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 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 = 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 -твёрдое 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.