Контрольная работа по "Строительная физика"

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ 
 
 
 
 
 

Кафедра промышленного и гражданского строительства,

теплогазоснабжения и вентиляции 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Строительная физика»

Вариант №10  
 
 

Выполнил: 
 
 
 

Проверил: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_________________________ 2011

 

Задание:

 

   В теплообменном аппарате вертикальная плоская стенка толщиной δ = 3,5 мм, длиной    l = 1,4 м и высотой h = 0,91 м выполнена из стали с коэффициентом теплопроводности    λ_с = 50 Вт/(мК) (рис. 1). С одной стороны она омывается продольным вынужденным потоком горячей жидкости (воды) со скоростью w = 0,52 м/с и температурой t_ж1 = 90 ºС (вдали от стенки), с другой стороны – свободным потоком атмосферного воздуха с температурой      t_ж2 =11ºС.    

     

           λ_c 

     t_ж1                         t_ж2 

                                    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  изменении каждого из варьируемых факторов σ_i по формуле: , где K, K_i – 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 90ºС 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  85ºС .

;

При свободном  движении (естественной конвекции) вдоль  вертикальных поверхностей может быть использовано следующее уравнение подобия:

;

Для воздуха  при температуре 11ºС характерны следующие параметры:

; ;

а при  температуре 85ºС .

;

;

;

;

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 

 
 

2.1.Коэффициенты теплопередачи при изменении каждого из варьируемых факторов:

;

;

;

;

;

 
 

Таблица 2

Результаты  расчета 

2.2. Степень увеличения коэффициента:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Таблица 3

Результаты  расчета 

 

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.