Методические указания для выполнения контрольного задания
Контрольное задание № 1 по дисциплине «Теплотехника» представляет собой квалификационную работу, выполняемую студентами заочной формы обучения в соответствии с требованиями ГОС ВПО.
Структура контрольного задания по дисциплине «Теплотехника» должна включать в себя:
- титульный лист;
- содержание;
- введение;
- условия и исходные данные для решения задач;
- основную (расчетную) часть;
- заключение;
- список использованной литературы.
Номер варианта (как уже указывалось выше), выбираемых обучаемым исходных данных для выполнения контрольной работы, определяется по двум последним цифрам зачётной книжки.
Исходные данные выбираются из таблиц 1-3 данного Методического руководства в соответствии со своим вариантом.
Пример решения типовых задач по дисциплине представлен в разделе 5 настоящих Методических указаний.
Первоначально записываются условия решаемых задач.
В кратком виде записывается что дано. Приводится схема, рисунок, график.
Записываются расчётные формулы, подставляются числовые значения.
Подробно описывается последовательность расчетов в соответствии с определенным для обучаемого вариантом.
Полученные в результате расчётов числовые значения величин округляются до разумных оптимальных значений.
В «Заключении» студент делает выводы по результатам произведенных расчетов.
Затем выписывается вопрос задания (согласно варианту) и на него даётся развёрнутый ответ.
В конце контрольной работы студент представляет список использованной литературы для проведения расчетов и ответов на вопросы в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1-2003.
При проведении расчетов обучаемые должны уметь уверенно пользоваться инженерными калькуляторами для, например, возведения числа в дробную степень, определения значений логарифмов и т. д. и справочными (табличными) данными из различных источников.
При оформлении контрольной работы обучаемые должны приводить ссылки на используемые источники информации при выборе тех или иных значений параметров, необходимых для проведения расчетов.
В настоящих Методических указаниях приведена основная литература, которая может быть использована для выполнения контрольного задания.
Контрольное задание
Таблица №1 Номера задач и вопросов по вариантам
| Последняя цифра зачётной книжки | Номера задач | Номера вопросов |
| 2,4,12,18 | 1,7,11,28 | |
| 1,8,10,19 | 6,9,14,24 | |
| 1,3,9,17 | 5.10,25,29 | |
| 5,14,16,19 | 2,12,22,30 | |
| 4,6,15,18 | 4,18,24,25 | |
| 2,7,11,17 | 5,13,26,27 | |
| 8,12,14,18 | 3,16,20,26 | |
| 1,13,16,17 | 8,17,21,28 | |
| 2,10,15,19 | 9,15,19,23 | |
| 3,12,14,19 | 2,12,16,28 |
Условия задач
Задача № 1.
Какое количество теплоты отводится от 1 кг дымовых газов в газоходе котла, если при постоянном давлении температура их понижается от T1 до T2. Массовый состав дымовых газов: gco2=..%, go2=..%, gN2=..%.
Таблица 1
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | T1,K | T2,K | gco2 | go2 | gN2 |
Задача № 2.
Отопительный радиатор отдаёт воздуху Q кДж теплоты в 1 ч.Определить, на сколько градусов повысится температура воздуха в течение 1 часа в комнате объёмом V м3, если не будет потерь теплоты в окружающую среду. Начальная температура воздуха в комнате T1 и барометрическое давление 0,1 МПа.
Таблица 2
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | T1,K | Q,кДж | V, м3 |
Задача № 3.
В процессе расширения к 1 кг кислорода подводится 200 кДж теплоты. Какую работу совершит при этом газ, если в результате процесса его температура понизится на 950С ? Зависимость теплоёмкости от температуры не учитывать.
Задача № 4.
V м3 окиси углерода имеют давление p бар и начальную температуру T1,K. Какое количество тепла нужно подвести к газу в изобарном процессе, чтобы повысить его температуру до T2, K ? Определить также параметры конечного состояния, работу расширения, изменение внутренней энергии и энтропии.
Таблица 4.
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | V, м3 | T1, K | P, бар | Т2, К |
| 1,5 | 1,6 | |||
| 1,5 | ||||
| 1,8 | ||||
| 1,6 | ||||
| 2,1 | 1,7 | |||
| 0,85 | ||||
| 0,44 | ||||
| 1,3 | 2,6 | |||
| 0,08 | 3,5 | |||
| 2,4 | 4,5 |
Задача № 5
В цилиндре двигателя внутреннего сгорания в конце сжатия абсолютное давление р, МПа. Сгорание горючей смеси происходит при постоянном объёме с выделением Q, кДж теплоты на 1кг смеси. Определить давление, объём и температуру в конце сгорания, считая, что продукты сгорания обладают свойствами воздуха.
Таблица 5
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | Q,кДж | P,МПа |
| 1,60 | ||
| 1,50 | ||
| 1,80 | ||
| 1,40 | ||
| 1,70 | ||
| 1,30 | ||
| 1,50 | ||
| 1,26 | ||
| 1,15 | ||
| 1,45 |
Задача №6
В цилиндре двигателя внутреннего сгорания в конце процесса сжатия абсолютное давление р, МПа и температура t,0С. Определить параметры в конце подвода теплоты в количестве Q, кДж/кг, если 50% теплоты подводится при v=const и 50% при p=const. Считать, что рабочее тело (газ) обладает свойствами воздуха. Зависимость теплоёмкости от температуры не учитывать.
Таблица 6
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | p,МПа | t1,0С | Q, кДЖ/кг |
| 3,5 | |||
| 4,0 | |||
| 4.6 | |||
| 3,6 | |||
| 5,1 | |||
| 2,85 | |||
| 3,4 | |||
| 3,3 | |||
| 4,2 | |||
| 4,4 |
Задача №7
Сравнить работу сжатия и конечную температуру 1 кг воздуха для изотермического, адиабатного и политропного сжатия с показателем политропы n=.. от начальных параметров p1=.. МПа и t1=..0C до p2=.. МПа.
Таблица 7
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | p1, МПа | t10C | р2, МПа | n |
| 0,5 | 1,6 | 1,25 | ||
| 0,09 | 1,5 | 1,21 | ||
| 1,2 | 2,8 | 1,28 | ||
| 1,6 | 1,26 | |||
| 0,12 | 3,4 | 1,35 | ||
| 0,85 | 1,2 | 1,20 | ||
| 0,44 | 2,5 | 1,29 | ||
| 0,3 | 2,6 | 1,33 | ||
| 0,08 | 3,5 | 1,27 | ||
| 0,4 | 4,5 | 1,34 |
Задача №8
Цикл С.Карно совершается с 1 кг воздуха в пределах температур t 1,0 С и t2 ,0С. Подводимая в цикле теплота Q,кДж. Определить максимальное давление в цикле, термический КПД и полезную работу, если минимальное давление в цикле p, МПа.
Таблица 8
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | p1,МПа | t10C | t20C | Q,кДж | |
| 0,10 | |||||
| 0,09 | |||||
| 0,20 | |||||
| 0,16 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,08 | |||||
| 0,11 |
Задача № 9.
Для термодинамического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты определить термический КПД и полезную работу, t1=670С и р1=1 кгс/см2, степень сжатия e=14, количество тепла, подведённого по изохоре qv=735 кДж/кг, количество тепла, подведённого по изобаре qp=365 кДж/кг. Рабочее тело- воздух. Представить цикл в масштабе в pV- и Ts- координатах. Определить также термический КПД цикла С. Карно для того же интервала температур.
Задача № 10.
Для термодинамического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты определить термический КПД , полезную работу, количество подведённого и отведённого тепла, если t1=700С и р1=0,12МПа, степень сжатия e=18, степень повышения давления l=1,8, степень предварительного расширения r=1,3. Рабочее тело- воздух. Представить цикл в масштабе в pV- и Ts- координатах. Определить также термический КПД цикла С. Карно для того же интервала температур.
Задача № 11.
Для термодинамического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном давлении определить термический КПД, полезную работу, количество подведённого и отведённого тепла, степень предварительного расширения, если t1=220С и р1=0,1 МПа, температура в конце подвода тепла t3=14500C, степень сжатия e=24. Рабочее тело – воздух. Представить цикл в масштабе в pV- и Ts- координатах. Сравнить полученный термический КПД с КПД цикла С. Карно для того же интервала температур.
Задача №12.
Для термодинамического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объёме определить термический КПД , (сравнить полученный термический КПД с КПД цикла С. Карно для того же интервала температур) и полезную работу, если t1=300C, p1=0,11 МПа, степень сжатия e=9, степень повышения давления l=2,2. Рабочее тело- воздух. Представить цикл в масштабе в pV- и Ts- координатах.
Задача № 13.
В термодинамическом цикле поршневого двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты q1=1034 кДж/кг степень сжатия e=13 и степень повышения давления l=1,5. Определить термический КПД цикла и температуру в характерных точках, если параметры начальной точки t1=600C, p1=0,095 МПа.
Задача № 14.
Определить теоретическую работу, затрачиваемую на привод поршневого компрессора, при изотермическом, адиабатном и политропном (n=1,2) сжатии воздуха, если начальные параметры t1=25 0C , p1=0,12 МПа. Конечное давление р2=0,8 МПа. Определить также объём и температуру сжатого воздуха при выходе из компрессора. Изобразить процессы сжатия воздуха в компрессоре в pV- и Ts- координатах.
Задача № 15.
Для идеального цикла газотурбинной установки с подводом тепла при р=Const определить: параметры p, v, t в характерных точках ( 1, 2, 3, 4),степень сжатия e=v1/v2, полезную работу, количество подведённого и отведённого тепла и термический КПД цикла. Рабочее тело- воздух с постоянной теплоёмкостью и t1=320C, p1=0 14МПа, t3=9000C и l=р2/p1=6. Изобразить цикл в pV- и Ts- координатах.
Задача № 16.
Определить тепловой поток через 1м2 поверхности кирпичной стенки и глубину её промерзания до температуры t<00С. Толщина стенки d, мм, температура на её внутренней поверхности t1,0С, а на наружной – отрицательная, t2,0C. Выбрать коэффициент теплопроводности кирпича из таблиц, приведённых в предлагаемой литературе.
Таблица 16
| Предпоследняя цифра зачётной книжки | t1,0С | t 2 ,0С | d, мм |
| -30 | |||
| -25 | |||
| -32 | |||
| -28 | |||
| -33 | |||
| -30 | |||
| -29 | |||
| -34 | |||
| -26 | |||
| -22 |
Задача № 17.
Плоская металлическая cтенка толщиной 5 мм, коэффициент теплопроводности которой 50 Вт/(м·К),омывается с одной стороны водой (коэффициент теплоотдачи 300 ВТ/(м2.К) ) и с другой стороны воздухом (коэффициент теплоотдачи 8 ВТ/(м2·К)) . Температура воды 850С и воздуха 180С. Определить, как изменится плотность теплового потока, если со стороны воздуха стенку оребрить с коэффициентом F2/F1=1,6.
Задача № 18.
Стальная труба, внутренний и внешний диаметры которой равны d1 и d2 и теплопроводностью λ1 покрыта двухслойной изоляцией. Толщина первого слоя δ2 с теплопроводностью λ2 и второго слоя δ3 с теплопроводностью λ3. Температура внутренней поверхности трубы t1, наружной поверхности изоляции t2. Определить потери теплоты через изоляцию с 1 м трубопровода и температуры на границе соприкосновения отдельных слоев.
Таблица 18.
| № Варианта (последняя цифра зач. кн.) | Температура внутренней поверхности трубы t1, оС | Температура наружной поверхности изоляции t2, оС | Теплопроводность трубы λ1, Вт / (м·К) | Теплопроводность первого слоя изоляции λ2, Вт / (м·К) | Теплопроводность второго слоя изоляции λ3, Вт / (м·К) | Внутренний диаметр трубы d1,, мм | Внешний диа-метр трубы d2,, мм | Толщина пер-вого слоя изо-ляции, мм | Толщина вто-рого слоя изо-ляции, мм |
| 0,2 | 0,1 | ||||||||
| 0,2 | 0,1 | ||||||||
| 0,1 | 0,15 | ||||||||
| 0,15 | 0,3 | ||||||||
| 0,4 | 0,25 | ||||||||
| 0,6 | 0,2 | ||||||||
| 0,5 | 0,2 | ||||||||
| 0,2 | 0,1 | ||||||||
| 0,25 | 0,15 | ||||||||
| 0,15 | 0,25 |
Задача № 19
В противоточном масляно-водяном радиаторе ДВС масло охлаждается от температуры t1’ до температуры t1”. Температура охлаждающей воды на входе и выходе соответственно t2’ и t2”, расход масла m1. Определить необходимую поверхность охлаждения радиатора и расход охлаждающей воды, если коэффициент теплопередачи k, а теплоёмкость масла См. Нарисовать схему теплообменника и показать направление движения теплоносителей.
Таблица 19.
| № варианта (последняя цифра зач. кн.) | Температура масла на входе t’1, оС | Температура масла на выходе t’’1, оС | Температура воды на входе t’1, оС | Температура воды на выходе t’’2, оС | Расход масла m1, кг/с | Коэффициент теплопередачи k,, Вт/(м2·К) | Теплоемкость масла См, Дж/(кг·град) |
| 0,8 | 0,280 | 2,45 | |||||
| 0,9 | 0,295 | 2,5 | |||||
| 1.0 | 0,275 | 2,4 | |||||
| 1.1 | 0,250 | 2,55 | |||||
| 1.2 | 0,262 | 2,6 | |||||
| 1.1 | 0,280 | 2,2 | |||||
| 1,0 | 0,290 | 2,25 | |||||
| 0,9 | 0,267 | 2,4 | |||||
| 0.8 | 0,276 | 2,45 | |||||
| 0,7 | 0,270 | 2,3 |
Вопросы к контрольному заданию
1 Какое уравнение называется «уравнением газового состояния». Чем отличается «уравнение Клапейрона» от «уравнения Менделеева-Клапейрона». Объясните физический смысл величин, входящих в эти уравнения.
2 Что такое «теплоёмкость». Связь между различными удельными теплоёмкостями газов. Почему теплоёмкость газа при постоянном давлении больше теплоёмкости его при постоянном объёме. Какие уравнения связывают между собой эти теплоёмкости.
3 Какой процесс называется изохорным. Соотношения между параметрами в изохорном процессе. Вычисление тепла, работы, изменения внутренней энергии и энтропии в процессе. Теплоёмкость и показатель политропы для изохорного процесса. Изображение в pV- и Ts-координатах. Где протекает этот процесс.
4 Какой процесс является адиабатным. Соотношения между параметрами в адиабатном процессе. Вычисление тепла, работы, изменения внутренней энергии и энтропии в процессе. Теплоёмкость и показатель политропы для адиабатного процесса. Изображение в pV- и Ts-координатах. Где протекает этот процесс.
5 Какой процесс называется политропным. Соотношения между параметрами в политропном процессе. Вычисление тепла, работы, изменения внутренней энергии и энтропии в этом процессе. Какие значения принимает показатель политропы. Изображение в pV- и Ts-координатах (сводный график процесса). Где протекает этот процесс.
6 Формулировка первого закона термодинамики. Его аналитическое выражение. Раскройте физический смысл величин, входящих в это уравнение. Практическая значимость первого закона термодинамики.
7 Основные формулировки второго закона термодинамики. Математическое выражение второго закона термодинамики . В чём практическое значение этого закона.
8 Что представляет собой термодинамический цикл. Какие бывают циклы. Какие параметры и как характеризуют цикл.
9 Что такое «индекс совершенства» для термодинамического цикла ДВС? Пояснить физический смысл этого параметра и определяющих его величин.
10 Что представляет собой цикл С. Карно. Изобразить его в pV- и Ts-координатах. Как определяется термический КПД цикла С. Карно. Можно ли получить термический КПД теплового двигателя больше, чем КПД цикла С. Карно? Почему?
11 Что такое скорость звука? Поясните, как получить сверхзвуковые скорости истечения газа. Приведите примеры.
12 Опишите движение газа через конфузор, диффузор и сопло Лаваля.
13 Какие машины называются компрессорами, их классификация. Приведите схему и pV- и Ts-диаграммы одноступенчатого компрессора. Поясните, какой процесс сжатия является наивыгоднейшим и при каком процессе затрачивается наибольшая работа.
14 Приведите схему, опишите принцип работы и изобразите pV- и Ts –диаграммы многоступенчатого компрессора. Что даёт многоступенчатое сжатие по сравнению с одноступенчатым.
15 Дать описание идеального термодинамического цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объёме, вывести формулу для термического КПД цикла и дать его анализ. Почему, для двигателей, использующих этот цикл, нельзя применять высокие степени сжатия.
16 Изобразить в pV- и Ts-координатах идеальный термодинамический цикл ДВС с подводом тепла при постоянном давлении. Как осуществляется этот цикл? Назовите характеристики цикла и сделайте анализ его термического КПД. Какие двигатели работают, используя этот цикл.
17 Изобразите в pV- и Ts-координатах идеальный термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом тепла. Как осуществляется этот цикл? Назовите характеристики цикла и сделайте анализ его термического КПД. Какие двигатели работают, используя этот цикл.
18 Проведите сравнительный анализ термических КПД термодинамических циклов поршневых ДВС и покажите, какой из них наибольший.
19 Дайте описание газотурбинной установки с горением топлива при постоянном давлении. Изобразите цикл этой ГТУ в pV- и Ts-координатах . Назовите достоинства и недостатки данной ГТУ.
20 Что такое теплопроводность. Сравните теплопроводность различных твёрдых, жидких и газообразных веществ. Как определяется количество тепла, передаваемого теплопроводностью. Приведите примеры передачи тепла теплопроводностью в ДВС.
21 Что называется конвективным теплообменом. Какими величинами характеризуется конвективный теплообмен. Каковы способы интенсификации этого вида теплообмена. Приведите примеры для ДВС и другой техники.
22 Как учитывается передача теплоты излучением в теплообменных устройствах. Какие тела называются серыми.
23 Что называется теплопередачей. Описать передачу тепла через стенки различного вида. Как определяются температуры поверхностей стенок при теплопередаче. Приведите примеры теплопередачи и поясните их.
24 Назначение и классификация теплообменных аппаратов. Какие схемы движения теплоносителей осуществляются в теплообменных аппаратах Сравните их по эффективности.
25 Как используется теория подобия при расчёте теплообменных аппаратов.
26 Что такое «точка росы». Как её определить. Что такое «влагосодержание».
27 Какой пар называется перегретым, как его получают. Какие параметры его характеризуют.
28 Основное и вспомогательное оборудование котельной установки, пояснить принцип их работы.
29 Виды топлив, их характеристики и использование.
30 Методы снижения токсичности продуктов сгорания.
Пример решения задачи
Задача.
Произвести расчет автомобильного радиатора системы охлаждения дизеля КамАЗ-740, если известно, что количество теплоты, отводимого через радиатор составляет 
, 
, 
, толщина стенок трубок радиатора 
. Температура окружаемого воздуха при расчете радиатора принимается равной 
, температура подогрева окружающего воздуха при проходе через радиатор составляет 
, среднюю температуру в радиаторе принимаем равной 850 С.
Дано:
Решение:
1. Определяем коэффициент теплопередачи радиатора системы охлаждения по формуле
2. Средняя температура воздуха при прохождении через радиатор определяется по формуле
3. Определяем площадь поверхности охлаждения радиатора
4. Из соотношения 
определяем площадь поверхности трубок радиатора 
.
5. Площадь поверхности ленты составляет
6. При высоте трубки H=0,8 м и периметре трубки l=0,032 м поверхность охлаждения одной трубки составляет:
7. Число трубок радиатора составляет:
8. Число трубок по фронту определяется по формуле 
;
где В – ширина радиатора,
Принимаем, что В=0,8 м, hтр=10-15 – шаг трубок по фронту
9. Число рядов трубок составляет:
Выводы:
1. Таким образом расчет автомобильного радиатора заключается в определении его площади поверхности охлаждения, площади поверхности охлаждения трубок и лент, числа трубок по фронту и в глубину.
2. Для расчета автомобильного радиатора рядом параметров задаются, а часть параметров рассчитывают.
3. В результате расчета получили компактную конструкцию радиатора, состоящего из трёх рядов трубок.
Список литературы
Основная
1 Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Кемфер и [др.]; под ред. В.Н. Луканина – 5-е изд., стер. [Текст] – М.: Высш. шк., 2005. – 671 с.
2 Нащокин В.Е. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов – 3-е изд., испр. и доп. [Текст] – М.: Высш. шк., 1981 – 491 с.
3 Чернышов, В.В. Теоретические основы расчёта термодинамических циклов тепловых двигателей [Текст] : монография / В.В. Чернышов и др. – Рязань: РВАИ, 2009. – 192 с.
4 Теплотехника: Учеб. пособие / М.М. Хазен, Г.А. Матвеев, М.Е. Грицевский, Ф.П. Казакевич; Под ред. Г.А. Матвеева [Текст] – М.: Высш. шк., 1981. – 491 с.
5 Гидравлика и теплотехника. Курс лекций / Ч.2. Техническая термодинамика [Текст] – Рязань: РВВАИУ, 1988. – 181 с.
Дополнительная
6 Костерев Ф.М., Кушнырев В.Н. Теоретические основы теплотехники: Учебник [Текст] – М.: Энергия, 1978. – 360 с.
7 Ерохин В.Г., Маханько В.Г. Сборник задач по основам теплотехники и гидравлики / Учеб. пособие [Текст] – М.: Энергия, 1972. – 176 с.
Приложение
Образец титульного листа пояснительной записки