Примеры решения задач. Коэффициент теплоотдачи

Задача 1.Определить средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубок конденсатора к охлаждающей воде, если температура воды на входе в конденсатор tж1 = 18 °C, а на выходе tж2 = 22 °C. Скорость воды в трубах V = 2 м/с, а средняя температура стенок труб, контактирующих с водой tст = 30 °C. Внутренний диаметр трубок d = 16 мм = 0,016 м.

Решение всех задач конвективного теплообмена необходимо начинать с определения теплофизических параметров теплоносителя. В качестве определяющей принимает среднюю температуру воды в конденсаторе:

Из таблиц теплофизических параметров определяем при температуре теплоносителя tжср = 20 °C коэффициент теплопроводности воды l_ж = = 0,6 Вт/(м·град), коэффициент кинематической вязкости воды n = 1·10⁶ м²/c, критерий Прандтля Pr = 7,02, а также значение критерия Прандтля воды при температуре стенки Prс = 5,42.

Далее определяем режим движения воды, для чего рассчитываем величину критерия Рейнольдса:

Значит режим движения турбулентный, и для расчета теплоотдачи можно воспользоваться классической формулой (13.14)

Отсюда определяем значение среднего коэффициента теплоотдачи:

Задача 2.В теплообменнике типа «труба в трубе» в кольцевом канале движется вода со скоростью V = 3 м/с. Средняя температура воды tж = 40 °C, средняя температура стенки tс = 70 °C. Определить средний по длине коэффициент теплоотдачи и тепловую мощность теплообменника, если длина трубы L = 1,4 м; d2/d1 = 26 мм / 20 мм.

Определяем теплофизические параметры воды:

l = 0,64 Вт/(м2·град);

n = 0,66·10-6 м2/с;

Prж = 4,31;

Prс = 2,55.

Определяем режим движения воды:

Здесь d — определяющий размер. Для кольцевого зазора в качестве определяющего размера принимается разность диаметров, образующих зазор, d = d₂ — d₁ = 0,026 — 0,020 = 0,006 м.

Режим движения — турбулентный. Для расчета теплоотдачи можно использовать зависимость (3.15):

Отсюда средний коэффициент теплоотдачи:

Тепловая нагрузка теплообменника:

Q = α * F * Δt, Вт,

где F — площадь теплопередающей поверхности, м²,

F = πd₁ * L = 3,14 * 0,020 * 1,4 = 0,088 м²;

Dt — разность между температурой теплообменной поверхности tс = 70 °C и температурой жидкости tж = 40 °C:

Δt = tc — tж = 70 — 40 = 30 °C.

Q = 1370,5 * 0,088 * 30 = 3618,12 Вт.

Задача 3. По трубе d = 60 мм и длиной l = 2,9 м течёт воздух со скоростью V = 5 м/с. Определить среднее значение теплоотдачи a, если средняя температура воздуха tж = 100 °C.

Определяем теплофизические параметры воздуха при его температуре:

n = 23,13·10^-6 м²/с; l = 0,0321 Вт/(м²·град).

Определяем режим движения воздуха:

Режим — турбулентный. Для расчета теплоотдачи используем упрощенную зависимость (13.14¹):

Nu  = 0,018Re^0,8 = 0,018 * 12970^0,8 = 0,018 * 1955 = 35,2,

а так как Nu = α * d/λ, отсюда