Теплоотдача при конденсации

Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (t_c<t_н).

Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н:

, (33)

и от поверхности горизонтальной трубы диаметром d:

. (34)

Теплофизические параметры конденсата (плотности ρ, кг/м³; коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м∙К); коэффициента динамической вязкости μ, Па∙с) и скрытой теплоты парообразования r, кДж/кг следует определять при температуре насыщения t_н (см таблицу 2 приложения).

Лучистый теплообмен

Лучистым теплообменом называется процесс переноса тепла электромагнитными волнами.

Если два тела с температурой Т₁ и Т₂ обменивающихся лучистой энергией, разделены прозрачной средой, то тепло, переданное излучением, определяется по формуле:

Вт, (35)

где F- поверхность, м²;

ε_пр- приведенная степень черноты.

Если эти тела не образуют замкнутую систему, то ε_пр=ε_1∙ ε₂; в том случае, когда одно тело окружено другим и не излучает само на себя.

, и когда F₂»F₁, ε_пр=ε₁.

Коэффициент теплоотдачи излучением равен:

(36)

Теплообменные аппараты

Задачей конструкторского (проектного) расчета теплообменного аппарата является определение величины поверхности нагрева, необходимой для передачи заданного количества тепла. При поверочном расчете по известным размерам поверхности нагрева определяют количество передаваемого тепла и изменение температуры теплоносителей.

В обоих случаях используют уравнение теплового баланса (уравнение сохранения энергии).

,

или при постоянных теплоемкостях теплоносителей и изменение агрегатного состояния:

, (37)

где m – расход теплоносителя, кг/с;

Δh – изменение энтальпии теплоносителя, Дж/кг;

с_р – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кrК);

t – температура теплоносителя, ^оС.

Индексом 1 обозначены величины, относящиеся к горячему теплоносителю, индексом 2 – к холодному. Верхний индекс (′) означает температуру теплоносителя на входе в аппарат, индекс (″) – температуру на входе. Количество передаваемого тепла в рекуперативном теплообменнике определяется уравнением теплопередачи:

, (38)

где F – поверхность теплообмена, м²;

- средний температурный напор.

, (39)

где Δt_б и Δt_м – наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителей на концах теплообменника.

Движение теплоносителей в теплообменнике может быть различным, но все сводится к схеме движения противотока (теплоносители движутся навстречу друг другу) и прямотока (теплоносители движутся в одну сторону).Для исключения ошибок при расчете Δt на концах теплообменника целесообразно рисовать график изменения температур по длине теплообменника;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К),

, (40)

где R_α1=1/α₁ – термическое сопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке, (м²∙К)/Вт;

R_α2 – термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю;

R_λ – термическое сопротивление теплопроводности стенки; для однослойной стенки, например, Rλ=δ/λ, где δ – толщина плоской стенки.

Вычисление коэффициентов теплоотдачи α_{1 и} α₂ производится методом последовательных приближений. Вначале для расчета значений α_{1 и} α₂ приходится задаваться температурой стенки из условия t_ж1> t_c1 > t_c2 >t_ж2, причем разность соседних температур t_c1 и t_c2 тем больше, чем больше термическое сопротивление между ними. Вычислив величину теплового потока, уточняют значения температур поверхностей стенки. Например, t_c1= t_ж1= QR_α1 и t_c2= t_c1 –QR_λ. Если получилось то значение, которым задались, или близкое к нему, то решение считают правильным. В противном случае задаются другим значением температуры стенки и проделывают решение снова.

Варианты заданий

1. Вычислить средний коэффициент теплопередачи при течении трансформаторного листа в трубе внутренним диаметром 8 мм и длиной 1м, если средняя по длине трубы температура масла равна 80^оС, средняя температура стенки трубы 20 ^оС и скорость масла 0,6м/с.

2. Тонкая пластина длиной 2м и шириной 1,5 мм обтекается продольным потоком воздуха. Скорость и температура потока соответственно равна 3 м/с и 20 ^оС. Определить среднее течение коэффициента теплоотдачи и количество теплоты; отдаваемой- пластиной воздуху, при условии, что температура поверхности пластины 90 ^оС.

3. По трубе внутренним диаметром 6 мм движется вода со скоростью 0,4 м/с. Температура стенки трубы 50 ^оС. Какую длину должна иметь труба, чтобы при температуре воды на входе 10 ^оС, ее температура на выходе из трубы была 20 ^оС ?

4. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки-трубки конденсатора паротурбинной установки к охлажденной воде, если средняя по длине температура стенки 28 ^оС, внутренний диаметр трубки 16мм, температура воды на входе и выходе из трубы равны соответственно 10 и 18 ^оС и средняя скорость воды 2м/с. Определить также количество передаваемой теплоты и длину трубы.

5. В вертикальной трубе квадратного течения движется снизу вверх воздух. Определить: режим движения - ламинарный или турбулентный; коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенам трубы, если средняя скорость воздуха 1,0 м/с, температура воздуха на входе 150 ^оС, на выходе 50 ^оС, и средняя температура стенки 40^оС.

6. Определить коэффициент теплоотдачи и количество сконденсировавшегося насыщенного водного пара при давлении 0,4 МПа и степени сухости 0,7 на поверхности вертикальной трубы высотой 1,5 и наружным диаметром 65 мм, температура поверхности трубы 55 ^оС.

7. По условиям эксплуатации температура горизонтали нихромового неизолированного провода, у которого диаметр 1мм, не должна превышать 600 ^оС. Определить максимальную допустимую силу тока, если температура воздуха 30 ^оС, удельное электрическое сопротивление 1,2 Ом мм²/м, степень черноты 0,95. Провод охлаждается за счет свободной конвекции и излучения.

8. Определить коэффициент теплоотдачи от трубы к воздуху, если температура ее наружной поверхности 80 ^оС, температура воздуха 36 ^оС, скорость воздуха 17м/с. Наружный диаметр трубы 6,5 мм.

9. В котельной проложены два горизонтальных паропровода диаметром 50 мм² и 150мм. Оба паропровода имеют одинаковую температуру поверхности 450 ^оС. Температура окружаемого воздуха 50 ^оС. Паропроводы проложены друг от друга на расстоянии, исключающим взаимные тепловое влияние. Найти отношение коэффициентов теплоотдачи и потерь теплоты с 1м паропроводов. Паропроводы покрыли теплоизоляцией с наружным диаметром первого паропровода 100мм и второго 350 мм, после чего на их наружных поверхностях установилась температура 70 ^оС. Температура наружного воздуха при этом осталась насыщенной.Найти отношения коэффициентов теплоотдачи и потерь теплоты с 1м паропроводов в новых условиях.

10. Медный шинопровод круглого сечения диаметром 15мм поперечным потоком воздуха. Скорость и температура набегающего потока воздуха равны соответственно 1м/с и 20 ^оС. Вычислить коэффициент теплоотдачи от поверхности шинопровода к воздуху и допустимую силу тока в шинопроводе при условии, что температура на его поверхности не должна превышать 80 ^оС. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 Ом.мм²/м .

11. Сравнить коэффициенты теплоотдачи от стенок трубы к воздуху:

а) при движении воздуха внутри длиной трубы внутренним диаметром 50 мм;

б) при внешнем поперечном обтекании одиночной трубы наружным диаметром 50 мм; сравнение произвести для скоростей воздуха 5, 10,20 и 50м/с. Среднюю температуру воздуха во всех случаях принять равной 50 ^оС.

12. Труба с внешним диаметром 25 мм охлаждается потоком трансформаторного масла. Скорость движения воздуха и средняя температура масла равны соответственно 1 м/с и 20 ^оС. Определить, какую температуру трубы поверхности трубы следует поддерживать, чтобы плотность теплового потока составляла 4,5∙10⁴ Вт/м², и каково при этом будет значение коэффициента теплоотдачи?

13. Сравнить значение коэффициентов теплоотдачи при поперечном обтекании трубки диаметром 8мм водой и маслом МС. Сравнение произвести при одинаковых скоростях и средних температурах жидкостей, равных соответственно 2 м/с и 70 ^оС при температуре поверхности трубы 90 ^оС. Определить также, как изменяется значение коэффициентов теплоотдачи для воды и масла, если при тех же средней температуре жидкость и температурном напоре производиться охлаждение жидкости (температура жидкости 70 ^оС и температура поверхности стенки 50 ^оС).

14. Вычислить потери теплоты в единицу времени с 1м² поверхности горизонтального теплообменника, корпус которого имеет цилиндрическую форму диаметром 400мм и охлаждается свободным потоком воздуха. Температура поверхности теплообменника 200^оС и температура воздуха в помещении 70 ^оС Вычислить также снижение тепловых потерь в случае, если корпус теплообменника будет покрыт слоем изоляции толщиной 50 мм. Коэффициент теплопроводности изоляции 0,04 Вт/(м∙К)

15. На поверхности вертикальной трубы высотой 3м происходит пленочная конденсация сухого насыщенного водного пара. Давление пара 2,5∙10⁵.Па. Температура поверхности трубы 123 ^оС. Определить толщину пленки конденсата и значение местного коэффициента теплоотдача в зависимости от расстояния от верхнего конца трубы. Расчет произвести для расстояний, равных 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0; 2,0; и 3,0м. Построить график изменений толщины пленки конденсата и местного коэффициента теплоотдачи по высоте трубы.

16. Какую температуру стенки необходимо обеспечить, чтобы при пленочной конденсации сухого насыщенного водяного пара на поверхности горизонтальной трубы диаметром 16 мм и длиной 2,4 м конденсировалось 6,5∙10^-3 кг/с пара. Давление пара 0,5 мПа. Определить также значение коэффициента температуры в этих условиях.

17. Паропровод наружным диаметром 200мм расположены в большом помещении с температурой воздуха 30 ^оС. Температура поверхности 400 ^оС. Определить тепловые потери с единицы длины паропровода за счет излучения и конвекции. Степень черноты поверхности паропровода равны 0,8. Температуру стен помещения можно принять равной температуре воздуха 30 ^оС. Найти также соответствующие тепловые потери при температуре паропровода 200 ^оС.

18. Рассчитать полный тепловой поток и суммарный коэффициент теплоотдачи от трубопровода наружным диаметром 0,1м, длиной 10. температура стенки 85 ^оС, использованного для отопления гаража, температура воздуха в котором 20 ^оС, а стен 15 ^оС.

19. На поверхности горизонтальной латунной трубы внутренним диаметром 18мм, стенка 1мм, конденсирует сухой насыщенный пар с давлением 2,4∙10⁵ Па. Внутри трубки протекает охлаждающая вода. Расход и средняя температура воды равны соответственно 400 кг/ч и 40 ^оС. Определить количество пара, конденсирующего за 1ч на 1м поверхности трубы, кг/м∙ч.

20. Рассчитать пароводяной подогреватель для следующих условий: тепловая мощность 6 МВт. Подогреватель трубчатый с горизонтальным расположением труб: внутренний диаметр труб 16мм, стенка 1мм, материал- латунь с коэффициентом теплопроводности 100 Вт/(м∙К). Температура входа и выхода воды, текущей по трубам соответственно 60 и 100 ^оС. Скорость движения воды 1,2 м/с. Давление греющего пара в межтрубном пространстве 0,18 МПа.

21. По горизонтальному стальному трубопроводу внутренним диаметром 50 мм, стенка 3,5 мм движется вода со скоростью 0,15 м/с. Средняя температура воды 100 ^оС. Трубопровод изолирован асбестом, наружный диаметр изоляции 89мм. Коэффициенты теплопроводности для стали 46Вт/(м∙К) и для асбеста 0,116Вт/(м∙К) Определить также температуру поверхностей трубопровода и изоляции.

22. Трубчатый воздухоподогреватель предполагается выполнить из труб наружным диаметром 38 мм, расположенным в коридорном порядке с поперечным и продольными шагами равным 2,5 от наружного диаметра. Число труб в одном ряду поперек потока выбрать 8, число рядов 5. Температура воздуха, поступающего в подогреватель и на выходе из него соответственно равны 80 и 150^оС. Какой длины должны быть трубы, чтобы при скорости воздуха в узком сечении пучка труб 10м/с, количество теплоты, передаваемой воздуху, составляло 125кВт.

23. Водяной пар под давлением 0,25 МПа поступает в вертикальную секцию водонагревателя и используется для нагрева воды, текущей в трубах от температуры 70 ^оС до температуры 110 ^оС. Расход воды 180 т/ч, мощность труб – латунь с коэффициентом теплопроводности 110 Вт/(м∙К).Необходимо определить требуемый расход пара и поверхность водонагревателя, если внутренний диаметр трубы 18мм, стенка 1,0 мм.

24. Определить площадь поверхности нагрева экономайзера парового котла, нагреваемого 230т/ч воды от температуры 160 ^оС до температуры 300 ^оС. Вода движется снизу вверх по стальным трубкам (коэффициент теплопроводности 22Вт/(м∙К))диаметром 44 мм, стенка 3,5 мм со скоростью 0,6 м/с.

Дымовые газы (13% СО₂ и 11% Н₂О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении пучка 13м/с. Расход газов 500т/ч температура газов на входе в экономайзер 800 ^оС. Расположение труб шахматное.

25. Выполнить тепловой расчет по определению поверхности теплообмена пароперегревателя парового котла паропроизводительностью 230т/ч при давлении 9,8МПа и температуре перегрева 510 ^оС. В паронагреватель поступает сухой насыщенный водяной пар. Пар движется по стальным трубкам диаметром 28 мм, стенка 2мм (коэффициент теплопроводности 22 Вт/(м∙К) со средней скоростью 17м/с.

Дымовые газы (13% СО₂, 11% Н₂О)в количестве 500 т/ч движутся поперек трубного пучка с коридорным расположением труб. Температура газов на входе 1100 ^оС, средняя скорость газов в узком сечении пучка 14м/с.

26. Определить поверхность нагрева прямоточного и противоточного воздуха подогревателя, смываемого дымовыми газами (13% СО₂ и 11% Н₂О). Температура воздуха на входе 30 ^оС и на выходе 200 ^оС. Количество подогреваемого воздуха 6000м³/ч. Температура дымовых газов до воздухоподогревателя и после него соответственно 510 и 320 ^оС. Скорость воздуха в трубах воздухоподогревателя 25 м/с. Внутренний диаметр труб 50мм, стенка 3,0 мм, расположение труб коридорное. Скорость дымовых газов в узком сечении пучка труб 15м/с.

27. Плоская стальная стенка парового котла толщиной 25 мм и длиной 5 м омываемый с одной стороны дымовыми газами(13% СО₂ и 11% Н₂О) с температурой 1000 ^оС, а с другой кипящей водой с температурой 190 ^оС. Стенка покрыта слоем накипи 1,5 мм. Коэффициент теплопроводности стали 40Вт(м∙К), накипи 1,0 Вт/м∙К. Определить удельный тепловой поток и температуру стенки накипи, если скорость натекания газов на стенку 20м/с, а коэффициент теплоотдачи от стенки к воде 4500Вт/(м²∙К.)

28. Определить поверхность нагрева воздушного подогревателя с противотоком при продольном обтекании труб. Стальные трубы внутренним диаметром 18мм, стенка 1мм, коэффициент теплопроводности 50 Вт/(м∙К). Расстояние между трубами 30* 34 мм. Расход движущегося по трубе воздуха 54 кг/с, давление 0,4 МПа, температура на входе 180 ^оС и на выходе 380 ^оС. Расход продуктов сгорания (13% СО₂ и 11% Н₂О) обтекающих труб 50кг/с. Начальная температура газов 430 ^оС их давление 0,11 МПа. Средняя скорость газа 17 м/с, воздуха 22м/с.

29. В секционном теплообменнике также «труба в трубе» горячее трансформаторное масло охлаждается водой. Трансформаторное масло движется по внутренней латунной трубе диаметром 12 мм, стенка 1мм, коэффициент теплопроводности латуни 120 Вт/(м∙К.) со скоростью 4м/с. Температура масла на входе в теплообменник 100 ^оС. Вода движется по кольцевому зазору противотоком по отношению к маслу со скоростью 2,5 м/с, ее температура на входе 20 ^оС. Внутренний диаметр внешней трубы 22мм. Определить общую длину теплообменной поверхности, при которой температура масла на выходе будет 60 ^оС.

30. Теплообменник «воздух-вода» охлаждает 250м³/мин сжатого воздуха под давлением 0,9 МПа начальная температура воздуха 135 ^оС, конечная 35 ^оС. Охлаждаемая среда – вода, которая с начальной температурой 20 ^оС движется по латунным трубкам с внутренним диаметром 12 мм, стенка 1мм, коэффициент теплопроводности латуни 110 Вт/(м∙К). Расход воды 40 м³/ч. Поток воздуха движется в межтрубном пространстве шахматного пучка труб с наименьшим расстоянием между соседними трубками 18мм. Длина труб в теплообменном пучке 2 м. Определить поверхность нагрева воздухоохладителя.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: