Теплопередача

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 неизменной 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 изменениии каждого из варьируемых факторов σi по формуле , где K, Ki – коэффициенты 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 целесообразных путях интенсификации теплопередачи.

Решение
1. Для нахождения коэффициентов теплоотдачи α необходимо выбрать уравнения подобия 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 нагреваемой 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 может 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 коэффициента 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 поверхности стенки со стороны горячей жидкости, а также изменение материала стенки практически 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 атмосферного воздуха, вносит наибольший вклад в полное термическое сопротивление теплопередачи.
3. необходимо уменьшать наибольшее из частных термических сопротивлений, предварительно численно вычислив каждое сопротивление.