Zadanie 1.

W kotle wrze woda pod ciśnieniem normalnym. Elementem grzewczym są stalowe rury o średnicy
[mm] i długości
[m]. Wewnątrz rur płynie gorące powietrze z natężeniem
[kg/s] w przeliczeniu na jedną rurę. Zakładamy, że temperatura powietrza nie ulega zmianie. Różnica temperatur wody i zewnętrznej ścianki rury wynosi
[°C]. Przewodnictwo cieplne stali wynosi
[W/m^.K]. Obliczyć temperaturę powietrza oraz strumień energii cieplnej przekazywanej od jednej rury do wody.

Zadanie 2.

Wysokość i szerokość ściany pieca kaflowego wynoszą odpowiednio
[m],
[m]. Temperatura ściany wynosi
[°C], temperatura powietrza
[°C]. Obliczyć strumień energii cieplnej przekazywany do otoczenia uwzględniając konwekcje i promieniowanie. Emisyjność wynosi
.

Zadanie 3.

Ciecz o cieple właściwym 1450 J/kg^.K i gęstości 890 kg/m³ wypełnia cylindryczny zbiornik o wysokości 1 m i średnicy 0.7 m, którego boczna powierzchnia otoczona jest płaszczem grzejnym. W płaszczu kondensuje para wodna o temperaturze 150 °C. Ciecz jest intensywnie mieszana. Współczynnik wnikania od ścianki zbiornika do cieczy wynosi 150 W/m^2.K. Obliczyć czas zagrzewania cieczy od temperatury 20 °C do 100 °C. Opór cieplny ścianki zbiornika należy pominąć.

Właściwości kondensatu:

gęstość: 958 kg/m³

lepkość: 2.82^.10^-4 Pa^.s

przewodnictwo cieplne: 0.683 W/m^.K

ciepło kondensacji: 2.26^.10⁶ J/kg.

Zadanie 4.

W przeciwprądowym wymienniku typu „rura w rurze” gorące powietrze podgrzewa wodę. Powietrze przepływa z prędkością w_P = 10 m/s w przestrzeni pomiędzy rurami. Temperatura powietrza na wlocie wynosi T_P1 = 300 °C. Wydatek wody wynosi m_W = 0.3 kg/s, temperatura na wlocie T_W1 = 10 °C, a na wylocie T_W2 = 30 °C. Średnice rur: d_1W = 26 mm, d_1Z = 31.8 mm, d_2W = 150 mm. Współczynnik przewodzenia ciepła ścianki λ_S = 40 W/m^.K. Obliczyć długość wymiennika. Porównać wynik dla wymiennika współprądowego, przy tych samych danych.

Zadanie 5.

Przez powierzchnię boczną izolowanego po zewnątrz cylindra o średnicy wewnętrznej 1,5m i wysokości 3m przewodzony jest strumień ciepła w ilości 80kW. Temperatura wewnętrznej powierzchni ścianki cylindra to 200^oC, jej grubość to 5mm, a przewodność cieplna to 57 W/m*K. Grubość warstwy izolacji to 5cm, a jej przewodność cieplna to 1,5 W/m*K. Proszę policzyć temperaturę na powierzchni zewnętrznej izolacji cylindra.

Zadanie 6.

W wymienniku ciepła chłodzimy 30 ton/h gorącej cieczy o temperaturze 90^oC wodą chłodzącą w ilości 40 m³/h, która nagrzewa się od 10^oC do 30^oC. Należy obliczyć do jakiej temperatury ochłodzi się gorąca ciecz. Gęstość i ciepło właściwe wody w temperaturze 20^oC: 998,2kg/m³, 4,183 kJ/kg^.K, a ciepło właściwe cieczy gorącej w jej średniej temperaturze: 2,554 kJ/kg^.K.

Zadanie 7.

Należy obliczyć zużycie pary grzejnej w wyparce jednodziałowej pracującej w trybie ciągłym. Zatęża ona 2,22 [kg/s] pewnego roztworu od stężenia początkowego 15% mas, do końcowego 50% mas. Temperatura pary grzejnej nasyconej wynosi 145 [^oC]. Kondensat pary grzejnej odpływa w temperaturze kondensacji. Straty cieplne wyparki należy przyjąć równe 7% ilości ciepła potrzebnego do odparowania wody. Proszę wykonać obliczenia dla trzech wariantów:

1. roztwór wpływa do wyparki mając temperaturę t₀ = 30 [^oC]

2. roztwór wpływa do wyparki w temperaturze wrzenia

3. roztwór wpływa do wyparki przegrzany do temperatury t₀ = 120 [^oC]

Dodatkowe dane:

Temperatura wrzenia 50% roztworu, pod ciśnieniem atmosferycznym t₁ = 110 [^oC], ciepło parowania wody w tej temperaturze wynosi r_w = 2230 [kJ/kg]. Ciepło właściwe soli tworzącej z wodą zatężany roztwór wynosi c_s = 1,2 [kJ/kg^.K] a ciepło właściwe wody cw = 4,19 [kJ/kg^.K]. W temperaturze 145 [^oC] entalpia pary wodnej nasyconej wynosi i_G” = 2745 [kJ/kg], a entalpia wody [kJ/kg].

Zadanie 8.

Naszym zadaniem jest schłodzić 2t/h pewnej gorącej cieczy (jej ciepło właściwe cp=2,554kJ/(kg^.K)) od temperatury jej wrzenia 95⁰C, do temperatury 40^oC. W tym celu należy oszacować wielkość projektowanego, współprądowego wymiennika ciepła, w którym do schłodzenia będzie używana woda wodociągowa o temperaturze 10^oC. Współczynniki wnikania ciepła: od cieczy gorącej do przepony wymiennika α₁=40 W/(m^2.K), a od ścianki przepony do cieczy zimnej α₂=2025 W/(m^2.K), opór przewodzenia ciepła przez ścianę przepony można pominąć. Istnieje narzucone nam ograniczenie, że temperatura wody chłodzącej nie może wzrosnąć bardziej niż do 30 ^oC. Proszę oszacować minimalną wymaganą powierzchnię wymiany ciepła projektowanego wymiennika. Proszę podać jak zmieni się ta powierzchnia, jeżeli okaże się możliwa sytuacja że gorącą ciecz wystarczy schłodzić do 50^oC, oraz gdy dla podanych pierwotnie temperatur zamiast współprądowego będzie można wykorzystać wymiennik przeciwprądowy.

Zadanie 9.

Na ściankach wymiennika ciepła kondensuje para. Obliczyć strumień tej pary, jeśli wiadomo że ciecz chłodząca w ilości 500 kg/h ogrzewa się od temperatury 10⁰C do 40⁰C. Ciepło właściwe dla cieczy chłodzącej wynosi 1000J/kgK, a ciepło skraplania dla pary 2^.10⁶J/kg.

Zadanie 10.

Obliczyć średnią logarytmiczna różnicę temperatur dla wymiennika współprądowego, jeżeli ciecz zimna ogrzewa się w nim od 15⁰C do 45⁰C, a ciecz gorąca schładza się z 80⁰C do 50⁰C.

Zadanie 11.

Obliczyć średnią logarytmiczna różnicę temperatur dla wymiennika przeciwprądowego, jeżeli ciecz zimna ogrzewa się w nim od 15⁰C do 40⁰C, a ciecz gorąca schładza się z 80⁰C do 50⁰C.

Zadanie 12.

Jaka jest grubość ścianki w wymienniku ciepła, jeżeli sumaryczny współczynnik przenikania ciepła k=50, natomiast współczynnik wnikania ciepła do ścianki α₁=95W/m²K, od ścianki α₂=115W/m²K, a współczynnik przewodzenia przez ściankę λ=57W/mK.

Zadanie 13.

W wymienniku ciepła ochładza się od temperatury 90⁰C do temperatury 40⁰C 100kg/h gorącej cieczy, o cieple właściwym 1500J/kgK. Schładzana jest ona przez ciecz o temperaturze 10⁰C, cieple właściwym 2000J/kgK, która przepływa przez wymiennik w ilości 3kg/min. Do jakiej temperatury nagrzeje się ciecz chłodząca?

Zadanie 14.

Obliczyć współczynnik wnikania ciepła do ścianki rury (o średnicy d=200mm) α, jeśli Nu=78, a λ=2,75^.10^-2W/mK.

Zadanie 15.

Przez powierzchnię boczną izolowanego po zewnątrz cylindra o średnicy wewnętrznej 1,5m i wysokości 3m przewodzony jest strumień ciepła w ilości 80kW. Temperatura wewnętrznej powierzchni ścianki cylindra to 200^oC, jej grubość to 5mm, a przewodność cieplna to 57 W/m^.K. Grubość warstwy izolacji to 5cm, a jej przewodność cieplna to 1,5 W/m^.K. Proszę policzyć temperaturę na powierzchni zewnętrznej izolacji cylindra. (ciepło jest przewodzone od środka cylindra na zewnątrz!)

Zadanie 16.

W wymienniku ciepła chłodzimy 30 ton/h gorącej cieczy o temperaturze 90^oC wodą chłodzącą w ilości 40 m³/h, która nagrzewa się od 10^oC do 30^oC. Należy obliczyć do jakiej temperatury ochłodzi się gorąca ciecz. Gęstość i ciepło właściwe wody w temperaturze 20^oC: 998,2kg/m³, 4,183 kJ/kg^.K, a ciepło właściwe cieczy gorącej w jej średniej temperaturze: 2,554 kJ/kg^.K.

Zadanie 17.

W ustawionym pionowo, uproszczonym płaszczowo-rurowym wymienniku ciepła zachodzi wymiana ciepła między płynącym w przestrzeni międzyrurowej gorącym olejem o średniej temperaturze 140 ^oC a wodą, która wrze w wewnętrznych rurkach pod ciśnieniem atmosferycznym. Konstrukcja wymiennika składa się z 5 rurek o rozmiarach d_z/d_w = 6/5 cm umieszczonych centralnie w dużej rurze o średnicy wewnętrznej D = 25 cm. Olej przepływa w ilości 30 t/h. Różnica temperatur między wrzącą wodą, a ścianką wewnętrzną mniejszej rurki wynosi Δt = 2,75 ^oC, a współczynnik wnikania ciepła od tej ścianki rury do wrzącej wody wynosi α_w = 486 W/m²K. Korelacja opisująca wnikanie ciepła od oleju do zewnętrznej ścianki cienkiej rurki to: Nu = 0,021Re^0,8Pr^0,43. Możemy zaniedbać zmiany temperatury i ciśnienia wzdłuż wymiennika. Proszę obliczyć temperaturę zewnętrznej ścianki wewnętrznej rurki. Dane fizykochemiczne dla oleju w zależności od temperatury podane są w tabeli (lepkość została podana jak dla wody):

T ^oC	ρ kg/m^3	cp kJ/kgK	λ W/mK	μ Pa^.s
60	856	1,905	10,72^.10^-2	4,70^.10^-4
80	843,9	2,027	10,56^.10^-2	3,55^.10^-4
100	831,8	2,144	10,39^.10^-2	2,82^.10^-4
120	819,6	2,261	10,22^.10^-2	2,37^.10^-4

Dane z tabeli zostały dla Państwa wygody przybliżone przeze mnie odpowiednimi funkcjami temperatury:

ρ = 892,41 - 0,606^.T

μ = 0,001016 - 0,00001173^.T + 0,00000004375^.T²

λ = 0,112 - 0,0000835^.T

c_p = 1,551 + 0,005925^.T

---