Техническая термодинамика. Основы теплопередачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ИРГУПС)

Кафедра:

Дисциплина: Термодинамика и теплопередача

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема: «Техническая термодинамика. Основы теплопередачи»

Выполнил :студент V курса

Группы : В-09-3-2

Шифр:1032029

Проверил: к.п.н. доцент

А.С. Матвиенко

Иркутск 2014

1. Дайте определение коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим его способность проводить теплоту.

Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящему в единицу времени через единицу изотермической поверхности при условии gradt=1. Его размерность Вт/(м·К). Значения коэффициента теплопроводности для различных веществ определяются из справочных таблиц, построенных на основании экспериментальных данных. Для большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры приближенно можно выразить в виде линейной функции

где л₀ -- значение коэффициента теплопроводности при температуре t₀=0 ⁰С; b -- постоянная, определяемая опытным путем.

Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Согласно закону Ньютона (1643-1771 г.г.) и Рихмана (1711-1753 г.г.) тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена Fи разности температур поверхности и жидкости (t_w - t_f):

Q = бF(t_w - t_f).

В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q(от стенки к жидкости или наоборот) значение его принято считать положительным, поэтому разность (t_w - t_f)берут по абсолютной величине.

Строго говоря, выражение справедливо лишь для дифференциально малого участка поверхности dF, поскольку коэффициент теплоотдачи может быть не одинаковым в разных точках поверхности тела.

Коэффициент пропорциональности бназывается коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Вт/(м²·К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.

Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Qи разность температур Дt = (t_w - t_f) в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле (16) рассчитывают б. При проектировании теплообменных аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений Q,Fили Дt. При этом б находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов.

Коэффициент теплопередачи (k) - это количественная характеристика, определяющая количество тепла, передаваемое от нагревающего потока к нагреваемому в единицу времени через единицу поверхности плоской стенки при разности температур в 1°С.

Величина k называется коэффициентом теплопередачи, который выражает количество теплоты, проходящее через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между горячей холодной и горячей жидкостью, равной 1К (размерность Вт/(м²·К)). Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи

2.Изобразите графики изменения температур греющего и нагреваемого теплоносителей в прямоточном и противоточном рекуперативных теплообменниках при следующих соотношениях теплоемкостей массовых расходов (водяных эквивалентов)теплоносителей:

W₁>W₂ ; W₁<W₂; W₁=W₂

Соотношение между величинами условных эквивалентов горячего и холодного теплоносителей определяет наклон температурных кривых на графиках изменения температур. Например, если W₁ = 2W₂, тоизменение -температуры холодного теплоносителя будет вдвое больше изменения температуры горячего теплоносителя.

Если по оси абсцисс откладывать значения поверхности аппарата, а по оси ординат -- значения температур в различных точках поверхности, то для аппаратов с прямотоком можно дать температурные графики, представленные на рис. 1. теплопроводность теплообменник температура

Для аппаратов с противотоком (рис. 2) верхние кривые показывают изменение температуры горячего теплоносителя, нижние -- холодного.

Как видно из рис. 1, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис. 2) конечная температура холодного теплоносителя может быть значительно выше конечной температуры горячего теплоносителя. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодный теплоноситель, при одинаковыхначальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между рабочими жидкостями, или температурный напор Дt

Задачи

Задача №5

Теплообменная поверхность рекуперативного теплообменника для охлаждения масла выполнена из нержавеющих трубок с внутренним диаметрам d=20мм и толщиной стенки 2.5мм [ 20Вт/(м ·К)]. Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого масла к внутренней поверхности трубок - б₁ , а от наружной поверхности трубок к охлаждающей воде - б₂ . Определить линейный коэффициент теплопередачи k₁ Вт/(м·К). Во сколько раз следует увеличить коэффициент теплоотдачи б₁, чтобы при прочих неизменных условиях коэффициент теплопередачи повысился на 35%? Возможно ли такое повышение коэффициента теплопередачи путем увеличения коэффициента теплоотдачи б₂. при б₁ =0,20 кВт/(м² ·К), б ₂=2,0 кВт/(м² ·К)

Решение:

Наружный диаметр трубы: d₂ = d₁ + д_c = 20 + 2,5 = 22,5 мм,

Линейный коэффициент теплопередачи:

k₁=

Для того увеличить коэффициент теплопередачи повысился на 35%, нужно увеличить коэффициент теплоотдачи б₁ в 2 раза:

₃ =

Возможно ли такое повышение коэффициента теплопередачи путем увеличения коэффициента теплоотдачи б₂: да

Задача №9

По голому алюминиевому проводу диаметром d=7 мм течет ток I . Какую температуру t_ст будет иметь поверхность провода при температуре окружающего воздуха t_в , если коэффициент теплоотдачи к окружающему воздуху определяется соотношением: =2,8(t_ст- t_в)^0.25, Вт/(мІ*К), а активное электрическое сопротивление провода r_l=8.4*10^-4Ом/м? Какова при этом линейная плотность теплового потока? при I=230 A, t_в=5^о С.

Решение:

Тепловой поток с одного погонного метра провода за счет выделения джоулева тепла при протекании тока равен, Вт/м

q:= I_a*r= 230*8,4*10^-4=0,193

Тепловой поток отводимый с одного погонного метра провода за счет конвективного теплообмена равен:

q= t_ст-t_в)d

Подставляя коэффициент теплоотдачи получаем:

q= 2,8 t_ст-t_в)²d

Отсюда:

t_ст= t_и+ (= 5+=6,772

Задача№15

Для пропарки котла цистерны используют насыщенный водяной пар. После достижения установившегося теплового режима средняя температура наружной поверхности котла цистерны стала равной t_c= 80°С, а средняя температура пара внутри котла t₁=100°С. Температура вытекающего конденсата t=95°С. Определить расход сухого пара D , который показывает паромер, установленный на подводящем паропроводе, если абсолютное давление перед паромером соответствует давлению котлоагрегата p=0.6 МПа. Температура окружающего воздуха t_в . Расчетная площадь поверхности теплообмена цистерны F=100мІ, коэффициент теплоотдачи от ее наружной поверхности к воздуху ₂ . Какую долю от общего термического сопротивления теплопередачи составляет термическое сопротивление стенок котла, если средняя толщина стенок 10 мм, а коэффициент теплопроводности 50Вт/(м*К)? при t_в=13^оС, ₂=9,5 Вт/(м²*К)

Решение:

Тепловой поток отдаваемый в окружающую среду, Вт

Q=₂(t_c-t_в)F= 9,5(80-13)*100=6,37*10⁴

Этальпия греющего пара на входе в цистерну при давлении насыщения 0,6 Мпа и степени сухости х=1 Кдж/кг

Пароводяная смесь

Энтальпия конденсата на выходе из цистерны при температуре насыщения 95^оС и степени сухости х=0 (вода), кДж/кг

h₂=398

Тогда расход пара равен, кг/с

D₀= = = 0,027

Термическое сопротивление стенки равно, (м²*К)/Вт

r_c= = = 2*10^-4

Доля термического сопротивления стенки а термическом сопротивлении теплопередачи равно:

= = = 1,376 *10^-3

Задача№ 23

Определить требуемые площади поверхностей прямоточного и противоточного теплообменников для охлаждения масла в количестве

G_м=93кг/с от t_м'=65^oС доt_м=55^оС. Расход охлаждающей воды G_w= 0.55кг/с, а ее температура на входе в теплообменник - t'_w . Расчетный коэффициент теплопередачи - k. Теплоемкость маслаC_м= 2.5кДж/(кг*К). Теплоемкость воды С_w=4.19кДж/(кг*К). Изобразить графики изменения температур воды и масла в теплообменнике. при t'_w=25^oC, k=180 Вт/(м²*K)

Решение:

Количество тепла, отданное маслом в теплообменнике:

Q = G_М ·C_М·( t'_м ґ - t''_м ґ ),

где G_М - расход масла, кг/с;

С _р - теплоёмкость масла;

t'_м ґ - температура масла на входе в теплообменник;

t''_м ґ ), ґ - температура масла на выходе из теплообменника.

Q = 0,93·2,5·(65 - 55) = 23,25кВт.

Температура воды на выходе из теплообменника:

Q = GВ ·CВ·(t''_в - t'_в) > t''_в = t'_в + Q/(GВ ·CВ) = 25 + 23,25/(0,55·4,19) = 34⁰С.

Поверхность нагрева теплообменника определяется из уравнения теплопередачи:

Q = k·F·?t, г

де Q - количество тепла, отданное теплоносителем в теплообменнике;

k - коэффициент теплопередачи;

F - площадь поверхности теплообмена;

? t - средний температурный напор.

?t = (?t _б - ?t _м ) / ln(?t _б / ?t _м ),

где ?t _б , ?t _м - большая и меньшая разность температур на концах теплообменника.

Определим средний температурный напор для прямоточной схемы движения теплоносителей:

? t_б = t' _M ґ - t' _B ґ = 65 - 25 = 40 ⁰ C;

? t_м = t'' _M ґґ - t'' _B ґ = 55 - 34 = 21 ⁰ C;

? t = (40 - 21) / ln(40/21) = 29 ⁰ C.

Тогда площадь поверхности теплообменника при прямоточной схеме движения теплоносителей:

F= Q/(k·?t) = 23250/(180·29) = 4,5 м ² .

Определим средний температурный напор для противоточной схемы движения теплоносителей:

? t_б = t' M ґ - t'' B ґ = 65 - 34 = 31 ⁰ C;

? t_м = t'' M ґґ - t' B ґ = 55 - 25 = 30 ⁰ C;

?t = (31 - 30) / ln(31/30) = 30°С.

Тогда площадь поверхности теплообменника при противоточной схеме движения теплоносителей: F= Q/( k·? t) = 23250/(180·30) = 4,3 м 2.

График изменения температур теплоносителей: а - противоток ; б - прямоток

Размещено на Allbest.ru