3612

2

УДК 621.1

Попов, В. М. Теплотехника [Текст] : программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальностей 190601 – Автомобили и автомобильное хозяйство, 250403 – Технология деревообработки / В. М. Попов, А. Н. Швырёв, А. П. Новиков ; М-во образования и науки РФ, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2010. – 44 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «ВГЛТА»

Рецензент доц. И. Б. Журавец

3

Общие методические указания

Согласно учебным планам, студенты заочной формы обучения специальностей 190601 – Автомобили и автомобильное хозяйство, 250403 – Технология деревообработки прослушивают курс лекций по дисциплине «Теплотехника», проходят лабораторный практикум и самостоятельно выполняют по одной контрольной работе.

При выполнении контрольных работ студентам рекомендуется пользоваться специальной литературой, список которой представлен в конце данных методических указаний.

Выполнению контрольных работ, состоящих из контрольных вопросов и задач, должно предшествовать самостоятельное изучение соответствующего раздела дисциплины “Теплотехника”. Ответы на вопросы должны быть сформулированы в краткой форме, сопровождаться исходными формулами, иллюстрироваться графиками и схемами. Решение задач следует разъяснять, ссылаясь на литературные источники.

Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются и не возвращаются.

4

Программа к разделам курса “Теплотехника”

Теплоэнергетика и её роль в хозяйстве РФ.

Использование тепловой энергии в автомобильном транспорте и лесном комплексе.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Тема 1

Введение Предмет и метод технической термодинамики. Основные параметры

состояния рабочего тела. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы.

Тема 2

Идеальные газы и их смеси Определение идеального газа. Уравнение состояния. Газовая постоянная.

Внутренняя энергия, энтальпия идеальных газов. Теплоёмкость. Зависимость теплоёмкости от характера процесса: теплоёмкости Cр и C , связь между ними. Зависимость теплоёмкости от температуры: средняя и истинная теплоёмкость. Газовая смесь. Закон Дальтона. Способы задания смесей. Определение средней газовой постоянной, молекулярной массы смеси.

Тема 3

Первый закон термодинамики Содержание первого закона термодинамики. Аналитическое выражение

закона. Внутренняя энергия как функция состояния тела. Изменение внутренней энергии. Работа и теплота как функции процесса. Определение работы в P-Vдиаграмме. Энтропия как функция состояния. Изменение энтропии для идеального газа. Определение теплоты процесса с помощью T-S координат. Аналитическое исследование и графическое изображение в P-V и T-S координатах термодинамических процессов: изохорного, изобарного, изотермического, адиабатического, политропического.

5

Тема 4

Второй закон термодинамики Круговые процессы, или циклы. Прямые и обратные циклы. Оценка

эффективности цикла и его термодинамический КПД. Прямой и обратный цикл Карно, вычисление термического КПД и холодильного коэффициента. Сущность второго закона термодинамики и его формулировки. Аналитическое выражение второго закона термодинамики.

Тема 5

Водяной пар, влажный воздух

Водяной пар. Основные определения. Процесс парообразования в P-V координатах. Определение параметров воды и водяного пара. T-S и i-S диаграммы водяного пара. Расчёт основных термодинамических процессов водяного пара с помощью таблиц и i-S диаграммы.

Влажный воздух. Основные понятия и определения. Абсолютная и относительная влажность воздуха, влагосодержание. Температура точки росы. Удельный объем и энтальпия влажного воздуха. J-d диаграмма влажного воздуха. Расчет процессов сушки, подогрева с помощью J-d диаграммы.

Тема 6 Термодинамика потока, истечение газа и пара. Дросселирование

Уравнение первого закона термодинамики для потока. Сопло и диффузор. Адиабатическое течение в сопле. Истечение идеального газа через суживающееся сопло, критическая скорость и его расход.

Дросселирование газа и пара. Изменение параметров газов при дросселировании. Особенности дросселирования реального газа. Практическое использование процесса дросселирования. Изображение процесса дросселирования пара в i-S диаграмме.

Тема 7 Цикл поршневого компрессора тепловых двигателей и холодильных

машин Рабочий процесс и термическая индикаторная диаграмма поршневого

одноступенчатого компрессора. Изотермическое, адиабатическое и политропное сжатия.

6

Циклы ДВС (двигателей внутреннего сгорания).

Циклы ГТУ (газотурбинных установок) и их анализ. Циклы паросиловых установок. Цикл ПСУ Ренкина и его исследование в P-V и T-S координатах. Пути повышения экономичности ПСУ. Основы теплофикации.

Цикл паровой компрессорной холодильной установки, его анализ в T-S координатах. Холодильный коэффициент.

ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА

Тема 8 Основные виды теплообмена. Основные понятия.

Тема 9 Теплопроводность. Понятие о температурном поле, температурном

градиенте, тепловом потоке. Уравнение Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность плоских и цилиндрических стенок.

Тема 10 Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент

теплоотдачи. Факторы, оказывающие влияние на процесс теплоотдачи. Теплоотдача в свободном пространстве, при движении жидкости в каналах, при кипении жидкости и конденсации пара.

Тема 11 Лучистый теплообмен. Законы лучистого теплообмена. Лучистый

теплообмен между телами.

Тема 12 Процессы теплопередачи. Уравнение теплопередачи. Коэффициент

теплопередачи. Теплопередачи через плоские и цилиндрические стенки. Интенсификация процесса теплопередачи. Тепловая изоляция.

Тема 13 Виды теплообменных аппаратов. Тепловой расчет рекуперативных

теплообменников.

7

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕР № 1

Теплопроводность при стационарном режиме

Электрический нагреватель выполнен из нихромовой проволоки диаметром d=2r=2 мм длиной l=10 м.

Нагреватель обдувается холодным воздухом с температурой tж=200 C. Вычислить тепловой поток с 1 пог. м нагревателя, а также температуры

на поверхности и на оси проволоки, если сила тока, проходящего через нагреватель, составляет 25 a. Удельное электрическое сопротивление нихрома ρ = 1,1 ом мм2/м; коэффициент теплопроводимости λ=15 ккал/м • ч•град и коэффициент теплоотдачи от поверхности нагревателя к воздуху ά =40

ккал/м2•ч•град.

Ответ

ql = 188,5 ккал/м • ч; температура на оси проволоки t0=772 0С, температура на поверхности проволоки tc = 771 0C.

Решение

Электрическое сопротивление нагревателя

Количество тепла, выделяемое нагревателем,

Q= 0,86I2R =0,86•252•3,5 =1885 ккал/ч,

тепловой поток на 1 пог. м проволоки

q = Q/l=1885/10=188,5 ккал/ч.

Температура поверхности проволоки определяется из условий теплоотдачи:

tc=tж+ql / πdά=20+188,5 /3,14•0,002•40=771 0C.

Температура на оси проволоки определяется из условий теплопроводности при наличии внутренних источников тепла:

t0=tc+ql /4πλ=771+ 188,5/4•3,14•15=772 0C.

8

Решение задачи с помощью ЭВМ

10 REM Ввод начальных условий задачи

15 PI=3.14

20 Print «Введите диаметр d проволоки-»; : Input d 30 Print «Введите длину l проволоки-»; : Input l

40 Print «Введите температуру tg воздуха-охладителя -»; : Input tg

50 Print «Введите силу тока I проходящего по проводу-»; : Input I

60 Print «Введите удельное сопротивление ro материал а проволоки»; : Input ro

70 Print «Введите коэффициент теплопроводности lmb проволоки- »; : Input lmb

80 Print «Введите коэффициент теплоотдачи al-»; : Input al 90 REM Расчёт искомых результатов

100 R=ro*l/(PI*(d/2)^2): Q=0.86*(I^2)*R: q=Q/l

110 tp=tg+q/(4*PI*lmb*d*al)

120 to=tp+q/(4*PI*lmb)

130 Print “Тепловой поток на 1 пог. м»; q

140 Print “Температура на поверхности проволоки»; tp

150 Print “Температура на оси проволоки»; to

ПРИМЕР № 2

Теплоотдача при свободном движении жидкости

Определить коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока q ккал/м2 •ч через вертикальную щель толщиной δ=20 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности tс1=2000 С и холодной tc2=800 C

Ответ

λэ= 6,43 • 10-2 ккал/м • ч • град; q = 386 ккал/м2 • ч.

Решение

Эквивалентный коэффициент теплопроводности может быть вычислен по формуле

λэ = λэк ,

где λ – действительная теплопроводность жидкости;

9

εк – коэффициент конвекции, являющийся функцией (GrPr)ж, может быть приближенно вычислен по формуле

εк= 0,18(GrPr)0,25ж.

Здесь все физические параметры, входящие в критерии, выбираются при определяющей температуре

tж = 0,5 (tc1+tc2).

За определяющий размер принимается ширина щели δ; расчетная разность температур принимается

t=tc1 – tc2

Врассматриваемом случае tж= 0,5 (200+80)=140 0С. При этой

температуре

νж = 27,8 • 10-6м2/сек;

λж = 3,0 • 10-2 ккал/м•ч•град;

Prж=0,684; βж=1/tж+273=1/413 1/град.

Вычисляем произведение

(GrPr)ж = gβж (tc1 - tc2)δ3 /ν2ж Pr =9,81 • 120(2•10-2)3/413(27,8• 10-6)2 • 0,684=2,02•104.

Коэффициент конвекции

εк = 0,18 (2,02 • 104)0,25 = 2,14.

Тогда

λэ = 3 •10-2 • 2,14 = 6,43 • 10-2 ккал/м•ч•град.

Плотность теплового потока через воздушную прослойку

q = λэ/δ(tc1 – tc2) = 6,43•10-2/2•10-2 • 120 = 386 ккал/м2 • ч.

ПРИМЕР № 3

Теплопередача и гидравлическое сопротивление при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах

По каналу квадратного сечения, сторона которого a = 10 мм и длина l = 1600 мм, протекает вода со скоростью w = 4 м/сек. Вычислить коэффициент теплоотдачи от стенки канала к воде, если средняя по длине температура воды tж = 40 0С, а температура внутренней поверхности канала tc = 90 0C.

10

Ответ

α = 17400 ккал/м2 • ч •град

Решение

При средней температуре tж = 40 0С физические параметры воды равны соответственно:

νж = 0,659 • 10-6 м2/сек; λж = 0,545 ккал/м • ч •град; Prж = 4,3. При tc = 90 0C Prc = 1,95.

Эквивалентный диаметр канала

dэ = 4f / u = 4•10-4 / 4•10-2 =0,01 м,

где f – площадь поперечного сечения канала, м2; u – полный периметр канала, м.

Критерий Рейнольдса

Reж=wdэ/νж = 4•0,01/0,659 •106 = 6,07•104 >1•104;

Режим движения – турбулентный.

Для жидкостей с числами Pr ≥ 0,7 теплоотдача при турбулентном течении в каналах некруглого сечения может быть рассчитана по формуле с введением в

качестве определяющего размера эквивалентного диаметра. Следовательно,

Nuж = 0,021 Reж 0,8•Prж0,43 (Prж / Prc )0,25=0,021(6,07•104)0,8•4,30,43(4,3/1,95)0,25 = 320

и коэффициент теплоотдачи

α=Nu λж/d =320• 0,545/0,01=17400 ккал/м2 • ч •град

ПРИМЕР № 4

Теплоотдача при внешнем обтекании тел

Тонкая пластина длиной l0 = 2 м и шириной а = 1,5 м обтекается продольным потоком воздуха. Скорость и температура набегающего потока равны соответственно w0 =3 м/сек; t0= 20 0C.

Температура поверхности пластины равна tc= 90 0C. Определить средний по длине коэффициент теплоотдачи и количество тепла, отдаваемое пластиной воздуху.

Ответ

α = 4,18 ккал/м2 • ч •град; Q = 1760 ккал/ ч.