6
Циклы ДВС (двигателей внутреннего сгорания).
Циклы ГТУ (газотурбинных установок) и их анализ. Циклы паросиловых установок. Цикл ПСУ Ренкина и его исследование в P-V и T-S координатах. Пути повышения экономичности ПСУ. Основы теплофикации.
Цикл паровой компрессорной холодильной установки, его анализ в T-S координатах. Холодильный коэффициент.
ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА
Тема 8 Основные виды теплообмена. Основные понятия.
Тема 9 Теплопроводность. Понятие о температурном поле, температурном
градиенте, тепловом потоке. Уравнение Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность плоских и цилиндрических стенок.
Тема 10 Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент
теплоотдачи. Факторы, оказывающие влияние на процесс теплоотдачи. Теплоотдача в свободном пространстве, при движении жидкости в каналах, при кипении жидкости и конденсации пара.
Тема 11 Лучистый теплообмен. Законы лучистого теплообмена. Лучистый
теплообмен между телами.
Тема 12 Процессы теплопередачи. Уравнение теплопередачи. Коэффициент
теплопередачи. Теплопередачи через плоские и цилиндрические стенки. Интенсификация процесса теплопередачи. Тепловая изоляция.
Тема 13 Виды теплообменных аппаратов. Тепловой расчет рекуперативных
теплообменников.
7
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР № 1
Теплопроводность при стационарном режиме
Электрический нагреватель выполнен из нихромовой проволоки диаметром d=2r=2 мм длиной l=10 м.
Нагреватель обдувается холодным воздухом с температурой tж=200 C. Вычислить тепловой поток с 1 пог. м нагревателя, а также температуры
на поверхности и на оси проволоки, если сила тока, проходящего через нагреватель, составляет 25 a. Удельное электрическое сопротивление нихрома ρ = 1,1 ом мм2/м; коэффициент теплопроводимости λ=15 ккал/м • ч•град и коэффициент теплоотдачи от поверхности нагревателя к воздуху ά =40
ккал/м2•ч•град.
Ответ
ql = 188,5 ккал/м • ч; температура на оси проволоки t0=772 0С, температура на поверхности проволоки tc = 771 0C.
Решение
Электрическое сопротивление нагревателя
R = ρl |
= 1,1•10 =3,5 Ом. |
πr2 |
3,14•1 |
Количество тепла, выделяемое нагревателем,
Q= 0,86I2R =0,86•252•3,5 =1885 ккал/ч,
тепловой поток на 1 пог. м проволоки
q = Q/l=1885/10=188,5 ккал/ч.
Температура поверхности проволоки определяется из условий теплоотдачи:
tc=tж+ql / πdά=20+188,5 /3,14•0,002•40=771 0C.
Температура на оси проволоки определяется из условий теплопроводности при наличии внутренних источников тепла:
t0=tc+ql /4πλ=771+ 188,5/4•3,14•15=772 0C.
8
Решение задачи с помощью ЭВМ
10 REM Ввод начальных условий задачи
15 PI=3.14
20 Print «Введите диаметр d проволоки-»; : Input d 30 Print «Введите длину l проволоки-»; : Input l
40 Print «Введите температуру tg воздуха-охладителя -»; : Input tg
50 Print «Введите силу тока I проходящего по проводу-»; : Input I
60 Print «Введите удельное сопротивление ro материал а проволоки»; : Input ro
70 Print «Введите коэффициент теплопроводности lmb проволоки- »; : Input lmb
80 Print «Введите коэффициент теплоотдачи al-»; : Input al 90 REM Расчёт искомых результатов
100 R=ro*l/(PI*(d/2)^2): Q=0.86*(I^2)*R: q=Q/l
110 tp=tg+q/(4*PI*lmb*d*al)
120 to=tp+q/(4*PI*lmb)
130 Print “Тепловой поток на 1 пог. м»; q
140 Print “Температура на поверхности проволоки»; tp
150 Print “Температура на оси проволоки»; to
ПРИМЕР № 2
Теплоотдача при свободном движении жидкости
Определить коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока q ккал/м2 •ч через вертикальную щель толщиной δ=20 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности tс1=2000 С и холодной tc2=800 C
Ответ
λэ= 6,43 • 10-2 ккал/м • ч • град; q = 386 ккал/м2 • ч.
Решение
Эквивалентный коэффициент теплопроводности может быть вычислен по формуле
λэ = λэк ,
где λ – действительная теплопроводность жидкости;
9
εк – коэффициент конвекции, являющийся функцией (GrPr)ж, может быть приближенно вычислен по формуле
εк= 0,18(GrPr)0,25ж.
Здесь все физические параметры, входящие в критерии, выбираются при определяющей температуре
tж = 0,5 (tc1+tc2).
За определяющий размер принимается ширина щели δ; расчетная разность температур принимается
t=tc1 – tc2
Врассматриваемом случае tж= 0,5 (200+80)=140 0С. При этой
температуре
νж = 27,8 • 10-6м2/сек;
λж = 3,0 • 10-2 ккал/м•ч•град;
Prж=0,684; βж=1/tж+273=1/413 1/град.
Вычисляем произведение
(GrPr)ж = gβж (tc1 - tc2)δ3 /ν2ж Pr =9,81 • 120(2•10-2)3/413(27,8• 10-6)2 • 0,684=2,02•104.
Коэффициент конвекции
εк = 0,18 (2,02 • 104)0,25 = 2,14.
Тогда
λэ = 3 •10-2 • 2,14 = 6,43 • 10-2 ккал/м•ч•град.
Плотность теплового потока через воздушную прослойку
q = λэ/δ(tc1 – tc2) = 6,43•10-2/2•10-2 • 120 = 386 ккал/м2 • ч.
ПРИМЕР № 3
Теплопередача и гидравлическое сопротивление при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах
По каналу квадратного сечения, сторона которого a = 10 мм и длина l = 1600 мм, протекает вода со скоростью w = 4 м/сек. Вычислить коэффициент теплоотдачи от стенки канала к воде, если средняя по длине температура воды tж = 40 0С, а температура внутренней поверхности канала tc = 90 0C.
10
Ответ
α = 17400 ккал/м2 • ч •град
Решение
При средней температуре tж = 40 0С физические параметры воды равны соответственно:
νж = 0,659 • 10-6 м2/сек; λж = 0,545 ккал/м • ч •град; Prж = 4,3. При tc = 90 0C Prc = 1,95.
Эквивалентный диаметр канала
dэ = 4f / u = 4•10-4 / 4•10-2 =0,01 м,
где f – площадь поперечного сечения канала, м2; u – полный периметр канала, м.
Критерий Рейнольдса
Reж=wdэ/νж = 4•0,01/0,659 •106 = 6,07•104 >1•104;
Режим движения – турбулентный.
Для жидкостей с числами Pr ≥ 0,7 теплоотдача при турбулентном течении в каналах некруглого сечения может быть рассчитана по формуле с введением в
качестве определяющего размера эквивалентного диаметра. Следовательно,
Nuж = 0,021 Reж 0,8•Prж0,43 (Prж / Prc )0,25=0,021(6,07•104)0,8•4,30,43(4,3/1,95)0,25 = 320
и коэффициент теплоотдачи
α=Nu λж/d =320• 0,545/0,01=17400 ккал/м2 • ч •град
ПРИМЕР № 4
Теплоотдача при внешнем обтекании тел
Тонкая пластина длиной l0 = 2 м и шириной а = 1,5 м обтекается продольным потоком воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны соответственно w0 =3 м/сек; t0= 20 0C.
Температура поверхности пластины равна tc= 90 0C. Определить средний по длине коэффициент теплоотдачи и количество тепла, отдаваемое пластиной воздуху.
Ответ
α = 4,18 ккал/м2 • ч •град; Q = 1760 ккал/ ч.