90
.pdf1.17. К 1кг рабочего тела в испарителе бытового холодильника с холодильным коэффициентом = 2,4 подведено от охлаждаемых продуктов q = 98 кДж/кг теплоты. Определить удельную работу компрессора и энтропию рабочего тела на выходе из испарителя, если на входе она равна s = 6,41 кДж/(кг ·К), а температура в испарителе t = – 15 0 С.
1.18. |
Газообразный фреон с молярной массой 120 кг/моль в количе- |
||||
стве 0,22 кг нагнетается компрессором в объем |
2,85 литра |
до давле- |
|||
ния |
|
|
|
|
|
1,6 МПа. Определить температуру сжатого фреона. |
|
|
|
||
1.19. |
Проба продуктов сгорания, отобранная из цилиндра ДВС при |
||||
температуре 2250 0С и давлении 5,8 МПа и находящаяся |
в |
герметич- |
|||
ном газоотборнике объемом V=2,5 л., |
охлаждена |
до 20 |
0С. |
Продукты |
|
сгорания имеют: = 26,8 кг/моль и c p |
= 0,76 кДж/(кг·К). Вычислить коли- |
чество отведенной теплоты при охлаждении продуктов сгорания и конечное давление.
1.20. В поршневом |
компрессоре 3 литра |
всасываемого воздуха |
при температуре 20 0С политропно сжимаются |
от р1 = 0,1 МПа до |
|
р2 = 0,42 МПа.. Показатель |
политропы n = 1,28. |
Вычислить температуру |
вконце сжатия и работу, затраченную на сжатие воздуха.
1.21.Воздух из резервуара с постоянным давлением р0 = 10 МПа и температурой T0 = 288 К вытекает в атмосферу с давлением ра = 0,1 МПа через трубку с внутренним диаметром 10 мм . Определить скорость адиабатного истечения воздуха из трубки и его начальный массовый расход.
1.22.Определить температуру заторможенного воздуха на поверхности космического корабля, движущегося в плотных слоях атмосферы со
скоростью 3000 м/с. Термодинамическую температуру воздуха принять равной –50 0С.
1.23.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?
1.24.Температура в газогенераторе рабочего тела равна 900 0С. Вычислить значение показателя адиабаты к, если массовые доли газовой сме-
си составляют: g CO = 0,6; g O2 = 0,1 и g N2 = 0,3.
11
1.25. Воздух при постоянном давлении нагревается в электрическом калорифере от t1 = –10 0C до t 2 = 50 0С. При давлении 750 мм рт. ст. объемная подача воздуха V =100 м3/ч. Какова мощность электрокалорифера, если его КПД равен 96 %?
Задание № 2
Задание соответствует содержанию тем № № 4, 5, 6 и 7 учебной программы. Литература: [5], с.106…167; [2], с.100…155.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под температурным полем? Приведите два – три примера стационарного и нестационарного температурных полей.
2.Дайте определение температурного градиента и назовите его значе-
ние для плоской однослойной стенки толщиной 350 мм, если ее температура с одной стороны – 14 0С, а с другой +21 0С.
3.Объясните, каким образом происходит перенос энергии в форме тепла теплопроводностью в твердых, жидких и газообразных веществах.
4.Запишите и проанализируйте выражение закона теплопроводности.
5.Приведите примеры использования дифференциального уравнения
теплопроводности.
6. Сформулируйте условия однозначности и приведите пример их использования в описании какой-либо задачи теплопроводности.
7. Поясните зависимость изменения температуры по толщине плоской однослойной стенки при стационарной теплопроводности.
8.Стены жилого помещения можно выполнить из кирпича или из дерева. Поясните, в каком случае потери тепла через стены одинаковой толщины будут больше.
9.Для плоской четырехслойной стенки запишите выражение для определения температуры между второй и третьей стенкой.
10.Объясните, каким образом происходит перенос энергии в форме тепла при конвективном теплообмене.
11.Что Вы понимаете под теплоотдачей? Запишите и поясните аналитическое выражение закона теплоотдачи.
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 различия в теплоотдаче при естественной конвекции, ламинарном и турбулентном течениях теплоносителя.
12
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 теплообменных аппаратов.
З а д а ч и
2.1. Через бытовое помещение проходит выхлопная труба дизельгенератора длиной 3 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 0С и 45 0С. Для изоляции использовать теплозвукоизоляционные маты из базальтового волокна с оболочкой из кремнеземной ткани с = 0,037 Вт/(м·К).
2.2. Стены жилого помещения выполнены из красного кирпича, пенобетона и сосновой вагонки Толщины слоев соответственно равны:1= 250 мм, 2= 150 мм и 3= 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 0С и – 30 0С снаружи?
2.3. Через фургон автомастерской проходит выхлопная труба двигателя длиной 3,5 м и наружным диаметром 50 мм. Труба изолирована прошивным матом из шлаковаты толщиной 10 мм. Какова величина теплового потока подводится в фургон от продуктов сгорания, если температура между изоляцией и трубой 395 0С, а снаружи изоляции 35 0С?
2.4. Потолок жилого помещения длиной 4,5 м и шириной 3,6 м выполнен трехслойным: железобетонная плита толщиной 200 мм, пенопласт
13
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 0С и – 30 0С наружной стороны доски?
2.5. В погребе длиной 4 м и шириной 2,5 м поддерживается температура + 2 0С. Каковы потери тепла в морозную погоду с температурой
–35 0С 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?
2.6. Перекрытие погреба размерами 4 3 м состоит из бетонной плиты = 250 мм, шлака котельного = 800 мм и снега толщиной 350 мм. Потери тепла через перекрытие составляют 130 Вт. При кокой наружной температуре воздуха поверхность потолка погреба будет равна – 2 0С?
2.7.По трубе 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 0С.
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 0С температура стенки трубы со стороны воды 50 0С. Какую температуру имеет наружная поверхность трубы?
2.9.Атмосферный воздух с температурой –10 0С по вентиляционному каналу сечением 200 50 мм и длиной 4 м поступает к калориферу. Ско-
рость движения воздуха равна 0,2 м/с; температура внутренней стенки канала соответствует 15 0С. Вычислить часовую потерю тепла через стенки венти
2.10.В опускных трубах котельной установки с внутренним диаметром 30 мм нагревается вода. Скорость движения воды 1,2 м/с, средняя по
длине трубы температура воды 85 0С, температура внутренней стенки трубы 105 0С. 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 0С, скорость движения воды 0,9 м/с, температура стенки трубки со стороны воды 45 0С. Определить средний по длине трубки коэффициент теплоотдачи.
2.12. В трубках бойлера с внутренним диаметром 25 мм нагревающая вода с температурой 130 0С движется со скоростью 0,4 м/с. Каков коэффициент теплоотдачи, если трубка изнутри нагревается до 95 0С?
14
2.13. Определить коэффициент теплоотдачи от батареи водяного отопления к воздуху в комнате, если известны: высота батареи 600 мм; температура наружной стенки батареи 55 0С; средняя по высоте батареи темпе-
ратура воздуха 20 0С. |
|
|
2.14. |
Определить степень черноты смеси газов, состоящих из СО2 и |
|
Н2О, если |
температура смеси равна 2500 К; парциальные давления га- |
|
зов: p со2 = 4 МПа и р н |
о =1,5 МПа. Диаметр цилиндрического объема, в ко- |
|
|
2 |
|
тором находится смесь, равен 700 мм, высота цилиндра равна его диаметру.
2.15 Вычислить удельный лучистый тепловой поток от пламени горящего топлива, имеющего Тг = 2300 К и степень черноты г = 0,265 , к поверхности камеры сгорания с температурой Тст = 950 К и ст = 0,82.
2.16. Сосуд Дюара, стенки которого выполнены из полированной меди, заполнен жидкостью с температурой 92 0С. Температура окружающей среды 18 0С. 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 дизеля, выполненного из чугунного литья наружным диаметром 150 мм и общей длиной 1200 мм. Температура поверхности коллектора 437 0С. Обратным излучением среды на коллектор пренебречь.
2.18. Определить количество тепла, переданного излучением дымовых газов стенкам трубчатого теплообменника. Температура газов 1100 0С; степень черноты газов Г = 0,32; наружная температура труб 820 0С; степень черноты наружных стенок труб СТ = 0,84; площадь поверхности труб 2,5 м2.
2.19. Радиатор автомобиля состоит из 120трубок прямоугольного сечения размерами 15 5 мм. Температура воды на входе в радиатор 85 0С, на выходе из него 45 0С; секундный массовый расход воды через радиатор 0,3 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 темпе- |
ратурой t1′=95 0C. Нагреваемая вода имеет m |
=1300 кг/ч и t2′=16 0C. Опреде- |
лить конечные температуры теплоносителей, если коэффициент теплопередачи к = 1400 Вт/(м2·К).
15
2.21. Определить поверхность нагрева рекуперативного водовоздушного теплообменника при прямоточном и противоточном движении теплоносителей. Массовый расход воды через теплообменник m 1= 0,1 кг/с, ее температура на входе и выходе соответственно равна t1′= 95 0C и t1′′= 65 0C.
Воздух необходимо нагреть от t2′ = -10 0C до t2′′ = 30 0C при коэффициенте теплопередачи к = 48 Вт/(м2·К).
2.22. В противоточном водовоздушном теплообменнике необходимо нагреть в секунду 0,8 кг воздуха от t2′ = - 12 0C до t2′′ = 28 0C. Какой массо-
вый расход горячей воды должен подаваться в теплообменник, если ее
температура при передачи тепла уменьшается от t1′= 98 0C до t1′′= 55 0C? Какова поверхность теплопередачи при коэффициенте к = 42 Вт/(м2·К)?
2.23. К местному тепловому пункту в теплоизолированной трубе с наземной прокладкой подводится горячая вода с температурой 155 0C. 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 0C. Каковы потери тепла каждым погонным метром трубы, если коэффициент теплоотдачи со стороны воды 1 =750 Вт/(м2·К), а со стороны воздуха 2 =16 Вт/(м2·К)?
2.24. Общая поверхность теплопередачи отопительной батареи 6 м2. Батарея выполнена из чугуна с толщиной стенки δ = 3 мм. Каков должен
быть коэффициент теплоотдачи от батареи к воздуху, чтобы температура воды в батареи снизилась от t1′= 84 0С до t1′′= 78 0С? Массовый расход во-
ды через батарею m = 0,2 кг/с; средняя по высоте батареи температура воздуха t2 ср =18 0С, коэффициент теплоотдачи от воды к стенке батареи
1 =750 Вт/(м2·К),
2.25.Определить поверхность нагрева водяного экономайзера, в котором теплоносители движутся с противотоком. Известны следующие ве-
личины: температура |
|
дымовых |
газов |
котла t1′ = 4200C; массовый расход |
||||
газов m 1= 15 кг/с; |
теплоемкость |
газов |
cp 1 = 1,045 кДж/(кг·К); температура |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воды на входе t2 |
′ |
=20 |
0 |
C; |
расход |
воды |
|
|
|
|
m 2 = 8 кг/с; коэффициент теплопе- |
||||||
редачи от газов |
|
к |
воде |
к = 230 Вт/(м2·К); количество передаваемого тепла |
Q =3,4·106 Вт
Задание № 3
Задание соответствует содержанию тем № 10 и № 11 учебной программы. Литература: [5], с.77 …105; [2], с.41…97..
Контрольные вопросы
1. Поясните, что понимается под циклом теплового двигателя.
16
2. Объясните особенности метода анализа циклов тепловых двигате-
лей.
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 компрессо-
ров. Назовите известные Вам типы объемных компрессоров.
12. Поясните работу поршневого компрессора, назовите его показате-
ли.
13. Проведите анализ идеального цикла одноступенчатого поршневого компрессора.
14.Что такое вредное пространство в поршневом компрессоре и на какие показатели компрессора оно влияет?
15.Объясните необходимость использования многоступенчатого сжатия для получения высоких давлений газа.
16.Поясните необходимость охлаждения газа между ступенями ком-
прессора.
17.Каким образом определить число ступеней компрессора для за-
данного к ?
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.Изобразите схему и поясните принцип работы воздушной холодильной машины.
21.В Ts – координатах изобразите и поясните цикл ПКХМ.
22.Объясните, что понимается под холодильной мощностью и холодильным коэффициентом холодильных машин.
23.Поясните, какую роль выполняет компрессор в ПКХМ.
24.Поясните, какую роль выполняет дроссель в ПКХМ
25.Изложите, что Вам известно о тепловых насосах
За д а ч и
17
3.1. Вычислить величину термического КПД цикла Карно, максимальная температура в котором принимает значение 1500 К. Количество отведенной теплоты в цикле равно 600 кДж/кг; уменьшение энтропии рабочего тела в результате отвода тепла соответствует s = 2 кДж/(кг·К). Построить цикл в Ts – координатах.
3.2. Определить минимально необходимую степень сжатия в ДВС, чтобы горючее, поданное в цилиндр в конце хода сжатия, воспламенилось. Температура воспламенения горючего 970 К; температура воздуха перед сжатием 300 К; сжатие принять адиабатным. Каково давление в конце сжатия, если начальное равно 0,1 МПа?
3.3. 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.
3.4. В ДВС с изохорным подводом тепла известны: p1 = 0,097 МПа; t1 = 27 0C; = 3,25; = 8,5; к = 1,28. Определить термический КПД и сравнить его с КПД цикла Карно при максимальной и минимальной температурах изохорного цикла.
3.5. В ДВС с изобарным подводом тепла известны: p1 = 0,185 МПа; t1 = 32 0C; = 19,5; = 1,8; к = 1,27. Определить термический КПД и сравнить его с термическим КПД цикла Карно при максимальной и минимальной температурах изобарного цикла.
3.6. В ДВС с изохорным подводом тепла известны: p1 = 0,092 МПа; t1 = 29 0C; = 3,45; R = 312 Дж/(кг·К); к = 1,31. Давление рабочего тела в результате адиабатного сжатия достигло значения р2 = 1,7 МПа. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и Ts – координатах.
3.7. В ДВС с изобарным подводом тепла известны: p1 = 0,195 МПа; t1 = 36 0C; = 1,75; R = 308 Дж/(кг·К); к = 1,32. Давление рабочего тела в результате адиабатного сжатия достигло значения р2 = 7,8 МПа. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и Ts – координатах.
3.8. В ДВС с изохорным подводом тепла известны: p1 = 0,089 МПа; t1 = 26 0C; = 9,5; R = 316 Дж/(кг·К); к = 1,29. Температура рабочего тела в результате сгорания топлива достигла значения Т3 = 2330 К. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и Ts – координатах.
18
3.9.В ДВС с изобарным подводом тепла известны: p1 = 0,153 МПа; t1 = 32 0C; = 22,5; R = 312 Дж/(кг·К); к = 1,32. Температура рабочего тела в результате сгорания топлива достигла значения Т3 = 2420 К. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и Ts – координатах.
3.10.В ДВС со смешенным подводом тепла известны: p1 = 0,123 МПа; t1 = 42 0C; = 15; = 1,56; R = 310 Дж/(кг·К); к = 1,28 Температура рабочего тела в результате сгорания топлива достигла значения Т4 = 2275 К. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и T s – координатах.
3.11. В ДВС со смешенным подводом тепла известны : t1 = 22 0C; p1 = 0,093 МПа; = 2,59; R = 300 Дж/(кг·К); к = 1,32. В цилиндре воздух сжимается до давления, обеспечивающего воспламенение топливной смеси, Т2 = 750 К. Температура рабочего тела в результате сгорания топлива достигла значения Т4 = 2685 К. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и T s – координатах .
3.12. В ДВС со смешенным подводом тепла известны: t1 = 38 0C; p1 = 0,125 МПа; =13; R = 308 Дж/(кг·К); к = 1,29. Максимальное давление в камере сгорания р3 = 6,8 МПа, а температура рабочего тела в результате сгорания топлива достигла значения Т4 = 2430 К. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и T s – координатах.
3.13. На вход в газотурбинный двигатель с подводом тепла при постоянном давлении подается воздух с давлением р1= 0,082 МПа и температурой t1 = – 15 0С. При сжатии в компрессоре температура воздуха повышается до t2= 257 0С. Максимальная температура в камере сгорания 947 0С. Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Построить цикл в pv и T s – координатах.
3.14. На вход в газотурбинный двигатель с подводом тепла при постоянном давлении подается воздух с давлением р1 = 0,1 МПа и температурой t1= 25 0С. Каково должно быть значение степени повышения давления в компрессоре, чтобы температура продуктов сгорания не превышала T3 1220К при =1,8? Определить недостающие параметры состояния в характерных точках цикла и его термический КПД. Показатель адиабаты при расширении продуктов сгорания принять равным 1,33. Построить цикл в pv и T s – координатах .
19
3.15.На входе в цилиндр одноступенчатого поршневого компрессора воздух имеет давление р1 = 0,092 МПа и температуру t1 = 18 0C. Определить теоретическую мощность, потребную для сжатия воздуха, если подача компрессора 200 м3/ч, сжатие осуществляется по политропе с показателем
n = 1,28 до давления р2 = 0,46 МПа. Какова температура воздуха в конце сжатия?
3.16.В одноступенчатом поршневом компрессоре диаметр цилиндра 220 мм, ход поршня – 120 мм, коэффициент объемной подачи = 0,675. Определить теоретическую мощность, потребную для сжатия воздуха, если частота вращения вала компрессора 960 об/м; давление в ступени повышается от 0,1МПа до 0,43 МПа; сжатие осуществляется по политропе с показателем n=1,26.
3.17.Объем всасываемого воздуха в одноступенчатом поршневом компрессоре равен 2.5 литра. Вычислить работу цикла при сжатии воздуха от 0,1 МПа до 3,8 МПа в различных процессах: адиабатном, изотермиче-
ском и политропном с n = 1,28; сделать вывод.
3.18. Двухступенчатый поршневой компрессор сжимает воздух от
рвх= 0,1 МПа до рвых= 1,6 МПа. Подача компрессора V = 72 м3/ч. Определить распределение давления между ступенями и потребную мощность для
сжатия воздуха при n = 1,27.
3.19. В паросиловой установке, работающей по циклу Ренкина, перегретый пар с давлением 4,3 МПа и температурой 810 0С адиабатно расширяется на турбине до давления 0.05 МПа. Вычислить удельную техническую работу на турбине и температуру пара в конденсаторе.
3.20. Для двухступенчатого поршневого компрессора известны: р1 = 0,1МПа; р2= р3 = 0,3МПА; р4 = 0,9 МПа; температура на входе в первую ступень Т1 = 288К; рабочий объем первого цилиндра 4 л, второго – 1,3 л; относительная величина вредного пространства обеих ступеней 0,05; показатель политропы сжатия n = 1,28. Приняв, что воздух между ступенями охлаждается до Т3= 288 К, построить цикл компрессора в T-s координатах
3.21. На входе в компрессор воздушной холодильной машины рабочее тело имеет t1 = –10 0С и р1 = 0,11 МПа. В результате адиабатного сжатия температура воздуха повысилась до t2 = 450C, а при отводе тепла в теплообменнике – понизилась до t3 =30 0C. Дальнейшее снижение температуры осуществляется при адиабатном расширении воздуха в поршневом детандере до давления р4 = 0,11 МПа Определить температуру на выходе из детандера и холодильный коэффициент ВХМ. Изобразить цикл в T-s координатах.
20