Przykładowe kolokwium nr 1 dla kursu. Przenoszenie ciepła ćwiczenia

Transkrypt

1 Przykładowe kolokwium nr 1 dla kursu Grupa A Zad. 1. Określić różnicę temperatur zewnętrznej i wewnętrznej strony stalowej ścianki kotła parowego działającego przy nadciśnieniu pn = 14 bar. Grubość ścianki wynosi d = 20 mm, współczynnik przewodzenia ciepła stali λ = 39 W/(m K), temperatura wody zasilającej 85 C, jednostkowa wydajność kotła m = 25 kg/(m 2 h) pary nasyconej suchej. Ciśnienie barometryczne wynosi 0,1 MPa. Odp.: Δt = 7,5 C Zad. 2. Jak zmieni się natężenie odpływu ciepła od przewodu elektrycznego o średnicy d = 3 mm do powietrza, jeżeli pokryje się go izolacją z gumy, λ = 0,163 W/(m K). Jaka powinna być grubość izolacji, by przy tej samej temperaturze przewodu odpływ ciepła był maksymalny. Współczynnik wnikania ciepła od przewodu do powietrza = 58 W/(m 2 K). Odp.: δ = 1,3 mm Zad. 3. Pręt aluminiowy (λ = 200 W/(m K)) o średnicy d = 30 mm i długości L = 500 mm, jest zanurzony jednym końcem w kąpieli o temperaturze t1 = 500 C, a drugim w topniejącym lodzie. Odcinek pręta pomiędzy kąpielami znajduje się w powietrzu o temperaturze to = 50 C, gdzie współczynnik wnikania ciepła = 20 W/(m 2 K). Narysować rozkład temperatury wzdłuż pręta oraz wyznaczyć: 1) odległość a (licząc od końca cieplejszego), dla której temperatura pręta jest równa temperaturze otaczającego powietrza: ta = to, 2) strumień ciepła Q 1 (pobierany z kąpieli 1) i Q 2 (oddawany do lodu). Zad. 4. Obliczyć temperaturę końcową wody t1k i helu t2k w przeciwprądowym wymienniku ciepła oraz obciążenie cieplne Q, jeżeli znane są: początkowa temperatura helu t2p = 94 C, początkowa temperatura wody t1p = 16 C, pole powierzchni wymiennika ciepła A = 0,1 m 2, współczynnik przenikania ciepła k = 2440 W/(m 2 K); natężenie przepływu helu m 2 = 0,0395 kg/s; natężenie przepływu wody m 1 = 0,328 kg/s; ciepło właściwe helu c2 = 5300 J/(kg K). Odp.: t1k = 24,1 C, t2k = 41 C, Q = W

2 Przykładowe kolokwium nr 1 dla kursu Grupa B Zad. 1. Wężownicę przeponowego wymiennika ciepła wykonaną z rury mosiężnej, λ = 88 W/(m K), o średnicy zewnętrznej dw = 38 mm, grubości d = 2,5 m i długości L = 8,6 m, należy zastąpić wężownicą z rury stalowej, λ = 50,2 W/(m K), o rozmiarach dw = 44,5 mm, d = 2,5 mm. Różnica temperatury na powierzchniach wężownicy mosiężnej Δt = 0,1 C, na powierzchni zaś wężownicy stalowej Δt = 0,21 C. Jaka powinna być długość L nowej wężownicy, jeżeli natężenie przepływu ciepła w wymienniku ma pozostać niezmienne? Odp.: L = 7,22 m Zad. 2. Akumulator zimna jest wykonany w kształcie zamkniętego zbiornika walcowego pokrytego izolacją i wypełnionego przepływającą solanką. Wewnętrzne wymiary zbiornika wynoszą: średnica dw = 0,8 m, długość l = 1,4 m, a grubość blachy zbiornika d = 4 mm. Współczynnik przewodzenia ciepła stali λ = 41,2 W/(m K). Wiadomo, że przed założeniem izolacji strata zimna wynosiła Q = 1590 W przy temperaturze solanki td = 18 C. Współczynnik wnikania ciepła od powietrza do ściany zbiornika d = 10 W/(m 2 K). Obliczyć współczynnik wnikania ciepła w od solanki do ścianki zbiornika. Odp.: α = 529 W/m 2 /K Zad. 3. Wyznaczyć strumień ciepła odpływającego z okrągłego żebra o stałej grubości. Nadwyżka temperatury żebra u jego nasady p = 10 C, jego średnica D = 2,5 d0, gdzie d0 = 40 mm jest zewnętrzną średnicą rury, na której zamocowane jest żebro. Materiałem żebra jest aluminium λ = 230 W/(m K). Średnia wartość współczynnika wnikania ciepła w = W/(m 2 K). Grubość żebra d = 1 mm. Odp.: Q = 2.12 W Zad. 4. Obliczyć pole powierzchni krzyżowego wymiennika ciepła służącego do przegrzewania pary ziębnika R22 przed dolotem do kompresora. Wymiennik ciepła stanowi wężownica umieszczona w rurze. Ciekły ziębnik R22 (gęstość ρ d = 1231 kg/m 3, c d = 1231 J/(kg K) ) płynie wewnątrz wężownicy z prędkością 0,2 m/s, gdzie d = 657 W/(m 2 K). Rurki wężownicy są miedziane o średnicy wewnętrznej dd = 6 mm i grubości ścianki d = 2 mm. Temperatura cieczy na dopływie t1p = 30 C, przy wypływie t1k = 0 C, temperatura pary na dolocie do wymiennika t2p = -80 C, przy wylocie t2k = -10 C. Współczynnik wnikania ciepła od pary do rur wężownicy w = 91 W/(m 2 K).

3 Przykładowe kolokwium nr 2 dla kursu Grupa A Zad. 1. Pionowo ustawiony rurociąg o średnicy zewnętrznej dz = 57 mm, ogrzewany jest swobodnym strumieniem powietrza. Temperatura ściany rurociągu tw = 4 C a temperatura powietrza w znacznej odległości od rurociągu wynosi tot = 36 C. Obliczyć współczynnik wnikania ciepła od powietrza do ściany rurociągu. Odp.: α = 6,86 W/m 2 /K Zad. 2. Obliczyć współczynnik wnikania ciepła od ściany rurociągu do przepływającego wewnątrz rury roztworu soli kuchennej (ziębiwa; właściwości w tab. Parametry fizyczne roztworu chlorku sodu; 1 kcal = 1,163 W; 1 kps/m 2 = 9,80665 Pa s). Stężenie soli w roztworze odpowiada temperaturze zamarzania tz = -9,8 C. Średnia temperatura ściany tw = -3 C. Średnia temperatura roztworu tr = -5 C. Prędkość roztworu υ = 0,4 m/s. Wewnętrzna średnica rurociągu dw = 25 mm. Długość rurociągu L = 2,5 m. Odp.: α = 1011 W/m 2 /K Zad. 3. Obliczyć współczynnik wnikania ciepła do amoniaku w poziomym parowaczu płaszczowo-rurowym, jeżeli gęstość strumienia ciepła ma wartość q = 2791 W/m 2, temperatura wrzenia t = -20 C. Odp.: 1047 W/m 2 /K Zad. 4. Powierzchnia absorbera płaskiego kolektora słonecznego jest zrobiona z aluminium pokrytego czarnym chromem (a = 0,87, ε = 0,09). Strumień promieniowania słonecznego padającego na kolektor wynosi 600 W/m 2. Temperatura powietrza i temperatura efektywna nieba wynoszą odpowiednio 25 i 15 C, natomiast konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła 10 W/m 2 /K. Dla temperatury powierzchni absorbera tw = 70 C określić strumień ciepła przekazywany przez absorber do wody, która za nim cyrkuluje. Odp.: q = 36,5 W/m 2

4 Przykładowe kolokwium nr 2 dla kursu Grupa B Zad. 1. W pomieszczeniu utrzymywana ma być stała temperatura tot = 18 C. Do ogrzewania pomieszczenia zastosowano grzejnik elektryczny, sporządzony z ułożonych poziomo drutów chromoniklowych o średnicy d = 1 mm. Obliczyć łączną długość L drutu, jeżeli najwyższa dopuszczalna temperatura drutu tw = 900 C. Pomieszczenie traci ciepło w ilości 1,163 kw. W rozwiązaniu pominąć stratę energii przez promieniowanie. Odp.: L = 10,1 m Zad. 2. Obliczyć współczynnik wnikania ciepła dla 6-rzędowego szeregowego pęczka rur wymiennika ciepła. Średnica zewnętrzna rur d = 45 mm. Średnia temperatura powietrza omywającego pęczek rur t = 250 C. Prędkość powietrza w najwęższym przekroju strumienia υ = 8 m/s, kąt natarcia ψ = 70. Odp.: α = 51 W/m 2 /K Zad. 3. Obliczyć średnią wartość współczynnika wnikania ciepła od skraplającego się (nasyconego) amoniaku (1 Pa = 0,102 kp/m 2 ; 1 kcal = 1,163 W) do rur poziomego płaszczowego skraplacza. Wewnątrz rur o średnicy dw/dz = 19/22 mm przepływa woda. Liczba rzędów rur w pionie wynosi 7. Rozstawienie rur jest szachownicowe. Ciśnienie w skraplaczu p = 10 at. Średnia temperatura zewnętrznej ściany rur tw = 21 C. Odp.: α = 9641 W/m 2 /K Zad. 4. Dwa długie równoległe cylindry o średnicy zewnętrznej 16 cm są oddalone od siebie o 50 cm. Oba cylindry są czarne i utrzymywane w temperaturach 425 i 275 K. Otoczenie można traktować jak ciało czarne o temperaturze 300 K. Określ radiacyjny strumień ciepła pomiędzy cylindrami Q1-2 i pomiędzy gorącym cylindrem i otoczeniem Q1-ot, przypadający na 1 m długości cylindra. Odp.: Q1-2 = 38 W, Q1-ot = 629,8 W

5

6