Контрольная работа по Теплотехнике на тему: «Исследование процессов сжатия, циклов и теплопередачи: комплекс расчётов»

Задача 1. Сжатие газовой смеси в компрессоре (изотерма, адиабата, политропа)

Дано (табл. 1.1, вариант 4).

- p1 = 0,1 МПа = 100 кПа;

- t1 = 27 °C, поэтому T1 = 300 К;

- p2 = 0,95 МПа = 950 кПа;

- 10^-3 G = 0,7 кг/ч, следовательно G = 700 кг/ч = 700/3600 = 0,1944 кг/с;

- состав смеси: 5 кг H2O и 5 кг CO2;

- показатель политропы: n = 1,2;

Требуется определить конечную температуру t2, отведённое тепло Q, изменение внутренней энергии Δu и энтропии Δs, а также теоретическую мощность компрессора для трёх процессов сжатия.
 

Задача 2. Цикл Ренкина с перегревом и случай дросселирования

Дано (табл. 1.2, вариант 4).

- начальное давление пара: p1 = 10 МПа;

- степень сухости на входе в пароперегреватель: x1 = 0,95;

- перегрев: Δt = 240 °C;

- давление в конденсаторе: p2 = 4,5 кПа;

- давление после дросселирования: p1' = 2,3 МПа.

Смысл расчёта такой: сначала получаем параметры пара после перегрева (точка 2), затем проводим изоэнтропное расширение до p2 и определяем сухость на выходе турбины. Далее повторяем, если после перегрева стоит дроссель. Численные значения энтальпий и энтропий в учебной практике берутся по таблицам водяного пара или по диаграмме h–s.
 

Задача 3. Воздушная холодильная установка (компрессор–охладитель–детандер)

Дано (табл. 1.3, вариант 4).

- p1 = 0,1 МПа; p2 = 0,4 МПа; степень повышения давления r = p2/p1 = 4;

- t1 = −6 °C → T1 = 267,15 К;

- t3 = 25 °C → T3 = 298,15 К;

- холодопроизводительность Q0 = 140 кВт;

- для воздуха принимаем k = 1,4; cp = 1,005 кДж/(кг·К).

1) Температура после изоэнтропного сжатия 1→2

Используем формулу для идеального газа: T2 = T1·r^((k−1)/k).

T2 = 267,15·4^0.2857 = 396.98 К, то есть t2 ≈ 123.8 °C.

2) Температура после изоэнтропного расширения 3→4

Для детандера аналогично: T4 = T3 / r^((k−1)/k).

T4 = 298,15/4^0.2857 = 200.64 К, то есть t4 ≈ -72.5 °C.

3) Тепловые эффекты и работы на 1 кг воздуха

Холод в камере (4→1 при p1 = const): q0 = cp·(T1 − T4).

q0 = 1,005·(267.15 − 200.64) = 66.84 кДж/кг.

Тепло, отдаваемое в охладителе (2→3 при p2 = const): qк = cp·(T2 − T3).

qк = 1,005·(396.98 − 298.15) = 99.34 кДж/кг.

Работа компрессора: lк = cp·(T2 − T1).

lк = 130.51 кДж/кг.

Работа детандера: lд = cp·(T3 − T4).

lд = 98.00 кДж/кг.

Внешняя затрата (то, что нужно подвести с вала): l = lк − lд.

l = 32.49 кДж/кг.

Холодильный коэффициент установки: ε = q0/l = 2.06.

4) Расход воздуха и мощности по заданной холодопроизводительности

Поскольку 1 кВт = 1 кДж/с, то при Q0 = 140 кВт массовый расход: G = Q0/q0.

G = 140/66.84 = 2.094 кг/с.

Тепло, отводимое в охладителе: Qк = G·qк = 208.0 кВт.

Требуемая мощность на валу (в идеализации): N = G·l = 68.0 кВт.
 

Задача 4. Теплопередача через стенку трубы от воды к воздуху

Дано (табл. 1.4, вариант 4).

- температура воды: tв = 160 °C;

- скорость воды в трубе: W1 = 1,9 м/с;

- температура воздуха: tвозд = 10 °C; давление воздуха 0,1 МПа;

- внутренний диаметр трубы: d1 = 150 мм = 0,150 м;

- наружный диаметр трубы: d2 = 170 мм = 0,170 м;

- теплопроводность стали: λст = 20 Вт/(м·К).

Нужно найти коэффициенты теплоотдачи α1 (вода→стенка) и α2 (стенка→воздух), линейный коэффициент теплопередачи Kц и тепловой поток qц, отнесённый к 1 м длины трубы.
 

Задача 5. Рекуперативный газо-воздушный теплообменник (прямоток и противоток)

Дано (табл. 1.5, вариант 4).

- объёмный расход нагреваемого воздуха при нормальных условиях: 10^-3 V0 = 5 м0³/ч → V0 = 5000 м0³/ч;

- средний коэффициент теплопередачи: K = 22 Вт/(м²·К);

- температура продуктов сгорания: t1' = 700 °C (вход), t1'' = 500 °C (выход);

- температура воздуха: t2' = 10 °C (вход), t2'' = 400 °C (выход);

- объёмная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении принимается c'pr = 1,5 кДж/(м0³·К) (по условию).

Требуется определить поверхность нагрева F при прямоточном и противоточном движении теплоносителей, а также объёмный расход продуктов сгорания V0г при нормальных условиях. Дополнительно нужно качественно изобразить температурные графики.