Обмуровка печи состоит из слоев шамотного и красного кирпича между которыми расположена засыпка

Обновлено: 28.04.2024

Теплопроводность при стационарном режиме

1-1. Вычислить плотность теплового потока через плоскую однородную стенку, толщина которой значительно меньше ширины и высоты, если стенка выполнена: а) из стали [λ = 40 Вт/(м · ºС)]; б) из бетона [λ = 1,1 Вт/ (м · ºС)]; в)из диатомитового кирпича [λ = 0,11 Вт/(м · ºС)].

Во всех трех случаях толщина стенки δ = 50 мм. Температуры на поверхностях стенки поддерживаются постоянными:

tс1 = 100ºС и tс2 = 90ºС.

1-2. Плотность теплового потока через плоскую стенку толщиной δ = 50 мм q = 70 Вт/м2.

Определить разность температур на поверхностях стенки и численные значения градиента температуры в стенке, если она выполнена: а) из латуни [λ = 70 Вт/(м · ºС)]; б) из красного кирпича [λ = 0,7 Вт/(м · ºС)]; в) из пробки [λ = 0,07 Вт/(м · ºС)].

1-3. Определить потерю теплоты Q, Вт, через стенку из красного кирпича длиной l = 5 м, высотой h = 4 м и толщиной δ = 0,250 м, если температуры на поверхностях стенки поддерживаются tс1 = 110ºС и tс2 = 40ºС. Коэффициент теплопроводности красного кирпича λ = 0,70 Вт/(м · ºС).

1-4. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки, если при толщине ее δ = 40 мм и разности температур на поверхностях Δt = 20ºС плотность теплового потока q = 145 Вт/м2.

1-5. Плоскую поверхность необходимо изолировать так, чтобы потери теплоты с единицы поверхности в единицу времени не превышали 450 Вт/м2. Температура поверхности под изоляцией tс1 = 450ºС, температура внешней поверхности изоляции tс2 = 50ºС.

Определить толщину изоляции для двух случаев:

а) изоляция выполнена из совелита, для которого

λ = 0,09 + 0,0000874 t;

б) изоляция выполнена из асботермита, для которого

λ = 0,109 + 0,000146 t.

1-6. Плоская стенка выполнена из шамотного кирпича толщиной δ = 250 мм. Температура ее поверхностей: tс1 = 1350°С и tс2 = 50°С. Коэффициент теплопроводности шамотного кирпича является функцией от температуры λ = 0,838 (1 + 0,0007 t).

Вычислить и изобразить в масштабе распределение температуры в стенке.

Тепловые потери q = 1090 Вт/м2. Температура в плоскости соприкосновения слоев tc2 = 828°С.

1-7. Температуры на поверхностях шамотной стенки, толщина которой δ = 200 мм, равны: tс1 = 1000ºС и tс2 = 200ºС. Коэффициент теплопроводности шамота изменяется в зависимости от температуры по уравнению λ = 0,813 + 0,000582 t.

Показать, что плотность теплового потока q, Вт/м2, в случае линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры может быть вычислена по формуле для постоянного коэффициента теплопроводности, взятого при средней температуре стенки.

Найти ошибку в определении температуры в точках х = 57,5; 110 и 157,5 мм, если вычисления производятся по значению коэффициента теплопроводности, среднему для заданного интервала температур, и построить график распределения температуры в стенке.

1-8. Плоская стенка бака площадью F = 5 м2 покрыта двухслойной тепловой изоляцией. Стенка бака стальная, толщиной δ1 = 8 мм, с коэффициентом теплопроводности λ1 = 46,5 Вт/(м · ºС). Первый слой изоляции выполнен из новоасбозурита толщиной δ2 = 50 мм, коэффициент теплопроводности которого определяется уравнением

λ2 = 0,144 + 0,00014 t.

второй слой изоляции толщиной δ3 = 10 мм представляет собой штукатурку (известковую), коэффициент теплопроводности которой λ3 = 0,698 Вт/(м · ºС).

Температуры внутренней поверхности стенки бака tс1 = 250ºС и внешней поверхности изоляции tс2 = 50ºС.

Вычислить количество теплоты, передаваемой через стенку, температуры на границах слоев изоляции и построить график распределения температуры.

1-9. Обмуровка печи состоит из слоев шамотного и красного кирпича, между которыми расположена засыпка из диатомита (рис. 1-3). Толщина шамотного слоя δ1 = 120 мм, диатомитовой засыпки δ2 = 50 мм и красного кирпича δ3 = 250 мм. Коэффициенты теплопроводности материалов соответственно равны:

λ1 = 0,93; λ2 = 0,13 и λ3 = 0,7 Вт/(м · ºС).

1-10. Стенка неэкранированной топочной камеры парового котла выполнена из слоя пеношамота толщиной δ1 = 125 мм и слоя красного кирпича толщиной δ2 = 500 мм. слои плотно прилегают друг к другу. Температура на внутренней поверхности топочной камеры tс1 = 1100ºС, а на наружной tс3 = 50ºС (рис. 1-4). Коэффициент теплопроводности пеношамота λ1 = 0,28 + 0,00023 t, красного кирпича λ2 = 0,7 Вт/(м · ºС).

Вычислить тепловые потери через 1 м2 стенки топочной камеры и температуру в плоскости соприкосновения слоев.

1-11. Толщину слоя красного кирпича в стенке топочной камеры, рассмотренной в задаче 1-10, решено уменьшить в 2 раза, а между слоями поместить слой засыпки из диатомитовой крошки (рис. 1-5), коэффициент теплопроводности которой

λ = 0,113 + 0,00023 t.

Какую нужно сделать толщину диатомитовой засыпки, чтобы при тех же температурах на внешних поверхностях стенки, что и в задаче 1-10, потери теплоты оставались неизменными?

1-12. Стены сушильной камеры выполнены из слоя красного кирпича толщиной δ1 = 250 мм и слоя строительного войлока. Температура на внешней поверхности кирпичного слоя tс1 = 110ºС и на внешней поверхности войлочной слоя tс3 = 25ºС.

Коэффициент теплопроводности красного кирпича λ1 = 0,7 Вт/(м · ºС) и строительного войлока λ2 = 0,0465 Вт/(м · ºС).

Вычислить температуру в плоскости соприкосновения слоев и толщину войлочного слоя при условии, что тепловые потери через 1 м2 стенки камеры не превышают q = 110 Вт/м2.

1-13. В приборе для определения коэффициента теплопроводности материалов между горячей и холодной поверхностями расположен образец из испытуемого материала (рис. 1-6).

Образец представляет собой диск диаметром d = 120 мм и толщиной δ = 20 мм.

Температура горячей поверхности tс1 = 180ºС, холодной tс2 = 30ºС. Тепловой поток через образец после установления стационарного процесса Q = 50,6 Вт. Благодаря защитным нагревателям радиальные потоки теплоты отсутствуют.

Вследствие плохой пригонки между холодной и горячей поверхностями и образцом образовались воздушные зазоры толщиной δв = 0,1 мм. Вычислить относительную ошибку в определении коэффициента теплопроводности Δλ, если при обработке результатов измерений не учитывать образовавшихся зазоров. Коэффициент теплопроводности воздуха в зазорах отнести к температурам соответствующих поверхностей tс1 и tс2.

1-14. Вычислить потери теплоты через единицу поверхности кирпичной обмуровки парового котла в зоне размещения водяного экономайзера и температуры на поверхностях стенки, если толщина стенки δ = 250 мм, температура газов tж1 = 700ºС и воздуха в котельной tж2 = 30ºС. Коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности стенки α1 = 23 Вт/(м2 · ºС) и от стенки к воздуху α2 = 12 Вт/(м2 · ºС). Коэффициент теплопроводности стенки λ = 0,7 Вт/(м · ºС).

1-15. Вычислить тепловой поток через 1 м2 чистой поверхности нагрева парового котла и температуры на поверхностях стенки, если заданы следующие величины: температура дымовых газов tж1 = 1000ºС, кипящей воды tж2 = 200ºС; коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке α1 = 100 Вт/(м2 · ºС) и от стенки к кипящей воде α2 = 5000 Вт/(м2 · ºС).

Коэффициент теплопроводности материала стенки λ = 50 Вт/(м · ºС) и толщина стенки δ = 12 мм.

1-16. Решить задачу 1-15 при условии, что в процессе эксплуатации поверхность нагрева парового котла со стороны дымовых газов покрылась слоем сажи толщиной δс = 1 мм [λс = 0,08 Вт/(м · ºС)] и со стороны воды слоем накипи толщиной δп = 2 мм [λп = 0,8 Вт/(м · ºС)].

Вычислить плотность теплового потока через 1 м2 загрязненной поверхности нагрева и температуры на поверхностях соответствующих слоев tс1, tс2, tс3 и tс4 (рис. 1-8). Сравнить результаты расчета с ответом задачи 1-15 и определить уменьшение тепловой нагрузки.

1-17. Определить тепловой поток через 1 м2 кирпичной стены помещения толщиной в два кирпича (δ = 510 мм) с коэффициентом теплопроводности λ = 0,8 Вт/(м · ºС). Температура воздуха внутри помещения tж1 = 18ºС; коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенки α1 = 7,5 Вт/(м2 · ºС); температура наружного воздуха tж2 = — 30ºС; коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стены, обдуваемой ветром, α2 = 20 Вт/(м2 · ºС). Вычислить также температуры на поверхностях стены tс1 и tс2.

1-18. Решить задачу 1-17, если стена покрыта снаружи слоем тепловой изоляции толщиной 50 мм с коэффициентом теплопроводности λиз = 0,08 Вт/(м · ºС). Сравнить потери теплоты через изолированную и неизолированную стенки.

1-19. Вычислить плотность теплового потока q, Вт/м2, в пластинчатом воздухоподогревателе и значения температур на поверхностях листов, если известно, что средняя температура газов tж1 = 315ºС и средняя температура воздуха tж2 = 135ºС, соответственно коэффициенты теплоотдачи α1 = 23 Вт/(м2 · ºС) и α2 = 30 Вт/(м2 · ºС). Толщина листов подогревателя δ = 2 мм. Коэффициент теплопроводности материала листов λ = 50 Вт/(м · ºС).

1-20. Обмуровка печи выполнена из слоя шамотного кирпича с коэффициентом теплопроводности λ = 0,84 (1 + 0,695 · 10-3 t) Вт/(м · °С); толщина обмуровки δ = 250 мм.

Определить потери теплоты с одного квадратного метра поверхности q, Вт/м2, и температуры на внешних поверхностях стены, если температура газов в печи tж1 = 1200°С и воздуха в помещении tж2 = 30°С, коэффициент теплоотдачи от газов к стенке α1 = 30 Вт/(м2 × °С) и от обмуровки к окружающему воздуху α2 = 10 Вт/(м2 · °С).

1-21. В камере сгорания парового котла с жидким золоудалением температура газов должна поддерживаться равной tж1 = 1300ºС, температура воздуха в котельной tж2 = 30ºС. Стены топочной камеры выполнены из слоя огнеупора толщиной δ1 = 250 мм с коэффициентом теплопроводности λ1 = 0,28 (1 + 0,833 · 10-3 t) Вт/(м · ºС) и слоя диатомитового кирпича с коэффициентом теплопроводности λ2 = 0,113 (1 + 0,206 · 10-3 t) Вт/(м · ºС).

Коэффициент теплоотдачи от газов к обмуровке α1 = 30 Вт/(м2 · ºС) и от внешней поверхности топочной камеры к окружающему воздуху α2 = 10 Вт/(м2 · ºС).

Какой должна быть толщина диатомитового слоя, чтобы потери в окружающую среду не превышали 750 Вт/м2?

1-22. Змеевики пароперегревателя выполнены из труб жароупорной стали диаметром d1/d2 = 32/42 мм с коэффициентом теплопроводности λ = 14 Вт/(м · ºС). Температура внешней поверхности трубы tс2 = 580ºС и внутренней поверхности tс1 = 450ºС.

Вычислить удельный тепловой поток через стенку на единицу длины трубы q1, Вт/м.

1-23. Паропровод диаметром 150/160 мм покрыт слоем тепловой изоляции толщиной δиз = 100 мм; коэффициенты теплопроводности стенки трубы λ1 = 50 Вт/(м · ºС) и изоляции λ2 = 0,08 Вт/(м · ºС). Температура на внутренней поверхности паропровода tс1 = 400ºС и на наружной поверхности изоляции tс3 = 50ºС (рис. 1-9).

Найти тепловые потери с 1 м паропровода и температуру на границе соприкосновения паропровода и изоляции.

1-24. Стальной трубопровод диаметром d1/d2 = 100/110 мм с коэффициентом теплопроводности λ1 = 50 Вт/(м · ºС) покрыт изоляцией в два слоя одинаковой толщиной δ2 = δ3 = 50 мм. Температура внутренней поверхности трубы tс1 = 250ºС и наружной поверхности изоляцией tс4 = 50ºС (рис. 1-10).

Определить потери теплоты через изоляцию с 1 м трубопровода и температуру на границе соприкосновения слоев изоляции, если первый слой изоляции, накладываемый на поверхность трубы, выполнен из материала с коэффициентом теплопроводности λ2 = 0,06 Вт/(м · ºС), а второй слой – из материала с коэффициентом теплопроводности λ3 = 0,12 Вт/(м · ºС).

1-25. Как изменятся тепловые потери с 1 м трубопровода, рассмотренного в задаче 1-24, если слои изоляции поменять местами, т.е. слой с большим коэффициентом теплопроводности наложить непосредственно на поверхность трубы? Все другие условия оставить без изменений.

1-26. Паропровод диаметром d1/d2 = 160/170 мм покрыт слоем изоляции толщиной δ = 100 мм с коэффициентом теплопроводности, зависящим от температуры следующим образом: λиз = 0,062 (1 + 0,363 · 10-2 t).

Определить потери теплоты с 1 м паропровода и температуру на внутренней поверхности трубопровода, если температура наружной поверхности трубы tс2 = 300ºС, а температура внешней поверхности изоляции не должна превышать 50ºС.

1-27. Железобетонная дымовая труба (рис. 1-11) внутренним диаметром d2 = 800 мм и наружным диаметром d3 = 1300 мм должна быть футерована внутри огнеупором.

Определить толщину футеровки и температуру наружной поверхности трубы tс3 из условий, чтобы тепловые потери с 1 м трубы не превышали 2000 Вт/м, а температура внутренней поверхности железобетонной стенки tс2 не превышала 200ºС. Температура внутренней поверхности футеровки tс1 = 425ºС; коэффициент теплопроводности футеровки λ1 = 0,5 Вт/(м · ºС); коэффициент теплопроводности бетона λ2 = 1,1 Вт/(м · ºС).

1-28. В условиях задачи 1-27 определить толщину футеровки δ, если она выполнена из шамотного кирпича. Расчет произвести с учетом зависимости коэффициента λ от температуры по формуле λ = 0,84 + 0,0006 t.

1-29. В приборе для определения коэффициента теплопроводности жидкостей по методу «нагретой нити» (рис. 1-12) в кольцевой зазор между платиновой нитью и кварцевой трубкой залито испытуемое трансформаторное масло. Диаметр и длина платиновой нити d1 = 0,12 мм и l = 90 мм; внутренний и наружный диаметры кварцевой трубки d2 = 1 мм и d3 = мм; коэффициент теплопроводности кварца λ = 1,4 Вт/(м · ºС).

Вычислить коэффициент теплопроводности λж и среднюю температуру tж трансформаторного масла, если при расходе теплоты через кольцевой слой масла Q = 1,8 Вт, температура платиновой нити tс1 = 106,9ºС и температура внешней поверхности кварцевой трубки tс3 = 30,6ºС.

1-30. Вычислить допустимую силу тока для медного провода d = 2 мм, покрытого резиновой изоляцией толщиной δ = 1 мм, при условии, что максимальная температура изоляции должна быть не выше 60ºС, а на внешней поверхности изоляции 40ºС. Коэффициент теплопроводности резины λ = 0,15 Вт/(м · ºС). Электрическое сопротивление медного провода R = 0,005 Ом/м.

1-31. Определить площадь поверхности нагрева конвективного пароперегревателя, выполненного из труб жаростойкой стали диаметром d1/d2 = 32/40 мм. Коэффициент теплопроводности стали λ = 39,5 Вт/(м · ºС). Производительность пароперегревателя Q = 61,1 кг/с пара. В пароперегреватель поступает сухой насыщенный пар при давлении р = 9,8 МПа. Температура перегретого пара на выходе tн = 500ºС.

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке а2 = 81,5 Вт/(м2 · ºС), а от стенки к пару а1 = 1163 Вт/(м2 · ºС); средняя температура газов tж = 900ºС. Гидравлическим сопротивлением пароперегревателя пренебречь.

1-32. Решить задачу (1-31), пренебрегая кривизной стенки (как для плоской стенки). Полученную площадь поверхности нагрева сравнить с результатом, полученным в задаче 1-31.

1-33. Найти площадь поверхности нагрева секционного водоводяного подогревателя производительностью Q = 1500 кВт при условии, что средняя температура греющей воды tж1 = 115ºС, а средняя температура нагреваемой воды tж2 = 77ºС. Поверхность нагрева выполнена из латунных трубок диаметром d1/d2 = 14/16 мм с коэффициентом теплопроводности λс = 120 Вт/(м · ºС). На внутренней поверхности трубок имеется слой накипи δн = 0,2 мм с коэффициентом теплопроводности λн = 2 Вт/(м · ºС). Коэффициент теплоотдачи со стороны греющей воды а1 = 10000 Вт/(м2 · ºС) и со стороны нагреваемой воды а2 = 4000 Вт/(м2 · ºС). Так как отношение диаметров d1/d2 < 1,8, то расчет можно произвести по формуле для плоской стенки.

1-34. Вычислить потерю теплоты с 1 м неизолированного трубопровода диаметром d/d1 = 150/165 мм, проложенного на открытом воздухе, если внутри трубы протекает вода со средней температурой tж1 = 90ºС и температура окружающего воздуха tж2 = — 15ºС. Коэффициент теплопроводности материала трубы λ = 50 Вт/(м · ºС)Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы а1 = 1000 Вт/(м2 · ºС) и от трубы к окружающему воздуху а2 = 12 Вт/(м2 · ºС).

Определить также температуру на внутренней и внешней поверхностях трубы (рис. 1-13).

1-35. Определить тепловые потери с 1 м трубопровода, рассмотренного в задаче 1-34, если трубопровод покрыт слоем изоляции толщиной δ1 = 60 мм (рис. 1-14). Коэффициент теплопроводности изоляции λ1 = 0,15 Вт/(м · ºС). Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху а2 = 8 Вт/(м2 · ºС). Все остальные условия остаются такими же, как в задаче 1-34. Вычислить также температуры на внешней поверхности трубы

Стенка нагревательной печи изготовлена из двух слоев кирпича. Внутренний слой выполнен из огнеупорного кирпича толщиной d₁=350 мм, а наружный слой из красного кирпича ₂=250 мм. Определить температуру на внутренней поверхности стенки t₁ и на внутренней стороне красного кирпича t₂ ,если на наружной стороне температура стенки t₃=90 0 С, а потеря теплоты через 1м 2 стенки равна 1кВт. Коэффициенты теплопроводности огнеупорного и красного кирпича соответственно l₁=1, Вт/м·К, l₂=0,58 Вт/м·К.

t₂

t₁

t₃

d₁

d₂

Дано:q=1кВт=10 3 Вт

Удельный тепловой поток q через два слоя стенки определяется по следующей формуле:

Отсюда: t₁=t₃+q( )

t₁=90+1*10 3 ( )=770⁰C

Удельный тепловой поток q через внутренний слой d₁ определяется по следующей формуле: q₁=λ₁

Отсюда: t₂=t₁- *q

t₂=770- *1*10 3 =520⁰C

Ограждающие поверхности, которые отделяют топочную камеру и газоходы котлоагрегата от окружающего воздуха, называются обмуровкой.

Различают тяжелую и облегченную обмуровку.

Тяжелая обмуровка применяется на котлах небольшой мощности. Стены тяжелой обмуровки обкладывают в два кирпича, внутри, где температура больше 700°С — огнеупорный в полкирпича, а извне — красный строительный.

Облегченная обмуровка котлов средней мощности выполняется двух типов: накаркасная, которая крепится на каркасе котла и натрубная, которая крепится непосредственно к экранным и другим трубам. Она выполняется многослойной из различных легких теплоизоляционных материалов, имеющих небольшую теплопроводность и большую механическую прочность.

Накаркасная обмуровка выполняется:

1 слой (от газохода) — шамотобетон (60 мм);

2 слой — диатомобетон (50 мм) (эти пласты армированы проводом Æ 0,6 мм);

З слой — минераловатные плиты.

Натрубная обмуровка выполняется:

1 слой — хромитовая масса (40 мм) наносится на трубы;

2 слой —легкий теплоизоляционный бетон (50 мм);

З слой — теплоизоляционные плиты (50 мм).

Какие материалы относятся к обмуровочным? К обмуровочным материалам относятся красный и шамотный кирпич. Вяжущим материалом для красного кирпича является глина с песком, для шамотного — огнеупорная глина и молотый шамот. Легкую обмуровку некаркасного типа выполняют из щитов, состоящих из двух слоев теплоизолирующих материалов, защищенных со стороны омывающих их газов слоем жароупорного бетона. Металлическую рамку щитов такой обмуровки крепят к каркасу котла. Трубную обмуровку выполняют в виде отдельных слоев, последовательно наносимых в пластичном состоянии на трубы экранов и других поверхностей нагрева или в виде плит - панелей с огнеупорным и теплоизоляционным. слоями, устанавливаемых на поясах жесткости, закрепленных на трубах.

Обмуровкапредназначена для уменьшения наружных потерь теплоты из газоходов котла, а также для защиты обслуживающего персонала от ожогов.

Важными характеристиками обмуровки являются ее теплопроводность и жаростойкость, т. е. способность выдерживать высокие температуры. Чем меньше теплопроводность, тем лучше теплоизоляционные свойства обмуровки, тем тоньше она может быть и меньше ее масса. В качестве жаростойких применяют шамотные (температура обмуровки до 1300—1600° С) изделия. Хорошими теплоизоляционными свойствами обладают диатомовые изделия (асбодиатомовые плиты и кирпичи применяют до температуры 900° С), а при более низких температурах применяют перлитные, асбовермикулитные, асбодуритные материалы, асбест и др. В котлах с газоплотными мембранными панелями при максимальной температуре за экранами до 400° С широко используют плиты (например, известково-кремнеземистые) из изоляционных материалов, применяемых также для изоляции трубопроводов.

Наименьшую толщину и высокую жаростойкость обмуровки получают при изготовлении ее многослойной из разных материалов. Со стороны теплоносителя применяют высоко температурные материалы, а снаружи материалы с наименьшей теплопроводностью.

Наружную часть обмуровки покрывают газоплотной обмазкой или закрывают металлической обшивкой.

В паровых котлах применяют натрубную подвесную, щитовую накаркасную, кирпичную накаркасную обмуровку, а в газо- плотных котлах — изоляцию по мембранным панелям или обшивочному листу.

Натрубная подвесная обмуровка (см.рис. 50, а) включает внутренний шамотобетонный слой 1 толщиной 60 мм, за которым следует слой диатомобетона 2 (δ =45 мм) и совелита или вулканита 3 (δ =90 мм). Снаружи наносится слой уплотнительной штукатурки или обмазки 4 (δ =15 мм). Первый и последний слои наносятся на металлическую сетку 5. Натрубная обмуровка крепится с помощью привариваемой к трубам внутренней металлической сетки 5 и приварных натяжных штырей 7. Натрубная обмуровка — облегченного типа, допускает ускоренный монтаж и ремонт, но имеет существенный недостаток невысокую плотность из-за трещин, появляющихся в эксплуатации от пульсации давления в газоходах, а также под действием термических напряжений. В последнее время с целью уплотнения стен с натрубной обмуровкой трубы 6 со стороны обмуровки покрывают плоским или гофрированным металлическим листом.

Рис. 50. Обмуровка котла:

а- натрубная подвесная; б, в, г- накаркасная щитовая и ее элементы; д — накаркасная кирпичная;

1— шамотный слой; 2, 3— слой изоляционных материалов (диатомобетона, совелита и т. д.);

4— уплотнительная обмазка; 5— металлическая сетка; 6— экранные трубы; 7 натяжные штыри;

8— металлическая обшивка; 9— рамы щита; 10— натяжной крюк; 11— балка каркаса;

12— кронштейн; 13— полка.

Накаркасная щитовая обмуровка набирается из бетоноизоляционных армированных (плоских или профильных) плит в виде щитовых блоков на рамной конструкции 9. Снаружи щиты обшиваются металлическим листом 8.

Обмуровканакаркасная кирпичная (см.рис. 50, д) в настоящее время применяется реже и в основном в высокотемпературных газоходах, не защищенных экранами. Масса кирпичной кладки передается на балки каркаса 11 через полки 13 с кронштейнами 12. С помощью натяжных крюков 10 или кляммерных креплений, входящих в пазы фасонных кирпичей, обмуровка предохраняется от выпадания.

Большей частью в паровых котлах применяют сочетание различных типов обмуровок. Места стыковки подвижной и неподвижной обмуровок уплотняют с помощью асбестовых шнуров, укладываемых вдоль шва или с помощью различных затворов (гидравлических, песчаных).

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова

Кафедра «Процессов и аппаратов химической технологии»

П. Г. Алексеев, Е. В. Гаврилова, И. Г. Гольцова

Методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Москва ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова

Тепловые процессы: Методическое пособие для самостоятельной работы студентов / П. Г. Алексеев, Е. В. Гаврилова, И. Г. Гольцова. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоно-

сова, 2007. – 60 с.: ил.

Рецензент: Э. М. Карташов, доктор физико-математи- ческих наук, профессор МИТХТ им. М. В. Ломоносова.

Компьютерная вёрстка: П.П. Богданов.

Данное методическое пособие по дисциплине «Тепловые процессы» предназначено для самостоятельной работы студентов III и IV курсов всех направлений и всех специальностей по закреплению теоретического материала изучаемой дисциплины, излагаемой на лекциях в МИТХТ.

В данном методическом пособии сформулированы основные положения теории теплопереноса для отдельных стадий теплообмена и приведены расчётные уравнения, позволяющие определить основные параметры процессов и факторы, влияющие на них. Даны примеры расчёта для каждого вида теплообмена в целом, теплообменного аппарата и выпарной установки.

Методическое пособие состоит из 7 глав, содержащих как теоретическую, так и практическую части. В конце пособия приведены необходимые справочные данные и библиографический список литературы, рекомендуемой студентам для самостоятельного изучения.

Настоящее методическое пособие является четвёртым изданием, переработано и дополнено(1-е в 2003 году). Оно соответствует программе учебных курсов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования и утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ.

Конвективный теплообмен при вынужденном дви-

жении в гладких трубах и каналах.

Конвективный теплообмен при вынужденном по-

перечном обтекании одиночных труб и пучков

Конвективный теплообмен при свободном движе-

Конвективный теплообмен при изменении агрегат-

ного состояния теплоносителя.

Теплоотдача при кипении жидкости

Теплоотдача при конденсации пара.

Теплопередача и сложный теплообмен.

Теплопередача при неизменном агрегатном состоя-

нии обоих рабочих тел.

Теплопередача, когда одно из рабочих тел меняет

своё агрегатное состояние.

Теплопередача, когда оба рабочих тела меняют

свои агрегатные состояния.

Тепловой расчёт теплообменных аппаратов.

Тепловой расчёт выпарной установки.

Основные условные обозначения.

Коэффициент динамической вязкости

Коэффициент кинематической вязкости

Линейная плотность теплового потока

Определяющий геометрический размер

Плотность теплового потока

Скорость потока вещества

Средний логарифмический температур-

Температурный коэффициент объёмно-

Ускорение свободного падения

Ж относящийся к температуре жидкости

относящийся к температуре стенки

относящийся к состоянию насыщения

определяющий размер – диаметр, определяющая температура

Отношение терм. сопротивления

тв. тела к терм. сопротивлению

Отношение подъёмной силы к

Основной безразмерный крите-

рий конвективной теплоотдачи

Отношение конвективного теп-

лового потока к кондуктивному

Отношение потока количества

движения к потоку тепла

Отношение силы инерции к силе

Отношение скор. кондуктивного

переноса тепла к скор. аккуму-

лирования тепла в материале

Теплоперенос, иначе – перенос теплоты от точки к точке, от тела к телу, от объекта к объекту в результате разности (градиента) температур между ними занимает особое место среди физических явлений и процессов переноса.

Теплопереносом (иначе – тепловым процессом) называется любое явление (процесс), связанное с переносом теплоты на любой стадии или в целом.

Элементом (видом, способом) процесса теплопереноса называется стадия (физический процесс), относящийся к какой-либо одной составляющей теплопереноса: перенос теплоты от движущейся среды к поверхности тела через пограничную плёнку – теплоотдача , характеризующаяся коэффициентом теплоотдачи α, Вт/(м 2 ×К) ; перенос теплоты в твёрдом теле или другой среде – теплопроводность (кондукция) , характеризующаяся коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м×К) ; перенос теплоты в результате электро-

магнитных возмущений – лучистый (радиационный) теплообмен , характе-

ризующийся коэффициентом излучения C, Вт/(м 2 ×К 4 ) ; перенос теплоты от одной среды к другой через разделяющую их поверхность – теплопередача , характеризующаяся коэффициентом теплопередачи K, Вт/(м 2 ×К) .

Основной движущей силой в процессе теплопереноса (или отдельных его стадиях) является разность температур . Если разность температур изменяется во времени и пространстве Δt = f(X, Y, Z, τ), то такие процессы называются нестационарными процессами , а если она изменяется только в пространстве и не зависит от времени Δt = f(X, Y, Z), то такие процессы называются стационарными . Стационарные процессы в большинстве присутствуют в химико-технологических процессах.

Общее математическое описание процесса переноса теплоты в движущейся среде описывается уравнениями Фурье-Кирхгофа , гидродина-

мики Навье-стокса, сплошности, теплообмена Ньютона и условиями однозначности, включающих начальные и граничные условия этой системы уравнений.

Математический анализ этой системы уравнений позволяет получить различные их модификации для конкретных условий. Так, например, однонаправленный перенос теплоты в твёрдом теле стационарного переноса при граничных условиях первого рода и отсутствии внутреннего источника тепла q ВН выразится уравнением, на основании которого определяется закономерность изменения температуры в твёрдом теле:

Глава 1. Теплопроводность.

Краткая теоретическая часть.

Теплопроводностью называется перенос теплоты при непосредственном соприкосновении частиц рабочего тела (твёрдого, жидкого или га-

зообразного), имеющих разную температуру, без перемещения этих частиц. При этом, независимо от агрегатного состояния, частицы рассматриваются как достаточно крупные образования сплошной среды, существенно превосходящие размеры микрочастиц (атомов, молекул и пр.).

Уравнение (Б) и закон Фурье 1 позволяют получить выражения для расчёта изменения температуры на поверхности плоской однородной стенки при соответствующем тепловом потоке q и коэффициенте теплопроводности 2 λ в виде (см. рис. 1.1 и рис. 1.2):

где δ/λ – термическое сопротивление переносу теплоты; λ/δ – проводимость.

Теплопроводность через однослойную стенку.

1 В закон Фурье можно подставлять температуры, выраженные в градусах Цельсия или Кельвина, поскольку, хотя шкалы Цельсия и Кельвина отличаются на 273,15 °, но величина разности температур одна и та же. Другими словами, градиент температуры 1 °C/м равен градиенту температуры 1 К/м.

2 Коэффициент теплопроводности λ является теплофизическим параметром вещества, характеризующий способность этого вещества проводить теплоту. Числовое значение этого коэффициента определяет количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при условии равенства градиента температуры единице.

Для многослойной плоской стенки уравнения (1.1) и (1.2) будут иметь

θ 1 θ n 1 n λ , (1.3)

где n – число слоёв стенки, а δ i и λ i – соответственно толщина и теплопроводность i-го слоя.

Теплопроводность через многослойную плоскую стенку.

Общее количество теплоты, передаваемое через поверхность аппарата площадью F равно:

Уравнение (Б) в цилиндрических координатах и закон Фурье позволяют получить выражения, аналогичные (1.1) – (1.4), необходимые для определения изменения температуры и количества теплоты для одно- и многослойной цилиндрических стенок в виде:

θ 1 θ 2 2πλ q l ln r r 2 ,

q π θ 1 θ 2 , l 1 ln r 2 2λ r 1

и для многослойной стенки:

где: 1 ln r i 1 – термическое сопротивление стенки, q l – количество теплоты, 2λ i r i

приходящееся на единицу длины цилиндра.

Общее же количество теплоты в этом случае равно:

Для сферической стенки на основании закона Фурье мы будем иметь следующие уравнения:

Задачи для самостоятельной работы.

Задача 1-1. Определить поток теплоты q через плоскую бетонную стену помещения, а также температуры θ 2 и θ 3 , если внутренняя поверхность стены имеет температуру θ 1 = 20 °C, а наружная θ 4 = – 30 °C. Стена покрыта слоем штукатурки: изнутри известковой, снаружи – известково-песочной. Толщина слоя и теплопроводность материала соответственно равны: δ 1 = 1 см, λ 1 = 0,7

Вт/(м×К); δ 2 = 30 см, λ 2 = 1,55 Вт/(м×К); δ 3 = 5 см, λ 3 = 1,2 Вт/(м×К).

Задача 1-2. Плоская стена закалочной печи обмурована шамотным кирпичом с теплопроводностью, зависящей линейно от температуры:

λ = 0,838 × (1 + 0,0007 × t).

Вычислить плотность теплового потока через обмуровку, если толщина обмуровки δ СТ = 300 мм, температура её внутренней поверхности θ 1 = 1250 °С, а наружной θ 2 = 50 °C.

Задача 1-3. Стеклянная витрина магазина имеет площадь 12 м 2 и толщину 1 см. Коэффициент теплопроводности стекла 0,8 Вт/(м×К). В холодный день температура внешней поверхности стекла составляет 1 °C, а температура внутренней поверхности 3 °C. Найти тепловой поток через стекло и температуру в среднем сечении между внешней и внутренней поверхностями стекла.

Задача 1-4. Определить плотность теплового потока через кирпичную стену (λ = 0,3 Вт/(м×К)), если одна её поверхность имеет температуру 25 °C, а другая 10 °C. Толщина стены 10 см.

Задача 1-5. Стенка печи состоит из внутреннего слоя нержавеющей стали толщиной 1,2 см, покрытого внешним слоем асбестовой изоляции толщиной 5 см. Температура внутренней поверхности нержавеющей стали равна 800 К, а температура наружной поверхности асбеста 350 К. Определить плотность теплового потока через стенку печи и температуру контактной поверхности стали и асбеста. Коэффициенты теплопроводности для стали и асбеста равны соответственно 19 Вт/(м×К) и 0,7 Вт/(м×К).

Задача 1-6. Дымовая труба (см. рис. 1.3) цилиндрической формы имеет два слоя: наружный из красного кирпича с теплопроводностью λ 1 = 0,8 Вт/(м×К) и внутренней из огнеупорного материала с теплопроводностью λ 2 =

= 0,5 Вт/(м×К). Определить тепловой поток с одного погонного метра трубы, передаваемый посредством теплопроводности, и θ 2 , если d 1 = 600 мм, d 2 =

= 800 мм, d 3 = 1200 мм, θ 1 = 450 °C, а θ 3 не должна превышать 50 °C.

Задача 1-7. Обмуровка печи состоит из слоёв шамотного и красного кирпича, между которыми расположена засыпка из диатомита. Толщина слоёв шамотного слоя δ 1 = 120 мм, диатомитовой засыпки δ 2 = 50 мм и красного кирпича δ 3 = 250 мм. Коэффициенты теплопроводности материалов соответственно равны λ 1 = 0,93; λ 2 = 0,14 и λ 3 = 0,07 Вт/(м×К). Какой толщины следует сделать слой из красного кирпича, если отказаться от применения засыпки из диатомита, чтобы тепловой поток остался неизменным?

Задача 1-8. Стенка сушильной камеры выполнена из слоя красного кирпича толщиной δ 1 = 250 мм и слоя строительного войлока. Температуры на внешней поверхности кирпичного слоя θ 1 = 110 °C и на внешней поверхности войлока θ 3 = 25 °C. Коэффициент теплопроводности красного кирпича λ 1 = 0,7 Вт/(м×К), а строительного войлока λ 2 = 0,0465 Вт/(м×К). Вычислить температуру в плоскости соприкосновения слоёв и найти толщину войлочного слоя при условии, что тепловые потери через 1 м 2 стенки камеры не должны превышать q = 110 Вт/м 2 .

Задача 1-9. Стена здания состоит из слоя обычного кирпича (δ 1 = 0,1 м, λ 1 = 0,7 Вт/(м×К)) и слоя гипсовой штукатурки (δ 2 = 0,038 м, λ 2 = = 0,48 Вт/(м×К)). Сравнить тепловые потоки через эту стену и через такую же стену с термическим сопротивлением на поверхности раздела между кирпичом и штукатуркой, равным 0,1 К/Вт.

Задача 1-10. Стальной паропровод (d ВН = 100 мм, d Н = 110 мм, λ СТ = 50 Вт/(м×К), θ 1 = 250 °C) покрыт двумя слоями изоляции одинаковой толщины

равной δ = 50 мм с λ ИЗ1 = 0,06 Вт/(м×К) и λ ИЗ2 = 0,12 Вт/(м×К). Определить тепловые потери с одного погонного метра паропровода и температуру по-

верхности соприкосновения слоёв изоляции; сравнить их с результатами, которые получаются при условии, что слои изоляции поменяли местами, а температура наружной поверхности изоляции неизменна и равна 50 °C.

Задача 1-11. Изменение коэффициента теплопроводности материала в зависимости от температуры описывается выражением:

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М. В. Ломоносова

Кафедра «Процессов и аппаратов химической технологии»

П. Г. Алексеев, Е. В. Гаврилова, И. Г. Гольцова

Методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Москва ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова

сова, 2007. – 60 с.: ил.

Рецензент: Э. М. Карташов, доктор физико-математи- ческих наук, профессор МИТХТ им. М. В. Ломоносова.

Компьютерная вёрстка: Р. А. Жаков.

Настоящее методическое пособие является вторым изданием (1-е в 2004 году), переработано и дополнено. Оно соответствует программе учебных курсов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования и утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ.

Конвективный теплообмен при вынужденном дви-

жении в гладких трубах и каналах.

Конвективный теплообмен при вынужденном по-

перечном обтекании одиночных труб и пучков

Конвективный теплообмен при свободном движе-

Конвективный теплообмен при изменении агрегат-

ного состояния теплоносителя.

Теплоотдача при кипении жидкости

Теплоотдача при конденсации пара.

Теплопередача и сложный теплообмен.

Теплопередача при неизменном агрегатном состоя-

нии обоих рабочих тел.

Теплопередача, когда одно из рабочих тел меняет

своё агрегатное состояние.

Теплопередача, когда оба рабочих тела меняют

свои агрегатные состояния.

Тепловой расчёт теплообменных аппаратов.

Тепловой расчёт выпарной установки.

Основные условные обозначения.

Коэффициент динамической вязкости

Коэффициент кинематической вязкости

Линейная плотность теплового потока

Определяющий геометрический размер

Плотность теплового потока

Скорость потока вещества

Средний логарифмический температур-

Температурный коэффициент объёмно-

Ускорение свободного падения

Ж относящийся к температуре жидкости

относящийся к температуре стенки

относящийся к состоянию насыщения

определяющий размер – диаметр, определяющая температура

Отношение терм. сопротивления

тв. тела к терм. сопротивлению

Отношение подъёмной силы к

Основной безразмерный коэф-

фициент конвективной теплоот-

Отношение конвективного теп-

лового потока к кондуктивному

Отношение потока количества

движения к потоку тепла

Отношение силы инерции к силе

Отношение скор. кондуктивного

переноса тепла к скор. аккуму-

лирования тепла в материале

магнитных возмущений – лучистый (радиационный) теплообмен , характе-

Общее математическое описание процесса переноса теплоты в дви-

жущейся среде описывается уравнением Фурье-Кирхгофа :

Математический анализ этого уравнения позволяет получить различные его модификации для конкретных условий. Так, например, однонаправленный перенос теплоты в твёрдом теле стационарного переноса при граничных условиях первого рода и отсутствии источника q ВН выразится уравнением, на основании которого определяется закономерность изменения температуры в теле:

Глава 1. Теплопроводность.

Краткая теоретическая часть.

где δ/λ – термическое сопротивление переносу теплоты; λ/δ – проводимость.

Теплопроводность через однослойную стенку.

Для многослойной плоской стенки уравнения (1.1) и (1.2) будут иметь

θ 1 θ n 1 n λ , (1.3)

где n – число слоёв стенки, а δ i и λ i – соответственно толщина и теплопроводность i-го слоя.

Теплопроводность через многослойную стенку.

Общее количество теплоты, передаваемое через поверхность аппарата площадью F равно:

и для многослойной стенки:

где: 1 ln r i 1 – термическое сопротивление стенки, q l – количество теплоты, 2λ i r i

приходящееся на единицу длины цилиндра.

Общее же количество теплоты в этом случае равно:

Для сферической стенки на основании закона Фурье мы будем иметь следующие уравнения:

Задачи для самостоятельной работы.

Вт/(м×К); δ 2 = 30 см, λ 2 = 1,55 Вт/(м×К); δ 3 = 5 см, λ 3 = 1,2 Вт/(м×К).

λ = 0,838 × (1 + 0,0007 × t).

верхности стали и асбеста. Коэффициенты теплопроводности для стали и асбеста равны соответственно 19 Вт/(м×К) и 0,7 Вт/(м×К).

= 800 мм, d 3 = 1200 мм, θ 1 = 450 °C, а θ 3 не должна превышать 50 °C.

Читайте также: