Контрольная работа
План работы.
1.
Задача №1………………………………………………………………………………….стр.№3
2.
Задача №2………………………………………………………………..………………..стр.№9
3.
Задача №3………………………………………………………………………………….стр.№16
4.
Задача №4…………………………………………………………………………….……стр.№20
5.
Задача №5……………………………………………………………………………….…стр.№24
6.
Контрольный
вопрос №12 по термодинамике…………………….….стр.№28
7.
Контрольный
вопрос №12 по тепломассообмену……………….…..стр.№31
8.
Список
литературы……………………………………………………………..……..стр.№34
Задача №1
В процессе
изменения состояния 1 кг газа внутренняя энергия его увеличивается на Δu.
При этом над газом совершается работа, равная l. Начальная температура газа
–t1, конечное давление p2.
Определить
для заданного газа показатель политропы n, начальные и конечные параметры,
изменение энтропии Δh. Представить процесс в p-v и T-s – диаграммах.
Изобразить также (без расчёта) изобарный, изохорный, изотермический и
адиабатный процессы, проходящие через ту же начальную точку, и дать их
сравнительный анализ.
Дано:
m = 1 кг
Δu
=-160 кДж/к
l =240
кДж/кг
t1=2000˚С=2273
К
p2=0,13 Мпа
n=?
показатель политропы
Решение:
Для метана СН4 молярная теплоёмкость
Ср=35,7
μ – молекулярная масса газа, для СН4 (μ = 16)
По уравнению газового состояния:
pv=mRt
Предварительно определим газовую постоянную R для СН4:
По первому закону термодинамики:
Q=Δu+l
Q=240-160=80 кДж/кг
Удельная массовая теплоёмкость СН4:
Теплота процесса:
Q=mcp(t2 - t1)
Преобразуем выражение:
По уравнению газового состояния:
pv=mRt
p2v2=mRt2
Из формулы работы политропного
процесса:
Получаем:
Определим показатель политропы:
n = 0,92 (n < 1) – политропа
пройдёт выше изотермы, а это значит, что теплоты системе сообщается больше, чем
при изотермическом, но меньше, чем при изобарном.
Из формулы соотношения параметров при
политропном процессе определяем недостающие данные.
Определим изменение энтропии по
формуле:
Определим изменение энтальпии для
реального газа:
Δh=-160+(154*7,68-130*9,2)=-173,28
кДж/кг
Отразим процесс в t,sиp,v – координатах
Тs – координаты:
Т1 =2273 К;Т2 =2309 К; ∆s=
.
pv – координаты:
p1 = 154 кПа; v1 = 7,68 м3; p2 = 130
кПа; v2 = 9,2 м3
также
изобразим:
A.n=
изохорный процесс.
C.n=1; 
изотермический процесс;
D. n=0; 
изобарный процесс;
Рисунок 1. Ts-диаграмма процесса с указанием
адиабатного (В) и изотермического (С) процессов, проходящих через ту же
начальную точку.
Рисунок 2.Pv-диаграмма процесса с указанием
изобарного (а) и изохорного (D)
процессов, проходящих через ту же начальную точку.
Задача
№2
Определить параметры
рабочего тела в характерных точках идеального цикла поршневого двигателя
внутреннего сгорания с изохорно-изобарным подводом теплоты (смешанный цикл),
если известны давление р1 и температура t1 рабочего тела в начале сжатия.
Степень сжатия ε, степень повышения давления λ, степень
предварительного расширения ρ заданы.
Определить работу, получаемую
от цикла, его термический КПД и изменение энтропии отдельных процессов цикла.
За рабочее тело принять воздух, считая теплоёмкость его в расчётном интервале
температур постоянной.
Степень повышения давления 1,8; степень предварительного расширения 1,5
(уточнено на кафедре)
Построить на
«миллиметровке» в масштабе этот цикл в координатах p – v и T – s.
Дано:
Р2 = 0,1 Мпа
t1 = 25˚C = 298 K
ε = 17
λ = 1,8
ρ = 1,5
Решение:
Определим показатель
адиабаты k :
для идеальных
двигателей величина постоянная, зависит от числа атомов в молекуле газа.
Примем в качестве
рабочего тела трёхатомный газ, тогда показатель плитропы будет k = 1,29.
Рисунок
3 - Идеальный цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с изохорно-изобарным
расширением
По параметрам состояния
рабочего тела в узловых точках цикла определяются:
По уравнению состояния
идеального газа для точки 1.
pv=Rt
где R – идеальная
газовая постоянная
(для воздуха принимаем
μ=28,97)
Тогда
В точке 3:
v2=v3=
В точке 4:
p4 = p3 = 26,9 Мпа
В точке 5:
v5 = v1 = 0,852
Термический КПД цикла:
Работа цикла может быть определена как разность между работой расширения
и работой сжатия.
Работа определится
l = q1 – q2,
где q1 –
количество теплоты, подводимое к рабочему телу, кДж;
q2 - количество теплоты, отводимое от рабочего тела,
кДж.
q1 = q¢1 + q¢¢1 = Сu(Т3 – Т2) + Ср(Т4
– Т3),
где Сu - массовая теплоемкость при постоянном объеме, 
;
Ср - массовая теплоемкость при постоянном давлении, 
.
q1 = 1,011(1229,6-674,2) + 1,282(1844,4-1229,6) =1350
;
q2
= Сu(Т5
– Т1) = 1,011(903,5-297) =613
.
Работа
цикла:
Определим изменение энтропии
отдельных процессов цикла.
Изменение энтропии определим по
формуле:
на участке 1 – 2:
на участке 3 – 4:
на участке 4 – 5:
на участке 5 – 1:
Координаты диаграмм:
pv – координаты
p1 = 0,003 МПа
v1 = 0,852 м3
p2 = 0,1
МПа v2 = 0,05 м3
p3 =
26,9МПа v3 = 0,05 м3
p4 = 26,9 МПа v4
= 0,075 м3
p5 = 0,304
МПа v5 = 0,852 м3
ts – координаты
t1 = 297 K 1-2 Δs
= 15(Δs = 0-адиабатический процесс)
t2 = 674,2 K 2-3 Δs
= 608
t3 = 1229,6 K 3-4 Δs
= 526
t4 = 1844,4 K 4-5 Δs
= - 23,5(Δs = 0-адиабатический процесс)
t5 = 903,5 K 5-1
Δs = - 1348
Второй закон термодинамики обобщает
особенности теплоты как формы передачи энергии и выражает закон существования
энтропии и определяет закономерности ее развития.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
|
|
|
V,
|
|
|
Рисунок 4. PV-диаграмма
цикла Тринклера задачи №2
Рисунок 5. Ts-диаграмма цикла Тринклера задачи №2
Задача 3.
Определить
основные размеры сопла Лаваля, через которое вытекает воздух в количестве 0,5
кг/св среду с давлением 0,1 МПа. Начальные параметры газа: абсолютное давление
р1 и температура t1. Истечение считать адиабатным Потерями энергии на трение
пренебречь. Изобразить в масштабе разрез сопла, приняв при этом угол конусности
расширяющейся части равным 10˚.
Дано:
G= 0,5 кг/с
Po= 0,8 Мпа
Pвых= 0,1 МПа
To= 320’С = 593 К
R = 287
Дж/( кг × К );
K=1,4
Решение:
Найдем
перепад давления в сопле
Найдем
критический перепад давления
0,528 >
0,125 –сверхзвуковое истечение.
Для расчета
параметров газа зададим значение
=0,99
Обозначим
вход в сопло сечением 1-1, горловину-2-2 и выход 3-3. Тогда 
Определим параметры газа в
соответствующих сечениях сопла:
1.
Давление.
2.
Температура.
3.
Удельный объем (с
помощью уравнения Клайперона).
4. Плотность
(обратна удельному объему).
5. Скорость
потока.
6. Местная
скорость звука.
7. Число
Маха-отношение скорости потока к отношению скорости звука в нем.
-дозвуковой
поток.
–звуковой поток.
– сверхзвуковой поток.
Геометрические размеры
сопла.
Площадь поперечного сечения.
Диаметр (π=3,14).
Длина (отсчитывается от критического
сечения)
1) Дозвуковая
часть
2) Сверхзвуковая
часть
3) Общая
длина
Рисунок 6. Сопло Лаваля, задача №3.
Задача №4
Определить площадь
поверхности нагрева газоводяного рекуперативного теплообменника, работающего по
противоточной схеме. Греющий теплоноситель – дымовые газы с начальной
температурой tг΄ и конечной tг˝. Расход воды через теплообменник – Gв
, начальная температура воды – tв΄, конечная - tв˝. Коэффициент
теплоотдачи от газов к стенке трубы – αг и от стенки трубы к воде αв.
Теплообменник выполнен из стальных труб с внутренним диаметром d =50 мм и
толщиной стенки δ = 1мм. Коэффициент теплопроводности стали λ = 62
Вт/(м·К). Стенку считать чистой с обеих сторон.
Определить также
поверхности теплообмена при выполнении теплообменника по прямоточной схеме и
при сохранении остальных параметров неизменными.
Для обеих схем
движения теплоносителя (противоточной и прямоточной) показать без расчёта
графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.
Указать преимущества противоточной схемы.
Дано:
α1 = 48 Вт/(м2·К)
α2 = 690 Вт/(м2·К)
Gв = 2100 кг/ч
tв΄ = 17˚С
tв˝ = 117˚С
tг΄ = 680˚С
tг˝ = 480˚С
d = 50 мм
δ = 1 мм
λст = 62 Вт/(м·К)
1. Решение
для противотока:
Δtвх = tг΄-
tв˝
Δtвых = tг˝-
tв΄
Δtвх = 680-117=563
Δtвых = 480-17=463
Можно использовать
среднелогарифмический температурный напор:
Определим
коэффициент теплопередачи:
Теплота, полученная
водой в рекуператоре:
удельная теплоемкость
воды при 20’С, кДж / (кг · К) (табличные данные, см. Список литературы, №1)
Переведём в секунды:
882000 : 3600 = 245
кДж/с
Определим площадь
поверхности нагрева:
Δtвх = tг΄-
tв΄
Δtвых = tг˝-
tв˝
Δtвх = 680 – 17 =
663
Δtвых = 480 – 117 = 363
Можно использовать
среднелогарифмический температурный напор:
Значения
коэффициентатеплопередачи и теплоты, полученной водой в рекуператоре берем из
расчета противотока, определим площадь поверхности нагрева:
Преимущество схемы с противотоком в том, что площадь
поверхности нагрева требуется меньше, что более экономично по конструктивным
соображениям, так как требуется меньше металла.
Рисунок
7 – Изменение температур нагревающей и нагреваемой жидкостей при противотоке
(а) и при прямотоке (б) в осях t – F.
Задача 5.
Горизонтальный
трубопровод с наружным диаметром d = 0,25 м, длиной l = 20 м имеет температуру поверхности tст степень черноты
поверхности ε1= 0,72. Определить количество тепла, которое отдает трубопровод
в окружающую среду излучением и конвекцией, кВт (в условиях свободного движения
воздуха), если температура воздуха tв= 2З˚С.
Как изменится
суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением (отношение суммарного
удельного теплового потока к разности температур поверхности в среды), если при
прочих неизменных условиях путем специального покрытия уменьшить степень
черноты поверхности до ε2?
Дано:
Решение.
ДЛЯ
КОНВЕКЦИИ:
Определим
значение критерия Грасгофа по формуле:
где g - ускорение
свободного падения;
β
- термический коэффициент объёмного расширения газов:
Δt
- температурный капор между средой и стенкой теплоносителя.
Δt
= 240 - 23 = 217˚С
=
0,25 м.
γж
= 15,06·10-6 - кинематическая вязкость
Определим критерий
Прандтля:
где
-
температуропроводность теплоносителя.
λж
= 24,4 ·10-3 - коэффициент теплопроводности.
Подставляя
значения в формулу, получим:
Определим
произведение коэффициентов:
Условие
соответствует ламинарному движению по горизонтальной трубе.
По
уравнению (критерий Нуссельта):
По
уравнению Нуссельта:
где
α
- коэффициент
теплоотдачи
(λж=0,02543)
Количество
теплоты:
Переведём
(по соотношению величин теплового потока) 1 Вт=1 Дж/с.
ДЛЯ
ИЗЛУЧЕНИЯ:
Тепловой
поток излучением может быть найден по закону Стефана- Больцмана:
Где
- коэффициент излучения абсолютного чёрного тела Вт/м2·К4
При 
:
При 
СУММАРНЫЙ
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.
Суммарный
коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
При 
При
Суммарный
коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением,
если при
прочих неизменных условиях путем специального покрытия уменьшить степень
черноты поверхности до ε2, изменится прямо пропорционально отношению
степеней черноты.
Вопрос
№12 по термодинамике.
12.
Перечислите способы сушки и дайте им характеристику. Что такое
влажность
материала и какова её динамика при сушке?
Сушка
материала
Сушкой называют
процесс, направленный на удаление из материалов влаги. Наибольшее
распространение в сельском хозяйстве получили сушильные установки, в которых
удаление влаги производится конвективным потоком теплоты. Основными элементами
такой сушилки являются калорифер, где происходит нагрев воздуха, служащего агентом
сушки, и сушильная камера, в которой происходит удаление влаги из высушиваемого
материала.
Методы
энергоподвода при сушке следующие.
Традиционной является сушка с помощью
естественного тепла солнечных лучей, основным компонентом которых является
инфракрасное излучение (ИК). Она осуществляется на открытом воздухе или под навесом
с естественной или принудительной вентиляцией.
Конвективная — сушка за счет нагретого воздуха.
Имеет широкое распространение. В качестве энергоносителя применяют пар,
электрические нагреватели.
Сушка
электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (СВЧ): СВЧ-
энергия
проникает в продукт, раскачивает молекулы, нагревает его. За счет
повышения
температуры происходит испарение влаги. Причем температура
вне объекта
остается низкой, нагревается только сам объект.
Сублимационная
сушка основана на
явлении сублимации или возгонки,
при которой
влага из твердой фазы - льда - переходит в газообразную -пар, минуя жидкую.
Сублимационную сушку проводят при низкой температуре и высоком вакууме. В таких
условиях из продукта интенсивно испаряется влага, благодаря чему температура продукта
понижается еще больше. Выделившаясячасть влаги отсасывается из сублиматора. Для
удаления из замороженного продукта оставшейся влаги необходимо подвести
дополнительное тепло в таком количестве, чтобы испарение происходило, но
продукт оставался в замороженном состоянии.
Инфракрасная
сушка: продукция облучается
инфракрасным излучением (длина волны более 800 нм.). За счет его проникновения
в продукт на 5... 10 мм создается температурный градиент, который из продукта
способен при небольших температурных перепадах успешно удалять влагу. Инфракрасное
излучение имеет ту же физическую природу, что и световое: электромагнитные
колебания, но с более длинными волнами. В качестве источника ИК - излучения
используют электрические спиральные нагреватели с температурой поверхности
873-1173 °К, лампы накаливания, кварцевые трубки с температурой нити до 2500
°К, а также газовыегорелки, в которых происходит беспламенное сжигание газа при
температуре поверхности 1073-1173 К.
Влажность —
показатель содержания воды в физических телах или средах.Свободная вода
расположена в капиллярах радиусом более 10 -7 м, гигроскопическая - менее 10 -7
м. Свободная вода заполняет капилляры только при непосредственном соприкосновении
с последними. Гигроскопическая вода проникает в микро капилляры путем непосредственного
соприкосновения с материалом и путем сорбции из влажного воздуха. Химически
связанная вода наиболее прочно соединена с материалом, она входит в состав его молекул.
При сушке
продукта удаляется капиллярная вода.
Всякий
материал может быть высушен только до равновесной влажности, соответствующей
относительной влажности и температуре сушильного агента. Равновесная влажность
наступает тогда, когда парциальное давление водяного пара над продуктом приходит
в равновесие с парциальным давлением водяного пара в воздухе.
Процесс
испарения влаги с поверхности высушиваемого продукта в су-шильной технике
называют процессом внешней диффузии влаги. Чем больше поверхность высушиваемого
продукта и скорость движения воздуха, выше температура и ниже относительная
влажность воздуха (сушильного агента), тем интенсивнее идет испарение влаги с
поверхности.
В первое
время сушки, когда температура продукта мала, идет его нагрев и повышение
температуры. Скорость сушки увеличивается от нуля. По времени период
относительно невелик.
Период II
начинается при достижении продуктом температуры влажного термометра. В этот
период влажность его высока, испарение с поверхности происходит так же, как испарение
с поверхности жидкости. Практически этот период продолжается до тех пор, пока
не испарится 50-60% влаги. Дальнейший ход сушки зависит от перемещения влаги
внутри продукта.
Перемещение
влаги внутри продукта называют внутренней диффузией влаги. Вследствие ее
испарения с поверхности влага перемещается от внутренних частей продукта к
внешним, стремясь выровнять концентрацию во всех точках.
Одновременно
происходит и обратноетермодиффузное движение влаги, вызываемое разностью температур
в разных точках продукта и направленное от более нагретых участков к менее
нагретым, т.е. от периферии к центру. Но вследствие малой температурной разницы
внешних и внутренних слоев при сушке берет перевес перемещение влаги из
внутренних к внешним, где концентрация влаги понижается испарением. Большое
значение имеет соразмерность процессов внешней и внутренней диффузии влаги.
Если внешняя диффузия влаги намного опережает внутреннюю, то поверхность
продукта будетпересыхать, может образоваться корочка, которая ухудшит качество
продукта и затруднит дальнейшую диффузию влаги. Когда влажность на поверхности продукта
понизится, тогда начинается III, заключительный период сушки, происходящий с
убывающей скоростью. Скорость сушки в этот период будет определяться влажностью
поверхности продукта, зависящей от интенсивности внутренней диффузии влаги. Когда
влажность на поверхности продукта достигнет равновесной, скорость сушки
снизится до нуля, а температура продукта начинает подниматься. Температура
продукта становится равной температуре сушильного агента в период, когда
влажность продукта как на поверхности, так и внутри достигнет равновесного
состояния и процесс испарения влаги прекратится.
Вопрос
№12 по тепломассообмену.
12. Понятие
- топливо, его классификация и состав.
То́пливо
— вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена
тепловая энергия.
Рисунок 8.
Классификация топлива.
Классификация
топлива
По
агрегатному состоянию топливо разделяют на твердое, жидкое и газообразное. Оно
может быть органическим и ядерным, а по происхождению – естественным и
искусственным.
В
органическом топливе теплота выделяется в результате реакций со единения
горючих составляющих с окислителем— кислородом воздуха. В ядерном топливе — при
реакциях распада атомных ядер некоторых изотопов трудных элементов (урана U235
да U23, плутония Рu239). Органическое топливо— горючее, ядерное— расщепляемое. Органическое
топливо разделяют на ископаемое естественное и искусственное. Ископаемое
естественное топливо является продуктом биологических и химических
преобразований вещества растений и микроорганизмов, которые существовали
миллионы лет тому назад. Оно сконцентрировано в недрах Земли. Искусственное
органическое топливо создано человеком путем соответствующей переработки естественных
соединений. Искусственное топливо разделяют на композиционное и синтетическое.
Композиционное топливо представляет собой механическую смесь горючих (например,
пропан-бутан). Синтетическое топливо — это продукт термохимической переработки
горючих веществ, в результате которой они приобретают новые свойства, удовлетворяющие
потребителя в большей степени. К синтетическому топливу относят: продукты
переработки нефти; жидкое топливо, которое получают из угля; этанол из
растительности и т. п.
Состав топлива.
Органическое
топливо состоит из горючих элементов (водород H, углерод С, сера S) и негорючих
(кислород О и азот N). Кроме того, в состав топлива входят влагаW и зола
A.Содержимое элементов определяют по массе в процентах.
Различают
рабочую, сухую, горючую и органическую массы топлива. Каждой составной массе
топлива присваивают соответствующий надстрочный индекс.
Рабочая
масса:
Состав
топлива, высушенного при t=105... 110°С, определяет его сухую
массу:
Состав
топлива как горючего материала определяется составом его го-
рючей массы:
Собственно
горючими в этой массе является углерод, водород и сера. Элементарный состав
топлива от сухой массы к другому виду топлива приводят с помощью коэффициентов,
которые основываются на соответствующих пропорциях.
Список
литературы.
1.
С. В. Рыжов,
«Термодинамический расчет сопла Лаваля», МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва, 2012г.
2.
Е. Н. Троян,
«Теплотехника. Учебно-практическое пособие для заочников.» Алтайский ГТУ им. И.
И. Ползунова. Барнаул, 2005.
3.
Кафедра
механизации производства и переработки сх продукции, «Учебное пособие по
теплотехнике», МичГАУ, Мичуринск 2008.
4.
Теоретический
материал http://do.mgau.ru/atutor/content.php?cid=1162