Утверждаю
Декан ФТТМС
_____________Юсупов М.Л.
«____»_______________2019
Скоморохов В.А.
Учебно-методическое пособие по решению контрольной работы по дисциплине «Теплотехника»
Екатеринбург
Уральский ГАУ
2019
Утверждено учебно-методической комиссией факультета транспортно-технологических машин и сервиса
Протокол № ______ от
Учебно-методическое пособие по решению контрольной работы по дисциплине «Теплотехника»/ Скоморохов В.А./ Уральский ГАУ. 2019 – 27 с.
Учебно-методическое пособие содержит задачи для контрольной работы, указаны наиболее важные моменты, на которые студентам следует обратить особое внимание.
Приводится список основной и дополнительной литературы.
Учебное пособие предназначено студентам-бакалаврам специальностей: 35.03.06 Агроинженерия следующих профилей: «Технический сервис в агропромышленном комплексе», «Технические системы в агробизнесе», «Электрооборудование и электротехнологии»; «Технологическое оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
Теплотехника – это дисциплина, изучающая тепловую энергию, то есть, теоретические возможности и практические способы получения, преобразования (в другие виды энергии или в работу), сохранения и передачи тепловой энергии (теплоты).
Тепловая энергия является первоосновой существования современной цивилизации и современного человека, с его уровнем энергопотребления. Для лучшего усвоения материала по дисциплине Теплотехника разработаны задачи, которые необходимо самостоятельно решить студентам как заочной, так и очной формы обучения.
Каждая задача имеет три варианта, в зависимости от сложности, обозначенные индексами 3, 4 и 5.
Студент выбирает вариант задачи в соответствии с представлением о своих знаниях и оценкой, на которую он претендует.
Каждая задача имеет сто вариантов исходных данных для решения. Вариант задачи выбирается по двузначному номеру зачётной книжки (не путать с годом поступления) или по шифру, выданному преподавателем. При решении задач и оформлении контрольной работы необходимо выполнять определённые требования.
Требования к решению задач
1. Решение задачи должно быть представлено последовательно: сначала в буквенной, а затем в числовой форме (допускается по действиям). Ниже каждой формулы необходимо написать что за величину обозначает и какой физический смысл несёт каждая буква в формуле, а также единицы измерения этой величины. При числовом решении обязательно указание единиц измерения после получения результата каждого действия. Перед действием поясняется его смысл.
2. Решение и промежуточные результаты должны быть представлены с точностью не менее 3-х значащих цифр. Напоминание: нули, стоящие перед цифрами, обозначающими число, или после них не являются значащими цифрами, а указывают порядок числа.
3. Все расчёты выполняются в единицах измерения системы СИ. Производные единицы, например: кВт, МПа, ГДж использовать очень осторожно (если нет уверенности в собственных знаниях, лучше использовать базовые системные единицы без приставок, например: Вт, Па, Дж)
4. Там где необходимо построить график он должен быть представлен на миллиметровой бумаге, формата А4, выполненный простым карандашом, с нанесением на координатные оси шкалы (с интервалом между надписями НЕ более 25 мм), указанием параметра, и единиц его измерения.
Часто базовые единицы измерения слишком малы или слишком велики, поэтому для удобства написания лучше использовать либо стандартную форму числа, например, 2 * 1012, либо пользоваться общепринятыми приставками, приведёнными в Таблице 1.
Таблица 1
Приставки, используемые для обозначения порядка числа
| Наименование приставки | Значение приставки |
| Нано | 0,000000001 (одна миллиардная) |
| Микро | 0,000001 (одна миллионная) |
| Милли | 0,001 (одна тысячная) |
| Санти | 0,01 (одна сотая) |
| Деци | 0,1 (одна десятая) |
| Дека | 10 (десять) |
| Кило | 1 000 (одна тысяча) |
| Мега | 1 000 000 (один миллион) |
| Гига | 1 000 000 000 (один миллиард) |
| Тера | 1 000 000 000 000 (один триллион) |
Раздел I.
Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества. Превращения различных видов энергии. Работа и мощность. Коэффициент полезного действия. Сгорание топлива. Нагрев, плавление, кипение и испарение вещества. (Физика. Школьный курс)
Энергия, работа, мощность
Из школьного курса физики известно, что энергия может иметь различные формы: механическую, тепловую, электромагнитную, химическую и др. Все виды энергии могут переходить одна в другую, либо непроизвольно, либо при помощи специально изготовленных устройств. Человечество, чаще всего использует тепловую, электрическую и механическую виды энергии. Даже в ядерной реакции человечество интересует лишь её тепловая составляющая.
Подавляющая доля всей, потребляемой человечеством энергии образуется при сжигании топлива в различных устройствах (двигателях, котлах и т.п.).
Определённые трудности вызывает физический смысл этих понятий и их взаимоотношение между собой. Напомню, энергия – это способность выполнять работу или передавать энергию другим телам; работа – это действие по перемещению в пространстве предметов, обладающих массой; а мощность – работа или энергия, произведённая в единицу времени.
По аналогии с повседневной жизнью, мощность можно сравнить с производительностью. К примеру, если имеется банкомат, выдающий каждую секунду по 8 рублей. Т.о. его производительность (мощность) составит 8 руб./с, а за час он выдаст объём денег (работу) равную 8 руб./с * 3600 с = 28 800 руб. А если располагать не банкоматом, а тепловым двигателем и он выдаёт не деньги, а работу, измеряемую в Джоулях, тогда его мощность будет 8 Дж/с (или 8 Вт, так как 1 Дж/с = 1 Вт), а работа, совершённая им за час, составит 28 800 Джоулей.
Точно так же определяется тепловая мощность. Печь или котел служат для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию, которая используется на какие-то полезные нужды. Тепловая энергия так же измеряется в Джоулях. А мощность теплового устройства в Ваттах (Джоуль/секунду). Аналогично, зная тепловую мощность, можно определить количество теплоты (тепловой энергии) выделяемой за любое время.
Т.о. единицы измерения энергии и работы – Джоули, а мощности – Вт (Джоуль в секунду). Иногда используется несистемная единица работы или энергии - киловатт-час – это работа, произведённая устройством с мощностью 1 кВт в течение 1 часа (3600 с).
1 кВт * час = 3 600 000 Дж
Полезная работа
Общие затраты теплоты
Для отопительных устройств
| h = |
Полезно потраченная теплота |
|
Общие затраты теплоты |
Например, если в цилиндре двигателя при сгорании топлива получилось 100 Дж, при этом 30 Дж тепловой энергии отводится через систему охлаждения, чтобы избежать перегрева отдельных деталей (тепловая энергия бесполезно тратится), 30 Дж тепловой энергии отводится через выхлопную систему, с отработавшими горячими газами (тепловая энергия бесполезно тратится), а с маховика двигателя снимается и уходит в коробку перемены передач 40 Дж полезной механической работы (теплота превращается в полезную работу), значит КПД этого двигателя составит 40%.
Аналогично, если в водонагревательном котле при сгорании топлива выделяется 100 Дж, из которых 90 Дж передаётся циркулирующей по трубам воде, а 10 Дж уходит с топочными газами в атмосферу (т.е. бесполезно тратится), значит КПД этого котла составляет 90%.
Так как по законам физики невозможно использовать всю энергию на полезную работу, значит КПД на может превышать 100%, в соответствии с Первым законом термодинамики и не может быть равным 100%, в соответствии со Вторым законом термодинамики. Хотя к максимальному повышению КПД нужно стремиться всегда.
Задача № 1.3
В комбинированном водонагревательном котле, имеющем КПД при работе на угле h угл. сжигается m кг угля с удельной теплотой сгорания Hu угл. Вычислить количество тепловой энергии Qвод., переданное воде, идущей по трубам внутри топки котла.
Данные для решения взять из таблицы 1.2.
Таблица 1.2
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 |
| m , кг | 0,50 | 1,00 | 1,50 | 2,00 | 2,50 | 3,00 | 3,50 | 4,00 | 4,50 | 5,00 |
| hугл. | 0,90 | 0,88 | 0,86 | 0,84 | 0,82 | 0,80 | 0,78 | 0,76 | 0,74 | 0,72 |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 |
| Hu угл. , МДж/кг | 14,5 | 15,0 | 15,5 | 16,0 | 16,5 | 17,0 | 17,5 | 18,0 | 18,5 | 19,0 |
З а д а ч а № 1.4
Мощность тепловых потерь для отдельного дома составляют в среднем за отопительный период NQ кВт, длительность отопительного периода составляет T суток. Определить необходимое на зиму количество угля Мугл., либо количество мазута Ммазут.; если удельная теплота сгорания мазута Hu мазута = 45 МДж/кг.; КПД котла на мазуте h мазут., КПД котла на угле взять и Hu угля, взять из задачи 1,3
Данные для решения взять из таблицы 1.3.
Таблица 1.3
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 |
| N Q , кВт | 2,00 | 2,50 | 3,00 | 3,50 | 4,00 | 4,50 | 5,00 | 5,50 | 6,00 | 6,50 |
| hмазут. | 0,92 | 0,91 | 0,90 | 0,89 | 0,88 | 0,87 | 0,86 | 0,85 | 0,84 | 0,83 |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 |
| Hu угл. , МДж/кг | 14,5 | 15,0 | 15,5 | 16,0 | 16,5 | 17,0 | 17,5 | 18,0 | 18,5 | 19,0 |
| Т, суток | 170 | 175 | 180 | 185 | 190 | 195 | 200 | 205 | 210 | 215 |
З а д а ч а № 1.5
Для предыдущей задачи определить какой вид топлива выгоднее и на какую сумму за весь отопительный период; если цена угля Цугля, а цена мазута Цмазут . Плотность мазута принять r.
Данные для решения взять из таблицы.
Таблица 1.4
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Цугля, руб./кг | 3,40 | 3,50 | 3,60 | 3,70 | 3,80 | 3,90 | 4,00 | 4,10 | 4,20 | 4,30 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Цмазут, руб./литр | 4,80 | 5,00 | 5,20 | 5,40 | 5,60 | 5,80 | 6,00 | 6,20 | 6,40 | 6,60 | |
| r , кг/м3 | 920 | 925 | 930 | 935 | 940 | 945 | 950 | 955 | 960 | 965 | |
З а д а ч а № 2.3
Медную монету массой m1 граммов, имеющую температуру t1, нагревают до температуры t2 . Найти требуемое количество теплоты Q, если удельная теплоёмкость меди с1 = 390 Дж/(кг * K).
Данные для решения взять из таблицы.
Таблица 2.1
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| m1 , г | 2,25 | 2,50 | 2,75 | 3,00 | 3,25 | 3,50 | 3,75 | 4,00 | 4,25 | 4,50 | |
| t1 , oC | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| t2 , oC | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 | |
З а д а ч а № 2.4
В чашку массой m1, имеющую температуру t1, наливают m2 кг жидкости, имеющей температуру t2 и удельную теплоёмкость жидкости с2 = 4200 Дж/(кг * K). Материал чашки имеет удельную теплоёмкость с1 = 800 Дж/(кг * К). Через некоторое время жидкость и чашка приобретают одинаковую температуру t3. Вычислить температуру t3, потерями теплоты в окружающую среду пренебречь.
Данные для решения взять из таблицы.
Таблица 2.2
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| m1, г | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 170 | |
| t 1 , oC | 12,0 | 13,0 | 14,0 | 15,0 | 16,0 | 17,0 | 18,0 | 19,0 | 20,0 | 21,0 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| M2, кг | 0,125 | 0,150 | 0,175 | 0,200 | 0,225 | 0,250 | 0,275 | 0,300 | 0,325 | 0,350 | |
| t2, oC | 99,0 | 98,0 | 97,0 | 96,0 | 95,0 | 94,0 | 93,0 | 92,0 | 91,0 | 90,0 | |
З а д а ч а № 2.5
В мартеновскую печь загрузили стальной лом, массой m1 (тонн) имеющий температуру t1оС. После чего нагрели его до точки плавления t2оС. Затем, стальной лом расплавили и нагрели ещё на t3оС выше точки плавления. Найти общее количество тепловой энергии Q, которое потребовалось на выполнение этих металлургических операций. Средняя теплоёмкость лома от t1 до t2 равна с1. Теплота плавления стали l. Средняя теплоёмкость жидкой стали c2. Потерями в окружающую среду пренебречь.
Данные для решения взять из таблицы. Выполнить график изменения температуры в t,Q-координатах, на миллиметровой бумаге.
Таблица 2.3
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| m1 , тонн | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | |
| t1 , oC | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | |
| с1 , Дж/(кг * К) | 500 | 505 | 510 | 515 | 520 | 525 | 530 | 535 | 540 | 545 | |
| t2 , oC | 1465 | 1470 | 1475 | 1480 | 1485 | 1490 | 1495 | 1500 | 1505 | 1510 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| l , Дж/кг | 83 000 | 83 200 | 83 400 | 83 600 | 83 800 | 84 000 | 84 200 | 84 400 | 84 600 | 84 800 | |
| t3 , oC | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | |
| с2 , Дж/(кг * К) | 760 | 765 | 770 | 775 | 780 | 785 | 790 | 795 | 800 | 805 | |
З а д а ч а № 3.3
Определить КПД термодинамического процесса h t, если известно общее количество подведённой тепловой энергии Q и полученная полезная работа L.
Данные для решения взять из таблицы
Таблица 3.1
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Q, кДж | 2,50 | 2,60 | 2,70 | 2,80 | 2,90 | 3,00 | 3,10 | 3,20 | 3,30 | 3,40 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| L, Дж | 1 950 | 1 900 | 1 850 | 1 800 | 1 750 | 1 700 | 1 650 | 1 600 | 1 550 | 1 500 | |
З а д а ч а № 3.4
Двигатель внутреннего сгорания потребляет m (кг) дизельного топлива за время t, при этом он выдаёт постоянную мощность на коленчатом вале, равную Ne. Определить коэффициент полезного действия двигателя h t, если удельная теплота сгорания дизельного топлива Н u составляет 45,1 МДж/кг.
Данные для решения взять из таблицы.
Таблица 3.2
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| m , кг | 40 | 42 | 44 | 46 | 48 | 50 | 52 | 54 | 56 | 58 | |
| t , часов | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,4 | 2,5 | 2,6 | 2,7 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Ne , кВт | 120 | 125 | 130 | 135 | 140 | 145 | 150 | 155 | 160 | 165 | |
З а д а ч а № 3.5
Двигатель внутреннего сгорания работает в паре с генератором, обеспечивая посёлок электроэнергией. Генератор выдаёт постоянную мощность Nген. Известны hтрансмиссии = 0,92, hгенератора = 0,94 и he двигателя. Определите суточный расход денег на дизельное топливо Ссут., если удельная теплота сгорания дизельного топлива Hu = 45,1 МДж/кг, его плотность r, а закупочная цена 38 руб./л.
Данные для решения задачи взять из таблицы.
Таблица 3.3
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Nген , кВт | 110 | 115 | 120 | 125 | 130 | 135 | 140 | 145 | 150 | 155 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| r, кг/м3 | 815 | 820 | 825 | 830 | 835 | 840 | 845 | 850 | 855 | 860 | |
| he двигателя | 0,43 | 0,42 | 0,41 | 0,40 | 0,39 | 0,38 | 0,37 | 0,36 | 0,35 | 0,34 | |
Основная литература по разделу:
1. Пёрышкин А.В. Физика. Учебник для средней школы. М. Изд-во «Дрофа». 2013. https://mipt.ru/dppe/upload/040/Sivuhin_D.V._Kurs_obwej_fiziki._Tom_2-arpg75zl9bj.pdf. с. 3-70.
Дополнительная литература по разделу:
1. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Часть II. Теория горения. Учебное пособие. С-Пб., СПбГТУРП, 2011, 142 с. http://nizrp.narod.ru/toplivoiteor2.pdf
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Том. 1 Механика, колебания и волны, молекулярная физика. Учебник для высшей школы. «Наука», М. 1970. http://mat.net.ua/mat/biblioteka-fizika/Savelyev-fizika-t1.pdf с. 302-322.
3. Сивухин Д.В. Курс общей физики. Том. 2. Термодинамика и молекулярная физика. Учебник для высшей школы. https://mipt.ru/dppe/upload/040/Sivuhin_D.V._Kurs_obwej_fiziki._Tom_2-arpg75zl9bj.pdf. с. 14-232.
З а д а ч а № 4.3
Определить температуру кислорода Т, если известны его параметры рабс. и v. Молекулярная масса кислорода m = 32,0.
Данные для решения взять из таблицы 4.1.
Таблица 4.1.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| рабс. , МПа | 0,20 | 0,25 | 0,30 | 0,35 | 0,40 | 0,45 | 0,50 | 0,55 | 0,60 | 0,65 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| v, м3/кг | 0,15 | 0,20 | 0,25 | 0,30 | 0,35 | 0,40 | 0,45 | 0,50 | 0,55 | 0,60 | |
З а д а ч а № 4.4
Определить массу азота (N2) в баллоне объёмом 50 л, если измерения показывают, что манометрическое давление равно рман., а температура внутри баллона t оС. Давление окружающей среды Во принять равным 101300 Па. Молекулярная масса азота m = 28,0.
Данные для решения взять из таблицы 4.2.
Таблица 4.2.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| рман. , МПа | 1,20 | 1,25 | 1,30 | 1,35 | 1,40 | 1,45 | 1,50 | 1,55 | 1,60 | 1,65 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| t, оС | 12,0 | 14,0 | 16,0 | 18,0 | 20,0 | 22,0 | 24,0 | 26,0 | 28,0 | 30,0 | |
З а д а ч а № 4.5
Определить температуру в оС, при которой произойдёт взрыв баллона, если известно, что он рассчитан на предельное давление рман. Все остальные условия взять из предыдущей задачи Вашего варианта.
Данные для решения взять из таблицы 4.3.
Таблица 4.3.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| рман , МПа | 2,15 | 2,20 | 2,25 | 2,30 | 2,35 | 2,40 | 2,45 | 2,50 | 2,55 | 2,60 | |
З а д а ч а № 5.3
На основании диаграммы рабочего цикла (последовательных повторяющихся процессов) двухступенчатого поршневого компрессора вычислить параметры рабочего тела (p, T, v) в начале и в конце адиабатного сжатия 2-3, также вычислить характеристики процесса: удельную работу процесса l2-3, удельную подведённую теплоту q2-3 и удельное изменение внутренней энергии рабочего тела D U1-2.
Определить давление после первой ступени сжатия р3, температуру после первой ступени сжатия Т3 и удельную работу, совершаемую поршнем над рабочим телом (газом), необходимую для сжатия 1 кг газа воздуха в первой ступени компрессора. Принять Rвозд. = 287 Дж/(кг * К). Показатель политропы сжатия равен n2-3.
Данные для решения взять из таблицы 5.1.
Таблица 5.1.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| p2 , МПа | 0,0900 | 0,0920 | 0,0940 | 0,0960 | 0,0980 | 0,1000 | 0,1020 | 0,1040 | 0,1060 | 0,1080 | |
| v2 , м3/кг | 0,86 | 0,87 | 0,88 | 0,89 | 0,90 | 0,91 | 0,92 | 0,93 | 0,94 | 0,95 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| v3 , м3/кг | 0,42 | 0,41 | 0,40 | 0,39 | 0,38 | 0,37 | 0,36 | 0,35 | 0,34 | 0,33 | |
| n2-3 | 1,16 | 1,17 | 1,18 | 1,19 | 1,20 | 1,21 | 1,22 | 1,23 | 1,24 | 1,25 | |
З а д а ч а № 6.3
В данной задаче рассматривается идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном давлении, или цикл Отто. Определить максимальную температуру T3, в конце процесса сгорания, для бензинового двигателя, работающего по циклу с подводом теплоты при постоянном объёме, имеющего степень сжатия e, и степень повышения давления l. Если температура в начале процесса сжатия Т1 = 50оС, а давление р1 = 92 кПа, универсальная газовая постоянная R = 287 Дж/(кг*К), а коэффициент адиабаты k =1,4.
Данные для решения задачи взять из таблицы 6.1. Процесс сжатия представить в p, v-координатах на миллиметровой бумаге.
Таблица 6.1.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| e | 8,00 | 8,25 | 8,50 | 8,75 | 9,50 | 9,75 | 10,00 | 10,25 | 10,50 | 10,75 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| l | 2,10 | 2,15 | 2,20 | 2,25 | 2,30 | 2,35 | 2,40 | 2,45 | 2,50 | 2,55 | |
З а д а ч а № 6.4
Определить параметры рабочего тела в характерных точках (1,2,3,4,5) идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с изохорно-изобарным подводом теплоты (смешанный цикл), если известны давление p1 и температура t1 рабочего тела в начале сжатия. Степень сжатия e, степень повышения давления l и степень предварительного расширения r.
Определить термический КПД цикла. За рабочее тело принять воздух, считая теплоёмкость его в расчётном интервале температур постоянной. Универсальная газовая постоянная R = 287 Дж/(кг * К), коэффициент адиабаты k = 1,4.
Построить на миллиметровке в масштабе этот цикл в p,v-координатах. Дать пояснения к полученным графикам. Данные для решения взять из таблицы 6.2.
Таблица 6.2.
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| p1, МПа | 0,090 | 0,092 | 0,094 | 0,096 | 0,098 | 0,100 | 0,102 | 0,104 | 0,106 | 0,108 | |
| t1, o C | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | |
| e | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
L ,
1,50
1,55
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
r
1,50
1,45
1,40
1,35
1,30
1,25
1,20
1,15
1,10
1,05
З а д а ч а № 6.5 (продолжение задачи № 6.4)
При построении графика, по результатам расчёта задачи № 6.4 необходимо построить не менее 5-ти промежуточных точек для повышения точности построения графика. Затем провести через них линии графиков процессов 1-2 и 4-5. В этом случае используется основное уравнение адиабатного процесса
pvk = const
В любой точке процесса это равенство будет верным. Поэтому первоначально, в точке, где известны все параметры, вычисляется значение величины Const 1. Затем выбираются произвольные, удобные для построения, значения удельного объёма v1-2(1), v1-2(2), и т.д. по количеству выбранных точек. Зная v1-2(1), k и Const 1, вычисляется р1-2(1). Затем данные заносятся в таблицу, по ним строятся точки и проводится точная линия графика процесса адиабатного сжатия 1-2.
Точно такие же действия проводятся с процессом адиабатного расширения 4-5.
Раздел III . Теплопередача
D i
L i
где q – удельный тепловой поток сквозь стенку, Вт/м2.
tвнутр. (t1) – температура на внешней поверхности камеры, оС.
tвнешн. (t4) – температура на внешней поверхности камеры, оС.
di – толщина i-го слоя, м.
li – коэффициент теплопроводности i-го слоя, Вт/(м * К).
Формула для определения температуры на границах однородного слоя
| t i - t i+1 = | q * d I |
| l I |
где ti – температура на «горячей» поверхности i-го слоя, оС.
ti+1 – температура на «холодной» поверхности i-го слоя, оС.
Для случая если известны лишь температуры наружных поверхностей многослойной стенки, вычисления начинают с горячей поверхности и последовательно рассчитывают на границах всех слоёв.
Задача 7.3
Стенка топочной камеры парового котла выполнена из пеношамота толщиной d1, теплоизоляционной прослойки из шлака толщиной d2 и слоя красного кирпича d3. Температура на внутренней поверхности камеры t1, а на наружной - t2. Коэффициенты теплопроводности пеношамота l1 = 1,25 Вт/(м * К), теплоизоляционного слоя l2 Вт/(м * К), красного кирпича l3 = 0,7 Вт/(м * К). Вычислить тепловые потери через 1 м2 стенки топочной камеры q.
Необходимые данные взять из таблицы
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| d 1 , мм | 150 | 155 | 160 | 165 | 170 | 175 | 180 | 185 | 190 | 195 | |
| d 2 , мм | 100 | 105 | 110 | 115 | 120 | 125 | 130 | 135 | 140 | 145 | |
| d 3 , мм | 210 | 220 | 230 | 240 | 250 | 260 | 270 | 280 | 290 | 300 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| t4, о С | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 | 40 | |
| t1, о С | 925 | 950 | 975 | 1000 | 1025 | 1050 | 1075 | 1100 | 1125 | 1150 | |
| l 2 , Вт/(м * К) | 0,10 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,14 | 0,15 | 0,16 | 0,17 | 0,18 | 0,19 | |
Задача 7.4
Исходя из условий предыдущей задачи определить температуры между слоями стенки из разных материалов t1-2, t2-3. Выполнить график изменения температуры в зависимости от толщины стены в t, d-координатах. Данные взять из предыдущей задачи 7.3.
Задача 7.5
Рассчитать замену материала теплоизоляционного слоя из шлака на современный теплоизоляционный материал имеющего теплопроводность l22. Определить толщину слоя, эквивалентную по тепловому сопротивлению заданному Вам слою из шлака.
Данные взять из таблицы и из предыдущей задачи 7.3
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| l 22 , Вт/(м * К) | 0,026 | 0,027 | 0,028 | 0,029 | 0,030 | 0,031 | 0,032 | 0,033 | 0,034 | 0,035 | |
Расчёт отопления здания
В центральных системах отопления теплоноситель, которым в нашей стране чаще всего является горячая вода (но может быть пар или нагретый воздух), подаётся в здание из внешнего источника. Попадая в систему отопления здания, горячая вода отдаёт своё тепло воздуху внутри помещения и нагревает его. Нагревательные приборы являются основной частью системы центрального отопления. Чаще всего используются радиаторы из чугуна или алюминия.
Одновременно с поступлением тепловой энергии в здание происходит её рассеивание в окружающую среду через так называемые теплоограждающие конструкции: стены, двери, окна, потолок и пол. Через разные элементы здания тепловая энергия рассеивается с разной интенсивностью. Дополнительно внутри здания постоянно происходит утечка тёплого воздуха через систему вентиляции, открытые двери и окна. Тёплый воздух замещается холодным, а на его нагрев также расходуется теплота, поступающая из системы отопления.
Главная задача расчёта и последующего монтажа системы отопления – обеспечение комфортных условий проживания или работы, находящихся внутри здания людей. При недостаточном поступлении тепловой энергии, температура в здании упадёт до величины температурного напора, обеспечивающего равновесие между внешней и внутренней температурой. При этом внутренняя температура будет ниже комфортной. При избыточном поступлении тепловой энергии – наоборот, внутренняя температура будет чрезмерно высокой, что также вызовет дискомфорт для находящихся внутри здания людей. Они вынуждены будут проветривать помещения и большое количество теплоты будет бесполезно уходить в окружающую среду.
При расчёте отопления здания первоначально нужно определить потери теплоты через стены, окна, потолок, пол. Потери тепловой энергии через стенку вычисляются по формуле
Qстенки = Fст. kст. ( tвн. – tвнешн.)
где Fст. – площадь стенки, м2;
kст. – коэффициент теплопередачи через стенку, Вт/(м2*К);
tвн. – температура внутри здания, оС;
tвнешн. – температура окружающей среды, оС.
При расчёте тепловых потерь через стенку площадь остекления вычитается из площади стен, а затем потери теплоты для окон считаются отдельно и приплюсовываются к тепловым потерям через стенку.
Для того, чтобы найти потери теплоты необходимо определить коэффициент теплопередачи k для каждого теплового ограждения
| k стенки = | 1 | ||||||
| 1 | + | d ст | + | 1 | |||
|
| a 1 | l ст | a 2 | ||||
где a1 – коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к внутренней поверхности стены, Вт/(м2*К), - то есть, количество теплоты передаваемое от внутреннего воздуха внутренней поверхности стены;
dст – толщина стены, м;
lст – коэффициент теплопроводности стены, Вт/(м*К);
a2 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности стены к окружающему воздуху, Вт/(м2*К), - то есть, количество теплоты передаваемое от внешней поверхности стены окружающему холодному воздуху.
Аналогично вычисляются тепловые потери через потолок и пол.
Потери тепла на вентиляцию вычисляются после определения суммы всех потерь, как доля от потерь теплоты способом теплопередачи.
Затем подбираются приборы отопления ( в нашем случае это радиаторы (секции) для водяного отопления). Сначала вычисляется средняя температура теплоносителя на входе в радиатор. В наиболее близких секциях к входной трубе центрального отопления она равна входной. А в последних, наиболее близких к выходу, - выходной температуре. А для среднего радиатора она равна средней температуре между входной и выходной. По вычисленной средней определяется средний температурный напор между внутренним воздухом в здании и температурой внутри радиатора. Затем, используя ту же формулу, по которой вычисляются потери тепловой энергии, рассчитываем поступление тепловой энергии через один радиатор отопления
Qпоступающая = Fсек. kсек. ( tвод.ср. – tвн.)
где Fсек. – площадь поверхности теплообмена 1-й секции, м2;
kст. – коэффициент теплопередачи через стенку от горячей воды внутри радиатора к внутреннему воздуху здания, Вт/(м2*К);
tвн. – температура внутри здания, оС;
tвод. ср. – средняя температура горячей воды внутри радиатора, оС.
Теперь, зная сколько теплоты поступает через одну секцию, вычислим необходимое количество секций, и определим количество 12-секционных батарей, необходимых для функционирования системы отопления. Количество батарей округляется в большую сторону.
З а д а ч а № 8.3
Определить тепловые потери через стены здания ремонтного цеха. Если известна толщина однослойной стены dст., длина цеха L, ширина цеха В и высота стенки H. Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стенки a1, коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности стенки a2, а также коэффициент теплопроводности материала стенки lст. Внутренняя температура в цехе tвн.=18оС.
Часть стенки занимают окна. Коэффициент остекления составляет j = 0,2. Коэффициент теплопередачи для окон составляет kок. = 2,5 Вт/(м2*К)
Газо-водяной теплообменник
После сгорания топлива в топке с выделением тепловой энергии, образуются дымовые газы, имеющие высокую температуру. Эти газы направляются через специальные газо-водяные теплообменники, чтобы они отдавали тепловую энергию, которой обладают, – воде, протекающей по трубам этого теплообменника.
На рисунке теплообменника дымовые газы движутся внутри кожуха, заходя в него в правой нижней части и выходя в левой верхней. Вода же протекает по трубам, находящимся внутри кожуха и не имеет непосредственного контакта с газами (только через стенки трубок), т.е. дымовые газы движутся справа – налево. Если направить воду через трубки тоже слева – направо, тогда теплообменник будет называться прямоточным. Если же направить навстречу движению дыма, т. е. Слева – направо, такой теплообменник будет называться противоточным. Более эффективным считается противоточный теплообменник.
Главным уравнением теплообменника считается уравнение теплового баланса:
Q г = Q в = G г ср г ( t г1 – t г2 ) = G в ср в ( t в2 – t в1 )
где Q г – тепловая мощность потока теплоты отдаваемого дымовыми газами воде, внутри теплообменника, Вт;
Q в – тепловая мощность потока теплоты получаемого водой от дымовых газов, внутри теплообменника, Вт;
G г – расход дымовых газов через теплообменник, кг/с;
ср г – удельная массовая теплоёмкость дымовых газов при постоянном давлении, Дж/(кг*К);
t г1 – температура дымовых газов на входе в теплообменник, оС;
t г2 – температура дымовых газов на выходе из теплообменника, оС;
G в – расход нагреваемой воды через теплообменник, кг/с;
ср в – удельная массовая теплоёмкость нагреваемой воды при постоянном давлении, Дж/(кг*К);
t в1 – температура нагреваемой воды на входе в теплообменник, оС;
t в2 – температура нагреваемой воды на выходе из теплообменника, оС;
Смысл этого уравнения в том, что количество теплоты, отдаваемой дымовыми газами равно количеству теплоты, получаемому нагреваемой водой. Конечно, здесь имеет место идеализация процессов. Потому что в любом случае часть тепловой энергии рассеивается в окружающей среде в процессе передачи от дымовых газов – воде. Но мы пренебрегаем этой частью.
Следующей важной особенностью расчётов теплообменников является вычисление теплового напора. В случае противотока и в случае прямотока используются разные формулы:
| D t противотока = | (t г1 - t в2 ) - (t г2 - t в1 ) | |||||||
| ln | (t г 1 - t в 2 ) |
|
| |||||
|
|
|
|
|
| (t г2 - t в1 ) |
|
| |
| D t прямоток = | (t г1 - t в1 ) - (t г2 - t в2 ) | |||||||
| ln | (t г 1 - t в 1 ) |
|
| |||||
|
|
|
|
|
| (t г2 - t в2 ) |
|
| |
Тепловая мощность теплообменника обеспечивается необходимой суммарной длиной труб, по которым протекает нагреваемая вода и вычисляется по формуле:
| lпротивотока = | Qв |
| k l * D tпротивоток |
где l противотока – длина трубок в теплообменнике, м;
kl – линейный коэффициент теплопроводности от дымовых газов к нагреваемой воде, Вт/(м2*К). Для трубы определяется по формуле:
| k l ' = | 1 | |||||||||||||
|
| 1 |
| + |
| ln(d н /d вн ) |
| + | ln(d вн /d нак ) | + | 1 |
| |||
|
|
| ( a г * d н ) | (2 * l ст ) | (2 * l нак ) | ( a в * d нак ) | |||||||||
где a г – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы, Вт/(м2*К);
a в – коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы, Вт/(м2*К);
d н – наружный диаметр трубок в теплообменнике, м;
d вн – внутренний диаметр трубок в теплообменнике (по внутреннему слою металла), м;
d нак – внутренний диаметр слоя накипи в теплообменнике (по слою накипи), м;
l ст – коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м*К);
l нак – коэффициент теплопроводности слоя накипи, Вт/(м*К);
Количество трубок в теплообменнике определяется по формуле:
| N (без учёта накипи) = | lпротивоток | + | 1 |
| lтрубки |
где N – количество трубок в теплообменнике, штук;
lпротивоток – общая длина трубок в теплообменнике (при противотоке), м;
lтрубки – длина одной трубкки в теплообменнике, м.
З а д а ч а № 9.3
Определить тепловую мощность газо-водяного рекуперативного теплообменника, работающего по противоточной схеме. Расход воды через теплообменник: Gв, начальная температура воды: tв1, а конечная температура воды: tв2. Также определить температуру газов tг2 на выходе из теплообменника, если расход дымовых газов Gг, начальная температура дымовых газов tг1. Теплоёмкость воды принять постоянной cp в ср = 4,26 кДж/(кг*К) дымовых газов также принять постоянной cp г ср = 1,25 кДж/(кг*К).
Данные для решения взять из таблицы
| Последняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| Gв, кг/ч | 1500 | 1550 | 1600 | 1650 | 1700 | 1750 | 1800 | 1850 | 1900 | 1950 | |
| Gг, кг/ч | 1300 | 1325 | 1350 | 1375 | 1400 | 1425 | 1450 | 1475 | 1500 | 1525 | |
| Предпоследняя цифра шифра | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | |
| t в1 , о С | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 | 40 | |
| t в 2 , о С | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | |
| t г1 , оС | 600 | 580 | 560 | 540 | 520 | 500 | 480 | 460 | 440 | 420 | |
Утверждаю
Декан ФТТМС
_____________Юсупов М.Л.
«____»_______________2019
Скоморохов В.А.
Учебно-методическое пособие по решению контрольной работы по дисциплине «Теплотехника»
Екатеринбург
Уральский ГАУ
2019
Утверждено учебно-методической комиссией факультета транспортно-технологических машин и сервиса
Протокол № ______ от
Учебно-методическое пособие по решению контрольной работы по дисциплине «Теплотехника»/ Скоморохов В.А./ Уральский ГАУ. 2019 – 27 с.
Учебно-методическое пособие содержит задачи для контрольной работы, указаны наиболее важные моменты, на которые студентам следует обратить особое внимание.
Приводится список основной и дополнительной литературы.
Учебное пособие предназначено студентам-бакалаврам специальностей: 35.03.06 Агроинженерия следующих профилей: «Технический сервис в агропромышленном комплексе», «Технические системы в агробизнесе», «Электрооборудование и электротехнологии»; «Технологическое оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
Теплотехника – это дисциплина, изучающая тепловую энергию, то есть, теоретические возможности и практические способы получения, преобразования (в другие виды энергии или в работу), сохранения и передачи тепловой энергии (теплоты).
Тепловая энергия является первоосновой существования современной цивилизации и современного человека, с его уровнем энергопотребления. Для лучшего усвоения материала по дисциплине Теплотехника разработаны задачи, которые необходимо самостоятельно решить студентам как заочной, так и очной формы обучения.
Каждая задача имеет три варианта, в зависимости от сложности, обозначенные индексами 3, 4 и 5.
Студент выбирает вариант задачи в соответствии с представлением о своих знаниях и оценкой, на которую он претендует.
Каждая задача имеет сто вариантов исходных данных для решения. Вариант задачи выбирается по двузначному номеру зачётной книжки (не путать с годом поступления) или по шифру, выданному преподавателем. При решении задач и оформлении контрольной работы необходимо выполнять определённые требования.
Требования к решению задач
1. Решение задачи должно быть представлено последовательно: сначала в буквенной, а затем в числовой форме (допускается по действиям). Ниже каждой формулы необходимо написать что за величину обозначает и какой физический смысл несёт каждая буква в формуле, а также единицы измерения этой величины. При числовом решении обязательно указание единиц измерения после получения результата каждого действия. Перед действием поясняется его смысл.
2. Решение и промежуточные результаты должны быть представлены с точностью не менее 3-х значащих цифр. Напоминание: нули, стоящие перед цифрами, обозначающими число, или после них не являются значащими цифрами, а указывают порядок числа.
3. Все расчёты выполняются в единицах измерения системы СИ. Производные единицы, например: кВт, МПа, ГДж использовать очень осторожно (если нет уверенности в собственных знаниях, лучше использовать базовые системные единицы без приставок, например: Вт, Па, Дж)
4. Там где необходимо построить график он должен быть представлен на миллиметровой бумаге, формата А4, выполненный простым карандашом, с нанесением на координатные оси шкалы (с интервалом между надписями НЕ более 25 мм), указанием параметра, и единиц его измерения.
Часто базовые единицы измерения слишком малы или слишком велики, поэтому для удобства написания лучше использовать либо стандартную форму числа, например, 2 * 1012, либо пользоваться общепринятыми приставками, приведёнными в Таблице 1.
Таблица 1
Приставки, используемые для обозначения порядка числа
| Наименование приставки | Значение приставки |
| Нано | 0,000000001 (одна миллиардная) |
| Микро | 0,000001 (одна миллионная) |
| Милли | 0,001 (одна тысячная) |
| Санти | 0,01 (одна сотая) |
| Деци | 0,1 (одна десятая) |
| Дека | 10 (десять) |
| Кило | 1 000 (одна тысяча) |
| Мега | 1 000 000 (один миллион) |
| Гига | 1 000 000 000 (один миллиард) |
| Тера | 1 000 000 000 000 (один триллион) |
Раздел I.
Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества. Превращения различных видов энергии. Работа и мощность. Коэффициент полезного действия. Сгорание топлива. Нагрев, плавление, кипение и испарение вещества. (Физика. Школьный курс)
Сгорание топлива и коэффициент полезного действия
Энергия, работа, мощность
Из школьного курса физики известно, что энергия может иметь различные формы: механическую, тепловую, электромагнитную, химическую и др. Все виды энергии могут переходить одна в другую, либо непроизвольно, либо при помощи специально изготовленных устройств. Человечество, чаще всего использует тепловую, электрическую и механическую виды энергии. Даже в ядерной реакции человечество интересует лишь её тепловая составляющая.
Подавляющая доля всей, потребляемой человечеством энергии образуется при сжигании топлива в различных устройствах (двигателях, котлах и т.п.).
Определённые трудности вызывает физический смысл этих понятий и их взаимоотношение между собой. Напомню, энергия – это способность выполнять работу или передавать энергию другим телам; работа – это действие по перемещению в пространстве предметов, обладающих массой; а мощность – работа или энергия, произведённая в единицу времени.
По аналогии с повседневной жизнью, мощность можно сравнить с производительностью. К примеру, если имеется банкомат, выдающий каждую секунду по 8 рублей. Т.о. его производительность (мощность) составит 8 руб./с, а за час он выдаст объём денег (работу) равную 8 руб./с * 3600 с = 28 800 руб. А если располагать не банкоматом, а тепловым двигателем и он выдаёт не деньги, а работу, измеряемую в Джоулях, тогда его мощность будет 8 Дж/с (или 8 Вт, так как 1 Дж/с = 1 Вт), а работа, совершённая им за час, составит 28 800 Джоулей.
Точно так же определяется тепловая мощность. Печь или котел служат для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию, которая используется на какие-то полезные нужды. Тепловая энергия так же измеряется в Джоулях. А мощность теплового устройства в Ваттах (Джоуль/секунду). Аналогично, зная тепловую мощность, можно определить количество теплоты (тепловой энергии) выделяемой за любое время.
Т.о. единицы измерения энергии и работы – Джоули, а мощности – Вт (Джоуль в секунду). Иногда используется несистемная единица работы или энергии - киловатт-час – это работа, произведённая устройством с мощностью 1 кВт в течение 1 часа (3600 с).
1 кВт * час = 3 600 000 Дж
Дата: 2019-12-22, просмотров: 317.
