1) Цикл Карно совершается с 1 кг воздуха в пределах температур 927 и 27°С. Подводимая в цикле теплота 30 кДж. Определить максимальное давление в цикле, термический к. п. д. и полезную работу, если минимальное давление в цикле 0,1 МПа. Ответ: рмакс = 12,8 МПа; η t = 0,75; l = 22,5 кДж/кг.
2) Через плоскую металлическую стенку топки котла толщиной δ = 14 мм от газов к кипящей воде проходит удельный тепловой поток q =25000 Вт/м2. Коэффициент теплопроводности стали λcт = =50 Вт/(м•К). Определить перепад температуры на поверхностях стенки. Ответ: ∆t = 7°С.
3) Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стальной стенки парового котла, если стенка покроется слоем накипи 2 мм с коэффициентом теплопроводности λк = 1,35 Вт/(м•К). Толщина стального листа δ =16 мм и λ = 50 Вт/(м•К). Сравнить его с коэффициентом теплопроводности стали. Ответ: λэк =10 Вт/(м•К), т. е. в 5 раз меньше.
4) Слой льда на поверхности воды имеет толщину 250 мм, температуры на нижней и верхней поверхностях соответственно t1 = 0°С и t2 = -15°С. Определить тепловой поток через 1 м2 поверхности льда, если его коэффициент теплопроводности λ л = 2,25 Вт/(м•К). Как изменится тепловой поток, если лед покроется слоем снега толщиной 155 мм с коэффициентом теплопроводности λ с = 0,465 Вт/(м•К) и температура на поверхности снега будет t2с = -20°С? Ответ: q1 = 135 Вт/м2, q2 = 45 Вт/м2, т. е. меньше в 3 раза.
5) Стенка нагревательной печи изготовлена из двух слоев кирпича. Внутренний слой выполнен из огнеупорного кирпича толщиной δ1 = 350 мм, а наружный из красного кирпича δ2 = 250 мм. Определить температуру на внутренней поверхности стенки t1 и на внутренней стороне красного кирпича t2, если на наружной стороне температура стенки t3 = 90°С, а потеря теплоты через 1 м2 стенки равна 1 кВт. Коэффициенты теплопроводности огнеупорного и красного кирпича соответственно λ о.к = 1.4 Вт/(м•К) и λ к.к = 0,58 Вт/(м•К). Ответ: t1 = 770°С; t2 = 520°С.
6) Определить тепловой поток через 1 м2 поверхности кирпичной стенки и глубину ее промерзания до температуры t ≤ 0°С. Толщина стенки 250 мм, температура на ее внутренней поверхности t1 = 20°C, а наружной t2 = - 30°C. Принять коэффициент теплопроводности кирпича λ = 0,55 Вт/(м•К). Ответ: q = 110 Вт/м2; δ' = 150 мм.
7) Определить тепловой поток через поверхность 1 м паропровода с внутренним диаметром 140 мм и толщиной стенки δ1 = 5 мм, изолированного двумя слоями тепловой изоляции δ2 = 20 мм и δ3 = 40 мм. Коэффициенты теплопроводности трубы и изоляции соответственно λ1 = 55 Вт/(м•К), λ2 = 0,037 Вт/(м•К) и λ3 = 0,14 Вт/(м•К). Температура на внутренней поверхности трубопровода t1 = 300°C и наружной поверхности изоляции t4 = 55°С. Как изменится потеря теплоты через изолированную стенку паропровода если изоляционные слои поменять местами? Ответ: ql 1 = 174 Вт/м , ql 2 = 208 Вт/м.
8) Определить температуру на границах слоев трехслойной изоляции трубы. Наружный диаметр трубы d = 245 мм, толщина слоев δ1|= 80 мм, δ2 = 50 мм и δ3 = 30 мм. Коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов λ1 = 0,03, λ2 = 0,06 и λ3 = 0,12 Вт/(м•К). Температура на поверхности трубы 250°С и на наружной поверхности изоляции 65°С. Ответ: t2 = 118,5°C; t3 = 77,4°С.
9) Определить необходимую толщину изоляции, если допустимые температуры ее поверхностей t1 = 350°С и t2 = 50°С, а удельный тепловой поток через изоляцию не должен превосходить 450 Вт/м2. Коэффициент теплопроводности изоляции λ = 0,12 Вт/(м•К). Решить задачу для плоской стенки и трубы с наружным диаметром 102 мм. Ответ: Для плоской стенки δ = 80 мм; для трубы δ = 143 мм.
10) Вертикальный неизолированный трубопровод диаметром 76 мм и высотой 4 м омывается воздухом, средняя температура которого tж = 20°С. Температура поверхности трубопровода tс = 60°С. Определить потерю теплоты трубопроводом. Ответ: Q = 25I кВт.
11) Определить коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней стенке трубы диаметром 17 мм, если температура стенки tс = 30°С, а температура воды в трубе tж= 60С. Скорость воды в трубе ω = 0,5- м/с. Ответ: α = 2810 Вт/(м2•К).
12) По трубопроводу с внутренним диаметром d = 70 мм проходит воздух, нагретый до температуры tж = 100°С. Определить значение коэффициента теплоотдачи, если скорость воздуха в трубопроводе ω = 4,5 м/с. При tж = 100°С, λж = 0,0321 Вт/(м•К), νЖ = 23,13•10-6 м2/с. Ответ: α = 16,65 Вт/(м2•К).
13) Определить теплоту излучения 1 м неизолированного трубопровода диаметром 25 мм, если температура его поверхности 110°С, а температура стен в помещении tс = 16°С. Степень черноты материала трубопровода ε = 0,8. Ответ: Q = 52 Вт/ м2.
14) Определить температуру провода электронагревателя, если его диаметр и длина соответственно равны d = 0,5 мм и l = 2,5 м. Степень черноты поверхности провода ε = 0,9, а температура ограждающей арматуры 15°С. Мощность, потребляемая нагревателем, равна 0,4 кВт. Конвективным теплообменом пренебречь. Ответ: t = 910°С.
15) Средняя температура дымовых газов в газоходе нагревательной печи 900°С. Эффективная степень черноты обмуровки газохода 0,8. Определить температуру внутренней поверхности газохода, если теплота излучения составляет 3400 Вт/м2 при степени черноты газа εг = 0,16. Ответ: 657°С.
16) Определить плотность теплового потока через плоскую стенку металлического водонагревателя и температуру на поверхностях стенки, если заданы: температура греющих газов 1200°С, температура воды в баке 200°С, коэффициенты теплоотдачи соответственно 45 Вт/(м2•К) и 6000 Вт/(м2•К), толщина стенки 14 мм и коэффициент теплопроводности материала стенки 58 Вт/(м•К). Ответ: q = 44250 кВт/м2, tс 1 = 215°С, tс 2 = 207,38°С.
17) Определить тепловой поток через кирпичную стенку толщиной 250 мм, покрытую слоем штукатурки толщиной 50 мм. Теплопроводность кирпича 0,93 Вт/(м•К), а штукатурки 0,093 Вт/(м•К). Температура воздуха внутри помещения 18°С, снаружи — 25°С. Коэффициенты теплоотдачи равны соответственно 8 Вт/(м2•К) и 17,5 Вт/(м2•К). Определить также температуру стенки с внутренней стороны. Ответ: q = 43,5 Вт/м2; tс 1 = 12,57°С.
18) Определить потерю теплоты с поверхности 1 м неизолированного трубопровода горячего водоснабжения, если его внутренний диаметр 76 мм, толщина стенки 3 мм и коэффициент ее теплопроводности 50 Вт/(м•К). Температура воды 95°С, наружная температура 15°С. Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы 5000 Вт/(м2•К) и от трубы к воздуху 15 Вт/(м2•К). Ответ: ql = 308 Вт.
19) Определить температуру на внутренней поверхности паропровода d1 = 200 мм, изолированного слоем изоляции толщиной 100 мм с коэффициентом теплопроводности 0,11 Вт/(м•К). Толщина стенки паропровода δ = 16 мм. Температура пара tж1 = 250°С. и наружного воздуха tж2 = 30°С. Принять коэффициенты теплоотдачи со стороны пара 100 Вт/(м2•К) и со стороны воздуха 9,5 Вт/(м2•К). Определить также линейную плотность теплового потока. Термическим сопротивлением стенки трубы пренебречь. Ответ: ql = 308 Вт/м, tс1 = 246,65°С.
20) Плоская металлическая стенка толщиной 5 мм, коэффициент теплопроводности которой 50 Вт/(м•К), омывается с одной стороны водой (коэффициент теплоотдачи 300 Вт/(м2•К)) и с другой стороны воздухом (коэффициент теплоотдачи 8 Вт/(м2•К)). Температура воды tж1 = 85°С и воздуха tж2 = I8°C. Определить, как изменится плотность теплового потока, если со стороны воздуха стенку оребрить с коэффициентом F2/F1= 1,6. Ответ: q1 = 523 Вт/м2; q2 = 823 Вт/м2.