Теоретические основы теплотехники

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: Общей  металлургии и химии

 

 

 

Шифр:

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу: «Теоретические основы теплотехники»

 

 

 

 

Выполнила:

   

Проверил: доц.Алексеев В.П.

 

 

 

 

 

 

Алчевск 2011 г.

Задача 1.

 

Смесь, состоящая из киломоля азота и киломоля кислорода с начальными параметрами и расширяется до давления . Расширение осуществляется по изотерме, адиабате и по политропе с показателем n. Определить газовую постоянную смеси, ее массу и начальный объем, конечные параметры смеси, работу расширения и теплоту, участвующую в процессах. Привести сводную таблицу результатов расчета. Показать процессы в pv-  и Ts- диаграммах (все процессы совместить в одних диаграммах).

Указание: Показатель адиабаты и теплоемкости и следует принять постоянными и независящими от температуры.

Исходные данные: = 0,9 кмоль; = 0,1кмоль; = 0,4 Мпа; n = 1,4

 

Решение:

Определим молекулярную массу  смеси 

 

 

Газовая постоянная смеси

 

 

Найдем начальный объем  смеси

 

      Тогда масса смеси

 

Изотермическое  расширение:

При изотермическом процессе температура является постоянной. Т.е. . и

 

Следовательно .

Тогда количество теплоты равно механической работе.

 

Механическую работу найдем по формуле:

 кДж

Тогда количество теплоты

q = 267,72 кДж

Найдем конечный объем  смеси

.

Адиабатное  расширение:

Адиабатным является процесс, происходящий без внешнего теплообмена.

 

 

Если не учитывать зависимость  теплоемкости газов от температуры (как рекомендовано в указании к задаче) и так как у нас  смесь двухатомных газов принимаю .

Конечная температура

 

Работа

 

Конечный объем

 

 

 

 

Политропное расширение

Политропный процесс проходит при постоянной теплоемкости рабочего тела

 

Температуру найдем из соотношения

 

Работа

 

Теплота

 

где кДж/(кг К) по [1, табл.А4]

Следовательно:

 

Окончательный объем найдем из формулы механической работы

 

 

Сводим все результаты в таблицу:

Наименование процесса	, МПа	, МПа	, К	, К	, м3	, м3	, кДж	q, кДж
Изотермический	1	0,4	1000	1000	0,291	0,728	-267,7	267,7
Адиабатный				766,65		0,558	169,76	0
Политропный				693,4		0,505	223,05	0

 

 

 

 

Построим  Pv-  и  Ts- диаграммы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.

Плоская стальная стенка толщиной и коэффициентом теплопроводности с одной стороны омывается горячими газами, при этом коэффициент теплоотдачи между газами и стенкой равен . С другой стороны стенка изолирована от окружающего воздуха плотно прилегающей к ней пластиной толщиной и коэффициентом теплопроводности . Коэффициент теплоотдачи между пластиной и окружающим ее воздухом равен . Температура газов и воздуха соответственно равны . Определить удельный тепловой поток q (Вт/м²) и температуры поверхностей стенок соответственно со стороны газов, между стенкой и пластиной и со стороны воздуха.

Исходные данные: = 3 мм; = 34 Вт/(м² К); = 400 ; = 12 мм; = 6 Вт/(м² К); = 25.

 

Решение:

 

Коэффициент теплопередачи  для 2-х слойной стенки (плоской)

 

 

Удельный тепловой поток  найдем из формулы

 

Из уравнения теплоотдачи  между газами и стенкой определим  температуру 

 

Температуру определим из уравнения теплопроводности через стенку

 

Температуру найдем из уравнения теплоотдачи между пластиной и воздухом

.

 

Задача 4

По горизонтальной стальной трубе течет вода со скоростью  и температурой . Снаружи труба охлаждается воздухом, температура которого давление Определить коэффициенты теплоотдачи и соответственно от воды к стенке трубы и от стенки трубы к воздуху; коэффициент теплопередачи и удельный тепловой поток , отнесенный к 1 м длины трубы, если внутренний диаметр трубы равен , внешний - . Коэффициент теплопроводности стенки трубы принять равным Вт/(м К).

Указание: При определении коэффициента теплоотдачи температуру наружной поверхности трубы принять равным температуре воды . Физические параметры воздуха и воды взять из [1, табл. А5 и А6]

Ответить на вопросы: Какой  режим течения воды внутри трубы?

        Какой  режим движения воздуха? Почему  при расчете можно принять ?

Исходные  данные: = 210; ; ; = 180 мм; = 200 мм.

Решение:

Параметры воды при температуре  = 483 К

- коэффициент теплопроводности  0,654 Вт/(м К);

- коэффициент кинематической  вязкости ;

- число Прандтля Pr = 0,91

Определим число Рейнольдса

 

Так как , то имеет место развитый турбулентный режим движения воды, будем использовать критериальное уравнение конвективного теплообмена

 

Коэффициент теплоотдачи  от воды к стенке трубы

 

Физические параметры  воздуха при средней температуре 

 

- коэффициент теплопроводности  0,03 Вт/(м К);

- коэффициент кинематической  вязкости ;

- число Прандтля Pr = 0,686

Число Грасгофа

 

 

Так как - режим движения воздуха – ламинарный.

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к  воздуху при его свободном  движении в неограниченном объеме используем критериальное уравнение

 

 

Коэффициент теплопередачи  для цилиндрической стенки

 

Удельный тепловой поток, отнесенный к 1 м длины трубы

 

Ответы на вопросы:

1. Режим движения воды в трубе – развитый турбулентный, так как
2. Режим движения воздуха – ламинарный, так как .
3. Вследствие малых термических сопротивлений со стороны воды (термическое сопротивление теплоотдачи  ) и самой стенки ) по сравнению с термическим сопротивлением теплоотдачи со стороны воздуха (, то можно принять

Задача 5

Определить удельный лучистый тепловой поток q (Вт/м²) между двумя параллельно расположенными плоскими стенками, имеющими соответственно температуры t₁ и t₂ и степени черноты если между ними нет экрана. Определить также q при наличии экрана со степенью черноты (с обеих сторон).

Исходные  данные: ; ; ; t₁ = 250; t₂ = 35.

Решение:

Переведем значение температур из в К

 

 

Найдем приведенную степень  черноты без учета экрана по формуле:

 

Коэффициент излучения абсолютно  черного тела

 

Приведенный коэффициент  излучения определяем по формуле:

 

Удельный тепловой поток (без экрана)

 

Известно, что установка  одного экрана уменьшает теплоотдачу  в 2 раза

 

 Приведенный коэффициент  излучения с учетом экрана  определяем по формуле

 

 

Удельный тепловой поток  с учетом экрана

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Алексєєв В.П., Алексєєва М.В. Методичні вказівки до виконання контрольної роботи за курсом «Теоретичні основи теплотехніки». –Алчевськ.: ДонДТУ, 2010. – 24 с.

 

2. Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. – К.: Вища шк., 1990. – 255 с.

 

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высш. шк., 1975, - 496 с.