Задачи ПАХТ разные

Контрольные задачи раздел 8 Массопередача

Задача VIII.1. В сосуде имеется раствор аммиака, концентрация которого сцн,, = 15 кг/100 кг раствора. Общее давление в сосуде р = 1 атм, температура I = 20° С. Определить парциальное давление аммиака в воздухе над раствором. Воспользоваться данными рис. V.Ш-5.

Флореа, Смигельский рисунок к задаче 8.1

Задача VIII.2. В колонне проводят абсорбцию СО2 водой под давлением. Конечная концентрация раствора ссо2=0,5 кг/кг Н2О. Определить, какое количество СО2 выделится из 1 м3 раствора, если после выхода из колонны вода собирается в сосуде, общее давление в котором составляет р = 738 мм рт. ст. Константа Генри для СО2 при 20°С Н = 1,08-106 мм рт. ст.

Задача VIII.3. Пользуясь экспериментальными данными, построить в координатах V — X линию равновесия для системы SO2 - вода при температуре 18° С. Экспериментальные данные:

Флореа, Смигельский рисунок к задаче 8.3

Задача VIII.4. Используя уравнение (VIII.7), определить наклон линии равновесия my=dY/dX для системы аммиак - вода при температуре 40° С и общем давлении р = 760 мм рт. ст. в точках (сNН3)1 = 1,895 кг/кг воды и (cNH3)2 = 7,5 кг/кг воды; соответствующие парциальные давления при равновесии составляют: (РNН3)1 = 28,4 мм рт. ст. и (РNН3)2 = 120 мм рт. ст.

Задача VIII.5. Построить равновесные линии в диаграммах у - х и t-х-у для смеси бензол - толуол при давлении 760 мм рт. ст. Известны следующие значения давлений паров чистых компонентов:

Флореа, Смигельский рисунок к задаче 8.5

Определить также температуру кипения и равновесный состав пара для смеси, содержащей 12,5 мольн. % бензола.

Задача VIII.6. Используя данные предыдущей задачи, определить путем дифференцирования -уравнения (VIII. 14) наклон линии равновесия m=dy*/dx в точке х = 0,5.

Задача VIII. 7. Система этиловый спирт - вода при давлении 760 мм рт. ст. образует азеотропную смесь состава у = х = 0,8943, кипящую при t = 78,17° С. Давление паров чистых компонентов при этой температуре составляет р\ = 753 мм рт. ст. к р2 =330 мм рт. ст. С помощью уравнения ван-Лаара определить состав жидкости и пара при температуре t = 80,7° С, при которой давления паров чистых компонентов составляют P1 = 835 мм рт. ст. и Р2=366 мм рт. ст.

Задача VIII.8. Определить равновесный состав для системы бутан - пентан при давлении 3 атм и температуре 37,8° С, пользуясь: а) законом Рауля; б) уравнением (VIII.23), если известно, что давления паров чистых компонентов при соответствующей температуре равны р1 = 2650 мм рт. ст. и р2 = 830 мм рт. ст.; константы равновесия k1 = 1,15 и k2 = 0,36.

Задача VIII.9. Определить с помощью уравнения (VIII. 34) коэффициент диффузии СО2 при температуре 20° С и нормальном давлении: а) в воздухе; б) в парах воды.

Задача VIII. 10. В скруббере с помощью серной кислоты осушают смесь газов, содержащую 2,4% водяных паров (А); 7,8% SО2 (В); 10.6% О2 (С) и 79,2% Н2 (О). Определить коэффициент диффузии паров воды в смеси инертных газов.
Указание. Вначале по уравнению (VIII. 34) определить коэффициенты диффузии паров воды в каждом из компонентов газа, а затем по уравнению (VIII. 41) - коэффициент диффузии в их смеси.

Задача VIII. 11. Определить коэффициент диффузии фенола в бензоле при
t = 5°С по уравнению (VIII.37), если м = 0,821 спз, VА = 103,4.

Задача VIII. 12. Определить коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах при абсорбции SО2 водой в колонне с беспорядочно загруженной насадкой из колец Рашига 50X50X5 мм. Колонна работает при следующих условиях: давление - атмосферное; расход газа Qоб = 2800 м3/ч (объем газа приведен к нормальным условиям); начальная концентрация 5О2 «Л = 0,05; средняя температура в колонне t = 15,75° С; расход воды Lоб = 72,6м3/ч диаметр колонны dК = 1,18 м. Дано: коэффициент диффузии в газовой фазе Dт = 4,95-10-2 м2/ч; в жидкой фазе Dж = 5,33-10-6 м2/ч; вязкость. мг = 1,74-Ю-5 н-сек/м2 и р,ж = 1,15-10~3 н-сек/м2; плотность газа рг = 1,265 кг/м3.
Указание. Для решения использовать уравнения (VIII. 51) и (VIII. 57), габл. VШ-2, строка 5.

Задача VIII. 13. Пользуясь соотношениями (VIII. 48) и (VIII. 50), пересчитать полученные в предыдущей задаче коэффициенты массоотдачи при условии, что движущая сила выражена в мольных долях.

Задача VIII. 14. Пользуясь данными примера VIII. 21, пересчитать с помощью уравнения (VIII. 61) полученное в задаче VIII. 12 значение коэффициента массоотдачи в газовой фазе, отнеся его к объему жидкости на тарелке.

Задача VIII. 15. В колонне с ситчатыми тарелками проводят абсорбцию двуокиси серы водой из воздуха при атмосферном давлении. Определить, пользуясь уравнением (VIII.63), коэффициенты массоотдачи, если колонна работает в следующих условиях: расход газа Qоб = 2800 м3/ч (объем газа приведен к нормальным условиям); начальная концентрация SО2 на входе в колонну (y1 = 0,075; конечная концентрация у2 = 0,00364; средняя температура в колонне t=18° С; расход абсорбирующей воды Lоб = 78,5 м3/ч; диаметр колонны йк = 1200 мм; газосодержание пены e = 0,5; высота переточного порога hn = 30 мм. Дано: коэффициенты диффузии в газовой фазе DГ = 4,45- 10-2 м2/ч и в жидкой фазе Dк = 5,05-10-6м2/ч; вязкость газа мг = 1,79- 10-5н- сек/м2 и вязкость жидкости мж = 1,13-10~3 н-сек/м2.

Задача VIII. 16. Пользуясь значениями коэффициентов массоотдачи, полученными в предыдущей задаче, определить коэффициенты массоотдачи, выраженные в кмоль/(м2-ч) -Dу и кмоль/(м2-ч) -Dх и отнесенные ко всей площади поперечного сечения колонны. Следует учитывать, что в уравнении (VIII. 63) коэффициент массоотдачи kг отнесен к свободному сечению тарелки. Дано: доля свободного сечения ф=14,5%; рабочая площадь тарелки SТ = 0,93 м2.

Задача VIII. 17. Пользуясь данными и результатами решения задач (VIII. 15) и (VIII. 16), определить коэффициенты массопередачи, отнесенные к газовой фазе, для низа и верха колонны. Наклоны линии равновесия определить по уравнению (VIII.7) и данным задачи (VIII. 3).

 

Контрольные задачи раздел 7 Расчет теплообменной аппаратуры

Задача VII.1. Требуется охладить жидкость в теплообменнике типа труба в трубе от 300 до 200°С. Охлаждающая жидкость входит при температуре 100°С и выходит при 150°С. Определить, следует ли принять прямоточную или противоточную схему движения потоков.
Указание. Сравнить значения среднелогарифмического температурного напора для прямотока и противотока.

Задача VII.2. Для охлаждения минерального масла имеется противоточный теплообменник общей поверхностью F = 25 м2. В качестве охлаждающего агента применяется 8000 кг/ч воды при температуре 15°С. Определить конечные температуры масла и охлаждающей воды, если в теплообменник поступает 5000 кг/ч масла. Удельная теплоемкость масла при температуре 95° С, с = 2100 дж/(кг-град); расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 250 вт/(м2-град).

Задача VII. 3. В теплообменнике охлаждают 5500 кг/ч раствора от 90 до 30°С. Для охлаждения используют воду при температуре t1 = 15 С. Определить поверхность теплообмена и расход охлаждающей воды при прямотоке и противотоке. Конечная температура воды должна быть на 5° С ниже конечной (при прямотоке) и начальной (при противотоке) температуры раствора. Коэффициент теплопередачи k= 1100 вт/ (м2-град); удельная теплоемкость раствора с = 3350 дж/(кг-град).

Задача VII. 4. Определить поверхность теплообменника для охлаждения 3000 кг/ч минерального масла от 100 до 30° С. Для охлаждения используется то же масло, которое нагревается от 20 до 40° С. Удельная теплоемкость минерального масла с = .= 1670 дж/(кг-град). Зависимость коэффициента теплопередачи от температуры: л
Температура горячего масла, °С…….….....100……80…… 60……40……30
Коэффициент теплопередачи, вт/(м2-град)..406…..384……350….288….230

Задача VII. 5. Реагирующую смесь необходимо подвергнуть предварительному нагреванию от 20 до 120°С, используя для этого тепло продуктов реакции, охлаждаемых от 350 до 150°С. Для выбора наиболее выгодной схемы относительного движения потоков определить соотношение величин поверхностей теплообмена, соответствующих прямоточному, противоточному и смешанному движению жидкостей (один ход через межтрубное пространство и два или четыре хода через трубы).
Указание. Коэффициенты теплопередачи при прямотоке и противотоке считать одинаковыми. Возрастание коэффициента теплопередачи при увеличении числа ходов определить по уравнению (VI. 23), считая, что при одном ходе оба коэффициента теплоотдачи а1 и а2 одинаковы. Термическим сопротивлением стенок и отложений пренебречь.

Задача VII. 6. Определить для теплообменника типа труба в трубе, конструкция которого показана на рис. VII - 20, конечные температуры tа и tЬ жидкости в межтрубном пространстве. Холодная жидкость поступает в теплообменник при температуре 20° С; на выходе из межтрубного пространства каждой секции потоки жидкости смешиваются. Температура смешения 60° С. Горячая жидкость имеет начальную температуру 105 и конечную 65° С.
Указание. Поверхность теплообмена и коэффициенты теплопередачи в обеих ветвях одинаковы.

Схема потоков в теплообменнике (к задаче VII. 6).

Рис. VII-20. Схема потоков в теплообменнике (к задаче VII. 6).

Задача VII.7. 150000 кг/ч воды нагревают в противоточном теплообменнике от 90 До 160°С. Для нагревания используют горячие газы, имеющие начальную температуру 450 и конечную 120°С. Определить коэффициент теплопередачи, если поверхность теплообмена составляет 3500 м2.

Задача VII. 8. а) Необходимо охладить 1500 кг/ч масла от 110 до 50 °С. Для охлаждения используют воду при начальной температуре 15° С. Максимально допустимая конечная температура воды составляет 30° С. Удельная теплоемкость масла равна 0,5 ккал/(кг-град). Определить необходимый расход воды, а также произведение коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена. Движение теплоносителей - противоточное.
б) Полагая конструкцию теплообменника заданной, определить конечные температуры воды и масла, если по какой-либо причине расход последнего удваивается, а расход воды и начальные температуры остаются неизменными. Считать, что произведение ЬР остается неизменным.

Задача VII. 9. Теплообменник используется для нагревания 13000 кг/ч уксусной кислоты от 65 до 120° С. Нагревание производят бутиловым спиртом, имеющим начальную температуру 160°С; расход 19000 кг/ч. Коэффициент теплопередачи составляет 400 вт/(м2-град); удельная теплоемкость уксусной кислоты с1 = 0,49 ккал/(кг-град); удельная теплоемкость бутилового спирта с2 = 0,6 ккал/(кг-град). Через два месяца эксплуатации конечная температура бутилового спирта в результате отложений на стенках увеличилась на 2° С. Определить, до какой температуры можно будет нагревать уксусную кислоту через год после ввода в эксплуатацию теплообменника (расходы жидкостей остаются неизменными).
Указание. Считать, что скорость образования отложений постоянна.

Задача VII. 10. Определить поверхность теплообмена, необходимую для охлаждения G{ = 5000 кг раствора от 120 до 60°С за 1,5ч. Охлаждение осуществляют водой, имеющей начальную температуру 20° С; расход воды С2 = 0,95 кг/сек.
Коэффициент теплопередачи k = 930 вт/ (м2-град); удельная теплоемкость раствора с = 3760 дж/(кг-град). Определить также конечную температуру охлаждающей воды в начале и конце процесса.

Задача VII. 11. Рассчитать теплообменник для нагревания 6000 кг/ч воды от 20 до 50° С. Нагревание проводят насыщенным водяным паром; температура пара 120° С. Для изготовления теплообменника использовать стальные трубы диаметром 25/21 мм и длиной 1,2 м. Определить число труб и число ходов для воды. Коэффициент теплоотдачи на стороне пара принять а = 6000 вт/(м2-град); теплопроводимость осадка на. стенках труб л/б = 4500 вт/(м2-град); скорость воды в трубах 0,5 м/сек.
Указание. Коэффициент теплоотдачи на стороне воды определять по формуле (VI. 23).

Задача VII. 12. Определить, можно ли нагревать в течение 1 ч С0 = 7000 кг раствора, находящегося в реакторе, от tН = 20° С до tК = 95°С. Нагревание осуществляется насыщенным водяным паром; температура пара t= 120° С; поверхность теплообмена реактора F = 12 м2; расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 850 вт/(м2*град). Во время нагревания в реактор вводят реагент в количестве G = 0,2 кг/сек, который мгновенно вступает в реакцию и выделяет QР = 4,5*105 дж/кг тепла. Начальная температура реагента также равна 20° С, а его удельная теплоемкость практически равна теплоемкости раствора с = 3500 дж/(кг-град).
Указание. Для определения времени нагревания проинтегрировать уравнение теплового баланса

Тепло, сообщаемое паром, и теплота реакции нагревают раствор и реагент до температуры t.

Задача VII.13. Определить среднюю температуру кипения уксусной кислоты в выпарном аппарате с вертикальными кипятильными трубами длиной 2,5 м. Давление в паровом пространстве выпарного аппарата составляет 0,2 ат. Уровень жидкости над трубами равен нулю. Плотность кипящей жидкости в трубах принять равной 0,5 плотности уксусной кислоты, составляющей при температуре кипения в выпарном аппарате 1020 кг/м3. Температура кипения уксусной кислоты при атмосферном давлении равна 118,5° С, а давление ее паров при 60° С составляет 88,9 мм рт. ст.

Задача VII. 14. 48%-ный раствор NаОН имеет при нормальном атмосферном давлении температуру кипения 140° С, а при давлении 0,2 ат - 99° С. Определить температуру кипения раствора при 0,7 ат.
Указание. Использовать метод Дюринга.

Задача VII. 15. Определить поверхность теплообмена, необходимую для выпаривания 1,5 кг/сек воды при атмосферном давлении и при разрежении 0,8 ат. Коэффициент теплопередачи в обоих случаях принять равным 1800 Вт/(м2*град). Выпаривание происходит за счет теплоотдачи от насыщенного водяного пара под давлением 2 ат. Для определения средней температуры кипения воды принять плотность паро-жидкостной эмульсии в трубах равной 0,5 плотности воды при той же температуре.

Задача VII. 16. В выпарном аппарате с вертикальными кипятильными трубами (длиной 3 м) и поверхностью" теплообмена 131 м2 необходимо упарить 1,3 кг/сек 10%-ного раствора КС1 до концентрации 32%. Для нагрева использовать насыщенный водяной пар при атмосферном давлении. Определить, каким должно быть рабочее давление в аппарате, чтобы обеспечить требуемую производительность. Коэффициент теплопередачи принять равным 900 вт/(м2-град); исходный раствор поступает в выпарной аппарат предварительно нагретым до температуры кипения; температурная депрессия равна 7° С; плотность раствора составляет 1200 кг/м3.
Указание. Плотность кипящей жидкости принять равной 0,6 плотности раствора, а энтальпию раствора - равной сумме энтальпий воды и растворенного вещества.

Задача VII. 17. Производительность выпарного аппарата с поверхностью теплообмена 50 м2 в момент ввода в эксплуатацию составляла 0,4 кг/сек исходного раствора. После трех месяцев работы производительность снизилась до 0,32 кг/сек. Определить толщину образовавшегося за это время слоя отложений, если теплопроводность л = 1,4 вт/(м2-град), а также производительность аппарата через год работы, если скорость нарастания слоя отложений будет постоянной. В выпарном аппарате осуществляется выпарка 10%-ного раствора СаС12 до концентрации 30%. Начальная температура исходного раствора равна 20° С. Греющим агентом служит насыщенный водяной пар под давлением 2 ат. Средняя температура кипения раствора в выпарном аппарате равна 111°С. Удельная теплоемкость СаС12 с = 685 дж/(кг-град).

Задача VII. 18. Рассчитать выпарной аппарат непрерывного действия для концентрирования при атмосферном давлении 1,5 кг/сек 12%-ного раствора КNО3 до концентрации 39%. Температура кипения раствора при нормальном атмосферном давлении равна 104° С. Для нагрева используется насыщенный водяной пар с температурой 125° С. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 1300 вт/(м2-град); гидростатическая температурная депрессия Δtгг=1,2°С. Для предварительного нагревания раствора от температуры 15° С используют часть вторичного пара; поверхность теплообмена предварительного нагревателя F = 35 м2, а коэффициент теплопередачи K = 850 вт/ (м2 • град). Удельная теплоемкость твердого КNО3 с= 1100 дж/(кг-град). Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.

Задача VII. 19. Определить, до какой концентрации можно упарить 4%-ный водный раствор в выпарном аппарате поверхностью теплообмена F = 65 м2. Количество исходного раствора составляет 1,2 кг/сек. Средняя температура кипения раствора 104° С. Выпарка производится при атмосферном давлении. Удельная теплоемкость растворенного вещества с= 1250 дж/(кг• град). Для нагревания используют насыщенный водяной пар под давлением 3 ат. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 850 вт/(м2*град). Раствор поступает в выпарной аппарат при температуре 15° С.

Задача VII. 20. По условиям задачи (VII.19) определить конечную концентрацию раствора, если последний перед поступлением в выпарной аппарат подвергается предварительному нагреванию до 110°С.

Задача VII. 21. Необходимо повысить производительность выпарного аппарата по исходному раствору от 2,5 до 4 кг/сек. Определить, насколько надо повысить давление греющего пара, чтобы конечная концентрация раствора при увеличении производительности не снизилась. Производительность 2,5 кг/сек достигается при давлении пара 2 ат; средняя температура кипения раствора 108° С. Коэффициент теплопередачи пропорционален квадратному корню из тепловой нагрузки.

Задача VII. 22. Для концентрирования 2 т/ч исходного 10%-ного раствора до 30% расходуется 1,77 т/ч насыщенного водяного пара под давлением 3 ат. Определить потери тепла выпарным аппаратом в окружающую среду, если известно, что раствор кипит при 108° С, а начальная температура раствора равна 20° С. Удельная теплоемкость исходного и концентрированного растворов соответственно равна 3850 и 3300 дж/(кг-град). Теплотой концентрирования (дегидратации) пренебречь.

Задача VII. 23. Барометрический конденсатор выпарного аппарата работает при давлении 0,15 ат, потребляя 22,2 кг/сек охлаждающей воды; температура воды равна 18° С. Определить производительность выпарного аппарата по исходному раствору, если известно, что концентрация раствора повышается с 15 до 40%, а охлаждающая вода нагревается до 50° С.

Задача VII. 24. Двухходовой конденсатор состоит из 32 труб диаметром 38/31 мм и длиной 5 м. В межтрубном пространстве конденсируется водяной пар при атмосферном давлении, а по трубам движется вода, нагревающаяся от 7 до 80° С. Количество конденсируемого пара составляет 0,5 кг/сек. Определить коэффициент теплопередачи (отнесенный к наружной поверхности труб).

Задача VII.25. Рассчитать поверхностный теплообменник для конденсирования 1000 кг/ч водяного пара при атмосферном давлении. Для охлаждения используется вода, которая нагревается от 20 до 60°С. Тип конденсатора - кожухотрубный с трубами диаметром 25/21 мм и длиной 1,2 м. Коэффициенты теплоотдачи: на стороне воды (в трубном пространстве) α1 = 1900 вт/(м2*град); на стороне пара α2 = 4200 вт/(м2*град). Для металлической стенки и отложений теплопроводимость λ/б = 3500 вт/(м2*град).
Определить также число ходов для воды в трубном пространстве, необходимое для достижения значения коэффициента теплоотдачи, как можно более близкого к указанному.
Указание. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде вычислить по формуле (У1.23).

Задача VII. 26. В поверхностном теплообменнике конденсируется насыщенный водяной пар при 50° С. Количество переданного в единицу времени тепла Q = 300 000 Вт. Охлаждающим агентом служит движущаяся по трубам диаметром 25/21 мм и длиной 3 м вода, которая нагревается от 20 до 35°С. Скорость воды должна быть выбрана так, чтобы Rе = 10000. Определить расход воды, количество труб и число ходов.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара α2 = 7500 вт/(м2-град); теплопроводимость стенки и отложений.

Задача VII. 27. Определить поверхность теплообмена поверхностного конденсатора для конденсации 2 кг1сек пара следующего состава: н-бутан 60 вес. % и н-гексан 40 вес. %. Конденсация происходит при 4 ат. Для охлаждения используется вода, температура которой изменяется от 20 до 50° С. Движение теплоносителей происходит смешанным током (один ход - для пара в межтрубном пространстве и два хода - для воды в трубах). Энтальпия компонентов газовой фазы при температуре насыщения: бутан i1// = 8,0-105 дж/кг; гексан i2// = 7,9*105 дж/кг. Энтальпия конденсата: бутан i1/ = 4,16*105 дж/кг; гексан i2/ = 3,88- 105 дж/кг. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 1100 вт/(м2*град).

Задача VII. 28. Рассчитать полочный конденсатор смешения для конденсации 10000 кг/ч паров воды при р = 0,22 ат. Для охлаждения используется вода при температуре 20° С. Определить диаметр конденсатора и число полок.
Указание. Максимально допустимую скорость пара в свободном сечении конденсатора принять w = 10 м/сек.

   

Контрольные задачи раздел 6 Теплопередача

Задача VI.1. Потери тепла в окружающую среду печью со стенкой толщиной L = 0,45 м составляют 15000 вт. Определить температуру наружной стенки печи, если температура её внутренней стенки равна 1050°С, а средняя теплопроводность составляет 1,2вт/(м-град). Поверхность стенки равна 8м2.

Задача VI.2. Определить количество тепла, проникающего в холодильную камеру с площадью стен 120 м2. Стены камеры выполнены из строительного кирп'ича [толщина бк = 0,25 м; теплопроводность лк = 0,7 вт/(м-град)] и изолированы слоем пробки толщиной бд = 0,2 м [теплопроводность лп = 0,07 вт/(м-град)]. Пробка покрыта тонким слоем лака, препятствующего ее увлажнению. Термическое сопротивление лаковой пленки ничтожно мало. Температура внутренней поверхности камеры tвн =-2° С; температура ее наружной поверхности tн = 25° С.

Задача VI.3. Определить потери тепла в окружающую среду печью со стенкой толщиной 25 см. Температура внутренней и наружной поверхности стенки соответственно равна 500 и 60° С. В рабочем интервале температур зависимость теплопроводности от температуры выражается уравнением

Задача VI.4. Стенка печи состоит из слоя строительного и слоя огнеупорного кирпича равной толщины б1 = б2 = 0,25 м. Определить потери тепла в окружающую среду, если температура внутренней поверхности стенки tвн=1000°С, а ее наружной поверхности tн = 80°С. Коэффициенты теплопроводности [в вт/(м-град)] строительного и огнеупорного кирпича линейно зависят от температуры:

Задача VI. 5. Теплопроводность стенки печи выражается формулой л=0,7 (1+0,5/1000*t вт/(м-град). Определить зависимость температуры стенки от расстояния х до внутренней поверхности и максимальное отклонение от линейного распределения. Внутренняя температура tвн=800°С, наружная - tн = 120° С, толщина стенки б = 0,4 м.

Задача VI. 6. Распределение температур в стенке печи в момент времени т выражается уравнением
t = 900 – 300x – 50x^2
где t-температура на расстоянии х от внутренней поверхности. Толщина стенки равна 1 м; поверхность печи 35 м2. Определить количество тепла, воспринимаемого и отдаваемого стенкой, а также количество аккумулируемого тепла и изменение температуры во времени.
Теплоемкость материала стенки с = 0,2 ккал/(кг-град); его плотность р = 2300 кг/м3; теплопроводность л = 0,8 вт/(м-град).

Задача VI.7. Распределение температуры в плоской стенке толщиной б = 0,1 м выражается уравнением
t = 20 +15* -2x^2
(х - расстояние от поверхности, см).
Установить, нагревается или охлаждается стенка.

Задача VI. 8. Определить потери тепла трубопроводом диаметром 200 мм, изолированного двумя слоями: 5 см огнеупорной изоляции [лог = 0,18 вт/(м-град)] и 4 еж асбестовых хлопьев [лиз = = 0,11 вт/(м-град)]. Температура внутренней и наружной поверхности изоляции соответственно равна 450 и 80° С. Длина трубопровода L = 120 м.

Задача VI. 9. Определить тепловые потери на 1 м металлического трубопровода наружным диаметром ^н = 0,1 м, изолированного шлаковатой. Толщина слоя изоляции составляет 0,075 м, ее теплопроводность определяется выражением

Температура наружной поверхности трубопровода tн = 30° С; температура трубы tвн=180°С.

Задача VI. 10. Определить количество тепла, проходящего через стенку полого шара, у которого наружный диаметр D = 0,8 м и толщина стенки б = 0,3 м. Температура внутренней стенки шара tвн = 600° С, а наружная tн = 80° С. Теплопроводность стенки определяется уравнением

Указание. При решении следует проинтегрировать уравнение Фурье (VI. 1), подставив в него среднюю теплопроводность и поверхность шара, аналогично тому, как это было сделано для цилиндра в примере VI.5.

Задача VI.11. Паропровод (наружный диаметр dн=3 см) должен быть изолирован двумя слоями тепловой изоляции толщиной по 3 см каждый. Теплопроводность одного из материалов в 5 раз больше другого. Считая, что внутренняя и наружная температура изоляции фиксирована, установить, в каком порядке следует расположить слои изоляции, а также, во сколько раз увеличатся потери тепла, если не соблюдать такого расположения слоев.

Задача VI. 12. Огнеупорная стенка печи толщиной 0,5 м, теплопроводностью 1,4 вт/(м-град) нагревается изнутри горячими газами температурой 1200° С. Начальная температура печи 20°С. Через 6 ч после начала нагревания термопара, установленная на расстоянии 0,1 м от внутренней поверхности, показывает температуру 650° С. Установить, правильны ли показания термопары. Удельная теплоемкость материала стенки сс = 900 дж/(кг • град), а его плотность р = 2800 кг/м3.
Указание. Потерями тепла на холодной стороне пренебречь. Считать, что внутренняя поверхность стенки мгновенно достигает температуры горячих газов.

Задача VI. 13. Стальной шар диаметром 10см и температурой tН = 520°С погружают для закалки в масло температурой t0 = = 40° С. Какая температура в центре шара будет через 1 и 4 мин после погружения? Коэффициент теплоотдачи от стали к маслу а = 400 вт/(м2-град); плотность стали р = 7700 кг/м3; удельная теплоемкость с = 544 дж/(кг -г рад); теплопроводность л = 40 вт/(м-град).

Задача VI. 14. Резиновую пластину толщиной 40 мм помещают в печь, где температура газов 200° С. Начальная температура пластины 0°С. Определить:
а) температуру поверхности и центра пластины через 50 мин после ввода ее в печь;
б) время вулканизации, необходимое для достижения температуры 180° С в центре пластины.
Коэффициент теплоотдачи от газа аг = 14,9 вт/(м2-град)1 плотность резины р=1190 кг/м3, ее теплопроводность л= 1,73 вт/(м - град); удельная теплоемкость с = 1,42 - 103 дж/(кг - град).

Задача VI.15. Определить время, необходимое для нагревания центра пластины толщиной 30 мм до 130° С. Пластина при начальной температуре 20° С помещена под пресс (его температура 140°С). Теплопроводность пластины л = 0,18 вт/ (м -град); коэффициент температуропроводности а = 3-10^4 м2/ч. Коэффициент теплоотдачи от пресса к поверхности пластины а = 4000 вт/(м2-град).
Указание. Использовать метод Гарни - Лури, см. уравнение (VI. 15).

Задача VI. 16. Критерии Грасгофа и Прандтля для жидкости, находящейся в контакте с горизонтальной трубой диаметром 5 см, составляют 10000 и 10 соответственно. Определить тепловые потери за счет естественной конвекции для трубы длиной L = 80 м. Температура поверхности трубы 80° С, температура жидкости 40° С. Коэффициент теплопроводности жидкости л = 0,04 вт/(м-град).

Задача VI. 17. Определить коэффициент теплоотдачи к воде, кипящей в трубках выпарного аппарата, если температура греющей поверхности составляет tст = 65° С; вода кипит при давлении 2500 н/м2.
Указание. Воспользоваться уравнением (VI. 61).

Задача VI.18. Определить коэффициент теплоотдачи от нефти, протекающей по трубе длиной 50 м и внутренним диаметром dвн = 0,5 м. Расход нефти составляет 750 т/ч. Значения физических параметров нефти:
плотность р = 900 кг/м3;
удельная теплоемкость с = 0,45 ккал/(кг-град);
кинематическая вязкость 0,6-10^-4 м2/сек;
теплопроводность л = 0,175 вт/(м-град).
Указание. Использовать формулу (VI. 24), пренебрегая множителем

Задача VI. 19. Определить значения констант а, m и n в упрощенном уравнении для расчета коэффициента теплоотдачи при течении по трубопроводам воздуха и воды со средней температурой 60° С:

где а - коэффициент теплоотдачи, ег/(ж2 • град)'; d - внутренний диаметр трубопровода, м; С - массовая скорость, кг/ (м2- сек).
Указание. Исходить из уравнения (VI. 23), приняв в нем n = 1/3

Задача VI. 20. Сравнить значение количества тепла, отдаваемого верхней поверхностью пластины размером 120 X 120 см, имеющей температуру 120° С, воздуху температурой 25° С [вычислено по общему уравнению (VI. 42)], и значение, найденное по приближенной формуле из табл. V1-3.

Задача VI. 21. Трансформатор погружен в масляную баню диаметром 1 м и высотой 1,5 м. Определить температуру масла, если известно, что потери электроэнергии, равные 1,8 кет, обусловлены исключительно потерями тепла через наружную поверхность масляной бани за счет свободной конвекции. Температура воздуха 20° С; коэффициент теплоотдачи от масла к стенке бани ам = = 120 вт/(м2-град).
Указание. Термическим сопротивлением стенок бани можно пренебречь.

Задача VI.22. Стенка печи состоит из слоя огнеупорного кирпича теплопроводностью лог = 0,7 вт/(м-град) и слоя строительного кирпича лс = 1,52 вт/(м-град). Определить толщину обоих слоев, необходимую для того, чтобы температура на внутренней и наружной сторонах кладки из строительного кирпича не превышала соответственно 400 и 100° С. Температура печных газов 1100°С; коэффициент теплоотдачи от них аг = 15 вт/(м2-град). Температура окружающего воздуха 0°С; коэффициент теплоотдачи к воздуху ав = 13,4 вт/(м2-град).

Задача VI.23. Определить количество тепла, проходящего через стенки парового котла, если поверхность нагрева котла F = 24 м2; температура кипящей в котле воды ^в = 150° С; коэффициент теплоотдачи от газов аг = 35 вт/ (м2 • град), от стенки котла к воде ав = 5800 вт/ (м2 • град); толщина стенок котла бс = 10 мм; теплопроводность стенок Кс = 58 вт/ (м • град). На внутренней стороне котла имеется слой накипи толщиной бн = 5мм теплопроводностью Лн = 0,93 вт/(м-град); наружная сторона покрыта слоем сажи толщиной 1мм и теплопроводностью лсажи= 0,093 вт/(м-град).

Задача VI. 24. Определить потери тепла излучением для стальной трубы с наружным диаметром 0,15 м и температурой 300°С, если температура окружающей среды 25° С, а степень черноты трубы е = 0,82.

Задача VI. 25. Определить количество тепла, передаваемого одним диском другому, если диаметр дисков D=1,2 м; расстояние между ними 0,3 м; температура дисков t1 = 6500С и t2 = 120° С; степень черноты e1 = 0,85 и е2 = 0,6.
Указание. Геометрический фактор ф1,2 определить по справочным данным.

Задача VI. 26. Две излучающие квадратные поверхности со стороной L= 2 м расположены параллельно на расстоянии 3 м одна от другой. Температура поверхностей 800 и 120° С; степень черноты e1 = 0,8 и е2 = 0,9. Определить, во сколько раз уменьшится теплообмен, если между поверхностями поместить экран тех же размеров, степень черноты которого еэ = 0,3.

Задача VI. 27. Металлический шар диаметром d= 10 см, нагретый до 900° С, помещен в сосуд, находящийся под вакуумом; стенки сосуда имеют очень низкую температуру. Определить время, необходимое для охлаждения шара до 150° С, если степень черноты шара е = 0,6; плотность р = 8000 кг/м3; удельная теплоемкость с = 550 дж/ (кг • град).
Указание. Температурное поле внутри шара в любой момент считать однородным.

Задача VI.28. Определить потери тепла неизолированным горизонтальным трубопроводом, находящимся в воздухе. Наружный диаметр трубопровода d = 0,3 м; температура его поверхности tн = 450° С, температура воздуха tB = 50° С.
Указание. Для определения коэффициента теплоотдачи можно пользоваться как общей формулой (VI.42), так и упрощенной формулой для воздуха из табл. VI. 3. Следует учитывать также потери тепла излучением (е = 0,8).

Задача VI.29. Неизолированный паропровод с наружным диаметром d= 0,3 м имеет температуру наружной поверхности tВ = 450° С и степень черноты е = 0,8. Определить: а) потери тепла в окружающую среду за счет излучения и конвекции при температуре окружающего воздуха tВ = 50° С; б) во сколько раз уменьшатся потери тепла, если трубопровод экранировать? Диаметр стального экрана D = 0,4 м, степень черноты е' = 0,82, коэффициент теплоотдачи от экрана к окружающему воздуху ан = 35 вт/(м2-град).
Указание. Для упрощения расчетов считать, что экран получает тепло только вследствие лучеиспускания.

Задача VI.30. Определить: а) ток в проводнике диаметром d=3 мм с удельным сопротивлением р = 0,2 ом • мм2/м, если известно, что его температура 90° С, коэффициент теплоотдачи от проводника к воздуху при 20° С равен а = 15вт/(м2-град); б) до какой температуры нагреется проводник (при прочих равных условиях), если он изолирован слоем резины толщиной биз = 5 мм [коэффициент теплопроводности резины л=0,17 вт/(м-град)] в) во сколько раз нужно уменьшить ток в проводнике, чтобы его температура осталась неизменной tпр = 90° С?

Задача VI.31. Определить температуру нихромовой проволоки диаметром d = 1 мм, через которую проходит ток I = 20a. Проволока охлаждается окружающей средой при температуре tв = 0° С путем лучеиспускания и конвекции. Удельное сопротивление и степень черноты проволоки р = 1,1 ом • мм2/м и е = 0,75.
Указание. Джоулево тепло следует приравнять теплу, отдаваемому поверхностью проволоки окружающей среде путем конвекции и лучеиспускания. Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией использовать уравнение (VI. 42).

Задача VI. 32. Для определения коэффициента теплопроводности неизвестного сплава поставлен следующий опыт. Из сплава был изготовлен тонкий стержень достаточно большой длины. Другой стержень таких же размеров был изготовлен из меди, коэффициент теплопроводности которой известен [К = 340 вт/(м-град)].
Концы обоих стержней были укреплены в стенке нагретой печи так, что выходящие наружу концы имели одинаковую длину. Оба стержня были покрыты достаточно легкоплавкой смазкой. После установления стационарного режима найдено, что смазка медного стержня расплавилась по длине в 2,8 раза большей, чем смазка на стержне с неизвестным коэффициентом теплопроводности. Определить приближенное значение теплопроводности сплава.
Указание. Использовать решение дифференциального уравнения, приведенное в примере VI. 20, считая длину стержней бесконечной.

   

Контрольные задачи раздел 5 Теповой баланс

Задача V. 1. Определить теплоту парообразования анилина при давлении р=0,2 атм, если, температура кипения анилина при атмосферном давлении составляет 184° С, давление паров анилина при 160° С равно 390 мм рт. ст.
Указание. В качестве стандартной жидкости принять воду.

Задача V.2. Давление паров ацетона при 60, 70, 80, 90 и 100° С составляет соответственно 1,14; 1,58; 2,12; 2,81 и 3,67 атм. Определить теплоту парообразования ацетона при 80° С следующими методами:
а) графическим определением производной dp/dT
б) путем замены производной dp/dT отношением конечных разностей;
в) интегрированием уравнения Клаузиуса - Клапейрона;
г) при использовании в качестве стандартной жидкости воды.
Плотность парообразного и жидкого ацетона при равновесии и температуре 80° С составляет соответственно 4 и 719 кг/м3.

Задача V.3. Определить теплоту парообразования бензола при 160°С. Теплота парообразования при температуре кипения бензола 80,1°С и атмосферном давлении составляет г=3,95-105 Дж/кг. Критическая температура бензола tкр = 288,5°С. Сравнить полученный результат с экспериментальным значением теплоты парообразования г = 3,36*105 Дж/кг.

Задача V.4. Определить, какое количество тепла выделяется при смешении 3 кг 90%-ного раствора Н24 с 4 кг 20%-ного раствора этой кислоты.
Указание. Использовать рис. V-1.

Рис. V-1. – Теплоты растворения кислот

Рис. V-1. – Теплоты растворения кислот

Задача V. 5. Определить температуру жидкости при смешении 4 кг 50%-ного раствора NаОН и 2 кг 15%-ного раствора NаОН. Начальная температура растворов 20° С.
Указание. Для определения теплоты смешения использовать рис.V-2. Удельную теплоемкость растворов NaOH определить по соответствующей формуле из табл. V-1.

Задача V.6. Определить энтальпию перегретых паров бензола при давлении 2230 мм рт. ст. и температуре 450° С. Удельная теплоемкость жидкого бензола 1730 дж/(кг-град); мольная теплоемкость паров бензола См = -8,65 + 0,1158T - 7,54*105T + 1,854-10-8 T3 кал/ (моль - град) [температура выражена в °К]. Теплоту парообразования определить по данным примера (V. 3). Температура кипения бензола при давлении 2230 мм рт. ст. равна tК=120°С.
Указание. Отсчет энтальпии производить от жидкого бензола при 0°С.

Задача V.7. Определить расход воды, необходимой для конденсации 5 м?/сек насыщенных водяных паров при давлении 0,2 атм. Охлаждающая вода входит в конденсатор смешения при температуре 20°С и выходит вместе с конденсатом при 50° С.

Задача V.8. В кристаллизаторе получают 2 т/ч кристаллов FeSO4-7Н2О. Концентрированный раствор входит при температуре 50° С и охлаждается до 25° С. Растворимость сернокислого железа составляет 47,6 части на 100 частей воды при 50° С и 29,8 части на 100 частей воды при 25° С. Определить расход охлаждающей воды, если ее начальная температура составляет 12° С, а конечная 20° С. Удельная теплоемкость концентрированного раствора равна 0,7 ккал/(кг •-град); теплота растворения сернокислого железа qp = 4,4 ккал/моль.
Указание. Удельные теплоемкости растворов вычислять, используя правило аддитивности.

Флореа, Смигельский рисунок к задаче 5.8

Задача V. 9. Определить, до какой температуры можно перегреть 500 кг/ч водяного пара, имеющего температуру 120°С и получающего тепло от топочных газов, содержащих 40 объемн.% СO2 и 60 объемн.% N2. При этом газы охлаждаются от 580 до 300° С. Расход газов составляет 945 кг/ч. Теплоемкости Ср газов, выраженные в кал/(моль-град), изменяются с температурой t (°С) следующим образом:

Задача V. 10. Два резервуара объемом 3 м3 каждый наполнены водой при температуре 25°С. Оба резервуара имеют мешалку, обеспечивающую полное перемешивание. В определенный момент в первый резервуар начинают подавать 2,5 кг/сек воды при 90°С. Вода, выходящая из первого резервуара, поступает во второй. Определить температуру воды во втором резервуаре через 30 мин после начала подачи теплой воды.
Указание. Так же как и в примере V.5, вывести уравнение для температуры воды на выходе из первого резервуара как функции от времени, а затем подставить это выражение в уравнение теплового баланса второго резервуара. Требуемую температуру определить интегрированием полученного дифференциального уравнения.

Задача V. 11. Через резервуар с мешалкой (объем резервуара 5 м3) циркулирует G=1 кг/сек раствора. Температура раствора на входе и в резервуаре равна 20°С. Определить время, требуемое для нагревания раствора в резервуаре до 60°С, не прерывая подачи свежего раствора, а также максимальную температуру нагревания раствора, если тепловой поток, поступающий в резервуар, составляет (Q = 200 000 вт. Плотность раствора р=1100 кг/м3; удельная теплоемкость с = 3800 Дж/(кг-град).
Указание. Так как резервуар снабжен мешалкой, обеспечивающей полное перемешивание, можно считать, что температура раствора на выходе равна температуре в резервуаре.

Задача V. 12. По данным примера V.6 написать уравнение теплового баланса для бесконечно малого интервала времени, которому соответствует изменение температуры воды на величину dt. Показать, что при интегрировании дифференциального уравнения теплового баланса получается такое же выражение для изменения температуры во времени, как и в примере V. 6.
Указаний. Бесконечно малыми величинами второго порядка пренебречь.

   

Контрольные задачи раздел 4 Разделение гетерогенных систем

Задача IV.1. Определить критический диаметр гранул суспензии, если их плотность р1=2750 кг/м3, плотность жидкой фазы p2=1200 кг/м3, а ее вязкость м=2,4 сиз.

Задача IV. 2. Из условий предыдущей задачи определить скорость осаждения гранул диаметром d= 25 мкм.

Задача IV. 3. Определить скорость осаждения гранул пирита в газе при температуре 400°С. Дано: минимальный диаметр гранул пирита d=10 мкм; плотность гранул p1 = 4000 кг/м3; плотность газа р2=0,508 кг/м3; его кинематическая вязкость v=6,038-10^-5 м2/сек.

Задача IV. 4. По условиям предыдущей задачи определить размеры осадительной камеры. Расход газа, приведенного к нормальным условиям, Qоб=3600 м3/ч; максимально допустимая скорость газа в камере принята равной W = 0,25 м/сек.

Задача IV. 5. Определить константы фильтрования а и Ь по следующим экспериментальным данным:
Время г, сек..................70……225…..455…..770
Объем фильтрата, л.....10…….20……30……40
Эти данные получены при фильтровании суспензии на фильтре поверхностью F=0,05 м2 при перепаде давления р=4,91-104Н/м2 и температуре 20° С.

Задача IV. 6. По условиям предыдущей задачи определить удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтра, если Х=0,01 м3/м3 и м=1 спз.

Задача IV. 7. .Определить константы фильтрования при фильтровании водной суспензии при 20° С и перепаде давления на фильтре р = 6 кгс/см2. Отношение х = 0,07 м3/м3; г0 = 2,86-10^15лг2; Rо=4,3-10^10 м-1.

Задача IV. 8. На рамном фильтрпрессе фильтруют суспензию динатрийфосфата, содержащую qтв = 50% твердой фазы. Влажность Полученного осадка u=40%. Производительность фильтра по осадку Моc = 700 кг/ч. Определить расход фильтруемой суспензии, фильтрата и отношение x. Если плотность твердой фазы р1 = 1600 кг/м3; плотность жидкой фазы р2 = 1000 кг/м3.

Задача IV. 9. По условиям предыдущей задачи определить требуемую поверхность фильтрования. Известны константы фильтрования: а=1,19-106сек/м2; b= 51 сек/м.

Задача IV. 10. Определить по условиям предыдущей задачи, сколько времени потребуется для промывания осадка из расчета 2 кг воды на 1 кг осадка. Вязкость фильтрата мф=0,7 спз; вязкость промывной воды мв=1 спз.

Задача IV. 11. Определить поверхность нутч-фильтра, работающего в следующих условиях: количество фильтруемой суспензии рс = 2500 кг; содержание в ней твердой фазы qтв=10%; влажность осадка u=60%; плотность фильтрата рг=1040 кг/м3; плотность осадка рос=1100 кг/м3; удельное сопротивление осадка rо = 1,324-10^14 м-2; сопротивление фильтровальной перегородки Rо=5,69- 10^11 1/м; количество промывной воды 1,75 м3/м3 влажного осадка; вязкость фильтрата мф=1,1 спз; вязкость промывной воды 1 спз; перепад давления на фильтре р=1,96-10^5 н/м2. Время, необходимое для разгрузки и подготовки фильтра, тр+подг=20 мин.

   

Cтраница 7 из 16

Яндекс.Метрика Rambler's Top100 www.megastock.com Здесь находится аттестат нашего WM идентификатора 000000000000
Проверить аттестат