи при пузырьковом кипении в трубах в условия вынужденной конвекции?

16. Что представляет собой скорость циркуляции?

17. Какие факторы оказывают существенное влияние на первую критическую плотность теплового потока ?

18. От каких параметров зависит величина второй критической плотности теплового потока ?

19. Зависят ли кризисные плотности теплового потока от скорости циркуляции?

20. Какова природа кризисов второго рода?

21. Как определяются коэффициенты теплоотдачи при пленочном режиме кипения на поверхности горизонтальных и вертикальных труб?

22. Что представляет собой температура предельного перегрева жидкости?

 

Теплообмен при конденсации чистого пара

Основные представления о процессе конденсации. Теплоотдача при пленочной конденсации на вертикальной поверхности. Уравнение для определения…   Методические_указания:

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Почему коэффициент теплоотдачи при конденсации пара снижается при увеличении толщины пленки?

2. Какие допущения принял Нуссельт при решении задачи определения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара?

3. Как учитывается изменение теплофизических свойств конденсата при определении коэффициента теплоотдачи?

4. С какими явлениями связано увеличение коэффициента теплоотдачи при наличии волнового характера ее движения?

5. При каком значении числа Рейнольдса волновое течение пленки конденсата отсутствует?

6. Входит ли в состав числа Рейнольдса для пленки конденсата коэффициент теплоотдачи при конденсации?

7. Зависит ли коэффициент теплоотдачи при ламинарном режиме конденсации от температурного напора?

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

ПО КУРСУ «ТЕПЛОМАССООБМЕН»

Методические указания

 

К выполнению задания и решению задач следует приступать только после изучения данного раздела курса. Только целенаправленное решение задач принесет пользу и поможет закреплению знаний. Перед выполнением контрольной работы рекомендуется ознакомиться с алгоритмом решения аналогичных задач по учебной литературе.

Номер варианта контрольной работы совпадает с порядковым номером студента в журнале.

Контрольное задание состоит из теоретической и практической частей.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1

Практическая часть

Студенты должны решить задачу 1, задачу 2, задачу 3, задачу 4 номера вариантов которых приведены в таблице 1, таблице 2, таблице 3 и таблице 4.

Задача 1

На наружной поверхности корпуса бака, представляющего собой плоскую металлическую стенку, поддерживается постоянной температура . Для уменьшения тепловых потерь корпус снаружи покрывается слоем диатомитового кирпича толщиной , а затем слоем изоляции .

Определить минимальную толщину слоя изоляции , при которой температура на наружной поверхности этого слоя не превышала бы . Температуру окружающего воздуха принять равной , а коэффициент теплоотдачи от изоляции к воздуху . Определить также температуру в зоне контакта кирпичной кладки и изоляции и плотность теплового потока, проходящего через изолированную стенку бака.

Исходные данные к задаче 1 приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Исходные данные для решения задачи 1

 

Вариант	Материал изоляции	,	,	, м	Подвариант	,	,	,
	Стекловата	0,050		0,12	а
	Шлаковата	0,109		0,14	б
	Асбест	0,210		0,16	в
	Асбозурит	0,226		0,18	г
	Стекловата	0,059		0,20	д
	Шлаковата	0,121		0,22	е
	Асбест	0,214		0,24	ж
	Асбозурит	0,240		0,24	з
	Зонолит	0,153		0,28	и
	Совелит	0,174		0,30	к

Методические указания к решению задачи 1

При решении задачи считать контакт между слоями кладки и изоляции идеальным. Для определения коэффициента теплопроводности диатомитового кирпича необходимо воспользоваться формулой:

,

где –средняя температура слоя кирпичной кладки.

При этом необходимо находить методом последовательных приближений. Так как температура на границе слоев кладки и изоляции неизвестна, то ею необходимо задаться, например, в первом приближении и, определив , осуществить проверку правильности принятия значения температуры по формуле:

.

Если найденное значение отличается более, чем на 5 % от принятого, то осуществляется следующее приближение и т.д.

 

 

Задача 2

 

По стальному паропроводу внешним диаметром и толщиной движется насыщенный пар под давлением . Коэффициент теплоотдачи от пара к внутренней поверхности трубы . Паропровод покрыт слоем изоляции толщиной .Температура окружающего наружного воздуха , коэффициент теплоотдачи от изоляции к воздуху .

Определить тепловые потери и температуру на внешней и внутренней поверхносях изоляции. Проверить рациональность выбора материала изоляции. Изобразить графически в масштабе распределение температур в цилиндрической двухслойной стенке при граничних условиях Ш рода.

Исходные данные к решению задачи 2 приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Исходные данные к решению задачи 2

 

Вариант	Материал изоляции	, м	, м	Па	,м	Подвариант	,	,	,
	Совелит	0,060	0,003	6,18	0,008	а
	Асбозурит	0,076	0,003	7,92	0,010	б
	Шлако-вата	0,089	0,004	10,03	0,012	в
	Асбест	0,108	0,004	12,55	0,014	г
	Диатомит молотый	0,133	0,005	15,55	0,016	д
	Совелит	0,140	0,005	19,08	0,018	е
	Асбозурит	0,159	0,006	23,20	0,020	ж
	Шлако- вата	0,168	0,006	27,98	0,022	з
	Асбест	0,194	0,007	33,48	0,024	и
	Диатомит молотый	0,219	0,007	39,78	0,026	к

 

Методические указания к решению задачи 2

Контакт между поверхностями паропровода и изоляции считать идеальным.

Значение коэффициента теплопроводности материала паропровода выбрать в зависимости от температуры насыщения [3]. Значение коэффициента теплопроводности материала изоляции выбрать в зависимости от средней температуры по таблицам теплофизических свойств, приведенным, например, в табл. 2 [3].

Рациональность выбора материала изоляции определить на основании условия .

 

 

Задача 3

 

Через горизонтально расположенную трубу диаметром и длиной со скоростью протекает вода. Определить средний коэффициент теплоотдачи и мощность теплового потока , если средняя температура воды а температура стенки трубы . Как изменится коэффициент теплоотдачи, если скорость воды увеличится в 2 и 3 раза? Построить зависимость .

Исходные данные к задаче 3 приведены в таблице 3.

 

Таблица 3 – Исходные данные для решения задачи 3

 

Ва-риант				Подва- риант
	0,035	3,0	0,75	а
	0,040	3,5	0,85	б
	0,045	4,0	0,95	в
	0,050	4,5	1,05	г
	0,055	5,0	1,15	д
	0,060	5,5	1,25	е
	0,065	6,0	1,35	ж
	0,070	6,5	1,45	з
	0,075	7,0	1,55	и
	0,080	7,5	1,65	к

 

Методические указания к решению задачи 3

Мощность теплового потока определяется по формуле Ньютона-Рихмана: , температурный напор . Величину необходимо определить из критериального уравнения , которое необходимо выбрать из [1,2] в зависимости от режима движения воды в трубе.

 

 

Задача 4

 

В трубе испарительной поверхности котла внутренним диаметром и длиной движется кипящая вода со скоростью . Вода находится под давлением . Тепловая нагрузка поверхности нагрева. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящей воде, температурный напор и температуру внутренней поверхности стенки трубы .

Как изменится значение коэффициента теплоотдачи, если температуру стенки увеличить на 5 ⁰С и 10 ⁰С ? Построить график зависимости .

Исходные данные к задаче 4 приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Исходные данные для решения задачи 4.

 

Вариант	Па			Подва- риант
		2,5		а	0,036	1,55
		2,7		б	0,038	1,60
		2,9		в	0,040	1,65
		3,1		г	0,042	1,70
		3,3		д	0,044	1,75
		3,5	5,5	е	0,046	1,80
		3,7	4,5	ж	0,048	1,85
		3,9	3,5	з	0,050	1,90
		4,1	2,5	и	0,052	1,95
		4,3	3,2	к	0,054	2,00

 

Методические указания к решению задачи 4

Определение коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах следует осуществлять по формулам, предложенным Лабунцовым Д.А. [1,2,3]. При этом можно воспользоваться методиками решений подобного типа задач и данными таблицы 9-1, приведенными в главе 9 [3].

Температуру насыщения и другие теплофизические параметры воды следует определять путем интерполяции табличных данных, приведенных в [1,2,3].

Теоретическая часть

Студенты должны дать письменные ответы на 5 вопросов, номера вариантов которых приведены в таблице 5.

 

Перечень вопросов к контрольной работе 1:

1. Охарактеризуйте основные (элементарные) способы передачи теплоты в пространстве.

2. Что представляет собой температурное поле при стационарном и нестационарном тепловых режимах?

3. Что представляет собой температурный градиент? Могут ли пересекаться изотермические поверхности?

4. Сформулируйте понятие: тепловой поток, плотность теплового потока, линии теплового потока, линейная плотность теплового потока. Каковы размерности этих величин?

5. Сформулируйте закон теплопроводности Фурье. Объясните физический смысл величин, входящих в его математическое выражение. Почему в уравнении закона Фурье стоит знак «минус»?

6. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? Приведите примеры материалов с разными значениями коэффициента теплопроводности.

7. Какую роль играет коэффициент теплопроводности в расчетах процессов теплопроводности твердых тел? Приведите значения для металлов.

8. Почему пористые материалы имеют более низкие значения коэффициента теплопроводности по сравнению с плотными? Какое влияние на оказывает влажность материала?

9. Как изменяется коэффициент теплопроводности газов с изменением температуры и давления?

10. Как изменяется коэффициент теплопроводности металлов и сплавов с изменением температуры?

11. Сформулируйте уравнение Ньютона-Рихмана. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи

12. Какие параметры оказывают существенное влияние на коэффициент теплоотдачи?

13. Приведите дифференциальное уравнение теплопроводности (без вывода) и объясните физический смысл его составляющих. Является ли это уравнение одной из форм закона сохранения энергии?

14. Что представляют собой условия однозначности? С какой целью они должны быть присоединены к математическому описанию процесса теплопроводности?

15. Как формулируются граничные условия I и II родов? В каких случаях теплообмена они применяются?

16. Что характеризуют граничные условия Ш и IV родов? В каких случаях теплообмена они применяются?

17. Приведите вывод дифференциального уравнения теплоотдачи. Является ли это уравнение частным случаем закона сохранения энергии?

18. В чем состоит физический смысл коэффициента температуропро-водности? Какова его связь с коэффициентом теплопроводности? Выведите размерность коэффициента температуропроводности на основе дифферен-циального уравнения теплопроводности.

19. Приведите графики распределения температур в плоской трехслойной стенке одинаковой толщины при условии, что λ₁>λ₂>λ₃. Почему температурные поля каждого слоя различны?

20. Что представляет собой эквивалентный коэффициент теплопро-водности плоской многослойной стенки?

21. Приведите график распределения температуры в плоской однородной стенке для случаев, если коэффициент теплопроводности с ростом температуры: увеличивается, уменьшается, остается неизменным. Дайте объяснения.

22. Какие материалы применяются для тепловой изоляции теплообменного оборудования?

23. Как с помощью графических построений можно определить значения температур между слоями трехслойной плоской стенки (теплопроводность при граничных условиях I рода)?

24. Виды и режимы движения жидкости. В чем сходство и различие чисел Рейнольдса и Грасгофа? Укажите области существования:

а) свободного ламинарного и турбулентного движения жидкости вдоль вертикальной стенки;

б) вынужденного ламинарного и турбулентного движения жидкости в трубах.

25. Как изменяется градиент температуры по толщине плоской стенки при стационарном тепловом режиме, если коэффициент теплопроводности зависит от температуры?

26. Охарактеризуйте особенности гидродинамики и теплообмена при обтекании плоской поверхности жидкостью.

27. Сформулируйте условия подобия физических процессов и три теоремы подобия.

28. Каким требованиям должна отвечать модель, чтобы процессы, протекающие в натурной установке и модели, были подобными?

29. Поясните принципиальное различие между определяющими и определяемыми критериями подобия конвективного теплообмена.

30. Каков физический смысл чисел Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта, Грасгофа, Фурье?

31. Какие величины необходимо принимать в качестве определяющего размера и определяющей температуры?

32. Что представляют собой начальные участки гидродинамической и тепловой стабилизации при продольном течении жидкости в трубе?

33. Как рассчитываются теплоотдача при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости в трубе?

34. Опишите взаимное влияние вынужденной и свободной конвекции в трубах.

35. Какое влияние на теплообмен оказывают изгиб трубы, обтекания трубы с углами атаки, диаметр трубы?

36. Охарактеризуйте особенности гидродинамики и теплообмена при поперечном обтекании одиночной трубы.

37. Приведите основные схемы компоновки трубных пучков и охарактеризуйте гидродинамические условия их поперечного обтекания.

38. Как рассчитывается теплоотдача при вынужденном поперечном омывании корридорных и шахматных пучков труб?

39. Охарактеризуйте гидродинамические и тепловые условия при свободной конвекции в неограниченном пространстве.

40. Как рассчитывается теплоотдача при свободной конвекции в ограниченном объеме?

41. Опишите механизм пузырькового кипения в большом объеме.

42. Изобразите графически зависимость плотности теплового потока от температурного напора при кипении в большом объеме. Объясните смысл происходящих процессов.

43. Что представляют собой первая и вторая критические плотности теплового потока при кипении в большом объеме? В чем опасность пленочного режима кипения для теплообменных аппаратов?

44. Что представляет собой критический радиус и отрывной диаметр пузырька пара?

45. Как осуществляется расчет теплообмена при пузырьковом кипении жидкости?

46. Каковы условия и расчет теплообмена при пленочном кипении жидкости?

47. Какие виды конденсации пара возможны и в чем их отличие?

48. Как осуществляется расчет теплообмена при пленочной конденсации пара?

49. Какое влияние на процесс конденсации оказывают скорость и направление движения пара, перегрев пара, состояние поверхности, содержание неконденсирующихся газов?

50. Как определяются среднелогарифмический и среднеарифметический температурные напоры между жидкостью и поверхностью стенки?

 

Таблица 5 - Номера вопросов к контрольной работе 1

 

Вариант	№ вопросов
	1, 20, 21, 40, 41
	2, 19, 22, 39, 42
	3, 18, 23, 38, 43
	4, 17, 24, 37, 44
	5, 16, 25, 36, 45
	6, 15, 26, 35, 46
	7, 14, 27, 34, 47
	8, 13, 28, 33, 48
	9, 12, 29, 32, 49
	10, 11, 30, 31, 50
	1,2,3,4,5
	6,7,8,9,10
	11,12,13,14,15
	16,17,18,19,20
	21,22,23,24,25
	26,27,28,29,30
	31,32,33,34,35
	36,37,38,39,40
	41,42,43,44,45
	46,47,48,49,50

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2

Практическая часть

Студенты должны решить задачу 1, задачу 2, задачу 3 номера вариантов которых приведены в таблице 6, таблице 7 и таблице 8.

Задача 1

Обмуровка топки парового котла выполнена из шамотного кирпича, обшивка – из листовой стали. Между кладкой и обшивкой имеется зазор , который можно считать малым по сравнению с размерами стен топки. Температура внешней поверхности обмуровки , температура стальной обшивки . Степень черноты шамота , степень черноты обшивки .

Определить потери теплоты в окружающую среду с единицы поверхности в единицу времени при стационарном режиме лучистого теплообмена , значения собственного и и эффективного и , отраженного и и падающего и лучистых потоков для шамотной кладки и стальной обшивки.

Как изменятся потери теплоты в окружающую среду , если между обмуровкой и обшивкой установить n экранов со степенью черноты ?

Исходные данные к задаче 1 приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Исходные данные для решения задачи 1

 

Вариант	, мм	,	,	Подва- риант
				а	0,72	0,60	0,55
				б	0,74	0,58	0,60
				в	0,76	0,56	0,65
				г	0,78	0,58	0,70
				д	0,80	0,60	0,75
Продолжение таблицы 6
				е	0,78	0,58	0,80
				ж	0,76	0,60	0,75
				з	0,74	0,58	0,70
				и	0,72	0,60	0,65
				к	0,70	0,58	0,60

 

Методические указания к решению задачи1

Обмуровку и обшивку следует рассматривать как две безграничные плоскопараллельные серые поверхности, разделенные прозрачной средой. Потери теплоты в окружающую среду представляют собой результирующий тепловой поток . В связи с тем, что процесс теплообмена стационарный, плотности потоков излучения взаимодействующих тел равны, т.е.. Следует также помнить, что степень черноты тела равна его поглощательной способности .

При наличии экранов между поверхностями тепловой поток g_1,2 можно определить по формуле:

,

где

Задача 2

 

Между двумя плоскопараллельными пластинами одинаковой длины l и ширины и , происходит процесс передачи теплоты излучением. Расстояние между пластинами , степень черноты пластины и , температуры поверхностей и .

Определить средние угловые коэффициенты и и тепловой поток Q_1,2 .

Исходные данные к задаче 2 приведены в таблице 7.

 

Таблица 7 - Исходные данные для решения задачи 2

 

Ва-риант	, м	, м	, м	, м	Подва- риант			,	,
	2,0	3,8	3,5		а	0,72	0,68
	2,2	3,6	4,0		б	0,74	0,66
	2,4	3,4	4,5		в	0,76	0,64
	2,6	3,2	5,0		г	0,78	0,62
	2,8	3,0	5,5		д	0,80	0,60
	3,0	2,8	5,0		е	0,78	0,62
	3,2	2,6	4,5		ж	0,76	0,64
	3,4	2,4	4,0		з	0,74	0,66
	3,6	2,2	3,5		и	0,72	0,68
	3,8	2,0	3,0		к	0,70	0,70

Методические указания к решению задачи 2

При определении угловых коэффициентов между двумя параллельными пластинами следует воспользоваться формулами для пластин относительно большой длины:

;

.

Тепловой поток необходимо определять на основании уравнения:

,

где

;

- взаимная поверхность теплообмена

 

 

Задача 3

Определить коэффициент теплоотдачи излучением от газов к поверхности пароперегревателя парового котла, если температура газа на входе и на выходе из пароперегревателя .

Принять температуру поверхности теплообмена (температуру стенки труб) постоянной и равной , а ее степень черноты . Расположение труб – шахматное, шаги по фронту пучка труб S₁ и глубине S₂, внешний диаметр труб d . Газ содержит n, % CO₂ и m, % H₂O. Общее давление газа p = 98,1 кПа.

Исходные данные к задаче 3 приведены в таблице 8.

 

 

Таблица 8 - Исходные данные для решения задачи 3

 

Вариант	,	,	,
				0,82
				0,80
				0,78
				0,76
				0,82
				0,80
				0,76
				0,78
				0,80
				0,78

Подва- риант	, м	, м	, м	%	%
а	0,032	0,064	0,064
б	0,032	0,068	0,068
в	0,032	0,0672	0,072
г	0,038	0,076	0,076
д	0,038	0,078	0,078
е	0,038	0,08	0,08
ж	0,028	0,056	0,056
з	0,028	0,058	0,058
и	0,028	0,06	0,06
к	0,028	0,062	0,062

Методические указания к решению задачи 3

Для определения средней длины пути луча в межтрубном пространстве необходимо использовать следующую зависимость:

Степень черноты и необходимо определять по графикам, приведенным в [1,2,3], по средней температуре газов:

Поглощательная способность газов определяется по формуле:

,

где и определяются по вышеуказанным графикам при температуре стенки труб .

Коэффициент теплоотдачи излучением:

,

где - плотность теплового потока излучением (от газов к поверхности труб) определяется по известным из [1,2,3] зависимостям.

 

Теоретическая часть

Студенты должны дать письменные ответы на 5 вопросов, номера вариантов которых приведены в таблице 9.

 

Перечень вопросов к контрольной работе 2:

1. Лучистый теплообмен между телом и оболочкой, разделенных прозрачной средой.

2. Понятие углового коэффициента при лучистом теплообмене между телом и оболочкой, разделенных прозрачной средой.

3. Снижение интенсивности лучистого теплообмена с помощью экранов.

4. Применение экранов для снижения интенсивности лучистого теплообмена.

5. Как влияет количество экранов и их степень черноты на интенсивность теплообмена?

6. Понятие результирующего, собственного и эффективного тепловых потоков.

7. Закон Кирхгофа и его следствия.

8. Результирующий тепловой поток для системы из двух твердых серых тел.

9. Лучистый теплообмен в системе из двух твердых серых тел.

10. Тепловое излучение газов, основные понятия.

11. Коэффициент поглощения при лучистом теплообмене в газах.

12. Интенсивность излучения при лучистом теплообмене в газах.

13. Закон Стефана-Больцмана.

14. Угловые коэффициенты для системы из трех плоских или выпуклых тел.

15. Понятие углового коэффициента при лучистом теплообмене между двумя параллельными пластинами.

16. Лучистый теплообмен между двумя плоскопараллельными телами.

17. Лучистый теплообмен, основные понятия и определения.

18. Соотношения между поглощательной, отражательной и пропускной способностью тела. Понятие абсолютно-черного, белого, диатермичного тела.

19. Закон Планка и следствия.

20. Закон Вина.

21. Поглощение лучистой энергии в плоском слое газа.

22. Закон Бугера.

23. Собственное излучение плоского слоя газа.

24. Закон Ламберта.

25. Особенности излучения газов и паров.

26. Лучистый теплообмен между газовой средой и оболочкой.

27. Лучистый теплообмен между телом и оболочкой. Понятие углового коэффициента излучения.

28. Свойство замыкаемости лучистых потоков.

29. Степень черноты газового объема и факела.

30. Свойство взаимности лучистых потоков.

31. Оптическая толщина излучающего слоя.

32. Лучистый теплообмен в поглощающих и излучающих средах, основные понятия.

33. Понятие о сложном теплообмене. Коэффициент теплоотдачи излучением.

34. Виды лучистых потоков, интегральная и спектральная плотность потока излучения.

35. Интенсивность (яркость) излучения.

36. Понятие степени черноты тела, закон Стефана-Больцмана для серого тела.

37. Результирующий поток излучения для системы плоско-параллельных тел, разделенных прозрачной средой.

38. Геометрические свойства лучистых потоков.

39. Условия справедливости закона Ламберта.

40. Что представляет собой угловой коэффициент излучения?

 

Таблица 9 – Номера вопросов к контрольной работе 2

 

Вариант	№ вопросов
	1, 20, 21, 40
	2, 19, 22, 39
	3, 18, 23, 38
	4, 17, 24, 37
	5, 16, 25, 36
	6, 15, 26, 35
	7, 14, 27, 34
	8, 13, 28, 33
	9, 12, 29, 32
	10, 11, 30, 31
	1,2,3,4
	6,7,8,9
	11,12,13,14
	16,17,18,19
	21,22,23,24
	26,27,28,29
	31,32,33,34
	36,37,38,39
	40,30,20,10
	36,37,38,39

 

Список источников информации

Основная:

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сухомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975.

3. Краснощеков Е.А., Сухомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980.

 

 

КУРСОВА РОБОТА

на тему “Тепловий розрахунок пароохолодника котла”

Загальні положення

 

Мета і задачі курсової роботи

 

У курсі “Тепломасообмін” вивчається розділ “Тепловий розрахунок рекуперативних теплообмінних апаратів”. Відповідно до цього метою курсової роботи є закріплення теоретичних і практичних знань, придбаних на лекційних і практичних заняттях, та реалізація останніх при розв’язанні конкретно поставленої задачі.

Задачею курсової роботи є виконання теплового розрахунку пароохолодника поверхневого типу.

 

Обсяг, зміст, оформлення і захист курсової роботи

 

1.2.1. Курсова робота складається з пояснювальної записки обсягом 20-25 сторінок текстової частини та ескізу пароохолодника, виконаного на аркуші формату А-4.

1.2.2. Пояснювальна записка до курсової роботи повинна містити:

1.2.2.1. Титульний лист. Виконується відповідно до стандартів [6,7] (додаток 1).

1.2.2.2. Завдання на розробку курсової роботи (додатки 2, 3). Видається керівником курсової роботи. У завданні вказуються: тема роботи, вихідні дані для розрахунку, зміст пояснювальної записки, обсяг і кількість креслень, перелік розділів, які виконуються із застосуванням ЕОМ, календарний план, особливості й умови виконання роботи. Завдання повинно бути підписане керівником і студентом.

Кожен студент виконує індивідуальний варіант розрахунку. Вихідні дані необхідно вибрати з таблиці 1 по останній і передостанній цифрах шифру. Шифр встановлюється або по заліковій книжці, або по журналу академічної групи.

1.2.2.3. Зміст. Найменування розділів роботи необхідно подати відповідно до завдання. До змісту необхідно також включити додаток, що містить результати розрахунків на ЕОМ.

1.2.2.4. Вступ. Дається коротка характеристика і розкривається актуальність технічного питання, розробці якого присвячена курсова робота. У вступі треба дати обгрунтування необхідності виконання роботи. Обсяг вступу складає 1-2 сторінки тексту. При написанні вступу можна використовувати літературу [2, 3, 4].

1.2.2.5. Технічна характеристика й опис конструкції пароохо-лодника. Містить основні відомості про призначення, конструкцію, принцип дії, умови експлуатації та інші характеристики пароохолодника. Опис необхідно ілюструвати рисунком (наприклад, рис.1, додаток 4). Обсяг цього розділу 2-3 сторінки тексту. Для його розробки необхідно скористатися літературою [2, 3, 4].

1.2.2.6. Тепловий розрахунок пароохолодника є основною частиною пояснювальної записки. Він повинен бути виконаний відповідно до методики, викладеної в нормативному методі теплового розрахунку котельних агрегатів [1] і оформлений із дотриманням вимог СТП.

1.2.2.7. Висновок. За результатами теплового розрахунку пароохолодника необхідно зробити висновки про ефективність його роботи і похибки розрахунку.

1.2.2.8. Список літератури. Повинен містити повний перелік літературних джерел, які були використані у роботі. Оформлення списку літератури повинно бути виконане відповідно до вимог ДЕРЖСТАНДАРТу [7].

1.2.2.9. Захист курсової роботи. Здійснюється після її перевірки керівником і внесення усіх виправлень як технічного, так і оформлювального характеру. Курсова робота оцінюється за п'ятибальною системою оцінки знань.

 

Список літератури

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) /Под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия,… 2. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: Учеб. для… 3. Рабинович О.М. Котельные агрегаты.- М.-Л.: Машгиз, 1963. - 460 с.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ

КУРСОВОЇ РОБОТИ

Віідомо, що для теплового розрахунку теплообмінного апарата необхідне спільне розв’язання двох рівнянь: рівняння теплового балансу і рівняння… У зв’язку з тим, що в нормативному методі [1], розробленому у 1973 році і… 2.1. Використовуючи вихідні дані до курсової роботи за допомогою табл. ХХІІІ [1, с.204], необхідно визначити параметри…