МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «ТЕПЛОТЕХНИКА И ГИДРАВЛИКА»
СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА №2
«ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»
Выполнил: студент группы АТ-312
Литвинов Александр Владимирович
Проверил: Галимов Марат Мавлютович
ВОЛГОГРАД 2003
Задание:
В теплообменном аппарате вертикальная плоская стенка толщиной δ = 5,5 мм, длиной l = 1,45 м и высотой h = 0,95 м выполнена из стали с коэффициентом теплопроводности λс = 50 Вт/(мК) (рис. 1). С одной стороны она омывается продольным вынужденным потоком горячей жидкости (воды) со скоростью w = 0,525 м/с и температурой tж1 = 80 ºС (вдали от стенки), с другой стороны – свободным потоком атмосферного воздуха с температурой tж2 =10 ºС.
λc
tж1 tж2
q h
δ l
Требуется:
1. Определить плотность теплового потока q. Результаты расчетов занести в таблицу. Лучистым теплообменом пренебречь из-за малых значений и .
2. Провести расчетное исследование вариантов интенсификации теплопередачи при не-изменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями.
2.1. Определить коэффициент теплопередачи при:
а) увеличении в 5, 10, 15 раз коэффициентов теплопередачи α1, α2 и поверхности стенки F как со стороны горячей жидкости ( ), так и со стороны воздуха ( ) .
б) замене стальной стенки на латунную ( ) , алюминиевую ( ) и медную ( ) с коэффициентами теплопроводности соответственно , , .
Результаты расчетов занести в таблицу.
2.2. Определить степень увеличения коэффициента теплопередачи при изменени-ии каждого из варьируемых факторов σi по формуле: , где K, Ki – коэффи-циенты теплопередачи до и после интенсификации теплопередачи.
Результаты расчетов свести в таблицу.
2.3. Обозначив степень изменения варьируемых факторов через z, построить в масштабе (на одном рисунке) графики: , , , , .
2.4. Проанализировать полученные результаты и сформулировать выводы о целе-сообразных путях интенсификации теплопередачи.
Решение:
1. Для нахождения коэффициентов теплоотдачи α необходимо выбрать уравнения подо-бия и найти числа подобия.
При вынужденном обтекании плоской поверхности может быть использовано следующее уравнение подобия:
;
Для воды при температуре 80ºС характерны следующие параметры:
; ; ;
;
=> с = 0,037; n1 = 0,8; n2 = 0,43;
Зададимся температурами поверхностей стенки со стороны охлаждаемой и нагре-ваемой сред. Учитывая рекомендации (для металлических стенок в первом приближении можно принять ; температура стенки всегда ближе к температуре той среды, со стороны которой α выше; при вынужденном движении величина α обычно значительно больше, чем при свободном), выбираем .
При температуре 75ºС .
;
При свободном движении (естественной конвекции) вдоль вертикальных поверхностей мо-жет быть использовано следующее уравнение подобия:
;
Для воздуха при температуре 10ºС характерны следующие параметры:
; ;
а при температуре 75ºС .
;
;
;
;
Коэффициенты теплоотдачи:
;
;
Коэффициент теплопередачи K для плоской стенки:
;
Плотность теплового потока:
;
Проверка правильности принятия для температур и для расчета:
;
;
Отклонения:
=> допустимо;
=> допустимо;
Таблица 1
Результаты расчета
α1,
Вт/(м2К) α2,
Вт/(м2К) 1/ α1,
м2К/Вт 1/ α2,
м2К/Вт δ/λс,
м2К/Вт R,
м2К/Вт K,
Вт/(м2К) q, Вт/(м2К)
2697,662 6,990 0,0004 0,1431 0,0001 0,1436 6,9666 487,662
2.1.Коэффициенты теплопередачи при изменении каждого из варьируемых факторов:
;
;
;
;
;
Таблица 2
Результаты расчета
6,9810 6,9828 6,9834 6,9810 6,9828 6,9834 34,3725 67,6277
Вт/(м2К)
99,8191 34,3725 67,6277 99,8191 6,9693 6,9706 6,9713
Вт/(м2К)
2.2. Степень увеличения коэффициента:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Таблица 3
Результаты расчета
1,0021 1,0023 1,0024 1,0021 1,0023 1,0024 4,9339 9,7074
14,3282 4,9339 9,7074 14,3282 1,0004 1,0006 1,0007
2.3.Графики: , , , , . Наклонная линия характеризует 2 наложенных друг на друга графика функций и . Линия, почти параллельная оси абсцисс, характеризует 3 наложенных друг на друга графика функций , и .
2.4. Выводы:
1. из таблицы 1 видно, что величину полного термического сопротивления и коэффици-ента теплопередачи определяет термическое сопротивление теплоотдачи со стороны стенки, омываемой свободным потоком атмосферного воздуха.
2. из графика, таблиц 2 и 3 видно, что увеличение коэффициента теплоотдачи и поверх-ности стенки со стороны горячей жидкости, а также изменение материала стенки практиче-ски не увеличивают теплопередачу. А увеличение коэффициента теплоотдачи и поверхности стенки со стороны воздуха является эффективным средством ее интенсификации, поскольку термическое сопротивление со стороны стенки, омываемой свободным потоком атмосферно-го воздуха, вносит наибольший вклад в полное термическое сопротивление теплопередачи.
3. необходимо уменьшать наибольшее из частных термических сопротивлений, предва-рительно численно вычислив каждое сопротивление.