Часть 2. Теплопередача
Тема занятия № 1: Теплопроводность и теплопередача
при стационарном режиме
Задача № 1.1
Определить термическое сопротивление и количество теплоты, передаваемой через плоскую стенку с толщиной =5,5 мм и площадью F=0,6 м2, если температура на внутренней поверхности стенки равна =750С, на наружной - =680С, а средний коэффициент теплопроводности стенки =175 Вт/(мград).
Задача № 1.2
Определить количество теплоты, проходящее через единицу длины стенки камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Внутренний диаметр камеры сгорания =180 мм. Толщина стенки =2,5 мм. Материалом стенки служит хромоникелевая сталь, коэффициент теплопроводности которой равен - =34,9 Вт/(мград). Температуры поверхностей стенки поддерживаются постоянными по величине и соответственно имеют значения - =12000С, =6000С. Определить также плотность теплового потока на внутренней и наружной поверхности стенки камеры сгорания.
Задача № 1.3
Определить удельный тепловой поток с учетом и без учета теплового сопротивления контакта через многослойную плоскую стенку. Стенка состоит из слоя окиси циркония толщиной =0,2 мм, слоя стали толщиной =6 мм и слоя алюминия толщиной =10 мм. Температуры на внешних поверхностях стенки поддерживаются постоянными по величине и имеют значения - =12000С и =4000С. Коэффициент теплопроводности окиси циркония =1,15 Вт/(мград), стали =34,9 Вт/(мград) и алюминия =422 Вт/(мград). Термическое сопротивление контакта между слоями окиси циркония и стали =0,25810-3 (м2град)/Вт, а между слоями стали и алюминия =0,26610-3 (м2град)/Вт.
Задача № 1.4
Температура и коэффициент теплоотдачи газа, омывающего лопатку газовой турбины, соответственно равны =1500К и =5000 Вт/(м2К). Коэффициент теплоотдачи охлаждающего воздуха, проходящего через каналы охлаждения лопатки имеет значение =8000 Вт/(м2К), а его температура =700К. Определить температуру лопатки , если известно отношение площадей теплообмена со стороны газа и охлаждающего воздуха =1,2. На сколько градусов изменится величина , если за счет интенсификации теплообмена значение стало равным 10000 Вт/(м2К), а отношение уменьшилось до единицы? Термическим сопротивлением материала стенки лопатки пренебречь.
Задача № 1.5
Для охлаждения цилиндрической стойки, находящейся в газовом потоке, через нее пропускается вода с расходом 0,15 кг/с. Определить температуру наружной и внутренней поверхностей стойки с наружным диаметром =20 мм, толщиной стенки =2 мм и длиной =275 мм, если температура газового потока =12270С, а средний коэффициент теплоотдачи от газа в стенку =2500 Вт/(м2К).
Принять: коэффициент теплопроводности материала стенки стойки =25,5 Вт/(мград), теплоемкость воды с=4,19 кДж/(кгград), подогрев воды =520С.
Задача № 1.6
Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду необходимо изолировать паропровод с внутренним диаметром 44 мм и наружным диаметром 50 мм. Целесообразно ли применять в качестве изоляции материал, имеющий коэффициент теплопроводности =0,14 Вт/(мград), если коэффициент теплоотдачи с внешней стороны изоляции в окружающую среду =11,63 Вт/(м2К)?
Тема занятия № 2: Теплообмен конвекцией
Задача № 2.1
Тонкая пластина длиной =2 м и шириной =1,5 м обтекается продольным потоком атмосферного воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны соответственно =2 м/с и =200С. Температура поверхности пластины =900С. Определить средний по длине пластины коэффициент теплоотдачи и количество теплоты, отдаваемой пластиной воздуху.
Принять: =5105; =1,7210-5 Пас; =0,7; =1,4; =287 Дж/(кгград); =105 Па.
Задача № 2.2
Плоская пластина длиной =2 м обтекается продольным потоком атмосферного воздуха. Скорость набегающего потока =80 м/с и температура =200С. Вычислить значение местного коэффициента теплоотдачи на задней кромке пластины. Определить также среднее значение коэффициента теплоотдачи с поверхности пластины, полагая, что перед ней установлена турбулизирующая решетка, делающая режим течения в пограничном слое полностью турбулентным.
Принять: =1,72105 Пас; =0,7; =105 Па; =287 Дж/(кгград); =1,4.
Задача № 2.3
Определить среднее значение коэффициента теплоотдачи и количество переданной теплоты при течении воды в трубе диаметром =40 мм и длиной =3 м со скоростью =1 м/с, если средне-расходная температура воды =800С, а температура стенки =650С.
Принять: =35,5110-5 Пас; =103 кг/м3; =0,674 Вт/(мград); =2,21; =2,76; =1 при 50.
Задача № 2.4
Плоская пластина обтекается продольным потоком атмосферного воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны соответственно =6 м/с и =200С. Определить количество теплоты, отдаваемой воздуху, при условии, что температура поверхности пластины =800С, а ее размер вдоль потока =1 м и поперек потока =0,9 м.
Принять: =5105; =1,7210-5 Пас; =0,7; =105 Па; =1,4; =287 Дж/(кгград); тепловое излучение не учитывать.
Задача № 2.5
Определить относительную длину участка тепловой стабилизации при ламинарном режиме течения воды в трубе диаметром d=14 мм при условии постоянства по длине трубы температуры стенки - , если средняя температура воды =500С и число Рейнольдса =1500. Вычислить также значение местного коэффициента теплоотдачи на участке трубы, где .
Принять: =3,54; =0,648 Вт/(мград).
Тема занятия № 3: Теплообмен излучением
Задача № 3.1
Определить поверхностную плотность излучения стенки летательного аппарата с коэффициентом излучения =4,53 Вт/(м2К4), если температура излучающей поверхности стенки =10270С. Найти также степень черноты стенки и длину волны, отвечающей максимуму интенсивности излучения.
Задача № 3.2
Определить поток излучения между стенками сосуда Дьюара, внутри которого хранится жидкий кислород, если на наружной поверхности внутренней стенки сосуда температура =-1830С, а на внутренней поверхности наружной стенки температура =170С. Стенки сосуда покрыты слоем серебра, степень черноты которого =0,02. Площади поверхностей стенок равны =0,1 м2.
Задача № 3.3
Для измерения температуры горячего газа, движущегося по каналу, установлена хромель-алюмелевая термопара, показание которой =4000С. Степень черноты горячего спая термопары и стенок канала одинакова - =0,78, а температура стенок канала при стационарном режиме =3000С. Коэффициент теплоотдачи от потока газа к поверхности спая =65,1 Вт/(м2град). Определить ошибку в показании термопары, которая возникнет вследствие лучистого теплообмена между спаем термопары и стенками канала, а также истинную температуру газа.
Принять: , где - площади поверхностей спая термопары и стенок канала соответственно; теплопроводностью проволоки термопары пренебречь.
Задача № 3.4
Температуры двух пластин, помещенных в вакуум, равны =3270С, =1270С. Степень черноты пластин одинакова и равна 0,8. Между пластинами, которые расположены параллельно, установлен экран, имеющий степень черноты 0,05. Вычислить плотность теплового потока, проходящего через экран, температуру экрана, а также плотность теплового потока между пластинами без экрана.
Задача № 3.5
Найти число экранов, которые необходимо поместить между двумя плоскопараллельными поверхностями, чтобы результирующий лучистый поток от одной поверхности к другой уменьшился в три раза. Температуры пластин равны - =3270С, =1270С. Степени черноты пластин и экранов одинаковы =0,8. Определить также температуры экранов.
Задача № 3.6
Определить ошибку в показании термопары, которая возникнет вследствие лучистого теплообмена между спаем термопары и стенками канала, а также из-за теплопроводности хромелевой и алюмелевой проволоки, из которой выполнен спай термопары. Найти также истинную температуру газа.
Принять: величину показания термопары - =4000С; степень черноты спая термопары и стенок канала - =0,78; температуру стенок канала на стационарном режиме - =3000С; коэффициент теплоотдачи от потока газа к поверхности спая термопары - =65,1 Вт/(м2град); диаметр шарика спая термопары – d1=0,6 мм; диаметр хромелевой и алюмелевой проволоки – dХ=dА=0,3 мм; теплопроводность хромелевой и алюмелевой проволоки – =58,4 Вт/(мград), =209 Вт/(мград); перепад температуры по длине проволоки на расстоянии =0,1 м на стационарном режиме - =2,50C, =90С.
Считать, что теплообмен через боковую поверхность проволоки отсутствует, а , где - площади поверхностей спая термопары и стенок канала соответственно.