23 Конвективный теплообмен

23.1 Определить погонный тепловой поток от горизонтально расположенной трубы длиной 1 м, охлаждаемой свободным потоком воздуха. Температура стенки трубы tc, температура воздуха в помещении tв, а диаметр трубы d. Лучистым теплообменом пренебречь.

Как изменится этот поток, если трубу расположить вертикально?

Данные для решения задачи выбрать из табл.7.

Таблица 7

Последняя
цифра шифра
d, ммПредпоследняя
цифра шифра
tc, ºСtв, ºС
936091600

Ответ: qг=109 Вт/м,  qв=156 Вт/м.

Варианты задачи: 43.


23.2 Поверхность нагрева состоит из плоской стальной стенки толщиной δ. По одну сторону стенки движется горячая вода, средняя температура которой tж1, по другую — вода со средней температурой tж2 или воздух, средняя температура которого tв2. Определить для обоих случаев плотность теплового потока q(Вт/м²) и коэффициент теплопередачи, а также значения температур на обоих поверхностях стенки. Найти изменение удельного теплового потока Δq для первого случая, если с каждой стороны стальной стенки появится накипь толщиной 1 мм .

Коэффициенты теплопроводности стали λст=45 Вт/(м·К), а накипи λнак=0,6 Вт/(м·К). Коэффициенты теплоотдачи для горячей воды к стенке для обоих случаев αж1, от стенки к воде αж2, а от стенки к воздуху αв2.

Параметры выбрать из таблицы 1.

Таблица 1

δ, ммtж1, ºСtж2, ºСtв2, ºСαж1, Вт/(м2•К)αж2, Вт/(м2•К)αв2, Вт/(м2•К)
812050302100105022

Ответ: k=623 Вт/(м²·К), k′=22 Вт/(м²·К), q=43610 Вт/м², q′=1980 Вт/м², tст1=99,2ºС, tст2=91,5ºС, t′ст1=119,1ºС, t′ст2=112,0ºС, kнак=306 Вт/(м²·К), qнак=21420 Вт/м², tнакст1=109,8ºС, tнакст2=70,4ºС, tст1-tст2=7,6ºС, tнакст1-tнакст2=75,2ºС.


23.3 Определить потери теплоты за 1 час с 1 м длины горизонтально расположенной цилиндрической трубы, охлаждаемой свободным потоком воздуха, если известны наружный диаметр d трубы, температура стенки трубы tст и температура воздуха tв в помещении. При расчете коэффициента теплоотдачи учесть лучистую составляющую. Данные для расчетов взять из таблицы 3.3.

Контрольный вопрос. Какими основными безразмерными числами (критериями) подобия определяется конвективная теплоотдача и каков физический смысл этих чисел подобия?

Таблица 3.3 – Исходные данные для задачи 3 

Сумма двух последних цифр шифраd, ммtст, ºСtв, ºС
010038-10

Варианты задачи: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.

Методические указания


23.4 Определить средний коэффициент теплоотдачи и количество передаваемой теплоты в воздухонагревателе, состоящем из z1 рядов с числом труб z2 в каждом ряду, расположенных в шахматном порядке. Поток воздуха омывает этот пучок под углом атаки φ со скоростью в наиболее узком сечении ω. Диаметр и длина труб dн и l, поперечный и продольный шаги трубного пучка S1 и S2. Средняя температура воздуха tж и средняя температура поверхности труб tc. Как изменятся коэффициент теплоотдачи и количество передаваемой теплоты, если трубы в пучке расположить коридорно?

Таблица 1 — Исходные данные

z1z2φ, ºω, м/cdн, мм
812802050

Продолжение таблицы 1

l, мS1, ммS2, ммtж, ºСtс, ºС
29078400200

Ответ: α=168 Вт/(м²·К), если трубы в пучке расположить коридорно коэффициент теплоотдачи и количество передаваемой теплоты увеличатся.


23.5 (Вариант б) Определить потери теплоты паропроводом (наружный диаметр d, длина l) при движении по нему насыщенного водяного пара давлением p. Для изоляции паропровода имеется МА, кг материала А и МБ, кг материала Б. Как изменятся тепловые потери, если слой изоляции поменять местами? При расчете температуру паропровода можно принять равной температуре пара, температуру наружной поверхности изоляции tиз=45…50 ºС.

Таблица 1 – Исходные данные

d, мl, мр, МПаМА, кгМатериал АМБ, кгМатериал Б
0,183152,0141Совелит300Новоазбозурит

Ответ: ql=180 Вт/м, при замене слоев изоляции местами потери паропровода возрастут.


23.6 Плоская тонкая пластина длиной l=2,5 м омывается потоком воздуха со скоростью ωк при температуре tf. Определить характер пограничного слоя и его толщину δ на расстоянии от передней кромки пластины x=0,2l; x=0,5l и x=l.

Таблица 7 – Исходные данные

Предпоследняя цифра учебного шифра ωх, м/ctf, ºC
6845

Ответ: турбулентный, δ1=0,0114 м, δ2=0,0284 м, δ3=0,0568 м.


23.7 (Вариант 00) Определить потери теплоты в единицу времени с 1 м длины горизонтально расположенной цилиндрической трубы, охлаждаемой свободным потоком воздуха, если температура стенки трубы tc, температура воздуха в помещении tв, а диаметр трубы d. Степень черноты трубы Ес=0,9. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 8.

Таблица 8 

d, ммtc, ºСtв, ºС
22015015

Ответ: q=1492 Вт/м.

Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 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, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.

Методические указания


23.8 (Вариант 24) Расчет переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью

В резервуаре диаметром d и высотой h хранится нефть при температуре tж1, снаружи резервуар омывается воздухом с температурой tж2. Резервуар выполнен из стали толщиной стен δс=25 мм, коэффициент теплопроводности стали λс=45,4 Вт/(м·К). Со стороны нефти на стенке и на крышке резервуара имеется слой парафина толщиной δп, коэффициент теплопроводности парафина λп=0,12 Вт/(м·К).

Определить количество теплоты, которое передается от нефти к воздуху за сутки через боковую поверхность и крышку резервуара, и температуры наружной и внутренней поверхностей резервуара, а также на поверхности парафина.

Построить график изменения температуры, в стенке резервуара и в слое парафина.

Данные, необходимые для решения, выбрать из таблицы 7.

Таблица 7 

δп, ммd, ммh, мtж1, ºСtж2, ºСα1, Вт/(м2·К)α2, Вт/(м2·К)
4019670-1080020

Варианты задачи: 11, 12.


23.9 (Вариант 24) Расчет процесса переноса теплоты конвекцией и излучением

Определить потери теплоты излучением и свободной конвекцией с 1 м длины горизонтального нефтепровода, проложенного над землей.

Известны наружный диаметр нефтепровода d, температура наружной поверхности нефтепровода tc, температура окружающего воздуха tж, коэффициент теплового излучения поверхности трубы ε.

Теплофизические свойства воздуха приведены в приложении, таблица 2. Данные для решения задачи приведены в таблице 8.

Таблица 8 

d, ммtc, ºСtж, ºСε
28070-300,80

Ответ: Q=7535 Вт.

Варианты задачи: 11, 21.


23.10 По трубе с внутренним диаметром d=50 мм течет вода со средней скоростью ω. Средняя температура воды tж, температура стенки трубы tст постоянна. Определить среднее значение коэффициента теплоотдачи и количество передаваемого в единицу времени тепла (линейную плотность теплового потока, Вт/м), если относительная длина трубы l/d=100.

Таблица 2 – Числовые данные к задачам контрольной работы №2 

Предпоследняя цифра шифраω, м/ctж, ºСtст, ºС
10,470100

Ответ: αк=2569 Вт/(м²·К), ql=12,1 кВт/м.

Варианты задачи: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0.

Методические указания