47717

Організація самостійної роботи студента. Теоретичні основи теплотехніки

Книга

Физика

У посібнику наведено основні положення щодо організації самостійної роботи студентів з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки», надано тематичний план лекцій, робочий план лабораторних робіт, заготівки звітів про лабораторні роботи, робочий план практичних робіт

Украинкский

2013-12-02

2.6 MB

17 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

С.О. Коновалова

Л.В. Дементій

ОРГАНІЗАЦІЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТА
З ДИСЦИПЛІНИ «ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТЕПЛОТЕХНІКИ»

для технічних спеціальностей денної форми навчання

студент________________________________
групи_________________________________
________семестр__________навчальний рік

Затверджено

на засіданні вченої ради

Протокол № 5 

від 26.12.2007 р.

Краматорськ 2007


УДК  
621.1.016

ББК  31.31

К 64

Рецензенти:

Просяник О.В., д.х.н, професор, завідувач кафедри охорони праці Українського державного хіміко-технологічного університету;

Бажин А.И., д.ф.-м.н., професор, завідувач кафедри фізики твердого тіла та фізичного матеріаловедення Донецького національного університету.

Коновалова С.О., Дементій Л.В.

К 64  Організація самостійної роботи студента з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки» для технічних спеціальностей денної форми навчання. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – 124 с.

ISBN  ХХХХХХХХХХХ

У посібнику наведено основні положення щодо організації самостійної роботи студентів з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки», надано тематичний план лекцій, робочий план лабораторних робіт, заготівки звітів про лабораторні роботи, робочий план практичних робіт. Наведено рекомендації з виконання розрахункових робіт, питання для підготовки до захисту лабораторних робіт та розрахункових завдань, а також довідковий матеріал. Даний посібник складено з метою зменшення непродуктивних витрат часу студента на підготовку до занять, сприяє більш раціональному плануванню часу.

 УДК  621.1.016

ББК  31.31

ISBN  XXXXXХХХХ © С.О. Коновалова,

 Л.В. Дементій, 2007

© ДДМА, 2007


ЗМІСТ

[1] ЗАГАЛЬНІ ВКАЗІВКИ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ НАД КУРСОМ “ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТЕПЛОТЕХНІКИ”

[2] 2  ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН ЛЕКЦІЙ

[3] 3  ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ

[3.1] 3.1  Загальні вимоги до лабораторного практикуму

[3.2] 3.2  Робочий план лабораторних робіт

[3.2.1]
Лабораторна робота № 1

[3.2.2]
Лабораторна робота № 2

[3.2.3]
Лабораторна робота № 3

[3.2.4]
Лабораторна робота № 4

[3.2.5]
Лабораторна робота № 5

[3.2.6]
Лабораторна робота № 6

[3.2.7]
Лабораторна робота № 7

[3.2.8]
Лабораторна робота № 8

[3.3]
3.3  Тести для перевірки підготовки до лабораторних робіт

[4]
4  ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ

[4.1] 4.1  План практичних занять

[4.2] 4.2  Приклади рішення задач

[4.2.1] Заняття № 1. Основні параметри робочого тіла. Рівняння стану ідеальних газів. Термодинамічні процеси

[4.2.2] Заняття № 2. Властивості реальних газів. hs-Діаграма водяної пари. Розрахунки процесів з реальними газами

[4.2.3]
Заняття № 3. Витікання парів та газів. Розрахунок сопла

[4.2.4] Заняття № 4. Теплопровідність. Конвективний теплообмін.  Випромінювання

[4.2.5] Заняття № 5. Розрахунки теплообмінних апаратів. Розрахунки циклів ДВЗ та ГТУ

[4.3] 4.3 Завдання для самостійного рішення

[4.3.1] Заняття № 1

[4.3.2] Заняття № 2

[4.3.3] Заняття № 3

[4.3.4]
Заняття № 4

[4.3.5] Заняття № 5

[5] 5  ІНДИВІДУАЛЬНІ РОЗРАХУНКОВІ ЗАВДАННЯ

[5.1] 5.1  Загальні вимоги до виконання розрахункових завдань

[5.1.1] Завдання № 1  Термодинамічні процеси ідеальних газів. Суміші ідеальних газів

[5.1.2] Завдання № 2  hs-Діаграма водяної пари. Дроселювання

[5.1.3] Завдання № 3  Теплопередача

[5.1.4] Завдання № 4  Теплообмінне устаткування

[5.1.5] Завдання № 5  Цикл газотурбінної установки

[5.1.5.1] Таблиця 40 – Вихідні дані

[5.2]
5.2  Тести  для  перевірки  рівня  підготовки  до  захисту  розрахункових  робіт

[6] 6  ПИТАННЯ ДЛЯ ПІДГОТОВКИ ДО ІСПИТУ

[7]
ЛІТЕРАТУРА

[8]
Додаток А

[9]
Додаток Б

[10]
Додаток В

[11]
Додаток Г

[12]
Додаток Д

[13] Додаток Е

[14]
Додаток Ж

[15]
Додаток И


ВСТУП

Теоретичні основи теплотехніки – це загальнотехнічна дисципліна, що вивчає методи одержання, перетворення, передачі  і використання теплоти, а також принципи дії і конструктивних особливостей тепло- і парогенераторів, теплових машин, апаратів і пристроїв.

Курс "Теоретичні основи теплотехніки" складається з 3-х основних розділів:

- основи технічної термодинаміки;

- теорія теплообміну;

- прикладна теплотехніка.

Термодинаміка вивчає закони перетворення енергії в різних фізико-хімічних процесах, що відбуваються в макроскопічних системах і супроводжуються тепловими ефектами. У залежності від задач дослідження визначають загальну, хімічну, технічну термодинаміку, термодинаміку біологічних систем та інше.

Технічна термодинаміка розглядає процеси взаємного перетворення теплоти і роботи. Вона  встановлює зв'язок між тепловими, механічними і хімічними процесами, що відбуваються в теплових і холодильних машинах, вивчає процеси, що відбуваються  в газах і парах, а також властивості цих тіл при різних фізичних умовах.

Теорія теплообміну вивчає самодовільні необоротні процеси поширення теплоти у просторі.

Технічна термодинаміка та теорія теплообміну є теоретичним фундаментом прикладної теплотехніки.

  1.  ЗАГАЛЬНІ ВКАЗІВКИ ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ НАД КУРСОМ “ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТЕПЛОТЕХНІКИ”

Мета викладання курсу – вивчення студентами основних законів технічної термодинаміки і теплопередачі та використання їх при проектуванні технологічного обладнання та процесів.

У результаті вивчення дисципліни студент повинен знати:

  •  основні закони термодинаміки;
  •  термодинамічні процесі;
  •  властивості реальних газів;
  •  закони теплопередачі теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням;
  •  розрахунок теплообмінних апаратів;
  •  особливості термодинаміки відкритих систем;
  •  цикли теплосилових установок.

Студент повинен вміти:

  •  користуватись довідковою літературою при розв’язанні теплотехнічних задач;
  •  виконувати практичні вимірювання основних теплофізичних величин за допомогою спеціальних приладів;
  •  виконувати теплотехнічні розрахунки;
  •  моделювати теплові процеси.

Курс “Теоретичні основи теплотехніки” включає лекції, виконання лабораторних робіт, практичні заняття та самостійну роботу над вивченням теоретичного матеріалу. У кінці семестру студенти складають іспит. Курс складається з трьох смислових модулів:

1) основи технічної термодинаміки;

2) теорія теплообміну;

3) прикладна теплотехніка.

Згідно з кредитно-модульною системою навчання кожний модуль оцінюється у 100 балів. Оцінка за модуль  складається  з оцінок за виконання та захист лабораторних робіт, виконання та захист індивідуальних розрахункових завдань та оцінки за контрольну роботу.

Оцінки за лабораторні роботи характеризують рівень теоретичної підготовки студента до виконання роботи, якість виконання експеріментальної роботи, строк та якість виконання звіту про роботу.

Оцінки за розрахункові роботи характеризують якість виконання розрахунків та оформлення роботи, рівень теоретичної підготовки з даної частини курсу і строк виконання.

Контрольна робота з кожного модуля охоплює головні теоретичні положення з даного розділу курсу і основні типи розрахункових завдань.

Розподіл балів з кожного модуля наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 – Склад модулів з дисципліни

Найменування контрольної точки

Бали

(макс./мін.)

Сумарний бал

1 модуль (ваговий коефіцієнт – 0,33)

1  Лабораторні роботи – 2 роботи

10/6

20/12

2  Розрахункові роботи (№ 1, 2)

15/8

30/16

3  Контрольна робота

50/27

50/27

Разом за модуль

100/55

2 модуль (ваговий коефіцієнт – 0,33)

1  Лабораторні робота – 3 роботи

10/6

30/18

2  Розрахункова робота (№ 3)

15/8

15/8

3  Контрольна робота

55/29

55/29

Разом за модуль

100/55

3 модуль (ваговий коефіцієнт – 0,33)

1  Лабораторні роботи – 3 роботи

10/6

30/18

2  Розрахункові роботи (№ 4, 5)

15/8

30/16

3  Контрольна робота

40/21

40/21

Разом за модуль

100/55

Рейтинг з дисципліни

100/55

2  ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН ЛЕКЦІЙ

План лекційних занять з указівкою літератури, яка рекомендована до вивчення, наведено в табл. 2.

Таблиця 2 – План лекційних занять

Розділ, тема лекції

Питання для самостійної підготовки теоретичного матеріалу

Література

1 модуль  – Основи технічної термодинаміки

Перший закон термодинаміки

Властивості робочих тіл. Основні параметри

Рівняння стану ідеального газу

Суміші ідеальних газів

Теплоємність газів

Внутрішня енергія та робота розширення газу

Перший закон термодинаміки

Ентальпія, ентропія. PV та TS діаграми

[1, с. 6–20;

4, с. 11–32;

7, с. 6–35;

10, с. 4–24]


Продовження таблиці 2

Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки

Цикли, термічний ККД циклу

Прямий оборотний цикл Карно

Математичний вираз другого закону термодинаміки

[1, с. 20–31;

4, с. 96–123;

7, с. 36–50;

10, с. 46–56]

Термодинамічні процеси

Аналіз термодинамічних процесів

Типи термодинамічних процесів: ізотермічний, ізохорний, ізобарний, адіабатний, політропний

[4, с. 8092;

7, с. 5184;

10, с. 24–30]

Реальні гази

Властивості реальних газів

Водяна пара, основні параметри. PV-, TS-, hs-діаграми водяної пари

Вологе повітря, параметри, Hd-діаграма

[4, с.162–178; 210217;

7, с. 5866;

10, с. 3146]

Особливості термодинаміки відкритих систем

Витікання газів та парів

Основні рівняння витікання

Рівняння нерозривності потоку газу

Вибір форми сопла

Дроселювання газів

[1, с. 4759;

4, с. 180–194;

10, с. 56–62]

2 модуль – Теорія теплообміну

Теплопровідність

Основні положення теплопровідності

Температурне поле. Градієнт температури

Основний закон теплопровідності

Диференційне рівняння теплопровідності

Теплопровідність через одношарову та багатошарову плоску стінку

Теплопровідність через циліндричну стінку

[1, с. 7279;

4, с. 306324;

6, с. 9–37;

7, с. 111135;

10, с. 66–80]

Теплопередача

Граничні умови третього роду

Теплопередача через стінку

Теплова ізоляція

[1, с. 112118;

4, с. 326335;

6, с. 117–144;

10, с. 80–85]

Конвективний теплообмін

Основи теорії конвективного теплообміну

Моделювання процесів. Основи теорії подібності. Числа подібності

Теплообмін при течії рідини в трубах

Теплообмін при омиванні однієї труби, пучків труб та поверхонь

Вільна конвекція

[1, с. 79–103;

4, с. 348391;

6, с. 37–97;

7, с. 136–155;

10, с. 86–107]


Продовження таблиці 2

Випромінювання

Основні закони теплообміну випромінюванням

Теплообмін між твердими тілами

Теплообмін випромінюванням в газах

Теплові екрани. Захист від випромінювання

Складний теплообмін. Його розрахунок

[1, с. 103112;

4, с. 402422;

6, с. 98–117;

7, с. 156–165;

10, с. 108–123]

3 модуль – Прикладна теплотехніка

Розрахунок теплообмінних апаратів

Конструкції та принцип дії теплообмінників. Класифікація

Середньологаріфмічний перепад температур

Перевірочний та конструктивний розрахунки теплообмінних апаратів

[1, с. 123129;

4, с. 424432;

6, с. 144–160;

10, с. 124–128]

Компресори

Компресори, принцип дії

Цикли одноступеневого та багатоступеневого поршневого компресора

Об’ємний коефіцієнт корисної дії компресора

[1, с. 221240;

4, с. 217228;

7, с. 7984;

10, с. 129–135]

Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ)

Класифікація ДВЗ

ДВЗ із підводом теплоти при постійному об’ємі, тиску та зі змішаним підводом теплоти

Порівняння циклів ДВЗ

[1, с. 6163;

4, с. 230242;

7, с. 8592;

10, с. 152–160]

Газотурбінні установки (ГТУ)

Цикл ГТУ із підводом тепла при P = const

Цикл ГТУ із підводом тепла при V = const

Методи підвищення ККД ГТУ

[1, с. 197200;

4, с. 244256;

10, с. 135–146]

Паротурбінні установки (ПТУ)

Загальна схема ПТУ.  Цикл Карно

Цикл Ренкіна для паротурбінної установки

Методи підвищення ККД установок

[1, с. 6371;

4, с. 259277;

7, с. 9298;

10, с. 147–151]

3  ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ

3.1  Загальні вимоги до лабораторного практикуму

Метою лабораторного практикуму є більш глибоке засвоєння теоретичних знань, отриманих студентами на лекціях, ознайомлення з принципом дії приладів та пристроїв, які використовуються для визначення властивостей робочих тіл, навчання студентів роботі з лабораторним обладнанням. Виконання лабораторних робіт, крім того, має за мету математичну й теоретичну обробку результатів вимірів, закріплення навиків ведення протоколів дослідів, які оформлюються у вигляді звіту про лабораторні роботи.

Цикл лабораторних робіт з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки» включає виконання 8 лабораторних робіт. Перелік лабораторних робіт наведено в таблиці 3.

При підготовці до лабораторної роботи студент повинен ознайомитися з метою експерименту, методикою виконання дослідів, необхідним теоретичним матеріалом. При підготовці заповнюється також частина звіту – мета роботи, схема лабораторної установки. Для самоперевірки рівня засвоєння матеріалу в посібнику наведено приклади тестів.

Допуск до виконання роботи здійснюється за допомогою тестування при наявності заготовки звіту про дану роботу.

Лабораторна робота вважається виконаною, якщо студент самостійно виконав всі підготовчі роботи і підтвердив своїми відповідями необхідний рівень знань теми (тестування), самостійно виконав експеримент та оформив звіт.

3.2  Робочий план лабораторних робіт

Лабораторні роботи виконуються студентами згідно з робочим планом дисципліни.

Таблиця 3 – Перелік лабораторних робіт

Назва роботи

Питання для підготовки

Література

1

Визначення характеристик відцентрового вентилятору

Компресори, класифікація

Вентилятори, класифікація, принцип дії, параметри та характеристики роботи

Тиск, види, методи визначення

Принцип дії дросельних приладів

[11, с.70]


Продовження таблиці 3

2

Дослідження роботи газового ежектору

Ежектування. Ежектор, інжектор

Ежектор, принцип дії, характеристика

Тиск, види, методи визначення

Принцип дії дросельних приладів

Рівняння витікання та нерозривності

[11, с.80]

3

Теплопередача через одношарову та багатошарову плоску стінку при стаціонарному режимі

Теплопередача, коефіцієнт теплопередачі

Конвективний теплообмін, фактори впливу, коефіцієнт тепловіддачі

Краєві умови, методи визначення

Термічний опір стінки

[11, с.93]

4

Теплопровідність через циліндричну одношарову стінку при стаціонарному режимі

Температурне поле, температурний режим, види, температурний напір

Закон Фур’є, градієнт температури, коефіцієнт теплопровідності, температурний коефіцієнт. Критичний діаметр ізоляції

[11, с.102]

5

Визначення розрідження димової труби

Тиск, види, методи визначення

Призначення димової труби, вимоги

Розрідження, засоби утворення, залежність від температури газів та висоти труби

[11, с.110]

6

Визначення коефіцієнта теплопровідності

Температурний режим, види, засоби досягнення, тепловий потік

Температурне поле, ізотермічна поверхня

Теплопровідність, закон Фур’є

Коефіцієнт теплопровідності, фактори

[11, с.117]

7

Визначення коефіцієнта тепловіддачі та теплопередачі

Теплопередача, стадії, лінійний коефіцієнт теплопередачі, фактори впливу

Коефіцієнт тепловіддачі, фактори впливу

Теорія подібності, числа подібності

[11, с.124]

8

Визначення термічного ККД електричної печі

Електричні печі, класифікація

Електропечна установа, склад, параметри

Термічний ККД електричної печі

Види теплових витрат в печі

[11, с.134]


Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВІДЦЕНТРОВОГО ВЕНТИЛЯТОРА

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 – 7 –

2 – 8 –

3 – 9 –

4 – 10 –

5 – 11 –

6 – 12 –


Таблиця 4 – Результати вимірів
 

Найменування величини

Одиниця вимірювання величини

Номер досліду

1

2

3

4

5

Потужність електродвигуна Nдв

кВт

Потужність вентилятора Nв

Вт

Перепад тиску на шайбі DPш

мм вод. ст.

Па

Продуктивність вентилятора V

м3

Перепад тиску на вентиляторі DPв

мм вод. ст.

Па

ККД вентилятора в

%

Результати розрахунків

1  Продуктивність вентилятора:

V1 =

V2 =

V3 =

V4 =

V5 =

2  Потужність вентилятора:

N1 =

N2 =

N3 =

N4 =

N5 =

3  Коефіцієнт корисної дії вентилятора:

η1 =

η2 =

η3 =

η4 =

η5 =

Характеристики вентилятора – графики залежностей в, DPв та Nв  від продуктивності

.

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки підвищення ККД вентилятора.


Лабораторна робота № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ГАЗОВОГО ЕЖЕКТОРА

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 –

2 –

3 –

4 –

5 –

6 –


Таблиця 5 – Результати вимірів
 

Найменування величини

Одиниця вимірювання

Положення сопла

крайні праве

крайні ліве

Перепад тиску на шайбі ΔPш

мм вод. ст.

Н/м2

Динамічний тиск  Рдин

мм вод. ст.

Рдин сер =

Рдин сер =

Н/м2

Статичний тиск Рст  по довжині камери 

змішування

l1=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

l2=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

l3=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

l4=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

l5=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

l6=

мм вод. ст.

Рст сер=

Рст сер=

Н/м2

Результати розрахунків

1   Витрати активного повітря для крайнього правого (V1пр) та крайнього лівого (V1лів) положень сопла:

V1пр =

V1лів =

2   Середня швидкість повітря на вході камери змішування для крайнього правого та крайнього лівого положень сопла: 

ωсерпр =

ωсерлів =


3   Загальні об
ємні витрати повітря на вході до камери змішування:

Vсумпр =

Vсумлів =

4   Коефіцієнт ежекції для крайнього правого та крайнього лівого положень сопла: 

nпр =

nлів =

Графіки зміни статичного тиску за довжиною камери змішування та дифузора для крайнього правого та крайнього лівого положень сопла:

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки підвищення коефіцієнта ежекції газового ежектора.


Лабораторна робота № 3

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОДНОШАРОВУ ТА БАГАТОШАРОВУ ПЛОСКУ СТІНКУ ПРИ СТАЦІОНАРНОМУ РЕЖИМІ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 –

2 –

3 –

4 –

5 –


Таблиця 6 – Результати вимірів
 

Час початку досліду

Температура, 0С

Одношарова стінка

Двошарова стінка

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

1

0

2

300

3

600

Температура повітря в приміщенні – _____ оС.

Результати розрахунків

Одношарова стінка.

1   Середня температура стінки в кожному досліді:

tсер 1 =

tсер 2 =

tсер 3 =

2   Коефіцієнт теплопровідності магнезиту:

λм 1 =

λм 2=

λм 3 =

3   Тепловий потік через стінку за рахунок теплопровідності:

q1 =

q2 =

q3 =

4   Тепловий потік через стінку за рахунок тепловіддачі:

q*1 =

q*2 =

q*3 =

Багатошарова стінка.

1   Середня температура магнезіту в кожному досліді:

tсер 1 =

tсер 2 =

tсер 3 =


2   Коефіцієнт теплопровідності магнезиту:

λм 1 =

λм 2=

λм 3 =

3   Середня температура шамоту в кожному досліді:

tсер 1 =

tсер 2 =

tсер 3 =

4   Коефіцієнт теплопровідності шамоту:

λм 1 =

λм 2=

λм 3 =

5   Тепловий потік через стінку за рахунок теплопровідності:

q1 =

q2 =

q3 =

6   Тепловий потік через стінку за рахунок тепловіддачі:

q*1 =

q*2 =

q*3 =

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки зниження витрат теплоти у навколишнє середовище через плоску стінку.


Лабораторна робота № 4

ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ ЧЕРЕЗ ЦИЛІНДРИЧНУ ОДНОШАРОВУ СТІНКУ ПРИ СТАЦІОНАРНОМУ РЕЖИМІ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 – 6 –

2 – 7 –

3 – 8 –

4 – 9 –

5 – 10 –


Таблиця 7 – Результати вимірів
 

Найменування величини

Одиниця вимірювання

Номер досліду

1

2

3

4

5

1

Сила струму I

А

2

Напруга U

В

3

Температура внутрішньої стінки tст

оС

4

Температура зовнішньої стінки t’’ст

оС

Результати розрахунків

1   Величина теплового потоку:

Q1 =

Q2 =

Q3 =

Q4 =

Q5 =

2   Коефіцієнт теплопровідності матеріалу для кожного досліду:

λ 1 =

λ 2 =

λ 3 =

λ 4 =

λ 5 =

3   Середня температура стінки для кожного досліду:

tср 1 =

tср 2 =

tср 3 =

tср 4 =

tср 5 =

Таблиця 8 – Результати розрахунків 

Найменування величини

Одиниця вимірювання

Номер досліду

1

2

3

4

5

1

Тепловий потік Q

Вт

2

Коефіцієнт теплопровідності λ

Вт/(м·оС)

3

Середня температура tср 

оС

Графіку залежності λ = f(tср).

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки зниження витрат теплоти у навколишнє середовище через циліндричну стінку.


Лабораторна робота № 5

ВИЗНАЧЕННЯ РОЗРЯДЖЕННЯ ДИМОВОЇ ТРУБИ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 –

2 –

3 –

4 –

5 –

6 –

7 –


Таблиця
9 – Результати вимірювань та розрахунків 

Величина

Одиниця вимірювання

Номер досліду

1

2

3

Висота труби

м

2

2

1

Температура нагрітого повітря:

- внизу труби

оС

- у середині труби

оС

- в усті труби

оС

Середня температура нагрітого повітря

оС

Температура навколишнього повітря

оС

Розрідження у внизу труби:

- виміряне

Н/м2

- розрахункове

Н/м2

Похибка вимірювань

%

Результати розрахунків

1   Середня температура нагрітого повітря:

t 1 =

t 2 =

t 3 =

2   Густина димових газів:

ρг 1 =

ρг 2 =

ρг 3 =

3   Густина навколишнього повітря:

ρв 1 =

ρв 2 =

ρв 3 =

4   Розрядження димової труби:

DP1 =

DP2 =

DP3 =


5   
Похибка вимірювань:

a1 =

a2 =

a3 =

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки підвищення розрядження димової труби.


Лабораторна робота № 6

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 – 6 –

2 – 7 –

3 – 8 –

4 – 9 –

5 – 10 –


Таблиця 10 – Результати
 вимірювань 

Час, с

Температура води в латунній судині, 0С

Температура води в стальній судині, 0С

1

0

2

120

3

240

4

360

5

480

6

600

7

720

Результати розрахунків

1   Площа поперечного перерізу стрижнів

F =

Розрахунок коефіцієнта теплопровідності латуні

2   Cередня температура води в латунній судині протягом 120 c для кожного досліду:

t 1 =

t 2 =

t 3 =

t 4 =

t 5 =

t 6 =

3   Кількість теплоти, яка отримана крайньою судиною і водою в нєї за рахунок проходження тепла через стрижень:

Q 1 =

Q 2 =

Q 3 =

Q 4 =

Q 5 =

Q 6 =


4   Коефіцієнт теплопровідності латуні:

l 1 =

l 2 =

l 3 =

l 4 =

l 5 =

l 6 =

Розрахунок коефіцієнта теплопровідності сталі

5   Cередня температура води в стальній судині протягом 120 c для кожного досліду:

t 1 =

t 2 =

t 3 =

t 4 =

t 5 =

t 6 =

6   Кількість теплоти, яка отримана крайньою судиною і водою в нєї за рахунок проходження тепла через стрижень:

Q 1 =

Q 2 =

Q 3 =

Q 4 =

Q 5 =

Q 6 =

7   Коефіцієнт теплопровідності сталі:

l 1 =

l 2 =

l 3 =

l 4 =

l 5 =

l 6 =

Графіки залежності коефіцієнта теплопровідності сталі і латуні від температури l=f(t)

Висновки з лабораторної роботи:


Лабораторна робота № 7

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОВІДДАЧІ ТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 – 6 –

2 – 7 –

3 – 8 –

4 – 9 –

5 – 


Таблиця 1
1 – Результати вимірювань 

Величина

Одиниця вимірювання

Номер досліду

1

2

3

4

5

Р

мм. вод. ст

Па

t1

0С

t2

0С

Результати розрахунків

1   Об'ємні витрати повітря:

V1 =

V2 =

V3 =

V4 =

V5 =

2   Тепловий потік, якій передається від киплячої води до повітря:

Q1 =

Q2 =

Q3 =

Q4 =

Q5 =

3   Середньологаріфмічний температурний напір:

Dt1 =

Dt 2 =

Dt 3 =

Dt 4 =

Dt 5 =

4   Коефіцієнт теплопередачі:

Кц 1 =

Кц 2 =

Кц 3 =

Кц 4 =

Кц 5 =

5   Площа поперечного перерізу трубки

F =

6   Середня швидкість руху повітря в трубці:

w1 =

w 2 =

w 3 =

w 4 =

w 5 =

7   Число Рейнольдса:

Re 1 =

Re 2 =

Re 3 =

Re 4 =

Re 5 =

8   Число Нуссельта:

Nu 1 =

Nu 2 =

Nu 3 =

Nu 4 =

Nu 5 =

4   Коефіцієнт тепловіддачі:

a1 =

a 2 =

a 3 =

a 4 =

a 5 =


Таблиця 1
2 – Результати розрахунків 

Розрахункова величина

Одиниця вимірювання

Номер досліду

1

2

3

4

5

V

м3

Q

Вт

Кц

Вт/(м·0С)

ω

м/с

Re

-

Nu

-

α

Вт/(м2·0С)

Графік залежності коефіцієнтів теплопередачі і тепловіддачі від витрати повітря

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки підвищення коефіцієнта тепловіддачі.


Лабораторна робота № 8

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІЧНОГО ККД ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПЕЧІ

Мета роботи:

Схема лабораторної установки:

1 – 12 –

2 – 13 –

3 – 14 –

4 – 15 –

5 – 16 –

6 – 17 –

7 – 18 –

8 – 19 –

9 – 20 –

10 – 21 –

11 – 22 –


Таблиця 13 – Результати
 вимірювань 

Час нагріву, с

Температура зразка, 0С

Сила струму, А

Напруга, В

Температура води в калориметрі, 0С

початкова

tпв

кінцева

tкв

1

2

3

Результати розрахунків

1   Маса зразка

m =

2   Кількість теплоти, яка отримана зразком у кожному інтервалі температур:

Qотр (20100°С) =

Qотр (100 – 200°С) =

Qотр (200 – 300°С) =

2   Кількість теплоти, яка надходить до печі у кожному інтервалі температур

Qнад (20100°С) =

Qнад (100 – 200°С) =

Qнад (200 – 300°С) =

3   Термічний ККД печі для кожного інтервалу нагрівання:

t (20100°С) =

t (100 – 200°С) =

t (200 – 300°С) =

4   Площа поверхні зразка:

F =

5   Густина теплового потоку на поверхні зразка, що нагрівається, для кожного інтервалу температур:

q (20100°С) =

q (100 – 200°С) =

q (200 – 300°С) =

6   Кількість теплоти, яку зразок передав калориметру:

Q =

7   Погрішність розрахунку кількості теплоти, отриманої зразком:

DQ =

8   Швидкість зміни температури зразка для кожного інтервалу температур:

v (20100°С) =

v (100 – 200°С) =

v (200 – 300°С) =

Графіки залежності швидкості зміни температури зразка, ККД печі і густини теплового потоку від часу нагрівання:

Висновки з лабораторної роботи:

* Дослідна частина лабораторної роботи

На основі експериментальних даних та аналізу літературних джерел розробіть основні напрямки підвищення термічного ККД електричної печі.


3.3  Тести для перевірки підготовки до лабораторних робіт

Лабораторна робота № 1

I   Доповніть вислів

1 Різниця тиску газу всередині апарата та навколишнього повітря називається ...

2 Відношення тиску газу за компресором до тиску газу перед компресором називається ...

3 Тиск газу, який залежить від швидкості його руху та з’являється завжди позитивною величиною, називається ...

4  Відношення потужності, яка потрібна на переміщення повітря, до потужності, яка витрачається в дійсності вентилятором, називається ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

5  Залежно від конструктивного виконання та принципу роботи компресори розподіляються на наступні 4 типи: …

6  Відцентрові вентилятори мають 3 характеристики: …

7 Залежно від величини тиску вентилятори розподіляються на наступні 3 групи: …

8  Залежно від величини ступені підвищення тиску компресори розподіляються на наступні 3 види: …

9  Для характеристики роботи відцентрового вентилятора при постійної швидкості обернення використовують 4 параметри: …

10  При русі газу в трубопроводе розрізняють 3 види тиску: …

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

11  ККД вентилятора зменшується в  наступних випадках:

а) при збільшенні перепаду тиску на вентиляторі;

б) при зменшенні перепаду тиску на вентиляторі;

в) при збільшенні продуктивності вентилятора;

г) при зменшенні продуктивності вентилятора.

12  Для збільшення потужності вентилятора потрібно:

а) зменшити потужність електродвигуна;

б) збільшити потужність електродвигуна;

в) зменшити ККД електродвигуна;

г) збільшити ККД електродвигуна.

13  Для збільшення ККД вентилятора потрібно:

а) збільшити потужність електродвигуна;

б) зменшити потужність електродвигуна;

в) збільшити площу лопастей робочого колеса;

г) зменшити площу лопастей робочого колеса.

14  При роботі відцентрового вентилятора у вхідному патрубку виникає тиск

а) менше атмосферного;

б) більше атмосферного;

в) рівний атмосферному.

15   Для вимірювання динамічного тиску всередині трубопроводу потрібні:

а) пневмометрічні трубки; б) мілівольтметр;

в) U-образний мікроманометр;

г) шайба; д) термопара.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

16  Вказати рівняння для визначення величин

Величина

Рівняння

1)  Продуктивність вентилятора

а)  

2)  Потужність вентилятора

б)  

3)  Перепад тиску на вентиляторі

в)  Nв=Nдв . дв

4)  ККД вентилятора

г)  

17  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниці вимірювання

1)  Тиск

а)  %

2)  Потужність

б)  Вт

3)  Продуктивність

в)  Па

4)  ККД вентилятора

г)  м3

5)  Швидкість

д)  м/с

18  Вказати сферу застосування вентиляторів

Тип вентилятора

Сфера застосування вентилятора

1)  Низького тиску

а)  сушка матеріалів

б)  системи вентиляції

2)  Середнього тиску

в)  системи пневмопошти

г)  технологічні потрібності

3)  Високого тиску

д)  агломераційні установки


Лабораторна робота № 2

I   Доповніть вислів

1 Процес  приведення в рух газу під дією розрідження, який утворюється іншим  газом,  котрий має велику швидкість, називається ...

2  Відношення масової витрати пасивного повітря до  масової витрати активного повітря називається ...

3  Газ, який утворює розрідження в процесі ежектування, називається ...

4  Обладнання, яке використовують для нагнітання газу або рідини в простір, при цьому кількість ежектируючого газу звичайно більше, чим ежектируемого, називається ...

5  Обладнання, яке використовують для нагнітання газу або рідини в простір, при цьому кількість ежектируючого газу звичайно менше, ніж ежектирувального, а статичний тиск їх суміші на виходе дорівнює тиску навколишнього середовища, називається ...

6 Газ, який приводиться до руху іншим газом в процесі ежектування, називається ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

7  При руху газу в трубі розрізняють наступні 3 види тиску: …

8  Ежектування полягає в основі роботи 2-х видів обладнання: …

9  Обємні витрати газу в каналі можна визначити за рахунок вимірювання 2-х видів тиску: …

III  Запишіть код відповіді, яку ви вважаєте правильною

10  Тиск газу на виході із сопла ежекторної установки

а) не змінюється; б) збільшується; в) зменшується.

11  Канал, в якому здійснюється перетворення кінетичної енергії потоку на потенційну, тобто збільшення тиску за рахунок зменшення швидкості, називають:

а) конфузор; б) дифузор.

12  Канал, в якому здійснюється перетворення потенційної енергії потоку на кінетичну, тобто зменшення тиску за рахунок збільшення швидкості, називають:

а) конфузор; б) дифузор.


IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

13  Вказати рівняння для визначення величин

Величина

Рівняння

1) 1-й закон термодинаміки

а) ωd ω = - υdp

2) Витікання газів

б)  

3) Нерозривність потоку газу

в)  dq = dh – υdp

14  Вказати прилади, які потрібні для вимірювання величин в лабораторній роботі

Величина

Прилади

1)  Витрата активного газу

а)  Манометр

б)  Пневмометрічна трубка

2)  Витрата суми активного та

пасивного газу

в)  Термопара

г)  Шайба

15  Вказати сферу застосування обладнання

Обладнання

Сфера застосування

1)  Ежектор

а)  Системи охолодження двигунів

б)  Паротурбінні установки

2)  Інжектор

в)  Вентиляція приміщень

г)  Переміщення гарячих газів

д)  Горілки газових пліт

Лабораторна робота № 3

I   Доповніть вислів

1  Процес передачі тепла від гарячого рухомого середовища до холодного через стінку, яка їх розділяє, називається ...

2  Процес розповсюдження теплоти через стінку товщиною δ від зовнішній поверхні с температурою tст до внутрішній (більш холодної) с температурою t’’ст, називається ...

3  Коефіцієнт, котрий показує, яку кількість тепла віддає гаряче рухоме середовище до поверхні стінки за одиницю часу через одиницю ізотермної поверхні при різниці температур між середовищем та поверхнею в один градус, називається ...

4  Коефіцієнт, котрий показує, яку кількість тепла передає одне гаряче рухоме середовище до другого за одиницю часу через одиницю ізотермної поверхні поділяючої їх стінки при різниці температур між середовищами в один градус, називається ...

5  Процес передачі тепла за рахунок переміщення та перемішування між собою більш або менш нагрітих частин газу називається ...

6  Процес розповсюдження теплоти, в якому теплота передається одночасно за рахунок теплопровідності та конвекції, називається ...

7  Математичний опис усіх часткових особливостей окремої задачі теплообміну називається ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

8  Залежно від природи виникнення руху розподіляють наступні 2 типи конвекції: …

9  На процес тепловіддачі переважно впливають наступні 5 фізичних параметрів середовища: …

10  Процес теплопередачі здійснюється в три стадії: …

11 Краєві умови або умови однозначності включають наступні 4 види інформації (умов): …

12  Фактори, які впливають на протікання конвективного теплообміну, розподіляють на наступні 4 групи: …

13  Залежно від характеру руху середовища розрізняють наступні  режими руху: …

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

14  Для збільшення кількості теплоти, яка передається від гарячого середовища до холодного через стінку, потрібно:

а) збільшити різницю температур середовищ;

б) зменшити різницю температур середовищ;

в) збільшити площу стінки;

г)  зменшити площу стінки;

д)  збільшити товщину стінки;

е)  зменшити товщину стінки.


15  Для зменшення збитків тепла через стінку печі потрібно:

а) збільшити різницю температур поверхонь стінки;

б) зменшити різницю температур поверхонь стінки;

в) збільшити площу стінки;

г)  зменшити площу стінки;

д)  збільшити товщину стінки;

е)  зменшити товщину стінки.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

16  Вказати рівняння для опису процесу

Процес

Рівняння

1)  Теплопровідність

а)  Q* = α2 F( t’’стt2)

2)  Тепловіддача

б)  Q* = k F(t1t2)

3)  Теплопередача

в)  Q* = λ F( tстt’’ст)/δ

17  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниця вимірювання

1)  Коефіцієнт теплопровідності

а)  Вт

2)  Коефіцієнт тепловіддачі

б)  Вт/м2

3)  Коефіцієнт теплопередачі

в)  Вт/(м∙К)

4)  Тепловий потік

г)  Вт/(м2∙К)

5)  Густина теплового потоку

д) Дж

18  Вказати фактори, які впливають на перераховані величини

Величина

Фактор

1)  Коефіцієнт теплопровідності

а) Характер руху

б) Площа поверхні

в)  Температура

2)  Коефіцієнт тепловіддачі

г)  Матеріал поверхні

д)  Природа рухомого середовища

3)  Коефіцієнт теплопередачі

е)  Товщина стінки


Лабораторна робота № 4

I   Доповніть вислів

1  Процес розповсюдження теплоти між тілами, які торкаються, або частинами одного тіла с різною температурою називається ...

2  Сукупність температур в усіх точках тіла для даного моменту часу називається ...

3  Кількість теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю ізотермної поверхні при градієнті температури, який дорівнює одиниці, називається ...

4  Векторна величина, яка має напрямок у бік збільшення температури і чисельно дорівнює швидкості збільшення температури за відстанню, називається ...

5  Кількість теплоти, яка проходить через поверхню площею F за одиницю часу, називається ...

6  Величина, яка дорівнює зміні коефіцієнта теплопровідності матеріалу при збільшенні його температури на 1оС, називається ...

7  У теплопередачі різниця температур (t'ст – t'') називається ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

8  Залежно від зміни температури протягом часу розрізняють 2 наступних типи температурного поля: …

9  Для одержання стаціонарного теплового режиму потрібно ...

10  Величина критичного діаметра ізоляції залежить від наступних факторів: ...

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

11  Для збільшення кількості теплоти, яка передається теплопровідністю через циліндричну стінку, потрібно:

а) збільшити різницю температур;

б) зменшити різницю температур;

в) збільшити довжину стінки;

г)  зменшити довжину стінки;

д)  збільшити коефіцієнт теплопровідності стінки;

е)  зменшити коефіцієнт теплопровідності стінки.


12  Фактори, які впливають на величину коефіцієнта теплопровідно
сті матеріалу:

а)  розміри матеріалу;

б)  природа матеріалу;

в)  температура матеріалу;

г)  величина теплового потоку.

13  Величини, які потрібно визначити для розрахунку коефіцієнта теплопровідності невідомого матеріалу:

а) зміна температури;

б)  природа матеріалу;

в) температурний коефіцієнт;

г)  величина теплового потоку.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

13  Вказати рівняння для визначення величин

Величина

Рівняння

1)  Закон Фурє

а)  

2)  Градієнт температури

б)  

3)  Тепловий потік через циліндричну стінку

в)  

14  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниця вимірювання

1)  Кількість теплоти

а)  К

2)  Тепловий потік

б) К/м

3)  Густина теплового потоку

в)  Дж

4)  Тепловий напір

г)  Вт

5)  Градієнт температури

д)  Вт/м2

6)  Коефіцієнт теплопровідності

е)  Вт/(м∙К)

ж)  Вт/(м2∙К)

Лабораторна робота № 5

I   Доповніть вислів

1  Різниця тиску газу всередині апарата та навколишнього повітря називається ...

2  Тиск у системі відносно абсолютного вакууму називається ...

3 Тиск, який залежить тільки від швидкості руху димових газів і являється еквівалентом кінетичної енергії потоку, називається ...

4  Різниця між фактичної величиною та величиною, одержаною в дослідах, називається ...  

5  Відношення  абсолютної похибки вимірювання до істинного значення величини називається ...  

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

6  Тяга в димовій трубі може бути:

7  Види схем включення димососа в димовий тракт: …

III  Запишіть код відповіді, яку ви вважаєте правильною

8  Згідно з законом Паскаля тиск атмосферного повітря за висотою:

а) збільшується за прямою лінією;

б) збільшується за параболою;

в) зменшується за прямою лінію;

г) зменшується за параболою.

9  Розрідження в основи труби при збільшенні висоти труби:

а) збільшується;

б) зменшується;

в) не змінюється.

10  Розрідження в основи труби при збільшенні температури димових газів:

а) збільшується;

б) зменшується;

в) не змінюється

11  Тиск у площині вихідного перерізу робочої димової труби:

а) дорівнює тиску навколишнього повітря;

б) менше тиску навколишнього повітря;

в) більше тиску навколишнього повітря.


IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

12  Вказати прилади, які потрібні для вимірювання величини

Величина

Прилади

1)  Статичний тиск

а)  одна пряма трубки

2)  Динамічний тиск

б)  дві прямі трубки

3)  Перепад повного тиску

в)  одна зогнута трубка

4)  Перепад статичного тиску

г)  дві зогнути трубки

5)  Перепад динамічного тиску

д)  пряма та зогнута трубки

13  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниця вимірювання

1)  Статичний тиск

а)  кг/ м3

2)  Динамічний тиск

б)  м3/кг

3)  Абсолютній тиск

в)  м/с

4)  Густина газу

г)  К-1

5)  Коефіцієнт обємного розширення

д) Па

Лабораторна робота № 6

I   Доповніть вислів

1  Процес розповсюдження теплоти за рахунок теплового руху мікрочастин речовини без візуально відомого переміщення самих частин називається ...

2  Кількість теплоти, яка проходить за одиницю часу через поверхню тіла площею F, називається ...

3  Кількість теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю площі поверхні тіла, називається ...  

4  Кількість теплоти, яка проходить через одиницю ізотермной поверхні тіла за одиницю часу за умови, що градієнт температури дорівнює одиниці, називається …

5  Перша похідна температури за відстанню називається …  

6  Поверхня рівних температур називається …


II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

7  Перелічите 2 види температурного поля (залежно від часу): …

8  Перелічите 2 види температурного поля (залежно від координати): …

9  Залежно від часу тепловий режим може бути 2-х видів: …

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

10  Ізотермні поверхні:

а) пересікаються між собою;

б) не пересікаються між собою;

в) можуть замикатися на себе;

г) можуть закінчуватися на межах тіла.

11  Векторною величиною являється (тобто має напрямок):

а) температура;

б) градієнт температури;

в) коефіцієнт теплопровідності;

г) тепловий потік.

12  У металах перенос теплоти теплопровідністю здійснюється за рахунок:

а) співударів молекул між собою;

б) дифузії вільних електронів;

в) пружних хвиль;

г) переміщення атомів.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

13  Вказати фактори, які впливають на величини

Величина

Фактор

1) Тепловий потік

а) Температура тіла

2) Градієнт температури

б) Матеріал тіла

3) Густина теплового потоку

в) Різниця температур

4) Коефіцієнт теплопровідності

г) Площа тіла

д) Час протікання процесу


14
 Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниці вимірювання

1)  Температура

а)  Вт

2)  Градієнт температури

б)  Вт/(м·К)

3)  Тепловий потік

в)  Вт/м2

4)  Коефіцієнт теплопровідності

г)  К

5)  Густина теплового потоку

д)  К/м

Лабораторна робота № 7

I   Доповніть вислів

1  Режим руху теплоносія визначається числом  

2  При розгляду процесу конвективного теплообміну основною величиною, яка визначається, являється

3  Процес переносу теплоти від рухомого середовища до поверхні стінки називається ...

4  Підємну силу, яка виникає в рідинах та газах за рахунок різниці густини, характеризує число ...

5  Процес переносу теплоти від одного рухомого середовища до іншого через розподіляючу їх стінку у будь-який форми називається ...

6  Графічну залежність безрозмірного комплексу Ко від чисел Рейнольдса та Грасгофа при визначенні числа Нуссельта використовують при ... режимі руху середовища.

7  Кількість теплоти, яка передається за одиницю часу через один метр довжини труби від гарячого середовища до холодного при різниці температур між ними в один градус, називається ...

8  Напрямок теплообміну на межі "стінка – рідина" характеризується числом ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

9  До  основних  чисел подібності, які характеризують конвективний теплообмін, відносяться: …

10  Залежно від значення числа Рейнольдса режим руху середовища може бути 3-х видів:  …

11  Факторами, від яких залежить вид рівняння подібності, являються: ...

12  Факторами, від яких залежить величина коефіцієнта тепловіддачі, являються: ...

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

13  Для збільшення величини лінійного коефіцієнта теплопередачі потрібно:

а) збільшити коефіцієнт тепловіддачі;

б)  зменшити коефіцієнт тепловіддачі;

в)  збільшити коефіцієнт теплопровідності стінки;

г)  зменшити коефіцієнт теплопровідності стінки.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

14  Вказати рівняння для розрахунку процесу

Процес

Рівняння

1)  Тепловіддача

а)  Q* = α F (t1 - t2)

2)  Теплопровідність

б)  Q* = -λ F (t1 - t2)/δ

3)  Теплопередача

в)  Q* = Кц π l τ (t1 – t2)

15  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниця вимірювання

1)  Число Рейнольдса

а)  Вт

2)  Число Нуссельта

б) Вт/м2

3)  Обємна витрата рідини

в)  Вт/(м·К)

4)  Масова витрата рідини

г)  Вт/(м2·К)

5)  Коефіцієнт тепловіддачі

д)  м3

6)  Коефіцієнт теплопередачі

е) кг

7) Лінійний коефіцієнт теплопередачі

ж)  безрозмірна величина


Лабораторна робота № 8

I   Доповніть вислів

1  Відношення теплоти, яка витрачається на корисну роботу, до теплоти,  яку одержала електрична піч, називається ...

2  Теплота, яка витрачається на нагрів металу в електричної печі, називається ...

3  Частина електропічної установки, в якій здійснюється перетворення електричної енергії на теплову та нагрів металу, називається ...

4  Теплота, яка одержана за рахунок спалення палива, називається ...

5  Частина електропічної установки, в якій розміщують необхідне електричне устаткування, називається ...

II   Перелічите усі види вказаного предмета (явища)

6  Залежно від засобу перетворення електричної енергії на теплову, від схеми підвода тепла та режиму теплової обробки електричні печи розподіляються на наступні 6 типів: …

7  Електропічна установка має наступні 3 основні параметри: …

8  Електропічна установка складається з 3-х основних частин: …

9  Для оцінки ефективності роботи електричної печи використовують 3 типи коефіцієнта корисної дії пічи (ККД): ...

10  Печи опору розподіляються на наступні 4 види: …

11  При роботі електропічної установки існує 2 наступних види витрат енергії: …

III  Запишіть коди відповідей, які ви вважаєте правильними

12  Величини, які потрібно знати для розрахунку кількості теплоти, котру одержала паливна піч за час роботи:

а) напруга;

б) теплоємність палива;

в) час роботи печи;

г) об’ємні витрати палива.

13  Джерела витрат теплоти в електричних печах:

а) випромінювання через вікна та щілини;

б) нагрів кладки печи;

в) нагрів заготовки деталі;

г) теплопровідність кладки печи;

д) теплопровідність матеріалу заготовки.

14  Величини, котрі необхідно знати  для розрахунку кількості теплоти, яка витрачається на нагрів металу в електричній печі:

а) тепловміст металу;

б) температура пічних газів;

в) температура металу;

г) сила струму.

IV  Встановіть відповідність у вигляді комбінації цифр і літерів

16  Вказати рівняння для визначення величини кількості теплоти

Тип теплоти

Рівняння

1)  Теплота, яку одержує електрична піч за час ії роботи

а)  Qприх= I·U·τ

2)  Теплота, яка витрачається на нагрів металу

б)  Qприх= В·Qнр· τ

3) Теплота, яку одержує піч при спаленні палива

в)  

17  Вказати одиниці вимірювання величин

Величина

Одиниця вимірювання

1)  Напруга

а)  %

2)  Сила струму

б) В

3)  Термічний ККД пічи

в)  Дж/(кг·К)

4)  Масова теплоємність

г)  Дж/ м3

5)  Тепловміст матеріалу

д) Дж/кг

6)  Нижня теплота згорання палива

е)  м3

7)  Витрата палива (обємна)

ж)  А


4  ПРАКТИЧНІ ЗАНЯТТЯ

4.1  План практичних занять

Практичні заняття проводяться з метою закріплення, розширення та поглиблення теоретичних знань та навичок, які одержав студент на лекціях та лабораторних заняттях, набуття вміння самостійно розв’язувати задачі. Тематичний план практичних занять наведено в таблиці 14.

Таблиця 14 – Тематичний план практичних занять

Зміст заняття

Література

1

Основні параметри робочого тіла. Рівняння стану ідеальних газів. Термодинамічні процеси

[1, с.6–20;

12, с.3–85]

2

Властивості реальних газів. hs-Діаграма водяної пари. Розрахунки процесів з реальними газами

[1, с.36–42;

12, с.133–163]

3

Витікання парів та газів. Розрахунок сопла

[1, с.50–58;

12, с.118–132]

4

Теплопровідність. Конвективний теплообмін.  Випромінювання

[1, с.72–118;

12, с.177–232]

5

Розрахунки теплообмінних апаратів. Розрахунки циклів ДВЗ та ГТУ

[1, с.197–200;

12, с.96–117]

На заняттях розглядається найбільш складний матеріал курсу. Cтуденти мають можливість одержати необхідний довідковий матеріал, допомогу в рішенні індивідуальних завдань та захистити контрольні точки.

4.2  Приклади рішення задач

Заняття № 1. Основні параметри робочого тіла. Рівняння стану ідеальних газів. Термодинамічні процеси

Приклад 1.1. Визначити абсолютний тиск пари в котлі, якщо манометр показує Р = 1,3 бар, а атмосферний тиск за ртутним барометром складає 680 мм рт. ст. при t = 25°С.

Рішення. Барометричний тиск необхідно перерахувати до 0 ºС:

Ро = Рt (1 – 0,000172 t) = 680 (1 – 0,000172∙25) = 677,1 мм рт. ст.

Тепер можна визначити абсолютний тиск пари в котлі:

Рабс = 130000 + 677,1∙133,3 = 220257 Па = 0,22 МПа.

Приклад 1.2. Масові долі кисню та азоту в атмосферному повітрі відповідно дорівнюють – 0,232 і 0,768. Визначити об’ємні долі кисню та азоту, газову постійну і молекулярну масу повітря, парціальні тиски кисню та азоту, якщо тиск повітря за барометром складає 760 мм рт. ст.

Рішення. Газові постійні кисню та азоту знаходимо за додатком А. Визначаємо газову постійну повітря:

Розраховуємо об’ємні долі компонентів суміші:

Молекулярну масу суміші визначаємо за формулою

або за формулою

Визначаємо парціальні тиски:

 

Приклад 1.3. Балон с киснем ємністю 20 л знаходиться під тиском 10 МПа при 15°С. Після витрати частки кисню тиск зменшився до 7,6 МПа, а температура до 10°С. Визначити масу кисню, яку витратили.

Рішення. Визначаємо початкову та кінцеву масу кисню за рівнянням Клапейрону:

Таким чином витрата кисню складає:

Приклад 1.4. Визначити густину оксиду вуглецю при 20°С і 710 мм рт. ст., якщо при 0°С і 760 мм рт. ст. вона складає 1,251 кг/м3.

Рішення. Запишемо рівняння Клапейрону для двох станів. Згадаємо, що густина – це величина, яка оборотна питомому обєму. Тоді одержуємо:

Приклад 1.5. Повітря знаходиться в замкнутій посудині ємністю 90 л при тиску 8 бар і температурі 30°С. За рахунок підведення теплоти тиск збільшився до 16 бар. Визначити кількість підведеної теплоти. Розрахунки провести для двох випадків: а) теплоємність повітря враховувати нелінійно залежною від температури; б) теплоємність повітря враховувати незалежною від температури. Визначити похибку розрахунку теплоємності за двома методами.

Рішення. Зі співвідношення параметрів ізохорного процесу (газ знаходиться в замкнутому сосуді) визначаємо кінцеву температуру повітря:

Масу повітря, яка знаходиться в сосуді, визначаємо із рівняння Клапейрона (газова постійна R, додаток А):

Для розрахунку теплоємності за першим методом (нелінійна залежність від температури) знаходимо теплоємність повітря в інтервалі температур від 0оС до 30оС та від 0оС до 333оС (додаток Б, табл. Б.2)

Визначаємо середню масову теплоємність повітря при постійному обємі для інтервалу температур від 30 до 333оС:

Кількість теплоти, яка підведена до повітря, дорівнює

Для розрахунку теплоємності за другим методом (теплоємність не залежіть від температури) теплоємність повітря розраховуємо за формулою

.

Газову постійну знаходимо за додатком А. Показник адіабати дорівнює 1,4 (повітря – двохатомний газ). Розраховуємо теплоємність:

.

Кількість теплоти, яку підведено до повітря, дорівнює

Відносна похибка розрахунку теплоємності за двома методами складає

Приклад 1.6. Повітря обємом 0,01 м3 при тиску 2 бар і температурі 25°С розширюється до тиску 1 бар. Визначити кінцевий об’єм, кінцеву температуру, роботу, яку виконує газ, підведене тепло, якщо розширення здійснюється за: 1) ізотермою, 2) адіабатою, 3) політропою з показником політропи n = 1,3.

Рішення. 1) Ізотермічне розширення.

Зі співвідношення параметрів ізотермічного процесу  визначаємо кінцевий об’єм:

Процес здійснюється при Т=const, тому кінцева температура дорівнює початковій:

t2=t1=25oC.

Визначаємо роботу ізотермічного процесу розширення:

Кількість підведеної теплоти згідно з першим законом термодинаміки дорівнює роботі тому, що внутрішня енергія не змінюється.

2) Адіабатне розширення.

Адіабатним називають процес, який здійснюється без теплообміну з навколишнім середовищем, тобто Q=0.

Кінцевий об’єм визначаємо із співвідношення параметрів процесу (для двоатомного газу показник адіабати дорівнює 1,4):

Кінцева температура повітря зі співвідношення параметрів процесу:

Визначаємо роботу адіабатного процесу розширення:

3) Політропне розширення.

Кінцевий об’єм визначаємо із співвідношення параметрів процесу:

Кінцева температура повітря із співвідношення параметрів процесу:

Визначаємо роботу адіабатного процесу розширення:

Визначаємо кількість підведеної теплоти (без урахування впливу температури на теплоємність):

Приклад 1.7. Яку кількість теплоти потрібно витратити для нагріву 2 м3 суміші газів при постійному надлишковому тиску 2 бар від 100°С до 500°С? Суміш газів складається з 3 кіломолей азоту та 2 кіломолей кисню. Яку роботу при цьому виконує газ? Тиск атмосфери прийняти рівним 760 мм рт. ст. При розрахунках вплив температури на теплоємність не враховувати.

Рішення. Спочатку потрібно визначити газову постійну суміші газів. Для цього визначаємо масу азоту та кисню:

Тепер визначаємо газову постійну суміші газів:

.

Теплоємність суміші газів за умовами незалежності від температури визначаємо за формулою (суміш складається з двохатомних газів, тому k=1,4)

Визначаємо абсолютний тиск, під яким знаходиться суміш газів:

Масу суміші газів визначаємо за допомогою рівняння Клапейрона

Визначаємо кількість теплоти, яку потрібно витратити для нагріву суміші газів від 100°С до 500°С:

Роботу, яку виконує суміш газів визначаємо за формулою

Приклад 1.8. Стан 1,5 кг водяної пари в політропному процесі змінюється від Р1=0,9 бар і t1=18°С до Р2=10 бар і t2=125°С. Визначити показник політропи, кінцевий об’єм, величину роботи і кількість відведеної теплоти. Теплоємність газу враховувати лінійно залежною від температури.

Рішення. Зі співвідношення параметрів політропного процесу одержуємо:

тоді

Кінцевий об’єм визначаємо з рівняння Клапейрона

Роботу процесу визначаємо за формулою

Визначаємо теплоємність водяної пари при постійному об’ємі з урахування лінійної залежності від температури (додаток В):

Визначаємо кількість відведеної теплоти:

Приклад 1.9. 13 кг повітря знаходиться при нормальних умовах. Після проведення процесу температура повітря підвищилась до 400оС. Визначити зміну ентропії повітря при: а) ізохорному процесі, б) ізобарному процесі, в) адіабатному процесі, г) політропному процесі з показником політропи 2,2. Теплоємність повітря враховувати постійною і незалежною від температури.

Рішення. Спочатку визначаємо теплоємність повітря при постійному об’ємі та тиску:

Визначаємо зміну ентропії в ізохорному процесі:

Визначаємо зміну ентропії в ізобарному процесі:

Зміна ентропії в адіабатному процесі дорівнює нулю.

Визначаємо зміну ентропії в політропному процесі:

Для закріплення матеріалу першого заняття рекомендується самостійно вирішити задачі № 1.1–1.17 (розділ 4.3).

Заняття № 2. Властивості реальних газів. hs-Діаграма водяної пари. Розрахунки процесів з реальними газами

Приклад 2.1. Визначити параметри водяної пари, якщо тиск Р=10 бар, ступінь сухості х=0,95.

Рішення. Користаючись hs-діаграмою, знаходимо точку 1, що характеризує даний стан пари (рис. 1). Проектуючи її на вісь ординат, знаходимо значення ентальпії h1=2675 кДж/кг. Проектуючи цю ж точку на вісь абсцис, знаходимо значення ентропії s1=6,38 кДж/кг К.

Для визначення температури пари знаходимо температуру насичення пари при заданому тиску. Для цього шукаємо точку 2 перетинання ізобари 10 бар з верхньою межовою кривою. Через цю точку проходить ізотерма 180 °С; це і є температура пари, яка характеризує будь-яку точку в області насиченої пари, що належить цієї ізобари.

Значення питомого об’єму знаходимо за допомогою пунктирних ліній постійного об’єму v1=0,2 м3/кг (рис. 1). Значення u знаходимо за формулою

u=h-Pv=2675000-1000000 · 0,2=2475000 Дж/кг.


Рисунок 1 – hs-Діаграма водяної пари

Приклад 2.2. Визначити параметри водяної пари і ступінь ії перегріву, якщо Р=20 бар, t=350 oC.

Рішення. Користаючись hs-діаграмою, знаходимо точку 3, що характеризує даний стан пари, на перетинанні ізобари 20 бар та ізотерми 350оС (рис. 1). Проектуючи її на вісь ординат, знаходимо значення ентальпії h3=3140 кДж/кг. Проектуючи цю ж точку на вісь абсцис, знаходимо значення ентропії s3=6,95 кДж/кг оС.

Значення питомого об’єму знаходимо за допомогою ліній постійного об’єму v3=0,14 м3/кг. Значення u3 знаходимо за формулою

u=h-Pv=3140000-2000000 · 0,14=2860000 Дж/кг.

Для визначення ступеня перегріву знаходимо температуру насичення при заданому тиску. Це значення ізотерми, яка проходить через точку 4 – точку перетинання ізобари 20 бар з кривою насичення, тобто кривою сухої насиченої пари. Значення цієї ізотерми 215 оС. Звідси ступінь перегріву дорівнює

Dt=350-215=135 oC.

Приклад 2.3. 2 м3 пари розширюються за адіабатою від початкових параметрів стану Рп=5 бар і tп=450° С до Рк=0,01 МПа. Знайти значення ентальпії і питомого об’єму в початковому і кінцевому станах, ступінь сухості в кінцевій точці і роботу пари в процесі.

Рішення. За допомогою hs-діаграми знаходимо точку, що характеризує початковий стан пари, – точка 5 на рисунку 1. Проектуючи її на вісь ординат, знаходимо значення ентальпії h5=3375 кДж/кг.

Значення питомого об’єму знаходимо за допомогою ліній постійного об’єму v5=0,65 м3/кг.

Адіабатний процес на hs-діаграмі зображується вертикальною лінією. Тому кінцеву точку процесу 6 знаходимо на перетинанні вертикальної лінії, яку проведено із точки 5, з ізобарою Р=0,1 бар. Проектуючи точку 6 на вісь ординат, знаходимо значення ентальпії в кінцевій точці h6=2520 кДж/кг.

Ступінь сухості у кінцевому стані знаходимо за допомогою ліній постійного ступеня сухості х6=0,97.

Значення кінцевого питомого об’єму знаходимо за допомогою ліній постійного об’єму v6=15 м3/кг і ступеня сухості

vк= v6 х6=15·0,97=14,55 м3/кг.

Внутрішню енергію розраховуємо аналітично:

uп=3375000-500000·0,65=3050000 Дж/кг.

uк=2525000-10000·14,55=2379000 Дж/кг.

Робота пари у адіабатному процесі дорівнює зміні внутрішньої енергії з оборотним знаком. Тому розраховуємо ії за формулою

;

Приклад 2.4. Перегріта пара з тиском Рп=100 бар і температурою 600°С дроселюється до Рк=5 бар. Визначити, як зміняться ентальпія, ентропія і питомий об’єм пари в цьому процесі.

Рішення. Процес дроселювання зображується на hs-діаграмі горизонтальною лінією. Для визначення кінцевої точки процесу проводимо горизонталь з точки 7 до перетинання з ізобарою Р=5 бар (рис. 1).

Зміна ентальпії при дроселюванні дорівнює нулю.

Ентропію початкового і кінцевого станів визначаємо, проектуючи точки 7 і 8 на вісь абсцис sп=6,90 кДж/кгК, sк=8,28 кДж/кгК.

Ds=8,28  6,9=1,38 кДж/кгК.

Значення питомого об’єму знаходимо за допомогою ліній постійного об’єму vп=0,038 м3/кг, vк=0,8 м3/кг.

Dv=0,8 0,038=0,762 м3/кг.

Приклад 2.5. На одержання пари з тиском Р=75 aт витрачено теплоту кількістю 480 ккал/кг. Визначити стан пари і її густину, якщо пара отримана з води з температурою 150°С.

Рішення. Ентальпія киплячої води при температурі 150 оС (табл. Д.1 додатка Д) складає h=632,2 кДж/кг.

Ентальпія пари

h=h’+q=632,2+480·4,186=2641,5 кДж/кг.

Водяна пара при тиску 75 aт (7,5 МПа) має наступні характеристики (табл. Д.2 додатка Д):

h=1231кДж/кг; h’’=2758,6 кДж/кг; r=1492 кДж/кг; ρ’’=38,6 кг/м3.

Порівнюючи ентальпію отриманої пари h з ентальпією сухої пари h’’, встановлюємо, що це волога пара.

Ступінь сухості пари визначаємо за рівнянням

.

Густина отриманої пари

.

Приклад 2.6. У посудині об’ємом 0,75 м3 знаходиться суха насичена пара під тиском 1 МПа. Пара підігрівається при незмінному об’ємі, і наприкінці нагрівання її тиск підвищується до 1,4 МПа. Визначити кількість витраченого на нагрівання тепла.

Рішення. Суха насичена пара при Р=1 МПа має питомий об’єм v"=0,1945 м3/кг і ентальпію h"=2777,8 кДж/кг (табл. Д.2 додатка Д). Отже, її внутрішня енергія

.

Наприкінці нагрівання пара буде перегрітою, причому її ентальпія буде дорівнювати 3190 кДж/кг (визначена за допомогою hs-діаграми (додаток Г) для точки перетинання ізохори v=0,19 м3/кг з ізобарою Р=14 бар).

Внутрішня енергія перегрітої пари

.

Маса пари в посудині

.

Визначаємо теплоту, яку було витрачено на нагрівання

Для закріплення матеріалу заняття рекомендується самостійно розрахувати задачі № 2.1–2.12 (розділ 4.3).


Заняття № 3. Витікання парів та газів. Розрахунок сопла

Приклад 3.1. Визначити швидкість витікання азоту, якщо Р1 = 70 ат, Р2=45 ат, t1=50°С.

Рішення. Знаходимо відношення кінцевого і початкового тисків:

.

Порівнюємо його з βкр, яке дорівнює 0,528, так як азот є двоатомним газом. Так як β>βкр, то швидкість визначаємо за рівнянням

Питомий об’єм визначаємо з рівняння Клапейрона

.

Розраховуємо швидкість:

Приклад 3.2. Перегріта водяна пара при Р1=100 ат і t1=500°C витікає до середовища з Р2=2 ат. Витрата пари G=3 кг/с. Визначити швидкість витікання і площу перерізу насадки.

Рішення. Визначаємо, яке сопло треба взяти для даного випадку витікання. Так як

<,

то для повного використання потенційної енергії пари треба взяти  сопло Лаваля.

За допомогою hs-діаграми для витікання за адіабатою визначаємо ентальпії пари у початковому і кінцевому станах:

Знаходимо швидкість витікання:

Для вихідного перерізу знаходимо:

Площа вихідного перерізу визначаємо за рівнянням

Задана витрата пари G – максимальна. Величина fмін визначається за рівнянням

Gvкр=fмінωкр ,

до якого підставлено значення критичного перерізу, або за рівнянням

,

у якому f=fмін, а G=Gмаx.

Розраховуємо fмін:

Приклад 3.3. Повітря з резервуару з постійним тиском 100 бар і температурою 15oС витікає до атмосфери через трубку з внутрішнім діаметром 10 мм. Визначити швидкість витікання повітря і його секундну витрату. Зовнішній тиск дорівнює 1 бар. Процес розширення повітря вважати адіабатним.

Рішення. Визначаємо величину β і порівнюємо її з критичним значенням для повітря:

Швидкість витікання буде критичною і визначається за рівнянням

Визначив площу перетину сопла і початковий питомий об’єм повітря розраховуємо секундну витрату:

Для закріплення матеріалу заняття рекомендується самостійно вирішити задачі № 3.1-3.7 (розділ 4.3).

Заняття № 4. Теплопровідність. Конвективний теплообмін.  Випромінювання

Приклад 4.1. Визначити тепловий потік, який проходить через одиницю довжини стінки камери згорання діаметром 180 мм, якщо товщина стінки 2,5 мм, коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки 34,9 Вт/(м∙К). Температури поверхонь стінки відповідно дорівнюють 1200оС і 600оС.

Рішення. Згідно з умовою задачі протікає процес теплопровідності через циліндричну стінку, тому розраховуємо густину теплового потоку за формулою

Приклад 4.2. Визначити температури на поверхнях шарів стінки камери згорання та на зовнішній поверхні, якщо діаметр камери 190 мм, товщина захисного покриття 1 мм, його коефіцієнт теплопровідності 1,15 Вт/(м∙К), товщина стінки 2 мм, його коефіцієнт теплопровідності 372 Вт/(м∙К). Тепловий потік на одиницю довжини складає 40750 Вт, температура на поверхні покриття з боку камери – 1200оС.

Рішення. Запишемо рівняння для теплового потока через кожний шар двошарової циліндричної стінки:

Знайдемо з них температури на поверхні шару стінки камери згорання і на зовнішній поверхні:

Приклад 4.3. Неізольованим трубопроводом діаметром 170/185 мм, який знаходиться на відкритому повітрі, протікає вода з середньою температурою 95оС, температура повітря складає -18оС. Визначити втрати теплоти з 1 м трубопроводу і температури внутрішній та зовнішній поверхонь цього трубопроводу, якщо коефіцієнт теплопровідності матеріалу труби дорівнює 58,15 Вт/(м∙К), коефіцієнт тепловіддачі води стінки труби 1395 Вт/(м2∙К) і труби повітрю 14 Вт/(м2∙К).

Рішення. Тепловий потік розраховуємо за рівнянням

Температури внутрішній та зовнішній поверхонь трубопроводу визначаємо з рівняння для теплового потока для кожної стадії теплопередачі:

Приклад 4.4. Визначити коефіцієнт тепловіддачі і тепловий потік при течії води в трубі діаметром 40 мм, довжиною 3 м зі швидкістю 1 м/с, якщо середня температура води 80оС, а температура стінки 65оС.

Рішення. Визначимо режим руху води в трубе. Фізичні параметри води при визначаючій температурі, яка дорівнює 80оС (Додаток К):

.

Критерій Prст за даними додатку К при температурі стінки (65оС) складає Prст= 2,74.

Знаходимо значення критерію Рейнольда:

Режим руху – турбулентний, тому вибираємо відповідне критеріальне рівняння (додаток Е):

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі:

Відношення L/d=3/0,04=75, тому поправка на довжину труби дорівнює 1. Визначаємо тепловий потік:

Приклад 4.5. Визначити коефіцієнт тепловіддачі і тепловий потік на одиницю довжини триби, яка знаходиться у поперечному потоку повітря. Діаметр триби 30 мм, температура ії поверхні 80оС, температура повітря 20оС, швидкість руху 5 м/с.

Рішення. Фізичні параметри повітря при визначальній температурі, яка дорівнює 20оС (додаток Ж):

.

Знаходимо значення критерію Рейнольда:

Вибираємо з додатку Е критеріальне рівняння – теплообмін при поперечному обтіканні одиночної труби при Re>103:

Визначаємо  коефіцієнт тепловіддачі:

Тепловий потік на одиницю довжини труби:

Приклад 4.6. Гладка плита довжиною 1,5 м і шириною 1 м обдувається потоком повітря зі швидкістю 5 м/с. Визначити коефіцієнт тепловіддачі і тепловий потік, який віддає плита повітрю, якщо температура поверхні плити 110оС, а температура потоку повітря 20оС.

Рішення. Знаходимо фізичні параметри повітря при температурі 20оС (додаток Ж):

.

Знаходимо значення критерію Рейнольда:

Вибираємо з додатку Е критеріальне рівняння – теплообмін при поперечному обтіканні поверхні при Re>105:

Коефіцієнт тепловіддачі та тепловий потік відповідно рівні:

Приклад 4.7. Визначити коефіцієнт тепловіддачі від вертикальної стінки висотою 2 м до повітря, якщо середня температура стінки 120оС, а температура повітря 20оС.

Рішення. Визначальна температура при вільної конвекції дорівнює

Фізичні параметри повітря при температурі 70оС знаходимо з додатка Ж:

Визначаємо коефіцієнт обємного розширення:

Визначаємо значення  добутку критерію Грасгоффа і Прандтля:

Вибираємо з додатку Е критеріальне рівняння – теплообмін при вільною конвекції при GrPr>2∙107:

Приклад 4.8. Визначити власну випромінювальну здатність стінки літального апарата з коефіцієнтом випромінювання 4,53 Вт/(м2∙К4), якщо температура поверхні стінки 1027оС. Визначити також ступінь чорноти стінки і довжину хвилі, що відповідає максимуму інтенсивності випромінювання.

Рішення. Випромінювальну здатність стінки літального апарата визначаємо за рівнянням

Ступінь чорноти визначаємо з рівняння εCs=C. Тоді

Довжину хвилі, що відповідає максимуму інтенсивності випромінювання, визначаємо з закону Вина:

Приклад 4.9. Визначити променистий теплообмін між стінками судини Дьюара, всередині якого зберігається рідкий кисень, якщо на зовнішній поверхні внутрішньої стінки температура t1=-183оС, а на внутрішньій поверхні зовнішньої стінки t2=17оС. Стінки судини покриті шаром срібла, ступінь чорноти якого дорівнює 0,02; площі поверхонь стінок  F1F2≈0,1 м2.

Рішення. Спочатку розрахуємо наведений ступінь чорноти даної системи тіл:

Кількість променистої енергії між рівнобіжними поверхнями можна визначити за рівнянням

Приклад 4.10. У приміщенні встановлено циліндричний підігрівник (довжина 4 м, діаметр 1 м). Температура поверхні підігрівника 280оС, коефіцієнт випромінювання 4,9 Вт/(м2∙К4). Розміри приміщення: довжина 8 м, ширина 4 м, висота 3 м, температура в приміщенні 22оС, коефіцієнт випромінювання стін 3 Вт/(м2∙К4). Визначити тепловий потік між підігрівником і поверхнями приміщення.

Рішення. Визначаємо площі поверхонь підігрівника і стін кімнати:

F1=3,14∙4∙1+(3,14∙12/4)∙2=14,13 м2;

F2=8∙3∙2+4∙3∙2+8∙4∙2=136 м2.

Тепловий потік визначаємо за рівнянням

Для закріплення матеріалу заняття рекомендується самостійно рішити задачі № 4.1 – 4.17 (розділ 4.3).

Заняття № 5. Розрахунки теплообмінних апаратів. Розрахунки циклів ДВЗ та ГТУ

Приклад 5.1. Визначити температурний напір теплообмінника, в якому гази охолоджуються водою. Гази охолоджуються від 500 до 200°С, вода нагрівається від 20 до 80°С. Вирішити задачу для прямоточної та протиточної схем руху теплоносіїв.

Рішення. Розрахуємо величину температурного напору.

Для прямоточної схеми руху

визначаємо різниці температур на кінцях теплообмінника:

Тоді середній логарифмічний температурний напір дорівнює:

Для протиточної схеми руху

визначаємо різниці температур на кінцях теплообмінника:

Середнє логарифмічний температурний напір дорівнює:

Приклад 5.2.  Визначити необхідну площу теплообміннику для охолодження 3000 м3/годину повітря від 220оС до 20оС. Коефіцієнт теплопередачі складає 25 Вт/(м2∙К). Температурний напір теплообмінника дорівнює 390 К.

Рішення. Знаходимо фізичні властивості повітря при його середній температурі, яка дорівнює 120оС:

.

Визначаємо масову витрату повітря:

.

Визначаємо величину теплового потоку:

.

Необхідна площа теплообмінника для охолодження повітря складає

.

Приклад 5.3.  Для ідеального циклу поршневого ДВЗ с підводом тепла при V=const визначити параметри робочого тіла в характерних точках, величину роботи, термічний ККД циклу, кількість підведеної та відведеної теплоти. Робоче тіло – повітря, початкові параметри: Р1=1 бар; t1=20оC. Ступінь стиснення складає 3,6. Ступінь підвищення тиску складає 3,33. Теплоємність повітря прийняти постійною, незалежною від температури.

Рішення. Розрахунки проводимо для I кг повітря.

Точка 1: P1=1бар; t1=20oС. Питомий обєм визначаємо з рівняння Клапейрона (газову постійну визначаємо за додатком А)

Точка 2. Питомий обєм визначаємо із ступеня стиснення:

Перша стадія циклу – адіабатне стиснення. Температура наприкінці адіабатного стиснення визначається зі співвідношення параметрів (показник адіабати для повітря дорівнює 1,4):

Тиск в кінці адіабатного стиснення визначаємо з рівняння Клайперона

Точка 3. Друга стадія циклу – ізохорне підведення теплоти, питомий обєм v3=v2=0,233 м3/кг. Ступінь підвищення тиску при цьому складає 3,33. Зі співвідношення параметрів ізохорного процесу одержуємо:

Визначаємо тиск та температуру:

Точка 4. Третя стадія – адіабатне розширення. Питомий обєм v4=v1=0,84 м3/кг (тому що четверта стадія циклу – ізохорне відведення теплоти). Температуру в кінці адіабатного розширення визначаємо зі співвідношення параметрів адіабатного процесу:

Тиск в кінці адіабатного розширення визначаємо з рівняння Клапейрона

Тиск можна визначити також зі співвідношення параметрів ізохорного процесу:

Визначаємо кількість підведеної та відведеної теплоти (теплоємність повітря прийняли постійною, незалежною від температури):

Визначаємо термічний ККД циклу:

Визначаємо роботу циклу:

Для закріплення матеріалу заняття рекомендується самостійно розрахувати задачі № 5.1 – 5.10 (розділ 4.3).

4.3 Завдання для самостійного рішення

Заняття № 1

Задача 1.1. Визначити питомий об’єм і густину азоту, якщо надлишковий тиск Рнад=0,2 ат, температура t=127° С, а барометричний тиск Ратм=780 мм рт.ст.

Відповідь: v=0,96 м3/кг, =1,04 кг/м3.

Задача 1.2. Об’єм вуглекислого газу при Р=5 ат и t=120°С складає V=3 м³. Привести об’єм газу до нормальних умов.

Відповідь: Vн=10,1 м3.

Задача 1.3. При якій температурі густина азоту (тиск 1,5 МПа) буде дорівнювати 3 кг/м3?

Відповідь: t = 1412°С.

Задача 1.4. Маса порожнього балона для кисню ємністю 50 л дорівнює 80 кг. Визначити масу балона після заповнення його киснем при температурі t = 20°С до тиску 100 бар.

Відповідь:  m = 86,57 кг.

Задача 1.5. У балоні ємністю 80 л знаходиться повітря під тиском 10000 кПа та температурі 27C. Після використання частини повітря для пуску двигуна тиск зменшився до 5000 кПа, а температура упала до 17C. Визначити масу використаного повітря.

Відповідь: m = 4,5 кг.

Задача 1.6. Визначити абсолютний тиск у паровому котлі, якщо манометр показує 2,45 бар, а атмосферний тиск за ртутним барометром дорівнює 700 мм рт.ст. при t = 20оС.

Відповідь:  Р = 3,38 бар.

Задача 1.7. Приєднаний до газоходу парового котла тягомір показує розрядження, яке дорівнює 80 мм вод.ст. Визначити абсолютний тиск димових газів, якщо показання барометра при температурі 0°С дорівнює 770 мм рт.ст.

Відповідь: Р = 101856 Па.

Задача 1.8. Визначити масу кисню, що міститься в балоні ємністю 60 л, якщо тиск кисню за манометром дорівнює 10,8 бар, а показання ртутного барометра – 745 мм рт.ст. при температурі 25°С.

Відповідь:  m = 0,91  кг.

Задача 1.9. До якого тиску за манометром необхідно стиснути суміш, яка містить за об’ємом 18% , 12% О2, 70%, , щоб при температурі t=180°С 8 кг цієї суміші займали V=4 м³? Атмосферний тиск взяти Ратм=760 мм рт.ст. при температурі 0оС.

Відповідь: Рнад=142 кПа.

Задача 1.10. Знайти середню теплоємність Ср і Сv в інтервалі температур від t1=200°С до t2=800°С для азоту, вважаючи, що залежність С=f(t) є лінійною.

Відповідь:  Ср=1,068 кДж\(кг К), Сv=0,965 кДж\(м3 К).

Задача 1.11. Для газової суміші складу =12,3%, =7,2%, =80,5% знайти кількість теплоти при нагріванні 1 м³ (за нормальних умов) від 200 до 1000°С при Р=const й нелінійній залежності с = f (t).

Відповідь:  q=1228 кДж/м3.

Задача 1.12. Генераторний газ має наступний об'ємний склад: Н2=7%, СН4=2%, СО=27,6%, СО2=4,85%, N2=58,6%. Визначити масові частки, молярну масу, газову постійну і густину при 15оС і тиску 0,1 МПа.

Відповідь: g(H2)=0,005, g(CH4)=0,012, g(CO)=0,289, g(CO2)=0,079, g(N2)=0,615, μсум=26,72 кг/кмоль, Rсум=310,8 Дж/(кг∙K), сум=1,095 кг/м3.

Задача 1.13. Газова суміш має наступний масовий склад: 2=12%; О2=8% і N2=80%. До якого тиску потрібно зжати цю суміш, що знаходиться при нормальних умовах, щоб її густина дорівнювала 1,6 кг/м3?

Відповідь:  до Р=0,213 МПа.

Задача 1.14. Газова суміш складається з декількох компонентів, зміст яких у суміші наведено у відсотках за об’ємом ri в таблиці 15.

Визначити:

  •  молекулярну масу суміші;
  •  газову постійну суміші;
  •  середні мольну, об'ємну і масову теплоємності суміші при постійному тиску в межах температур від t1 до t2.


Таблиця 15 – Вихідні дані задачі 1.14

Перша цифра варіанта

ri

Друга цифра варіанта

Температура суміші

СО2
О2
N2
CO

t1, оС

t2, оС

0

20

5

75

-

0

126

528

1

18

4

78

-

1

366

926

2

14

3

83

-

2

592

1492

3

8

10

82

-

3

818

1217

4

18

-

72

10

4

286

1182

5

12

-

74

14

5

456

813

6

10

-

60

30

6

626

1342

7

24

-

50

26

7

918

1566

8

20

-

52

28

8

742

1643

9
32
-
50

18

9

1342

2143

Задача 1.15. У балоні об’ємом V знаходиться газ під тиском Р1 при температурі t1. У результаті додаткового накачування цього ж газу в балон тиск у ньому став P2, а температура збільшилась до t2. Визначити масу газу в балоні до накачування m1 і після накачування m2, густину газу в першому і другому станах 1 і 2, а також продуктивність компресора G, якщо для збільшення маси газу від m1 до m2 було витрачено час, якій дорівнює . При цьому тиск Р1 і Р2 визначався за манометром при атмосферному тиску Ратм=100 кПа. Вихідні дані для рішення задачі взяти з таблиці 16.

Таблиця 16 – Вихідні дані задачі 1.15

Перша цифра шифру

Газ

P1, МПа

t1,

oC

V,

м3

Друга цифра шифру

P2, МПа

t2, oC

t, мін

0

Нітроген

0,15

10

0,2

0

0,85

20

20

1

Водень

0,20

20

0,3

1

0,90

25

30

2

Аргон

0,25

30

0,4

2

1,00

37

40

3

Аміак

0,30

40

0,5

3

1,80

48

50

4

Метан

0,05

50

0,6

4

0,30

60

60

5

Етилен

0,10

50

0,7

5

0,70

55

50

6

Повітря

0,15

40

0,8

6

0,80

50

40

7

СО2

0,20

30

0,7

7

1,45

37

30

8

СО

0,25

20

0,6

8

2,70

31

20

9

Кисень

0,30

10

0,5

9

2,90

18

10

Задача 1.16. Визначити параметри повітря на початку і наприкінці політропного процесу з показником n, якщо відомо, що початковий стан визначається параметрами Р1 и t1, а в кінцевому стані температура газу дорівнює t2. При цьому маса газу, що бере участь у процесі, дорівнює m. Визначити також зміну внутрішньої енергії, зміну ентальпії, зміну ентропії, теплоту процесу. Залежність теплоємності від температури взяти лінійної. Зобразити процес у довільному масштабі в PV- і TS-координатах.

Таблиця 17 – Вихідні дані задачі 1.16

Перша цифра шифру

Показник політропи, n

t1,

оС

t2,

оС

Друга цифра шифру

P1,

МПа

m,

кг

0

1,22

200

350

0

4,1

12

1

1,25

300

400

1

2,2

5

2

0,85

400

490

2

1,4

8

3

1,31

500

580

3

3,1

15

4

n=k=1,4

350

400

4

0,5

9

5

1,33

270

350

5

2,2

6

6

1,09

180

270

6

1,4

7

7

1,35

80

140

7

3,6

16

8

1,22

120

200

8

2,5

21

9

1,20

90

210

9

3,7

13

Задача 1.17. 1кг газу, зазначеного в таблиці 18, при температурі t1 і тиску P1 політропно розширюється (чи стискується) до тиску P2 з показником політропи n. Визначити:

а) параметри газу (питомий об’єм, температуру) наприкінці  процесу;

б) роботу, отриману (витрачену) у процесі;

в) теплоту процесу;

г) зміну внутрішньої енергії, ентальпії та ентропії газу за процес.

Показати процес на PV- і TS-діаграмах (без дотримання масштабів). Вихідні дані для рішення задачі взяти з таблиці 18.

Таблиця 18 – Вихідні дані задачі 1.17

Перша цифра шифру

Газ

P1,

МПа

t1,

oC

Друга цифра шифру

P2,

МПа

n

0

Метан

0,15

100

0

0,85

1,32

1

Аргон

0,70

20

1

0,90

1,56

2

Водень

2,50

30

2

1,00

0,95

3

Аміак

3,50

40

3

1,80

1,21

4

Кисень

0,95

50

4

0,30

0,89

5

СО

1,10

75

5

0,70

1,62

6

СО2

2,15

48

6

0,80

2,31

7

Повітря

5,20

130

7

1,45

1,49

8

Етилен

3,25

90

8

2,70

1,32

9

Нітроген

2,35

110

9

2,90

1,11

Заняття № 2

Задача 2.1. Перегріта водяна пара з початковим тиском P1=0,1 МПа і початковою температурою t1=230°С стискається ізотермічно до ступеня сухості х2=0,85. Визначити параметри пари в початковому і кінцевому станах, кількість відведеної теплоти від пари, зміну внутрішньої енергії і роботу стиску. Зобразити тепловий процес на hs-діаграмі.

Відповідь: P2=0,28 МПа; v1=0,23 м3/кг; v2=0,06 м3/кг; h1=2900 кДж/кг; h2=2530 кДж/кг; q=370 кДж/кг; Du=-364 кДж/кг; l=594 кДж/кг.

Задача 2.2. До якого тиску має бути зроблене дроселювання перегрітої водяної пари з початковим тиском P1=10 МПа і початковою температурою t1=400°С, щоб питомий об’єм пари збільшився у 1,5 рази. Визначити зменшення температури при дроселюванні, зміну питомої ентропії 1 кг пари. Зобразити тепловий процес на hs-діаграмі.

Відповідь: P2=7 МПа; Dt=25 °С; Ds=0,15 кДж/кгK.

Задача 2.3. Тиск пари дорівнює 4 ат, питомий об’єм 0,421 м3/кг. Яким буде питомий об’єм при тому ж тиску, якщо пара буде сухою насиченою? Яким буде тиск пари при тому же питомому об’ємі, якщо пара буде сухою насиченою?

Відповідь: v=0,4708 м3/кг; P=0,45 МПа.

Задача 2.4. Задано параметри водяної пари P=6 ат, s=6 кДж/кгK. Визначити стан пари і за допомогою hs-діаграми знайти її параметри.

Відповідь: v=0,3 м3/кг; t=155 °С; h=2425 кДж/кг.

Задача 2.5. Для водяної пари з параметрами P=10 ат і t=220 °С визначити за допомогою hs-діаграми ентальпію, ентропію, питомий об’єм, температуру насичення і ступінь перегріву.

Відповідь: v=0,22 м3/кг; h=2980 кДж/кг; s=7 кДж/кгK; tн=180 °С; Dt=40 °С.

Задача 2.6. 1 кг водяної пари нагрівається при постійному тиску. Початкові параметри пари P=10 ат, х=0,95. Кінцева температура пари t=250 °С. Визначити h1, u1, v1, t1, h2,v2, q, Du.

Відповідь: h1=2680 кДж/кг; u1=2490 кДж/кг; v1=0,19 м3/кг; t1=180 °С; h2=2945 кДж/кг; v2=0,23 м3/кг; q=265 кДж/кг; Du=225 кДж/кг.

Задача 2.7. Визначити тепло, що йде на перегрів пари в пароперегрівачеві котла, якщо до надходження в нього пара має тиск 60 бар і вологість 0,5%, а кінцева температура пари 500°С. Знайти також роботу па