Термодинамика и теплопередача (стр. 3 )

Задачи 1 – 14

Задачи составлены по следующим разделам технической термодинамики: уравнение состояния идеального газа, смеси идеальных газов, теплоемкость, первый закон термодинамики, основные термодинамические процессы.

Во всех расчетах используется абсолютное давление газа, равное сумме избыточного (манометрического) и барометрического давлений. Во всех расчетах используется абсолютная температура газа.

При нахождении количества подводимой (отводимой) теплоты в термодинамических процессах обычно учитывается зависимость теплоемкости от температуры.

В приближенных теплотехнических расчетах нередко пренебрегают зависимостью теплоемкости от температуры и находят теплоемкости из зависимостей

сv = R/(k - 1) и cp= kR/(k - 1).

Для точных расчетов количество теплоты находят с помощью средних теплоемкостей, величины которых приведены в таблицах в различных учебниках и справочниках. Так как в таблицах невозможно привести значения средних теплоемкостей для всех возможных интервалов температур, то вводят понятие средней теплоемкости сm в интервале температур от 0 оС до t oC. В этом случае расчет производят по уравнению q = cm2t2 - cm1t1, в котором cm2 - средняя массовая теплоемкость в интервале температур от 0 оС до температуры t2 oC, а cm1 – средняя Массовая теплоемкость в интервале от 0 оС до t1.

Для вычисления средней мольной изохорной теплоемкости газа в интервале температур от 0 оС до t оС используется уравнение

mcvm= A + B×exp[C(T + E)D] + F×sin(T-273)/H.

Величины коэффициентов A, B, C, D, E, F, и H приведены в табл.1 приложения.

При нахождении теплоемкостей газовых смесей необходимо знать состав смеси и теплоемкости её компонентов. Если заданы массовые доли газов mi, входящих в состоящую из n компонентов смесь, то теплоемкость смеси ссм находится по формуле

ссм =.

Если же заданы объемные доли компонентов ri, то объемная теплоемкость смеси находится по формуле

.

Задачи 15 – 19

Задачи решаются с помощью s - h диаграммы водяного пара или/и таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара (табл. 3 и 4 приложения). В табл. 3 размерность удельного объема – м3/кг; давления – Па; энтальпии и энтропии – кДж/кг×К.

Для расчетов процессов с влажным воздухом используется диаграмма d – H, приведенная в приложении.

Задачи 20 – 23

Задачи составлены на процессы истечения и дросселирования идеальных газов и паров, которые в данном случае считаются адиабатными (без теплообмена с окружающей средой). При решении задач, связанных с истечением газов и паров из сопл, потерями на трение можно пренебречь. Скорость потока на входе в сопло w1 можно принять равной нулю.

Процессы истечения и дросселирования водяного пара решаются с помощью диаграммы s – h.

Для расчета скорости истечения пара из сопла по формуле

w2 =

следует с помощью s - h диаграммы найти перепад энтальпий Dh = h1 - h2. Массовый расход вещества находится по уравнению неразрывности w×f = M×u при известной площади поперечного сечения сопла f. Удельный объем пара находится по диаграмме s – h или с помощью таблиц.

Энтальпии в вышеприведенную формулу подставляются с размерностью Дж/кг.

Если истечение происходит из суживающегося сопла при b > bкр, то в выходном срезе сопла устанавливается давление той среды, в которую происходит истечение. Если же b < bкр, то в выходном срезе суживающегося сопла устанавливается критическое давление ркр= bкр×р1.

Для двухатомных газов bкр= 0,528; для водяного пара (с некоторым приближением) можно принять bкр= 0,546.

Задачи 24 – 27

В этих задачах рассчитываются циклы идеальных двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок.

При расчетах теплоемкость считать не зависящей от температуры. Рабочее тело обладает свойствами сухого воздуха (R = 287 Дж/кг×К, k = 1,4).

Задачи 28 – 29

Задачи связаны с расчетами поршневых компрессоров. В этих задачах подача компрессора V отнесена к нормальным условиям (р =101325 Па, Т = 273,15 К).

Задачи 30 – 31

В этих задачах рассчитываются циклы паросиловых установок. Решение задач производится с помощью диаграммы s – h и/или таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. Параметры кипящей воды находятся по табл. 3 и 4 приложения.

Задача 32

Для превращения 1 кг воды с температурой 10 оС в лед с температурой -7 оС от воды необходимо, во-первых, отвести теплоту, идущую на охлаждение воды от 10 до 0 оС; во-вторых, – теплоту плавления льда (qпл = 330,7 кДж/кг); в-третьих, – теплоту, идущую на охлаждение льда от температуры 0 оС до - 7 оС (теплоемкость льда сл = 2,09 кДж/кг).

Часовая холодопроизводительность (холодильная мощность)

Qо=Vв(Т1 - Т4),

где =1,298 кДж/кг×К – объемная изобарная теплоемкость воздуха.

Масса получаемого льда равна

М = Qо/qв,

где qв – теплота, отводимая от воды при превращении её в лед.

Холодильный коэффициент e = Т1/(Т2 - Т1).

Мощность привода компрессора

N= Qо/(3600×e).

Задание на контрольную работу № 2

по разделу

«Теплопередача»

Контрольные вопросы и задачи выбираются студентом по табл. 3 вариантов. Числовые данные для каждой задачи выбираются по табл. 4.

Таблица 3

Задание	Последняя цифра учебного шифра
1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Номера контрольных вопросов	3 20	4 19	5 18	6 17	7 13	8 15	9 14	10 16	1 12	2 11
Номера контрольных задач	7 10 17	6 11 18	5 12 17	4 13 18	3 14 17	2 15 18	1 16 17	8 12 18	2 9 17	3 14 18

Контрольные вопросы

1.  Какие известны способы передачи теплоты в пространстве?

2.  Сформулируйте закон теплопроводности Фурье.

3.  Дайте определения коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи.

4.  Как определяется термическое сопротивление многослойной плоской стенки?

5.  Что такое критический диаметр тепловой изоляции?

6.  Какие существуют пути интенсификации теплопередачи?

7.  В каких технологических процессах имеют место нестационарные процессы теплопроводности?

8.  Какие величины входят в состав чисел подобия Био и Фурье?

9.  В чем сущность подобия физических процессов? Приведите основные числа теплового подобия.

10.  В чем разница между естественной и вынужденной конвекцией?

11.  Как рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном течении жидкости в трубах?

12. Как рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении жидкости в трубах?

13. Как рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи при поперечном омывании потоком одиночной трубы?

14. Как рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции жидкости около горизонтальной трубы?

15. Какие факторы влияют на процесс теплоотдачи при пленочной конденсации водяного пара на вертикальных и горизонтальных трубах?

16. В чем особенности излучения и поглощения лучистой энергии газами?

17. От каких факторов зависит степень черноты поверхности?

18. Приведите преимущества и недостатки противоточной и прямоточной схем движения теплоносителей в теплообменниках.

19. На каких основных уравнениях базируется тепловой расчет теплообменников?

20. Как находится средний температурный напор для противоточной и прямоточной схем движения теплоносителей в теплообменниках?

Задачи

1.  Стенка неэкранированной топочной камеры парового котла выполнена из слоя пеношамота толщиной d1 и слоя красного кирпича толщиной d2. Температура на внутренней поверхности топочной камеры равна tс1, а на наружной – tс3. Коэффициенты теплопроводности пеношамота и красного кирпича равны соответственно 0,29 и 0,77 Вт/м×К.

Необходимо вычислить тепловые потери через 1 м2 стенки топочной камеры и температуру в плоскости соприкосновения слоев. Построить график распределения температуры в стенке.

2.  Стены сушильной камеры выполнены из слоя красного кирпича толщиной d1 = 250 мм и слоя пенопласта Изолан-200. Температура на внешней поверхности кирпичного слоя равна tс1, а на внешней поверхности пенопласта – tс3. Коэффициенты теплопроводности пенопласта и красного кирпича равны соответственно 0,03 и 0,77 Вт/м×К.

Требуется вычислить температуру в плоскости соприкосновения слоев и толщину слоя пенопласта при условии, что тепловые потери через 1 м2 стенки камеры не превышают q = 100 Вт/м2. Построить график распределения температуры в стенке.

3.  Вычислить плотность теплового потока через чистую поверхность нагрева парового котла и температуры на поверхностях стенки, если известно: температура дымовых газов tж1, температура кипящей воды tж2; коэффициенты теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке и от стенки к кипящей воде равны соответственно a1 и a2; стенка выполнена из стали с коэффициентом теплопроводности l и толщина стенки d.

Построить график распределения температуры в стенке.

4.  Решить задачу № 3 при условии, что в процессе эксплуатации поверхность нагрева парового котла со стороны продуктов сгорания покрылась слоем сажи толщиной dс (l = 0,09 Вт/м×К), а со стороны воды – слоем накипи толщиной dн (l = 0,08 Вт/м×К).

Построить график распределения температуры в стенке.

5.  Стальной паропровод диаметром d1/d2 = 100/110 мм с коэффициентом теплопроводности l1 = 48 Вт/м×К покрыт двумя слоями изоляции одинаковой толщины d2 = d3. Температура внутренней поверхности паропровода tс1, а наружной поверхности изоляции – tс4.