Расчет теплоемкости, теплоотдачи, теплоты сгорания топлива

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНАЯ АКАДЕМИЯ (СИБАДИ)»

Заочный факультет

Кафедра: ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Теплотехника»

Омск - 2012

Задача № 1

Задан объемный состав газовой смеси: rСН4, rСО2, rСО. Определить массовый и мольный составы смеси, кажущуюся молекулярную массу, газовую постоянную, удельный объём и плотность смеси при давлении смеси p и температуре смеси t. Определить также массовую, объемную и мольную теплоемкость смеси. При этом считать теплоемкость не зависящей от температуры, а мольные теплоемкости компонентов соответственно равны:

;

;

;

Массовая и объёмная  теплоемкости связаны с мольной соответственно соотношениями:

;

;

Исходные данные: ; ; ; ; .

Решение

Находим молекулярную массу компонентов смеси:

;

;

.

Находим кажущуюся молекулярную массу смеси:

.

Определим массовые доли компонентов смеси:

;

;

.

Проверка: .

Находим мольные доли компонентов смеси.

Так как мольный состав смеси совпадает с объёмным, то мольные доли равны:

;

;

.

Газовая постоянная смеси

,

где - универсальная газовая постоянная.

Удельный объем смеси находим, используя уравнение состояния идеального газа:

;

.

Плотность смеси

.

Мольная изобарная теплоемкость смеси

Массовая изобарная теплоемкость

.

Объемная изобарная теплоемкость

.

Мольная изохорная теплоемкость смеси

.

Массовая изохорная теплоемкость смеси

.

Объемная изохорная теплоемкость смеси

.

Ответ: ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Задача № 2

Для отопления гаража используют трубу, по которой протекает горячая вода. Рассчитать конвективный коэффициент теплоотдачи и конвективный тепловой поток от трубы к воздуху в гараже, если наружный диаметр и длина трубы соответственно равны dн и l. Температура поверхности трубы tc, при этом температура воздуха в гараже должна составлять tв. Теплофизические свойства воздуха определить по табл. 2.2.

Исходные данные: ; ; ; .

Задание: определить конвективный тепловой поток от трубы к воздуху в гараже.

Решение

Тепловой поток на наружной поверхности трубы Q (Вт), передаваемый к воздуху, определяется как

, (1)

где - коэффициент теплоотдачи при свободном движении воздуха около трубы, ;

F - площадь наружной поверхности трубы, .

Критериальная зависимость для вычисления среднего коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха имеет вид

, (2)

где постоянные С и n зависят от режима свободного движения воздуха и условий обтекания поверхности. Они являются функциями Gr·Pr и для горизонтальной трубы определяются по таблице 1. .

Таблица 1

Значения постоянных С и n

, , Pr - критерии подобия Нуссельта, Грасгофа, Прандтля:

, ;  (3)

где λ - коэффициент теплопроводности воздуха, ;

g - ускорение свободного падения, ;

β - коэффициент объемного расширения воздуха, , ;

ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, .

В формуле (2) все физические свойства, входящие в критерии подобия, выбираем из таблицы теплофизических свойств воздуха при определяющей температуре воздуха tв вдали от поверхности теплообмена, а в качестве определяющего размера - наружный диаметр трубы dн.

В рассматриваемом случае определяющая температура .

При этой температуре для воздуха:

; ; ; .

Вычисляем значение комплекса:

.

Из табл. 1 находим, что при вычисленном значении комплекса постоянные в расчетном уравнении (2) равны: С = 0,5 и n = 0,25. Тогда значение критерия Нуссельта составит

Из уравнения (3) выразим :

Площадь наружной поверхности трубы

.

Тогда тепловой поток, отдаваемый от наружной поверхности трубы к воздуху, по формуле (1) будет равен:

.

Ответ: .

Задача № 3

газовый смесь топливо теплоотдача

Задан состав твердого топлива на рабочую массу в %. Определить теоретически необходимое количество воздуха для горения, а также по формуле Д.И. Менделеева - низшую и высшую теплоту сгорания топлива, объемы и состав продуктов сгорания при αв, а также энтальпию продуктов сгорания при температуре .

Исходные данные: ; ; ; ; ; ; ; ; .

Решение

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива вычисляется по формуле

.

Действительно необходимое количество воздуха

Низшая теплота сгорания 1 кг топлива по формуле Д.И. Менделеева

.

Высшая теплота сгорания

.

Теоретические объемы продуктов полного сгорания твердых топлив при αв=1 определяются по формулам:

объем трехатомных газов

;

объем азота

объем сухих газов

;

объем водяных паров

.

Полный объем газообразных продуктов сгорания 1 кг топлива при αВ =1

Объем продуктов сгорания при αВ = 1,2 определяется по формулам:

объем сухих газов

объем водяных паров

.

Полный объем продуктов сгорания

 .

Энтальпия продуктов сгорания, , при αВ=1 и температуре газов  находится по формуле

, (1)

где , ,  - энтальпия соответственно 1м3 углекислого газа, азота и водяных паров (находим по таблице энтальпии газов, воздуха и золы при )

;

;

.

Подставляя найденные значения в уравнение (1), получаем:

.

Энтальпия воздуха,

где - энтальпия воздуха при (см. табл. энтальпии газов, воздуха и золы).

.

Энтальпия продуктов сгорания при αВ =1,2 и

Ответ:  ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Задача № 4

Определить литровую мощность и удельный индикаторный расход топлива четырехцилиндрового (i = 4) четырехтактного (τ = 4) двигателя, если среднее индикаторное давление равно Pi (Па). Диаметр цилиндра D = 0,12 м, ход поршня S = 0,1 м, угловая скорость вращения коленчатого вала ω, (рад/с), механический ηм и удельный расход топлива g = 0,008 кг/с.

Исходные данные:

;  ; ; ; ; ; .

Решение

Находим рабочий объем цилиндра:

.

Частота вращения коленчатого вала

.

Индикаторная мощность двигателя

,

где i - число цилиндров двигателя, i=4;

τ - тактность двигателя, для четырехтактного двигателя τ = 4.

Тогда

Эффективная мощность двигателя

.

Литровая мощность двигателя

.

Удельный индикаторный расход топлива

.

Ответ: ;  .

Задача № 5

Одноцилиндровый одноступенчатый поршневой компрессор сжимает воздух от атмосферного давления  до требуемого давления р2. Определить эффективную мощность привода компрессора и необходимую мощность электродвигателя с запасом 10 % на перегрузку, если диаметр цилиндра D (м), ход поршня S (м), частота вращения вала N (об/с), относительный объем вредного пространства δ = 0,05, показатель политропы расширения остающегося во вредном объеме газа m, коэффициент, учитывающий, уменьшение давления газа при всасывании, ηp = 0,94 и эффективный адиабатный КПД компрессора .

Исходные данные: ; ; ; ; ;

;; ; ; .

Решение

Определяем степень повышения давления

.

Объёмный КПД компрессора

.

Коэффициент подачи компрессора

.

Теоретическая подача компрессора

Действительная подача компрессора

Теоретическая мощность привода компрессора при адиабатном сжатии

Эффективная мощность привода компрессора

Необходимая мощность электродвигателя с 10 %-ным запасом перегрузки

Ответ: ; .