Тема 5. Теплообмен при течении в трубах

Задача №1. С какой скоростью следует прокачивать воду, имеющую среднюю арифметическую температуру 150 °С, по трубе d = 20 мм и l = 2,3 м, чтобы при турбулентном режиме течения и средней температуре внутренней поверхности трубы 170 °С количество отводимой теплоты было равно 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20 кВт? Определить также температуры воды на входе и выходе из трубы. При расчете учесть, что коэффициент теплоотдачи относится к среднеарифметической разности температур между стенкой и жидкостью.

Задача №2. Вода с температурой 30 °С поступает в трубу с диаметром 12 мм и длиной 2,2 м. Определить температуру воды на выходе из трубы, если расход воды равен 0,08; 0,09; 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60 кг/с и средняя температура внутренней поверхности трубы составляет 60 °С. Коэффициент теплоотдачи определен по среднеарифметической разности температур между стенкой и жидкостью.

Задача №3. По трубе с диаметром 10 мм протекает масло МК с расходом 120 кг/ч. Температура масла на входе 80 °С, на выходе 76 °С. Температура стенки 30 °С. Найти длину трубы.

Задача №4. Стальная труба (258×4мм, Ст. 20, λ = 40 Вт/(м∙К)) теплотрассы горячего водоснабжения длиной 50 м проложена через железнодорожные пути под эстакадой на открытом воздухе (t_в = 0 °С). На входе в этот участок теплотрассы температура воды равна 100 °С и скорость ее движения 0,05 м/c. Коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности трубы составляет при этом 20 Вт/(м²∙К). Вычислить температуру воды в конце указанного участка теплотрассы, а также средние по длине температуры воды и стенки трубы.

Задача №5. Температура натрия на входе в охлаждаемый канал диаметром 12 мм и l/d = 200 равна 200 °С, скорость его движения 3 м/c. Линейная плотность теплового потока на внутренней поверхности канала составляет 104 Вт/м. Вычислить значения температуры натрия и температуры теплоотдающей поверхности в выходном сечении.

Задача №6. Выполнить тепловой расчет канала (d = 10 мм, l = 2 м) ядерного реактора, по которому циркулирует вода (p = 15 МПа) со скоростью w = 3,5 м/c. Температура воды на входе в канал 200 °С, а линейная плотность теплового потока на внутренней его поверхности от входа до выхода изменяется по закону q_l(x/d) = 4104cos(π(x/l – l/2)) Вт/м. Вычислить и построить графики изменения по длине канала локальных значений линейной плотности теплового потока q_l (х), плотности теплового потока q_c (x), температур жидкости t_ж (x) и стенки t_с (x) при значениях х/l = 0; 1/6; 1/3; 1/2; 2/3; 5/6; 1. Найти координату (х и х/l) по длине канала, в которой температура стенки имеет максимальное значение, и определить эту температуру.

Тема 6.1. Теплообмен при поперечном обтекании труб и трубных пучков

Задача №1. Воздушный поток со скоростью 1 м/с и температурой 10 °С обдувает электропровод диаметром 5 мм под углом атаки 60 °С. Найти коэффициент теплоотдачи и силу тока в проводе, если удельное электросопротивление провода 0,15×10-6 Ом∙м, а температура на поверхности 90 °С.

Задача №2. Используя условие задачи №1, определить, как изменятся коэффициент теплоотдачи и сила тока, если: 1) увеличить скорость воздуха в 4 раза; 2) увеличить диаметр провода в 4 раза; 3) увеличить давление воздуха в 6 раз.

Задача №3. Вычислить коэффициент теплоотдачи от трубы к воздуху для двух случаев: 1) воздух движется в длинной трубе внутренним диаметром 40 мм; 2) воздух омывает трубу снаружи в поперечном направлении, внешний диаметр трубы 40 мм. Для обоих случаев температура воздуха 60 °С, скорости воздуха принять равными 5, 12, 20 и 28 м/с. Построить графики зависимости α = f (w) для продольного и поперечного потоков воздуха.

Задача №4. Ртутный термометр для измерения температуры воздуха, движущегося в трубе со скоростью 5 м/с, расположен под углом 60° к направлению потока. Среднемассовая температура воздуха в трубе 100 °С, температура термометра в месте, где он проходит через стенку трубы, 60 °С. Наружный диаметр термометра 5 мм, толщина стенок стеклянной колбы 1 мм. Оценить погрешность в показаниях термометра за счет отвода теплоты вдоль его стенок, если длина погруженной части термометра в поток 50 мм.

Задача №5. Электропровод из алюминия (ρ_эл = 2,66×10^-8 Ом∙м) диаметром 4 мм и длиной 0,7 м, по которому пропускается ток 100 А, обдувается потоком воздуха со скоростью 6 м/с и температурой 20 °С. Определить среднюю по длине температуру электропровода для двух случаев: 1) провод обдувается в поперечном направлении; 2) провод обдувается в продольном направлении.

Задача №6. Даны два теплообменника для нагрева воздуха. В первом теплообменнике воздух проходит по трубам (l/d > 50), а греющий пар — снаружи труб. Во втором, наоборот, пар движется в трубах, а воздух снаружи омывает трубы в поперечном направлении. В обоих случаях принять скорость воздуха 12 м/с, среднюю температуру нагретого воздуха 60 °С, коэффициент теплоотдачи от пара к стенкам 8 кВт/(м²∙К). Трубы изготовлены из латуни и имеют диаметр 26×3 мм, расположение труб шахматное, соотношение шагов s₁ = 2,1s₂. Найти линейные коэффициенты теплопередачи для обоих вариантов теплообменников.