Курсовая работа по "Теплотехнике"

Содержание

 

 

 

Задача 1

Водяной пар с параметрами  x1=0,92, v1=1м3/кг   изменяет состояние в процессе   p=const.  Параметры пара в конце процесса: t2=450°C.

Определить и рассчитать:

- состояние и  параметры пара в начале и  в конце процесса;

- работу процесса  и количество теплоты, участвующее  в нем;

- изменение внутренней  анергии, энтальпии и энтропии.

 

Состояние и параметры пара в начале процесса

x1=0,92

v1=1м3/кг

p=const

h1=2520кДж/кг

s1=6,75кДж/(кг*К)

р1=2.4=0.24МПа;

t1=100°C

Состояние: влажный насыщенный пар (х<1)

 

Состояние и параметры пара в конце процесса

t2=450°C

x2=отсутствует

v2=2,1м3/кг

h2=3390кДж/кг

s2=8,47кДж/(кг*К)

р2= р1=2.4=0.24МПа;

Состояние: перегретый пар (x=отсутствует)

 

работа процесса  l= p(v2 - v1 ) = 240(2.1-1) = 264кДж/кг

 

Изменение внутренней анергии

ΔU = h2 – h1 – (р2 v2 - р1 v1) = 3390-2520-(240*2.1-240*1) = 606 кДж

 

Количество теплоты, участвующее в процессе 

 q=  ΔU + l = 606+264=810кДж

  

 

Задача 2

 Влажный воздух  массой М=11кг при давлении 745 мм.рт.ст с относительной влажностью φ1=5% и при температуре t1=70°C изменяет свое состояние по процессу d=const.

Определить все недостающие параметры воздуха в начале и в конце процесса  (энтальпию, температуру, относительную влажность, точку росы, влагосодержание) и рассчитать газовую постоянную воздуха, молекулярную массу и количество теплоты, участвующее в процессе.

t1 = 70°C

φ1=5%

d1= const=10 (г/кг св)=0,01 (кг/кг св)

h1=91 кДж/(кг св)

tp=12°C

pп=1.5кПа=12 мм.рт.ст.

рн1=1500кПа/5%=12 мм.рт.ст/0,05=240 мм.рт.ст

 

t2 = 20°C

φ2=70%

d2= d1=0,01 (кг/кг св)

h2=42 кДж/(кг св)

tp=12°C

pп=1.5кПа=12 мм.рт.ст.

рн2=17 мм.рт.ст

 

Мвв= 28,95 – 10,93 (φ* рн )/В =28,95 – 10,93 рп /В = 28,95 – 10,93 (12/745) = 28,7739 кг/моль

 

Rвв = 286,7+462*d = 286,7+462*0,01=291,32 Дж/кг*К

Q = С*М*Δt = M(h1 - h2) = 11 (91-42) = 539 кДж

 

Задача 3

Трехслойная панель с двух сторон омывается воздухом.

Определить общее сопротивление теплопередачи конструкции, плотность теплового потока, температуры на поверхностях панели и на границах слоев и толщину зоны промерзания конструкции, если

δ1= 0,06м

δ2= 0,21м

δ3= 0,03м

 

tж1=20°C

α1= 3 Вт/(м2*К)

 

λ1=0,9 Вт/ (м*К)

λ2=0,06 Вт/ (м*К)

λ3=0,7 Вт/ (м*К)

 

tж2= -28°C

α2= 4,0 Вт/(м2*К)

 

 

Общее сопротивление теплопередачи конструкции

R0 = Rв + R1+ R2+…+ Rн

Rв=

 

Rн=

 

Rв=

 

R0=1/3 + 0.06/0.9 + 0.21/0.06 + 0.03/0.7 + ¼ = 4.193 (м²·°C/Вт)

 

плотность теплового потока

q = К* (tж1-  tж2) = = = 11,448 Вт

 

t1= 20 – 11.448 (1/3)=16.184°C

t2= 20 – 11.448 (1/3+0,06/0,9)=8,0°C

t1= 20 – 11.448 (1/3+0,06/0,9+0,21/0,06)=-24,647°C

t1= 20 – 11.448 (1/3+0,06/0,9+0,21/0,06+0,03/0,7)=-25,138°C

 

Толщина зоны промерзания

δ пр= δ3+ δх

 

q = (t0-t3)/ (δх /0.06)

 

11.448=(0-(-24.647))/ (δх /0.06)

 

(δх /0.06)=24.647/11.448

 

(δх /0.06)=2.1529

 

δх =0.129 м

 

δ пр= 0,03+ 0,129=0,189м

 

Задача 4

 

Железобетонная панель высотой 2,9м с температурой на поверхностях 80°C охлаждается воздухом с температурой 10 °C за счет естественной конвекции и теплового излучения. Степень черноты поверхности 0,7.

Рассчитать общий коэффициент теплоотдачи у поверхности панели.

 

Решение

 

Общий коэффициент теплоотдачи α0=αл+αконв

αл =     (Вт/м2*К)

 

αл =   = 5,19 (Вт/м2*К)

 

температура пограничного слоя tf = °C

tf = = 45 °C

Критерий Грисгофа

Gr= ;

Где - температурный напор ()

- коэффициент  кинематической вязкости среды 

 

Pr = – критерий Прандтля (можно принимать из таблиц)

- коэффициент  кинематической вязкости среды

 – коэффициент  температуропроводности;

 

 

Где - коэффициент теплопроводности пограничного слоя;

С – теплоемкость;

– плотность

 

 

 

№	Gr *Pr	С	n
1	10-3÷5*102	1.18	1/8
2	5*102÷2*107	0.54	1/4
3	2*107÷1*1013	0.135	1/3

 

Gr= = =0.2055*1012 ;

 = 0,0276(Вт/м*К)

Pr= 0,699

Gr *Pr = 0,2055*1012*0,699= 0,1436*1012

С = 0,135

n = 1/3

Критериальное уравнение конвективного теплообмена при свободной конвекции

Nu = С* (Gr*Pr)n

Где

Nu  - критерий Нуссельта – характеризует интенсивность конвективного теплообмена;

Nu =

Где  l – определяющий размер

- коэффициент  теплопроводности

Nu = 0,135* (0,1436*1012)1/3 = 707,4

 

707,4=

= 6,806 Вт/м2*К

α0=αл+αконв= 5,19+6,806=11,99 Вт/м2*К

 

Задача 5

Бетонная панель толщиной 0,35м с теплофизическими характеристиками λ = 0,7 Вт/(м*К), с = 0,9 кДж/(кг*К), ρ = 800кг/м3 имеет в начальный момент времени температуру t0= 85 °C. Панель охлаждается с двух сторон воздухом с температурой tж= 5°C и коэффициентами теплоотдачи α1= 6,5 Вт/(м2*К) и α2= 3,5 Вт/(м2*К).

Рассчитать методом конечных  разностей распределение температуры по сечению через τ=6 часов и количество отданной теплоты.

Принимаем количество слоев n=5

Толщина каждого из них равна:

  = 0.35/5 = 0.07м

Коэффициент температуропроводности а

= = 0,0035

= = 0,7 ч

= 6/0.7=8.57

Для определения температуры внутренних слоев воспользуемся формулой

 =

Для определения температуры наружных слоев воспользуемся формулой:

 =

 

 

Результаты вычислений сводим в таблицу:

№	n-1	n	n+1	n+2	n+3
0	85.0	85.0	85.0	85.0	85.0
0.7	53.5	85.0	85.0	85.0	64.3
1.4	43.9	69.2	85.0	74.6	56.6
2.1	41.0	64.5	71.9	70.8	53.7
2.8	36.2	56.5	67.6	62.8	47.8
3.5	33.4	51.9	59.7	57.7	44.1
4.2	30.2	46.5	54.8	51.9	39.7
4.9	27.7	42.5	49.2	47.3	36.3
5.6	25.3	38.5	44.9	42.8	33.0
6.3	23.2	35.1	40.6	38.9	30.1

 

 

 

Количество отданной теплоты рассчитаем по формуле:

Q= C*ρ* (tн – tк) кДж/м3

tк = = (23.2+35.1+40.6+38.9+30.1)/5 = 33.6 °C

Q=0.9*800*(85-33.6)= 37009.7 кДж/м3

 

Контрольные вопросы

1 Какая разница между интенсивными и экстенсивными параметрами состояния?

Параметры состояния - физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы в условиях термодинамического равновесия.

Различают экстенсивные параметры состояния (обобщенные координаты, или факторы емкости), пропорциональные массе системы, и интенсивные параметры состояния (обобщенные силы, факторы интенсивности), не зависящие от массы системы.

Экстенсивные параметры состояния – параметры (объём, внутренняя энергия, энтропия и др.), значения которых пропорциональны массе термодинамической системы или её объёму (т. е. значение экстенсивных параметров системы равно сумме его значений для отдельных частей системы). т.е. экстенсивные параметры состояния обладают свойством аддитивности. Отнесение экстенсивного параметра состояния к единице массы или 1 молю вещества придает ему свойство интенсивного параметра состояния, называют удельной или молярной величиной соответственно.

Интенсивные параметры состояния - параметры (давление, температуpa, концентрация и др.), не зависящие от массы системы, т. е. имеющие одинаковые значения для любой макроскопической части однородной термодинамической системы, находящейся в равновесии. Эти величины не аддитивны, значение интенсивного параметра состояния не стремится к нулю при уменьшении размеров системы.

 

 

2. H-d- диаграмма влажного воздуха

Н—d-диаграмма влажного воздуха — диаграмма, широко используемая в расчетах систем вентиляции, кондиционирования, осушки и других процессов, связанных с изменением состояния влажного воздуха.

Н—d-диаграмма впервые была составлена в 1918 году советским инженером-теплотехником Рамзиным.

Н—d-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров.

Диаграмма построена в косоугольной системе координат, что позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха и делает диаграмму удобной для графических построений.

По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сухой части воздуха.

Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой — чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы.

Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const.

В нижней части I—d-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание d, г/кг, с упругостью водяного пара pп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара pп.

  
3. Что понимается под конвективным теплообменом?

 Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в подвижной среде, здесь перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ними тела называется конвективной теплоотдачей (теплоотдачей).

Различают свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции движение в рассматриваемом объеме жидкости возникает за счет неоднородности в нем массовых сил. Например, если жидкость с неоднородным распределением температуры, и, как следствие, с неоднородным распределением плотности находится в поле земного тяготения, то в ней возникает свободное гравитационное движение.

Вынужденное движение рассматриваемого объема жидкости происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границах, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра).

Вынужденное движение может, в общем случае, может сопровождаться свободным. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных частиц среды и чем меньше скорость вынужденного движения. При больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо мало.

 

  

Конвективный теплообмен (КТ)– сложное явление распространения или передачи теплоты совместно конвекцией и теплопроводностью. Важнейшим видом КТ является теплоотдача.

Теплоотдача – обмен тепловой энергией между твердой поверхностью и подвижным теплоносителем.

В общем случае коэффициент теплоотдачи переменен по поверхности F. Он зависит от большого количества факторов и является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, физических параметров жидкости и других величин. По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости.

Чтобы привести жидкость в движение, к ней необходимо приложить силу. Силы, действующие на жидкость, можно разделить на массовые (или объемные) и поверхностные. Массовыми называют силы, приложенные ко всем частицам жидкости и обусловленные внешними силовыми полями (например, сила тяжести). Поверхностные силы возникают вследствие действия окружающей жидкости или твердых тел; они приложены к поверхности контрольного объема жидкости. Такими силами являются силы внешнего давления и силы трения.

Естественная (свободная) конвекция возникает под действием неоднородного поля внешних массовых сил (сил гравитационного, инерционного, магнитного, или электрического поля), приложенных к частицам жидкости внутри системы.

Вынужденная конвекция возникает под действием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или под действием однородного поля массовых сил, действующих в жидкости внутри системы. Вынужденная конвекция может осуществляться  также за счет запаса кинетической энергии, полученной жидкостью вне рассматриваемой системы.

 

  

 

4. Какие существуют  виды конденсации и чем они отличаются друг от друга?

 

Конденсация - переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при докритических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).

Конденсация широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, например в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсация рабочего тела, в опреснительных установках и др. При конденсации паров в узких порах адсорбентов последние могут поглощать значит. кол-ва вещества из газовой фазы. Следствие конденсация водяного пара в атмосфере - дождь, снег, роса, иней.

Конденсация в жидкое состояние. В случае конденсации в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсированная фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров конденсация, которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости (зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрические заряд (ионы). При отсутствии центров конденсация пар может в течение длительного времени находиться в так называемом метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомогенная конденсация начинается при так называемом критическом пересыщении Пкp=pк/pн где рк - равновесное давление, соответствующее критическому диаметру зародышей, рн - давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе. очищенном от твердых частиц или ионов. Пкр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технологических аппаратах, например при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов.