методички 2 курс ПБ / Каф. физики и теплотехники / Курсовая работа по теплотехнике

газовая постоянная воздуха при М = 29 кг/моль R = 8314/29=286.7 Дж/(кг×К) Рассчитываем v1.

v1 = 286.7 × 900 = 0.05м3 / кг 5000000

Рассчитываем v3.

v3

=

286.7 × 300

= 0.86м3 / кг

100000

Рассчитываем v2.

300

1

1.4−1

3

v2

= 0.86

= 0.055м

/ кг

900

Рассчитываем v4.

900

1

1.4−1

3

v4

= 0.05

= 0.779м

/ кг

300

Рассчитываем Р2.

P2 = 5000000 × 0.05 = 4545454.5Па 0.055

Рассчитываем Р4.

P4 = 100000 × 0.86 = 1720000Па 0.05

Рассчитываем количество отведённой теплоты

Q2 = 286.7 × 300 ln 0.779 = -6327.88 Дж 0.86

Ответ: в цикле Карно от воздуха отведено 0.6327.88 Дж тепла. Знак минус свидетельствует о том, что тепло отводится. При этом параметры состояния в характерных точках следующие: v1 = 0.05 м3/кг, v2 = 0.055 м3/кг, P2 = 4545454.5Па, v3 = 0.86 м3/кг, v4 = 0.779 м3/кг, P4 =

1720000 Па.

При решении четвертой задачи требуются знания процессов истечения газов и паров, а также дросселирования газов.

Пример 4

Через образовавшееся в результате аварии в корпусе аппарата отверстие площадью 20 мм2 происходит истечение этилена в объём помещения. Давление газа 5 МПа, температура 20°С. Давление среды, в которую происходит истечение 0.1 МПа. Определить критическую скорость истечения и максимальный массовый расход этилена.

Дано:					Решение:
F = 20 мм2		F = 2×10-5 м2
Р1 = 5 МПа		Р1	= 5×106 Па
Р2= 0.1 МПа		Р2	= 105 Па
t = 20°С		Т = 293 К

31

wкр=? mmax=?

Решение:

а) анализ данных и формул:

определение удельного объема по уравнению Клапейрона

Р1v1 = RT1

расчет критической скорости истечения

	ω =	2k		RT
		k +	1
	кр.			1

расчет максимального массового расхода

							2
	2k		P		2
								k −1
m = F			1
max	k +1 v1			k +1

б) вычисления

1. Определяем

b = Р1/Р2 = 105/5×106=0.002 < bкр. =0.546, для двухатомных газов скорость истечения будет критической, а расход – максимальным.

Находим показатель адиабаты.

Для этилена газа СμР=37.68 кДж/(кмоль×К), СμV=29.31 кДж/(кмоль×К)

k = СμР/ СμV

k = 1.29

R=8314/M; МС2 Н4 = 28кг/кмоль, R = 8314/28=296.9 (Дж/кг×К)

Удельный объём определяем по уравнению Клапейрона:

Р1v1 = RT1 v1 = RT1/Р1 v1=8314×293/105=0.0174 (м3/кг)

2. Определяем критическую скорость истечения:

w

=

2k

RT

=

2 ×1.29

296.9 × 293 =312.9( м/ с)

k +1

1.29 +1

кр.

1

3. Вычисляем максимальный расход mmax

2

2

2k

P1

2

−5 2 ×1.29

5 ×106

2

k −1

−1

mmax

=

F

=

2 ×10

×

=0.24

k + 1 v1

1.29 + 1

0.0174

+ 1

k

+ 1

Ответ:

критическая скорость истечения этилена 312.9 м/с, максимальный

массовый расход 0.24 кг/с.

32

Приложения

Приложение 1

Основные соотношения между внесистемными единицами измерения давления и единицами Международной системы единиц (СИ)

Единица	Па		бар	кгс/см2	мм рт. ст.	мм вод. ст.
Па	1		10-5	1.02 10-5	7.5024 10-3	0.102
Бар	105		1	1.02	7.5024 102	1.02 104
Кгс/см2	9.8067	104	0.98067	1	735	104
мм рт. ст.	133		1,33 10-3	1.36 10-3	1	13.6
мм вод. ст.	9.8067		9,8067 10-5	10-4	7.35 10-2	1

Приложение 2

Некоторые наиболее часто встречающиеся химические соединения.

Вещество	Формула	Молярная масса,	Плотность,
		кг/моль	кг/м3
воздух		28.96	1.293
кислород	О2	32.00	1.429
азот	N2	28.03	1.251
водород	H2	2.016	0.090
хлор	Cl2	70.905	3.22
гелий	He	4.002	0.179
аргон	Ar	39.948	1.784
водяной пар	H2O	18.016	0.868
диоксид азота	NO2	46.005	1.49
монооксид углерода	CO	28.01	1.250
двуоксид углерода	CO2	44.01	1.977
ацетилен (этин)	C2H2	26.036	1.171
этилен (этен)	C2H4	28.052	1.261
аммиак	NH3	17.032	0.771
метан	CH4	16.032	0.717
этан	C2H6	30.070	1.356
пропан	C3H8	44.096	2.004
бутан	C4H10	58.123	2.703

33

															Приложение 3
				Значения молярных теплоёмкостей
									(С = const)
				Газы					Теплоёмкость, кДж/(кмоль×К)
									СμР						СμV
		Одноатомные						20.93							20.56
		Двухатомные						29.31							20.93
	Трёх- и более атомные							377.68							29.31
															Приложение 4
				Средняя удельная теплоёмкость газов
			(линейная зависимость от температуры сm = a +b tср.)
	Газы							Теплоёмкость, кДж/(кг×К)
						Ср									Сv
	О2			0.9127 + 0.0002544 × tср.								0.6527 + 0.0002544 × tср.
	N2			1.0258 + 0.0001676 × tср.								0.7289 + 0.0001676 × tср.
	CO			1.0304 + 0.0001915 × tср.								0.7335 + 0.0001915 × tср.
	H2O			1.8401 + 0.0005856 × tср.								1.3783 + 0.0005856 × tср.
	CO2			0.8725 + 0.0004810 × tср.								0.6837 + 0.0004810 × tср.
	Воздух			0.9952 + 0.0001869 × tср.								0.7084 + 0.0001869 × tср.
															Приложение 5
	Средняя удельная теплоёмкость при постоянном давлении
				(нелинейная зависимость от температуры)
	t, °C								ср , кДж/(кг×К)
				O2		N2			CO		CO2				H2O		Воздух
	0		0.9148			1.0392			1.0396		0.8148				1.8594		1.0036
	100		0.9232			1.0404			1.0417		0.8658				1.8728		1.0061
	200		0.9353			1.0434			1.0463		0.9102				1.8937		1.0115
	300		0.9500			1.0488			1.0538		0.9487				1.9192		1.0191
	400		0.9651			1.0567			1.0634		0.9826				1.9477		1.0284
	500		0.9793			1.0660			1.0748		1.0128				1.9778		1.0387
	600		0.9927			1.0760			1.0861		1.0396				2.0092		1.0496
	700		1.0048			1.0869			1.0978		1.0639				2.0419		1.0605
	800		1.0157			1.0974			1.1091		1.0852				2.0754		1.0710
	900		1.0258			1.1078			1.1200		1.1045				2.1097		1.0815
	1000		1.0350			1.1179			1.1304		1.1225				2.1436		1.0907

34

Средняя удельная теплоёмкость при постоянном объёме

(нелинейная зависимость от температуры)

t, °C			cv , кДж/(кг×К)
	O2	N2	CO	CO2	H2O	Воздух
0	0.6548	0.7423	0.7427	0.6259	1.3980	0.7164
100	0.6632	0.7427	0.7448	0.6770	1.4114	0.7192
200	0.6753	0.7465	0.7494	0.7214	1.4323	0.7243
300	0.6900	0.7519	0.7570	0.7599	1.4574	0.7319
400	0.7051	0.7599	0.7666	0.7938	1.4863	0.7415
500	0.7193	0.7691	0.7775	0.8240	1.5160	0.7519
600	0.7327	0.7792	0.7892	0.8508	1.5474	0.7624
700	0.7448	0.7900	0.8009	0.8746	1.5805	0.7733
800	0.7557	0.8005	0.8122	0.8964	1.6140	0.7842
900	0.7658	0.8110	0.8231	0.9157	1.6483	0.7942
1000	0.7750	0.8210	0.8336	0.9332	1.6823	0.8039

Список рекомендуемой литературы

1.Сырбу А.А. Термодинамика газовых потоков. Учебное пособие – Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2009. -113 с.

2.Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого – М.: Мир, 2003. - 461 с.: ил.

3.Багажков И.В., Сторонкина О.Е. Первый закон термодинамики. Учебное пособие - Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России,

2011. – 67 с.

4. Задачник по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие / Андреев В.В., Казанцев Ю.В., Козлов Ю.И. и др./ Под ред. д.т.н., проф., акд. НАНПБ Кошмарова Ю.А. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. –

140 с.

35

	Курсовая работа. Часть 2
	Основные обозначения и единицы измерения
Q	- тепловой поток, Вт
q	- плотность теплового потока, Вт/м2
ql	- линейная плотность теплового потока, Вт/м

Т- абсолютная температура, К

t	- температура международной практической шкалы, °С
tf	- температура среды, °С
tw	- температура поверхности, °С
t0	- начальная температура тела, °С
l	- определяющий размер, м
F	- площадь поверхности теплообмена, м2

λ- коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)

сt	- удельная теплоёмкость, кДж/(кг К)

ρ- плотность, кг/м3

аt	- коэффициент температуропроводности, м2/кг
ν	- коэффициент кинематической вязкости, м2/с
w	- скорость движения среды, м/с
g	- ускорение свободного падения, м/с2
aк	- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2×К)
a1, a2	- коэффициент теплообмена, Вт/(м2×К)
k	- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К)
kl	- линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К)
ek	- коэффициент конвекции

τ- предел огнестойкости, мин; время прогрева, мин

ε- степень черноты

Со	- коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м2×К4)
erf(А)	- функция Крампа

А- аргумент функции Крампа

36

Таблица 1

Варианты заданий

№Номера заданий

вар.

00	1	11	21а	29а	34б	44а
01	2	12	22а	30а	37а	45а
02	3	13	23а	31а	38а	46а
03	4	14	24а	32а	39а	47а
04	5	15	25а	33а	40а	48а
05	6	16	26а	34а	41а	49а
06	7	17	27а	35а	42а	50а
07	8	18	28а	36а	43	51а
08	9	19	21б	30б	36б	51б
09	10	20	22б	29б	37б	44б
10	1	12	23б	30б	38б	45б
11	2	13	24б	31б	39б	46б
12	3	14	25б	32б	40б	47б
13	4	15	26б	33б	41б	48б
14	5	16	27б	34б	42б	49б
15	6	17	28б	35б	43	50б
16	7	18	21в	31в	35в	45в
17	8	19	22в	32в	36в	46в
18	9	20	23в	33в	37в	47в
19	10	11	24в	34в	38в	48в
20	1	13	25в	35в	39в	49в
21	2	14	26в	36в	40в	50в
22	3	15	27в	29в	41в	51в
23	4	16	28в	30в	42в	49в
24	5	17	21г	32г	37г	46г
25	6	18	22г	33г	38г	47г
26	7	19	23г	34г	39г	48г
27	8	20	24г	35г	40г	49г
28	9	11	25г	36г	41г	50г
29	10	12	26г	29г	42г	51г
30	1	14	27г	30г	43	47г
31	2	15	28г	31г	44г	48г
32	3	16	21д	33д	39д	51д
33	4	17	22д	34д	40д	50д
34	5	18	23д	35д	41д	49д
35	6	19	24д	36д	42д	48д
36	7	20	25д	29д	43	47д
37	8	11	26д	30д	44д	46д
38	9	12	27д	31д	37д	45д
39	10	13	28д	32д	38д	44д

№Номера заданий

вар.

40	1	15	21а	32б	38в	45г
41	2	16	22а	33б	39в	46г
42	3	17	23а	29б	40в	48г
43	4	18	24а	30б	41в	50г
44	5	19	25а	31б	42в	47г
45	6	20	26а	32б	43	49г
46	7	11	27а	33б	44в	47д
47	8	12	28а	36б	37в	51г
48	9	13	21б	29в	37в	45г
49	10	14	22б	31в	39д	47а
50	1	16	23б	33в	41д	49а
51	2	17	24б	35в	43д	51а
52	3	18	25б	30в	38д	46а
53	4	19	26б	32в	40д	48а
54	5	20	27б	34в	42д	50а
55	6	11	28б	36в	44д	47а
56	7	12	21в	34а	39г	48б
57	8	13	22в	35а	40г	49б
58	9	14	23в	36а	41г	47б
59	10	15	24в	37а	42г	49б
60	1	17	25в	38а	43	50б
61	2	18	26в	34а	44г	51б
62	3	19	27в	35а	45г	48д
63	4	20	28в	36а	46г	49д
64	5	11	21г	28б	35а	47б
65	6	12	22г	30б	37а	49б
66	7	13	23г	32б	39а	51б
67	8	14	24г	34б	41а	48б
68	9	15	25г	36б	43	50б
69	10	16	26г	29б	45а	48б
70	1	18	27г	31б	36а	51б
71	2	19	28г	33б	38а	49б
72	3	20	21д	28г	36б	39в
73	4	11	22д	31г	34б	41в
74	5	12	23д	33г	46б	47в
75	6	13	24д	30г	45б	50в
76	7	14	25д	29г	38б	51в
77	8	15	26д	32г	39б	49в
78	9	16	27д	35г	45в	48в
79	10	17	28д	38г	46в	50в

37

Продолжение таблицы 1

80	1	18	23а	29в	41г	47б		90	1	19	22а	30б	39г	46д
81	2	19	25б	30а	35г	39в		91	2	20	23б	28в	38д	47г
82	3	20	27в	33б	36г	48а		92	3	11	25в	33г	37а	43
83	4	11	29г	38г	45д	51д		93	4	12	24г	35д	44а	49в
84	5	12	21д	34г	39д	49г		94	5	13	28д	36а	46в	51б
85	6	13	22а	32д	37д	44а		95	6	14	27а	37г	45б	50а
86	7	14	24б	28а	36а	43		96	7	15	21б	34д	42б	48а
87	8	15	26в	31б	38б	45в		97	8	16	24в	29б	35д	39б
88	9	16	28г	37в	46в	50г		98	9	17	26г	31а	34г	40в
89	10	17	23д	35г	47г	48д		99	10	18	22д	32в	36а	41г

38

Теоретические вопросы

1Основные виды передачи тепла.

2Стационарный режим. Теплопроводность при стационарном режиме. Закон Фурье.

3Теплопроводность одно- и многослойных плоских стенок.

4Теплопроводность одно- и многослойных цилиндрических стенок.

5Нестационарная теплопроводность. Стандартный температурный режим.

6Конвективный теплообмен. Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона - Рихмана.

7Теплообмен при естественной циркуляции воздуха. Конвективный теплообмен в неограниченном объёме и в прослойках.

8Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при вынужденном движение жидкости по каналам.

9Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости.

Теплообмен при поперечном обтекании труб.

10 Теплообмен при изменении агрегатного состояния (кипение, конденсация).

11Тепловое излучение. Основные законы лучистого теплообмена.

12Лучистый теплообмен между телами (плоскопараллельными, свободно ориентированными в пространстве, концентрически расположенными поверхностями).

13Тепловые экраны. Виды, назначение, методика расчёта отражающих экранов.

14Излучение в ослабляющей среде.

15Излучение факела.

16Излучение факела на пожаре. Минимально безопасные расстояния. Методика расчёта минимально безопасных расстояний.

17Сложный теплообмен. Теплопередача через одно- и многослойные плоские стенки.

18Сложный теплообмен. Теплопередача через одно- и многослойные цилиндрические стенки.

19Классификация теплообменных аппаратов.

20Топливо. Классификация топлив. Характеристика топлив.

39

Задачи

21. Определить количество теплоты, передаваемое в единицу времени через стену из красного кирпича длиной 6 м, высотой 4 м, если толщина стены и температуры на поверхностях стены следующие:

Вариант	δ, мм	t1, °С	t2, °С
а	150	20	-10
б	200	25	-15
в	250	30	-20
г	350	35	-25
д	400	40	-30

22. Определить температуру на наружной поверхности печи и области топливника, если стенки из шамотного кирпича толщиной 230 мм. Плотность теплового потока, и температуру на внутренней поверхности печи принять в соответствии со своим вариантом

Вариант	q, Вт/м2	t2, °С
а	4500	700
б	4900	900
в	5300	1000
г	5800	1200
д	6400	1400

23. Рассчитать толщину слоя тепловой изоляции из молотого диатомита, размещённого между слоями силикатного и шамотного кирпича, толщина каждого из которых 205 мм, чтобы температура на наружной поверхности красного кирпича не превышала 90°С. Температура на обогреваемой поверхности шамотного кирпича и плотность теплового потока соответственно равны:

Вариант	q, Вт/м2	t1, °С
а	800	600
б	900	650
в	1000	700
г	1100	750
д	1200	800

Коэффициент теплопроводности материалов взять при средней температуре стены.

24. Железобетонная дымовая труба, выполненная из песчаного бетона, должна быть футерована внутри огнеупорным кирпичом. Определить толщину футеровки и температуру наружной поверхности трубы при условии, что линейный тепловой поток, проходящий через трубу равен 2500 Вт/м, а температура внутренней поверхности не должна превышать 250°С. Температура внутренней поверхности футеровки и диаметры трубы соответственно равны:

40