Учебная работа. Теплотехника и применение теплоты

Теплотехника и применение теплоты

Министерство
сельского хозяйства российской Федерации

Российский
Государственный Аграрный Заочный университет

Факультет
энергетики и охраны водных ресурсов

КОНТРОЛЬНАЯ
РАБОТА

По
дисциплине «Теплотехника»

Теплотехника
и применение теплоты

Выполнил: Пермяков А. Г.

Глазов 2010
г.

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:= 1 кг

Δu =160 кДж/к=-230
кДж/кг=22˚С=295 К=2,4 Мпа=? показатель политропы

Решение:

Для углекислого газа СО2 молярная теплоёмкость:

в изохорном процессе μcv
≈ 29,3 кДж/(моль·К)

в изобарном процессе μcp
≈ 37,6 кДж/(моль·К)

Массовая теплоёмкость     ,

газ СО2 где μ — молекулярная
масса газа, для СО2  (μ = 44)

найти:

По уравнению газового состояния:

pv=mRt

Предварительно определим газовую постоянную R
для СО2:

 

По первому закону термодинамики:

=Δu+l

=160 — 230= — 70 кДж/кг

Удельная массовая теплоёмкость СО2:

 

Теплота процесса:

=mcp(t2 — t1)

Преобразуем выражение:

 

 

 

По уравнению газового состояния:

=mRt

v2=mRt2

Из формулы работы политропного процесса:

 

Получаем:

 

 

 

Определим показатель политропы:

= 0,933  (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:

где  

 

Определим изменение энтальпии для реального
газа:

где   срм1 , срм2 — соответственно теплоёмкости
газа в температурных интервалах от 273 К до t1 и от 273 К до t2.

Определим данные по справочным таблицам для
газа:

срм1=0,846 кДж/кг·К

срм2=0,749 кДж/кг·К

Δh=0,749(213-273) —
0,849(295-273)= — 44,94 — 25,91= — 70,85 кДж/кг

Отразим процесс в pv и ts — координатах —
координаты= 0,062 МПа   ;   v1 = 2,16 м3 = 2,4 МПа   ;   v2 = 0,0167 м3 —
координаты=295 К=213 К

Δs = — 1123,7

Контрольный вопрос.

Какова формулировка математическое выражение
первого закона термодинамики?

Вся теплота, проводимая к системе, расходуется
на изменение внутренней энергии системы и совершение внешней работы.

Q = U2 — U1 + L

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.

Построить на «миллиметровке» в масштабе этот
цикл в координатах p — v и T — s.

Дано:

р1 = 0,1 Мпа= 20˚C = 293 K

ε = 15

λ = 1,9

ρ = 1,4

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.

По параметрам состояния рабочего тела в узловых
точках цикла определяются:

 

 

По уравнению состояния идеального газа для точки
1.

=Rt

где R — идеальная газовая постоянная

 

(для воздуха принимаем μ=28,97)

Тогда

   

В точке 3:

 

(v2=v3)

 

В точке 4:

= p3 = 6,25 Мпа

В точке 5:

v5 = v1 = 0,841 м3

 

термический КПД цикла:

 

 

Работа, получаемая от цикла, определяется
следующим способом.

Определим количество теплоты, изохорно
подводимое к рабочему телу в т.3:

= mcv(t3 — t2)

Определим m:      pv = mRt

 

= 0,998·1,012·103·(1220,9 — 642,6) = 584069,12
Дж=584,06 кДж

Работа процесса определяется по формуле:

= 584,06 · 0,531 = 310,13 кДж

Определим изменение энтропии отдельных процессов
цикла.

Изменение энтропии определим по формуле:

 

на участке 1 — 2:

 

на участке 2 — 3:

 

 на участке 3 — 4:

 

на участке 4 — 5:

на участке 5 — 1:

Построим в масштабе цикл в pv и ts —
координатах:- координаты = 0,1 МПа                     v1 = 0,841 м3= 3,29
МПа                   v2 = 0,056 м3 = 6,25 МПа                   v3 = 0,056 м3

 p4 = 6,25 МПа                   v4 = 0,0785 м3=
0,293 МПа                 v5 = 0,841 м3 — координаты= 293 K        1-2       Δs
= 17,22= 642,6 K     2-3     Δs
= 649,52= 1220,9 K   3-4     Δs
= 437,43= 1709,3 K   4-5     Δs
= — 15,47= 859,2 K      5-1   Δs
= — 1088,7

Контрольный вопрос.

Второй закон термодинамики исключает возможность
создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в тоже
время эквивалентных формулировок этого закона. 1 — Постулат Клаузиуса. процесс,
при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего
тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от
холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это
явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 2 — Постулат Кельвина.
процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений
в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю
теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других
изменений в системе. политропа газ рабочий тело

Задача №3

Определить потери теплоты за 1 час с 1 м. длины
горизонтально расположенной цилиндрической трубы,       охлаждаемой свободным
потоком воздуха, если известны наружный диаметр d трубы, температура стенки
трубы tст и температура воздуха tв в помещении.

Дано:=
120 ммст = 42˚Св = -5˚C

Решение:

Определим

где g — ускорение свободного падения;

β — термический
коэффициент объёмного расширения газов:

 

Δt — температурный
капор между средой и стенкой теплоносителя.

Δt = 42 + 5 = 47˚С-
определяющий геометрический размер для трубы.= D = 120 мм = 0,120 м.

γж = 15,06·10-6 —
кинематическая вязкость

 

Определим критерий Прандтля:

 

где аж — 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 табличным данным определяем коэффициенты к
уравнению:

А = 0,5;  m = 0,25

 По уравнению (критерий Нуссельта):

 

Или

Определяем:

По уравнению Нуссельта:

 

 где α — коэффициент
теплоотдачи

       (λж=0,02543)

 

количество теплоты:

 

Переведём Вт в Дж (по соотношению величин
теплового потока) 1 Вт=1 Дж/с.

За 1 час потери теплоты составят:= 11,61·3600 =
41,796 кДж/ч.

Контрольный вопрос.

Конвективная теплоотдача определяется критериями
Нуссельта (Nu), Прандтля (Pr), Грасгофа (Gr).

Из них число Нуссельта (Nu) определяет
теплоотдачу на границе жидкость —твердое тело.

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 = 40 Вт/(м2·К)

α2 = 660
Вт/(м2·К)в = 1750 кг/чв΄ = 13˚Св˝ = 113˚Сг΄ = 670˚Сг˝ = 470˚С=
50 мм

δ = 1 мм

λст = 62
Вт/(м·К)

Решение:

Изобразим
графики изменения температур теплоносителя по обоим схемам.

Решение:

Δtδ
= tг΄-
tв΄

Δ΄tм = tг˝-
tв˝

Δtδ
= 670 — 13 = 657

Δtм = 470 — 113 =
357

Решение:

Δtм = tг΄-
tв˝

Δtδ
= tг˝-
tв

Δtм = Δtδ
= 470 — 13 = 457670 — 113 = 557

Можно использовать среднелогарифмический
температурный напор:

Прямоток:                                         
Противоток:

                         

Определим коэффициент теплопередачи:

  

Теплота, полученная водой в рекуператоре:

 

Переведём в секунды:

: 3600 = 203,29 кДж/с

Определим площади поверхности нагрева по схемам:

Прямоток:                                        
Противоток:

           

Преимущество схемы с противотоком в том, что
площадь поверхности нагрева требуется меньше, что более экономично по
конструктивным соображениям, так как требуется меньше металла.

Задача №5

Определить количество влаги W, потребное количество
воздуха L и расход теплоты на сушку Q для конвективной зерносушилки
производительностью G1, если начальное значение относительной влажности зерна
w1 и конечное w2, влагосодержание d1 и температура воздуха t1 на входе в
сушилку, влагосодержание d2 и температура воздуха t2 на выходе из сушилки,
температура наружного воздуха t0 = 15˚С.

Изобразить процесс сушки в H — d диаграмме
влажного воздуха.

  
Дано:                                                   

G1 = 350 кг/ч

d1 = 0,025 кг/кг.с.в.

d2 = 0,036 кг/кг.с.в.

t1 = 130˚С = 403 К

t2 = 65˚C = 338 К

w1 = 30%

w2 = 22%

t0 = 15˚С = 288 К

Решение:

количество материала на выходе из сушилки:

количество испарившейся влаги:

 

Расход воздуха на сушку:

 

Расход тепла:

 

 
где h1 и h0 — энтальпия воздуха до теплогенератора и после него, кДж/кг.и h0 —
определяем по диаграмме h — d влажного воздуха.= 288 К= 403 К= 338 К= 25 г/кг=
36 г/кг= 74 ; h1 = 210

Изобразим
на графике:

Контрольный
вопрос.

Как
определяется тепловой режим сушки различных сельскозяйственных продуктов?

Основными
параметрами, определяющими режим сушки, является температура предельно
допустимого нагрева материала и продолжительность сушки.

параметры
сушки могут оказать различное влияние на качество высушаемого его материала.

Так,
при чрезмерном повышении температуры при сушке зерна тормозятся биологическая
активность, уменьшается энергия прорастания и всхожесть, ухудшаются хлебофуражные
свойства, ухудшается качество клейковины и т.д.

Список
использованной литературы

1.
Драганов Б.Х., Кузнецов А.В., Рудобашта С.П. Теплотехника и применение теплоты
в сельском хозяйстве. Учебник для вузов по инженерным специальностям сельского
хозяйства. М.: Агропромиздат, 1990 г., — 463 с.

.
Теплотехника. Учебник для вузов. / Под редакцией Баскакова А.П. 2-е издание,
переработанное. М.: Энергоатомиздат., 1991 г., — 224 с.

.
3ахаров А.А. Практикум по применению теплоты в сельском хозяйстве. М.: Колос,
1985 г., -175 с.

.
Рудобашта С.П. и др. Тепло- и водоснабжение сельского хозяйства. Под ред. С.П.
Рудобашты. М.: Колос. 1997. — 508 с.

Учебная работа. Теплотехника и применение теплоты