Раздел I. Основы технической термодинамики

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................................... 4

Методические указания по изучению дисциплин.............. 5 Содержание разделов дисциплины...................................... 6 Литература для изучения дисциплины................................ 11 Контрольные задания............................................................. 12

Задание № 1........................................................................... 13

Задание № 2........................................................................... 19

Задание № 3........................................................................... 26

Задание № 4........................................................................... 33

Образец титульного листа контрольной работы............... 40

Таблица вариантов задания................................................... 41

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................... 42

 

 

 

Предисловие

Дисциплина "Теплотехника" относится к профессиональному циклу и является ее базовой частью. Изучение дисциплины обеспечивает реализацию требований Федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования по направлениям подготовки 35.03.06 Агроинженерия, 23.03.03 Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов, 20.03.01 Техносферная безопасность. Дисциплина нацелена на формирование общекультурных и профессиональных компетенций, приведенных в рабочих программах для указанных направлений подготовки.

Согласно учебному плану, студентами заочной формы обучения инженерного факультета по дисциплине "Теплотехника" выполняется контрольная работа, являющаяся особой формой отчетности по самостоятельному изучению курса.

Целью выполнения работы является оценка степени усвоения программного материала дисциплины по результатам ответов на поставленные вопросы и решения задач.

Необходимость переработки ранее изданных методических пособий диктуется:

– изменением направления подготовки студентов заочной формы обучения;

– содержанием новых рабочих программ по дисциплине;

– конкретизацией вопросов контрольной работы и упрощением ее задач.

Методические рекомендации могут быть использованы для самоконтроля при изучении дисциплины студентами и очной формы обучения.

 

 

Методические указания по изучению дисциплин

Студент заочной формы обучения, руководствуясь настоящими методическими указаниями, самостоятельно изучает материал, включенный в разделы дисциплины, по рекомендованной литературе и выполняет контрольную работу.

В одном из семестров, согласно учебному плану, студентам читаются лекции и проводятся лабораторные занятия В лекциях излагается основной материал разделов дисциплины с принятой терминологией и обозначениями физических величин. Отдельные лабораторные работы имеют целью показать прикладной характер материала дисциплины, объем требуемых навыков в использовании справочной литературы и проведении вычислительных работ. Закрепление знаний осуществляется путем ответов на вопросы и решения задач контрольной работы. При необходимости студенты могут получить индивидуальные или групповые консультации на кафедре «Технического сервиса и ремонта машин».

Самостоятельное изучение материала дисциплины должно быть последовательным, согласно нумерации тем. Содержание той или иной темы желательно увязать с примером ее использования в практике теплотехники. Следует иметь в виду, что математические приемы помогают глубже разобраться в явлениях и процессах, и ни в коем случае не заслоняют их физической сущности.

Как при анализе теоретического материала, так и при выполнении расчетов на лабораторных занятиях и решении задач, необходимо обращать внимание на единицы величин, с которыми производятся математические операции. Надо учитывать, что единица всякой величины, как правило, отражает ее физический смысл и, кроме того, позволяет выявить ошибки в процессе вычислений.

Содержание разделов дисциплины

Введение

Предмет теплотехники, его место и роль в подготовке выпускника инженерного факультета. Связь теплотехники с другими дисциплинами учебного плана. Основные исторические этапы становления теплотехники, роль теплотехники в научно-техническом прогрессе. Значение теплотехники в сельскохозяйственном производстве. Проблема экономии топливно-энергетических ресурсов, защита окружающей среды. Основные задачи курса.

 

Раздел I. Основы технической термодинамики

Раздел II. Основы теории теплообмена

Тема 4. Теплопроводность

Основные понятия и определения. Виды теплообмена. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Коэффициент температуропроводности. Стационарная теплопроводность. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок. Понятие о нестационарной теплопроводности.

Тема 6. Лучистый теплообмен

Сущность теплообмена излучением. Законы теплового излучения. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой. Излучение газов. Теплообмен излучением в топках и камерах сгорания. Защита от излучения.

 

Тема 7. Теплопередача

Сложный теплообмен. Уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую, цилиндрическую и оребренную стенки. Интенсификация теплопередачи. Тепловая изоляция. Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Основы расчета теплообменных аппаратов. Средний температурный напор.

 

 

Тема8. Пар и влажный воздух

Влажный воздух. Основные величины, характеризующие состояние влажного воздуха. Диаграмма id влажного воздуха. Расчет процессов обработки влажного воздуха.

 

Заключение.

Основные направления экономии энергоресурсов в сельском хозяйстве. Перспективы использования возобновляемых источников энергии. Проблемы защиты окружающей среды.

Литература для изучения дисциплины

Основная

1. Рудобашта С.П. Теплотехника. Учебник. М.: Издательство "Перо", 2015. 672 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебник. М.: "Книга по требованию". 2013. 496 с.

3. Кошман В.С., Манташов А.Т. Словарь терминов и определений по гидравлике, теплотехнике и газовой динамике. Пермь: ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2013. 55 с.

4. Манташов А.Т. Теплотехника. Сборник задач. Пермь: ИПЦ "Прокростъ", 2017. 85 с.

 

Дополнительная

1. Круглов Г.А., Булгакова Р.И., Круглова Е.С. Теплотехника: учебное пособие. 2-е изд. стер. – СПб.: Издательство "Лань", 2012. 208 с.

2. Манташов А.Т. Теплотехника: учебное пособие в 2 частях. Часть 1. Термодинамика и теплопередача. Пермь: ПГСХА, 2009. 184 с.

3. Манташов А.Т. Теплотехника: учебное пособие в 2 частях. Часть 1I. Теплотехническое обеспечение обитаемости объектов сельскохозяйственного назначения. Учебное пособие. Пермь: ПГСХА, 2011. 116 с.

4. Теоретические основы теплотехники. Теплотехни-

ческий эксперимент. Справочник / Под общ. ред.

В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: "Книга по требованию". 2012. 460 с.

 

 

Контрольные задания

Студент заочной формы обучения выполняет контрольную работу назначенного преподавателем варианта. Каждый вариант включает четыре задания с вопросами и задачами. Номера вопросов и задач вариантов приведены в таблице на с.41. Отвечать на вопросы и решать задачи только своего варианта; работа, выполненная по другому варианту, не рецензируется.

Ответы на контрольные вопросы должны предшествовать решению задач. Формулировки контрольных вопросов и условия задачи переписываются полностью с указанием их номеров в задании. Ответы на контрольные вопросы должны быть исчерпывающими и изложены в собственном представлении данного вопроса. Решения задач сопровождать краткими пояснениями и подробными вычислениями. При решении задач воспользоваться справочными данными, приведенными в Приложении работы [4]. Ответы на каждое задание оформляются с новой страницы. Между вопросами и ответами обязателен отступ. На последней странице контрольной работы приводится список использованной литературы. Ниже студент, выполнивший данную работу, ставит свою подпись и дату.

В ответах на вопросы и при решении задач применять только Международную систему единиц (СИ).

Контрольная работа оформляется в рукописном виде или набирается на компьютере и должна быть представлена в сброшюрованном виде. Образец титульной страницы работы приведен на с. 40.

Контрольную работу необходимо представить на кафедру минимум за две недели до начала сессии.

Задание № 1

Задание соответствует содержанию тем №№ 1, 2 и 3 программы. Литература: [3], с. 9…58 и с. 68…76; [5], с 6... 21.

 

Контрольные вопросы

1. Приведите пример закрытой термодинамической системы, объясните параметры, описывающие ее состояние.

2. Раскройте сущность понятия энергии и ее составляющих для термодинамической системы.

3. Что в термодинамике понимается под теплотой и работой процесса? Их обозначения и единицы измерения?

4. Проанализируйте аналитическое выражение первого закона термодинамики. Приведите примеры применения закона.

5. Приведите основные формулировки второго закона термодинамики и поясните их.

6. Запишите аналитическое выражение второго закона термодинамики и поясните величины, входящие в него.

7. Что понимают под термическим КПД, какие потери он учитывает?

8. Запишите и поясните уравнение состояния идеального газа для произвольной массы.

9. Раскройте особенности газовых смесей и поясните, как можно вычислить молярную массу смеси газов.

10. Поясните, каким образом задают состав газовой смеси и как определяют ее газовую постоянную.

11. Дайте определение теплоемкости и поясните особенности теплоемкости газов.

12. Запишите и поясните выражения для вычисления истиной и средней в интервале температур теплоемкости газа.

13. Объясните особенности теплоемкостей c_v, и c_p.

14. Получите уравнения для построения политропы в pv и Ts – координатах.

15. Покажите, как определяется показатель политропы по известным термодинамическим параметрам процесса в двух точках.

16. Поясните, как в pv – координатах можно представить работу расширения и работу техническую политропного процесса.

17. Изобразите в Ts – координатах изобарный и изохорный процессы^*.

18. Изобразите в pv – координатах адиабатный и изотермический процессы.^*

19. Раскройте особенности распределения энергии в изотермическом процессе.

20. Выведите уравнение и соотношение между параметрами в адиабатном процессе.

21. Поясните особенности распределения энергии в характерных группах термодинамических процессов.

22. Запишите и проанализируйте уравнения энергии потока газа в тепловой и механической формах.

23. Получите выражение для определения скорости газа в канале.

24. Поясните, от чего зависит расход газа через сечение канала.

25. Покажите, как изменяются давление и температура потока реального газа при дросселировании.

 

 

………………………………………………………………

* Кривые должны быть на одном поле графика и выходить из одной точки.

 

З а д а ч и

 

1.1. В результате сгорания 0,01 кг топлива в ДВС при

v = const температура рабочего тела изменилась от

t ₂ = 365 ⁰ С до t₃ = 2150 ⁰ С. Определить изменение внутренней энергии и энтальпии в процессе горения, если молярная масса продуктов горения μ_см = 28,7 кг/моль и средняя теплоемкость с_{v m}= 0,83 кДж/(кг·К). Сколько подведено теплоты при горении?

 

1.2. Какое минимальное время потребуется, чтобы вскипятить 0,7 литра воды кипятильником мощностью 400 Вт в открытом сосуде при нормальных технических условиях? Потерями тепла в окружающую среду и на нагрев сосуда пренебречь.

 

1.3. В испарителе бытового холодильника от охлаждаемых продуктов к фреону массой 0,15 кг и температурой t = – 28 ⁰С подведено 22,5 кДж теплоты. Определить удельную энтропию фреона на выходе из испарителя, если на входе она равна s = 4,18 кДж/(кг∙К).

 

1.4. Проба продуктов сгорания отобрана из цилиндра ДВС при температуре 650 ⁰С и давлении 0,8 МПа в герметич- ный газоотборник объемом V = 1,5 л и охлаждена до 20 ⁰С. Определить давление и количество отведенной теплоты, если охлажденные продукты сгорания имеют: μ = 26,8 кг/моль и

с_р =1,16 кДж/(кг∙К).

 

1.5. Определить техническую работу в ДВС для 1 кг продуктов сгорания при их адиабатном расширении для условий: Т ₃ = 2250 К; давление изменяется от p₃ = 7,3 МПа до p ₄ = 0,25 МПа, показатель адиабаты продуктов сгорания к = 1,31, молярная масса µ = 27,3 кг/моль.

 

1.6. В баллоне емкостью 40 л содержится азот при давлении р ₁= 8 МПа и температуре t₁ = – 25 ⁰ С. Определить количество теплоты, которое следует подвести к азоту, чтобы повысить его температуру до t ₂ = 18 ⁰ C. Каково будет конечное давление азота в баллоне?

 

1.7. Газообразный фреон с μ = 120 кг/моль в количестве 0,18 кг нагнетается компрессором в объем 2,83 литра до давления 1,5 МПа. Определить температуру сжатого фреона.

 

1.8. Воздух массой 0,04 кг с начальным давлением

p ₁ = 0,2 МПа и начальной температурой t ₁ = 17 ⁰ C сжимается адиабатно до конечного давления p ₂ = 1,2 МПа. Определить объем и температуру воздуха в конце сжатия, изменение внутренней энергии и работу сжатия.

 

1.9. Определить, на сколько минут хватит аквалангисту воздуха, содержащегося в двух баллонах по 6 литров каждый при абсолютном давлении 15 МПа, если аквалангист делает 20 вдохов в минуту и при каждом вдохе потребляет 2,5 литра воздуха при р = 0,1 МПа.

1.10. Газовая смесь задана следующими массовыми долями: = 0,26; 0,18 и = 0,56. Каков объем занимает 0,02 кг этой смеси, находящейся при нормальных физических условиях? До какого давления необходимо адиабатно сжать смесь, чтобы ее температура достигла t₂ = 380 ⁰ C?

 

1.11. Смесь газов при температуре в камере сгорания 2400 К имеет парциальные давления: = 1,56 МПа;

= 0,93 МПа и = 0,51 МПа. Определить плотность продуктов сгорания и теплоемкость смеси газов с_{р см.}

 

1.12. Газовая смесь при t =15 ⁰ C имеет следующий массовый состав: = 0,07; = 0,21 и = 0,72. До какого давления нужно сжать эту смесь, чтобы ее плотность достигла 28 кг/м ³?

1.13. Смесь газов заданна парциальными давлениями: = 0,2МПа и

расширяется Теплоемкость смеси при постоянном давлении с_{р см} = 1,2 кДж/(кг К). Определить показатель адиабаты.

 

1.14. Продукты сгорания топлива дизельного двигателя охлаждаются в окружающей атмосфере от t ₁ = 390 ⁰ C до

t ₂ = 15 ⁰ C. Какое количество теплоты отводится от двигателя каждым килограммом выхлопных газов, если их состав включает = 0,18, = 0,68 и = 0,14?

 

1.15. Найти приращение энтропии 2,5 кг воздуха:

а) при нагревании его в изобарном процессе от 20 до 400 ⁰ С; б) при нагревании его в изохорном процессе от 20 до 880 ⁰ С: в) при изотермическом расширении с увеличением его объема в 15 раз. Теплоемкость в процессах принимать при средних температурах.

 

1.16. При продувке балластных цистерн подводной лодки воздух в количестве 162 кг при р ₁ = 23 МПа и t ₁=17 ⁰ С расширяется изотермически в 150 раз. Определить давление воздуха в цистернах и их объем.

 

1.1 7. Воздух из начального состояния 1 (р ₁ = 4 МПа и

t ₁ = 1600 ⁰ C) изохорно охлаждается до t ₂ = 200 ⁰ C, а затем изотермически сжимается до состояния 3, в котором р₃ = р₁. Определить недостающие параметры состояния в точках 1, 2 и 3 и показать процесс 1-2-3 в pv и Ts – координатах.

 

1.18. Кислород m = 1 кг из начального состояния 1 изотермически сжимается до состояния 2, а затем в изохорном процессе охлаждается до состояния 3, в котором р ₃ = р ₁. В точке 2 параметры кислорода t ₂ = 1200 ⁰ C; p ₂ = 6 МПа, в точке 3 температура t ₃ = 300 ⁰ С. Определить недостающие параметры в точках 1, 2 и 3. Изобразить процесс 1-2-3 в pv и Ts – координатах.

1.19. В поршневом компрессоре 4 литра всасываемого воздуха при температуре 20 ⁰ С политропно сжимаются от р ₁ = 0,1 МПа до р ₂ = 0,38 МПа. Показатель политропы n = 1,28. Вычислить температуру в конце сжатия и работу, затраченную на сжатие воздуха.

1.20. Один килограмм воздуха с начальными

р ₁ = 1,2 МПа и t ₁ = 19 ⁰ C политропно расширяется до давления р ₂ = 2,7 ⁵ Па и температуры Т ₂ = 265 К. Определить количество теплоты, подведенное в процессе расширения.

 

1.21. В калориметр, содержащий 1,5 литра воды при температуре 17 ⁰ С, опустили стальной образец массой

0,65 кг нагретый до 100 ⁰ С. Определить среднюю в диапазоне изменения температуры теплоемкость стали, если в калориметре установилась одинаковая температура для воды и образца и равная 21⁰ С.

 

1.22. Температура в газогенераторе рабочего тела равна 1100 ⁰ С. Вычислить значение показателя адиабаты к, если массовые доли газовой смеси составляют: _CO = 0,6; = 0,1 и = 0,3.

 

1.23. Воздух из резервуара с постоянным давлением

р₀ = 10 МПа и температурой T₀ = 288 К вытекает в атмосферу с давлением р_а = 0,1 МПа через трубку с внутренним диаметром 10 мм. Определить скорость адиабатного истечения воздуха из трубки и его начальный массовый расход.

 

1.24. Определить температуру заторможенного воздуха на поверхности метеорита, движущегося в плотных слоях атмосферы со скоростью 3000 м/с. Термодинамическую температуру воздуха принять равной –50 ⁰ С.

 

1.25. Определить внутренний диаметр трубы, по которой движется воздух в количестве = 0,1кг/с со скоростью 2 м/с. Температура воздуха 18 ⁰С, а давление 1,5 бара.

Задание № 2

Задание соответствует содержанию тем № № 4, 5, 6 и 7 программы. Литература: [3], с.106…167; [5], с.21... 36.

 

Контрольные вопросы

1. Что понимается под теплообменом? Объясните известные Вам виды теплообмена.

2. Что понимается под температурным полем? Приведите два – три примера стационарного и нестационарного температурных полей.

3. Дайте определение температурного градиента и назовите его величину для плоской однослойной стенки толщиной 350 мм, если ее температура с одной стороны – 14 ⁰ С, а с другой +21 ⁰ С.

4. Объясните, каким образом происходит перенос теплоты теплопроводностью в твердых, жидких и газообразных веществах.

5. Запишите и проанализируйте выражение закона теплопроводности.

6. Раскройте физическую сущность коэффициентовтеплопроводности и температуропроводности.

7. Сформулируйте условия однозначности и приведите пример их использования в описании какой-либо задачи теплопроводности.

8. Поясните зависимость изменения температуры по толщине плоской однослойной стенки при стационарной теплопроводности.

9. Для плоской четырехслойной стенки запишите выражение для определения температуры между второй и третьей стенкой для стационарной теплопроводности.

10. Что Вы понимаете под теплоотдачей? Запишите и поясните аналитическое выражение закона теплоотдачи.

11. Объясните процессы теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекциях.

12. Используя дифференциальное уравнение теплоотдачи, объясните влияние различных факторов на величину .

13. Объясните, как вычисляется коэффициент теплоотдачи с использованием теории теплового подобия.

14. Что понимается под критериями теплового подобия и критериальными уравнениями?

15. Поясните влияние различных факторов на теплоотдачу при естественной конвекции.

16. Что принимается за определяющий геометрический размер и определяющую температуру при теплоотдаче в каналах?

17. Укажите на особенности теплоотдачи при кипении жидкости.

18. Поясните, что понимается под лучистым теплообменом.

19. Приведите зависимость излучательной способности от температуры для абсолютно черных и серых тел.

20. Как вычисляется лучистый тепловой поток между телами, разделенными прозрачной средой?

21. Изобразите и поясните характер изменения температуры от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

22. Запишите и проанализируйте уравнение теплопередачи.

23. Покажите известные Вам способы интенсификации теплопередачи

24. Поясните особенности теплопередачи в прямоточном и противоточном рекуперативном теплообменном аппарате.

25. Приведите и поясните основные уравнения, используемые в расчетах рекуперативных теплообменников.

З а д а ч и

2.1. Стены жилого помещения выполнены из красного кирпича, пенобетона и сосновой доски. Толщины слоев соответственно равны: δ₁= 250 мм, δ₂ = 150 мм и δ₃ = 25 мм, Длина помещения 5 м, ширина 4 м, высота 2,5 м, а общая площадь окон и двери составляет 6,5 м². Каковы потери тепла только через стены в зимнее время года, если температура стен изнутри равна 18 ⁰ С и – 30 ⁰ С снаружи?

2.2. Через фургон автомастерской проходит выхлопная труба двигателя из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, длиной 3,5 м и наружным диаметром 50 мм. Труба изолирована прошивным матом из шлаковаты толщиной 15 мм. Какова величина теплового потока подводится в фургон от продуктов сгорания, если температура трубы со стороны выхлопных газов равна 325 ⁰ С, а наружная температура изоляции 35 ⁰ С?

 

2.3. Потолок жилого помещения длиной 4,5 м и шириной 3,6 м выполнен трехслойным: железобетонная плита толщиной 200 мм, пенопласт ПХВ и сосновая доска толщиной 40 мм. Какова должна быть толщина пенопласта, чтобы потери тепла через потолок были не более 230 Вт при температурах плиты: со стороны помещения 18 ⁰ С и – 30 ⁰ С наружной стороны доски?

 

2.4. В погребе длиной 4 м и шириной 2,5 м температура потолка равна 4 ⁰ С. Каковы потери теплоты в морозную погоду с температурой –35 ⁰ С через перекрытие погреба, если оно состоит из железобетонной плиты толщиной 0,2 м, слоя земли в 1,2 м и снега толщиной 0,45 м?

 

2.5. Перекрытие погреба размерами 4 3 м состоит из бетонной плиты δ_бет= 250 мм, шлака котельного δ_шл.= 800 мм и снега толщиной 350 мм. Потери тепла через перекрытие составляют 130 Вт. При какой наружной температуре снега поверхность потолка погреба будет равна – 2 ⁰ С?

 

2.6. Через бытовое помещение проходит выхлопная труба дизельгенератора длиной 4 м и наружным диаметром 60 мм. Какую толщину изоляции необходимо наложить на трубу, чтобы тепловой поток в помещение не превышал

1,3 кВт? Допустимые температуры под изоляцией и на ее внешней поверхности принять соответственно 470 ⁰ С и

44 ⁰ С. Для изоляции использовать теплозвукоизоляционные маты из базальтового волокна с оболочкой из кремнеземной ткани с λ = 0,037 Вт/(м·К).

 

2.7. По трубе наружным диаметром 30 мм движется горячий воздух со скоростью 13 м/с. Труба выполнена из стали 1Х18Н9Т толщиной стенки 2 мм. Определить температуру на наружной поверхности трубы, если плотность теплового потока q = 5,2 кВт/м². Коэффициент кинематической вязкости и коэффициент теплопроводности принять при средней температуре воздуха по длине трубы равной 190 ⁰ С.

 

2.8. В бытовое помещение по трубе из Ст. 45 подается горячая вода со скоростью 0,2 м/с. Внутренний диаметр трубы 30 мм, толщина стенки 2 мм. Температурой воды

85 ⁰ С, температура стенки трубы со стороны воды 50 ⁰ С. Какую температуру имеет наружная поверхность трубы?

 

2.9. Атмосферный воздух с температурой –10 ⁰ С по вентиляционному каналу сечением 200 50 мм и длиной 4 м поступает к калориферу. Скорость движения воздуха равна 1,6 м/с; температура внутренней стенки канала соответствует 15 ⁰ С. Вычислить часовую потерю теплоты через стенки вентиляционного канала.

 

2.10. В опускных трубах котельной установки с внутренним диаметром 30 мм нагревается вода. Скорость движения воды 0,3 м/с, средняя по длине трубы температура воды 85 ⁰ С, температура внутренней стенки трубы 105 ⁰ С. Определить средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи.

2.11. В трубках автомобильного радиатора охлаждается вода. Сечение канала трубки 11×4 мм, средняя по длине трубы температура воды 75 ⁰ С, скорость движения воды 0,9 м/с, температура стенки трубки со стороны воды 45 ⁰ С. Определить средний по длине трубки коэффициент теплоотдачи.

2.12. В трубках бойлера с внутренним диаметром 25 мм нагревающая вода с температурой 130 ⁰ С движется со скоростью 0,4 м/с. Каков коэффициент теплоотдачи, если трубка изнутри нагревается до 95 ⁰ С?

 

2.13. Определить средний коэффициент теплоотдачи по высоте батареи водяного отопления к воздуху в комнате, если известны: высота батареи 600 мм; температура наружной стенки батареи 55 ⁰ С; средняя по высоте батареи температура воздуха 20 ⁰ С.

 

2.14. Определить степень черноты смеси газов, состоящих из СО ₂ и Н₂О, если температура смеси равна 2500 К; парциальные давления газов: p = 4 МПа и

р =1,5 МПа. Диаметр цилиндрического объема, в котором находится смесь, равен 500 мм, высота цилиндра равна его диаметру.

2.15 Вычислить удельный лучистый тепловой поток от пламени горящего топлива, имеющего Т _г = 2300 К и степень черноты ε_г = 0,265, к поверхности камеры сгорания с температурой Т _ст = 950 К и ε _ст = 0,82.

 

2.16. Сосуд Дюара, стенки которого выполнены из полированной меди, заполнен жидкостью с температурой

92 ⁰ С. Температура окружающей среды 18 ⁰ С. Полагая, что температуры стенок равны температурам жидкости и среды, определить толщину слоя теплоизоляции из пенополиуретана, равноценную экранновакуумной изоляции сосуда Дюара.

 

2.17. Определить отвод тепла излучением от коллектора выхлопных газов дизельного двигателя. Коллектор выполнен из чугунного литья наружным диаметром 150 мм и общей длиной 1200 мм. Температура поверхности коллектора 437 ⁰ С. Обратным излучением среды на коллектор пренебречь.

 

2.18. Определить количество тепла, переданного излучением дымовых газов стенкам трубчатого теплообменника. Температура газов 1100 ⁰ С; степень черноты газов ε_г = 0,32; наружная температура труб 820 ⁰ С; степень черноты наружных стенок труб ε _ст= 0,84; площадь поверхности труб 2,5 м².

2.19. Радиатор автомобиля состоит из 120 трубок прямоугольного сечения размерами 15×5 мм. Температура воды на входе в радиатор 85 ⁰ С, на выходе из него 45 ⁰ С; секундный массовый расход воды через радиатор 0,2 кг/с. Коэффициент теплопередачи от воды к охлаждающему воздуху к = 490 Вт/(м²·К). Приняв температуру воздуха на входе

в радиатор и выходе из него соответственно t₂^' = 25 ⁰C и t₂^" = 58 ⁰C, вычислить высоту радиатора.

 

2.20. В противоточный водоводяной теплообменник с поверхностью теплопередачи 2 м² поступает 2100 кг/ч нагревающей воды с температурой t₁^′ = 95 ⁰ C. Нагреваемая вода имеет = 1300 кг/ч и t₂^′ = 16 ⁰ C. Определить конечные температуры теплоносителей, если коэффициент теплопередачи к = 1400 Вт/(м²·К).

 

2.21. Определить поверхность нагрева рекуперативного водовоздушного теплообменника при прямоточном и противоточном движении теплоносителей. Массовый расход воды через теплообменник ₁= 0,1 кг/с, ее температура на входе и выходе соответственно равна t₁^′ = 95 ^{0 C} и t₁^′′ = 65 ^{0 C} . Воздух необходимо нагреть от t₂^′ = -10 ^{0 C} до t₂^′′ = 30 ^{0 C} при коэффициенте теплопередачи к = 48 Вт/(м²·К).

 

2.22. Общая поверхность теплопередачи отопительной батареи 1,2 м². Батарея выполнена из чугуна с толщиной стенки δ = 4 мм. Каков должен быть коэффициент теплоотдачи от батареи к воздуху, чтобы температура воды в батарее снизилась от t₁^′ = 84 ⁰ С до t₁^′′ = 82 ⁰ С? Массовый расход воды через батарею = 0,18 кг/с; средняя по высоте батареи температура воздуха t _{2 ср} = 20 ⁰ С; коэффициент теплоотдачи от воды к стенке батареи = 110 Вт/(м²·К)

 

2.23. Определить поверхность нагрева водяного экономайзера, в котором теплоносители движутся с противотоком. Известны следующие величины: температура дымовых газов котла t₁^′ = 750 ⁰ C; массовый расход газов 1,6 кг/с; теплоемкость газов c_{p 1} = 1,15 кДж/(кг·К); температура воды на входе t₂^′ = 20 ⁰ C; расход воды

= 1,9 кг/с; коэффициент теплопередачи от газов к воде к = 183 Вт/(м²·К); количество передаваемого тепла

= 0,6 МВт.

 

2.24. В противоточном водовоздушном теплообменнике необходимо нагреть в секунду 0,8 кг воздуха от t₂^′ = - 12 ^{0 C} до t₂^′′ = 28 ^{0 C} . Какой массовый расход горячей воды должен подаваться в теплообменник, если ее температура при передаче тепла уменьшается от t₁^′ = 98 ^{0 C} до t₁^′′ = 55 ^{0 C} ? Какова по-

верхность теплопередачи при к = 42 Вт/(м²·К)?

 

2.25. К местному тепловому пункту в теплоизолированной трубе с наземной прокладкой подводится горячая вода с температурой 150 ^{0 C} . Труба изготовлена из материала Ст.45 внутренним диаметром 400 мм и толщиной стенки 4 мм. Теплоизоляция выполнена из шлаковаты толщиной 80 мм. Температура наружного воздуха – 25 ^{0 C} . Каковы потери тепла каждым погонным метром трубы, если коэффициент теплоотдачи со стороны воды =750 Вт/(м²·К), а со стороны воздуха =16 Вт/(м²·К)?

Задание № 3

Задание соответствует содержанию тем № 10 и № 11 программы. Литература: [3], с.77 …105; [5], с. 36... 51.

 

Контрольные вопросы

1. Что понимается под тепловым двигателем? Поясните известную Вам классификацию тепловых двигателей.

2. В чем состоит необходимость и каков метод анализа циклов тепловых двигателей?

3. Изобразите цикл Карно в рv и Ts – координатах и отметьте особенность процессов, составляющих цикл.

4. Проанализируйте термический КПД цикла Карно.

5. Проведите анализ цикла ДВС с изохорным подводом тепла.

6. Покажите пути увеличения термического КПД ДВС с изохорным подводом тепла.

7. Проведите анализ цикла ДВС с изобарным подводом тепла.

8. Покажите пути увеличения термического КПД ДВС с изобарным подводом тепла

9. Проведите сравнительный анализ циклов ДВС с изобарным и изохорным подводом тепла.

10. Проведите анализ цикла газотурбинного двигателя при p =const.

11. Объясните принцип работы объемных и динамических компрессоров. Назовите известные Вам типы объемных компрессоров.

12. Поясните работу поршневого компрессора, назовите его показатели.

13. Проведите анализ идеального цикла одноступенчатого поршневого компрессора.

14. Что такое вредное пространство в поршневом компрессоре, на какие показатели компрессора оно влияет?

1 5. Объясните, почему в одноступенчатом компрессоре ограничена величина ?

16. Поясните необходимость охлаждения газа между ступенями компрессора.

17. Каким образом определить число ступеней компрессора для заданного ?

18. Перечислите и поясните известные Вам способы охлаждения тел до температур ниже T окружающей среды.

19. Изобразите схему и поясните принцип работы паровой компрессорной холодильной машины.

20. В Ts – координатах изобразите и поясните цикл ПКХМ.

21. Поясните, какую роль выполняет компрессор в ПКХМ.

22. Поясните, какую роль выполняет дроссель в ПКХМ.

23. Объясните, что понимается под холодильной мощностью и холодильным коэффициентом холодильных машин.

24. Изобразите схему и поясните принцип работы воздушной холодильной машины.

25. Изложите, что Вам известно о тепловых насосах.

З а д а ч и

3.1. При адиабатном расширении рабочего тела в цикле Карно изменение температуры T = 1000 К. Вычислить термический КПД цикла при Т₁ ^′ = 2500 К и при Т₁ ^" = 1800 К. Объяснить полученный результат.

 

3.2. В идеальном цикле ДВС с изохорным подводом тепла известны: p ₁ = 0,097 МПа; t ₁ = 27 ⁰ C; λ = 3,25; = 9