Тепломассообмен

РГР ТМО вариант №112.doc

Ульяновский государственный технический университет
кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Дисциплина: Тепломассообмен
Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе
Принял: преподаватель
Выполнение расчетно-графической работы имеет целью закрепить теоретический материал по теме «Теплопередача» приобрести навыки выполнения теплотехнических расчетов.
Теплопередача – это сложный вид теплообмена при котором теплота передается от одной подвижной горячей среды к другой подвижной холодной среде через твердую стенку. При этом в передаче теплоты одновременно принимают участие все виды теплообмена – теплопроводность конвекция и излучение.
Теплопередача является одним из самых распространенных в технике процессов. Примерами теплопередачи могут служить: передача теплоты от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных батарей центрального отопления передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах передача теплоты от конденсирующего пара к воде через стенки труб конденсатора передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания и т. д.
Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготовляется из материала с высокой теплопроводностью.
В других случаях когда требуется уменьшить потери теплоты стенка должна быть изолятором и изготовляться из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами с этой целью изолируют например трубопроводы систем теплоснабжения. На практике поверхности теплообмена (стенки) могут самой разнообразной формы: в виде плоских или ребристых листов в виде пучка цилиндрических или ребристых труб в виде шаровых поверхностей и т. п. В системах теплоснабжения и отопления наиболее часто применяются цилиндрические трубы поэтому данная расчетно-графическая работа связана с определением температурного поля на поверхностях и внутри цилиндрических стенок при теплопередаче.
В состав расчетно-графической работы входят:
Содержание расчетно-графической работы;
График изменения температур внутри стенки;
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
От протекающей в трубе изображенной на рис. 1 горячей воды с температурой tвд °С через цилиндрическую стенку определенной толщины теплота передается окружающему воздуху с температурой tвх °С. Используя заданные значения коэффициентов теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубы α1 Вт(м2·К) и от внешней поверхности трубы к воздуху помещения α2 Вт(м2·К) требуется:
Подсчитать удельные тепловые потоки q1 и q2 Втм2 для внутренней и наружной поверхностей трубы а также тепловой поток q Вт проходящий через 1 м длины трубы (по оси) для следующих случаев:
а) Гладкая совершенно чистая труба диаметром d3 и толщиной 2 м изготовленная из алюминиевого сплава АД 31 без накипи и тепловой изоляции;
б) Труба по пункту а но со слоем накипи толщиной 1 м со стороны воды;
в) Труба по пункту б но со стороны воздуха покрытая слоем тепловой изоляции толщиной 3 м.
Определить аналитически (рассчитать) температуры внутренней и наружной поверхностей трубы (п. 1. случаи а б в) и температуры между отдельными слоями трубы (п. 1. случаи б в).
Построить с соблюдением масштаба график изменения температуры в трехслойной цилиндрической стенке (п. 1. случай в). В пределах слоя тепловой изоляции линию изменения температуры строить по двум промежуточным точкам.
Повторить расчет теплового потока q Вт для трубы по п. 1. случай в но увеличив коэффициент теплопроводности изоляции λ3 Вт(м·К) в 10 раз. Результат сравнить со значением q Вт полученным для чистой трубы (п.1. случай а). По результатам сравнения сделать вывод используя понятие критического диаметра изоляции.
Наружный диаметр трубы d3=52 мм (0052 м).
Толщина стенки трубы 2=15 мм (0015 м).
Температура воды tвд=120 °С.
Температура воздуха tвх=10 °С.
Коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубы α1=1600 Вт(м2·К).
Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к воздуху α2=9 Вт(м2·К).
Толщина слоя накипи 1=1 мм.
Толщина слоя теплоизоляции 3=25 мм.
Коэффициент теплопроводности накипи λ1 = 2 Вт(м·К).
Коэффициент теплопроводности металла трубы (алюминиевый сплав АД 31)
Коэффициент теплопроводности теплоизоляции λ3=008 Вт(м·К).
Внутренний диаметр трубы;
d2=d3-22=52-15×2=22 мм (0022 м)
Внутренний диаметр слоя накипи;
d1=d2-21=22-1×2=20 мм (0020 м)
Наружный диаметр теплоизоляции;
d4=d3+23=52+25×2=102 мм (0102 м)
Для выполнения расчетов следует использовать следующие уравнения.
Уравнение теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубы:
Уравнение теплопроводности через однослойную цилиндрическую стенку (чистая труба):
Уравнение теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку (труба со слоем накипи изнутри и теплоизоляцией снаружи):
Уравнение теплоотдачи от наружной поверхности трубы к воздуху:
α1 α2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны воды и со стороны воздуха Вт(м2·К);
tсв tсн – температуры соответственно внутренней и наружной поверхности трубы °С;
tвд tвх – температуры воды и воздуха соответственно °С;
dн dвн – соответственно наружный и внутренний диаметр трубы м;
n – общее число слоев многослойной цилиндрической стенки;
λi – коэффициент теплопроводности i-го слоя Вт(м·К).
Для определения ql нужно решить две системы уравнений состоящие из уравнений (3.1) (3.2) (3.4) или (3.1) (3.3) (3.4) таким образом чтобы в итоговом выражении не присутствовали неизвестные температуры tсв tсн. Найдя ql определяем с помощью уравнений (3.1) и (3.4) температуры поверхностей tсв и tсн.
Для того чтобы определить температуры между слоями трубы или промежуточные температуры в слое изоляции (для построения графика) нужно использовать соответствующее уравнение теплопроводности составленное для каждого слоя в котором искомая температура являлась бы единственным неизвестным.
После определения температур между слоями и внутри теплоизоляции трехслойной трубы необходимо вычертить эту трубу в масштабе и построить график изменения температур внутри трехслойной стенки.
Удельные тепловые потоки через 1 м2 внутренней q1 Втм2 и наружной q2 Втм2 поверхностей трубы следует вычислять по формулам;
В завершающей части работы необходимо рассчитать тепловой поток q Вт для трехслойной трубы увеличив коэффициент теплопроводности изоляции λ3 Вт(м·К) в 10 раз и сравнить полученный результат с тепловым потоком для однослойной стенки (случай а). По результатам сравнения записать вывод в котором необходимо использовать понятие критического диаметра изоляции предварительно определив его.
Решая систему уравнений состоящую из уравнений (3.1) (3.2) (3.4) относительно разности температур а затем складывая получим уравнение теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку;
Значения удельного теплового потока через 1 м2 внутренней q1 и наружной q2 поверхностей трубы будут равны соответственно;
Температуры внутренней tсв и наружной tсн поверхностей однослойной цилиндрической стенки соответственно:
Решая систему уравнений состоящую из уравнений (3.1) (3.3) (3.4) относительно разности температур а затем складывая получим уравнение теплопередачи через двухслойную цилиндрическую стенку;
Температуры внутренней tсв и наружной tсн поверхностей двухслойной цилиндрической стенки соответственно;
Из формулы (3.2) найдем температуру между слоем накипи и внутренней поверхностью трубы;
Решая систему уравнений состоящую из уравнений (3.1) (3.3) (3.4) относительно разности температур а затем складывая получим уравнение теплопередачи через трехслойную цилиндрическую стенку;
Температуры внутренней tсв и наружной tсн поверхностей трехслойной цилиндрической стенки соответственно;
Из формулы (3.2) найдем температуру между наружной поверхностью трубы и слоем тепловой изоляции;
Промежуточные температуры в слое тепловой изоляции;
промежуточные диаметры:
d4a=67 мм (0067 м)d4б=87 мм (0087 м)
Вставить график температуры из приложения
г).Расчет теплового потока q Вт для трубы по п. 1. случай в но коэффициент теплопроводности изоляции λ3 Вт(м·К) увеличен в 10 раз т.е. λ3=08 Вт(м·К)
Значение теплопередачи через оголенную чистую трубу (случай 1.а);
Значение теплопередачи через трубу со слоем накипи и покрытой слоем тепловой изоляции с коэффициентом теплопроводности λ3=08 Вт(м·К) (пункт 4.)
При сравнении значений ql видно что теплопередача от поверхности тепловой изоляции имеющей коэффициент теплопроводности λ3=08 Вт(м·К) будет больше чем от поверхности оголенной чистой трубы. Следовательно теплопотери будут больше.
Теплоизоляционными считаются те материалы коэффициент теплопроводности которых λ ≤ 02 Вт(м·оС).
Критический диаметр изоляции – величина характеризующая эффективность применения тепловой изоляции он зависит от коэффициента теплопроводности изоляции и наружного коэффициента теплоотдачи.
Критический диаметр изоляции dкр определяется формулой . Из этого уравнения следует что dкр не зависит от размеров трубопровода. Он будет тем меньше чем меньше коэффициент теплопроводности изоляции и чем больше коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде.
Значит для эффективной работы изоляции необходимо чтобы критический диаметр был меньше внешнего диаметра оголенного трубопровода т.е. чтобы dкр ≤ dтр.Таким образом для того чтобы изоляция вызвала уменьшение теплопотерь цилиндрической стенки по сравнению с оголенным трубопроводом при данном наружном диаметре трубы dтр и заданном коэффициенте теплоотдачи α необходимо чтобы
В нашем случае ( λиз= 08 Вт(м·К) d4=0.102 м ) > т.е. 08> и т.е. dкр>d4 и как следствие тепловые потери возрастают и будут больше теплопотерь оголенного трубопровода.
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ 3
а) Гладкая совершенно чистая труба диаметром d3 и толщиной 2 м изготовленная из алюминиевого сплава АД 31 без накипи и тепловой изоляции 8
б) Труба по пункту а но со слоем накипи толщиной 1 м со стороны воды10
в) Труба по пункту б но со стороны воздуха покрытая слоем тепловой изоляции толщиной 3 м.12
График изменения температуры в трехслойной цилиндрической стенке (по п.1 случай в).15
г) Расчет теплового потока q Вт для трубы по (п. 1 случай в) но коэффициент теплопроводности изоляции λ3 Вт(м·К) увеличен в 10 раз т.е. λ3=08 Вт(м·К)16
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 20
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Орлов М.Е. Тепломассообмен: учебно-методический комплекс. Ульяновский государственный университет. – Ульяновск: УлГТУ 2005.- 138 с.
Методические указания к Расчетно-Графической работе «ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ СТЕНКИ» Составитель: М.Е. Орлов Ульяновск 2005

График температур вариант №112.dwg

График изменения температуры в трехслойной цилиндрической стенке (по п.1.