Теоретичні основи теплотехніки

>

Оскільки вода практично нестислива, то в процес подачі води 3-4 є ізохорним, в TS - координатах точка 3 і 4 співпадають Робота, яка витрачається на стиснення в 34 8 7 є значно меншою чим в циклі Карно.

Термічний ККД циклу Ренкіна може бути визначений з загального виразу:

де l -робота в циклі;

q1 - кількість підведеної теплоти.

Теплота надається робочому тілу на ділянках 4-5-6-1 при постійному тиску. її можна визначити як

q1=h1-h2’,

де h1- ентальпія пари на вході в турбіну;

h2’- ентальпія живильної води.

Теплота, віддана парою в конденсаторі при постійному тиску на ділягках 2-3 буде рівна q2=h2 -h2’, де h2 - ентальпія пари, яка виходить із турбіни.

Зручно визначити ККД циклу паросилової установки за допомогою h і-s -діаграми, де h1 і h2 визначаються за відомими початковими і кінцевими параметрами адіабатного процесу розширення парив турбіні. h2’- визначається за таблицями насиченої пари для тиску p2

Важливою розрахунковою характеристикою циклу є питомий розхід пари d0 який представляє собою відношення часового розходу пари Dо в ідеальному двигуні довиробпеної елекгроенергіїіУ.

Із теплового балансу ідеального двигуна Dо ( h1- h2)=3600N

(18.2)

Із рівняння (18.1) неможливо вияснити характер впливу параметрів стану водяної пари на величину η циклу Ренкіна.

Для цього використаємо поняття еквівалентного циклу Карно, який проходить в межах середніх температур підведення і відведення тепла.

Із рівняння ηt=1-Т2ср/Т1cр випливає, що із збільшенням інтервалу середніх температур циклу (Т2ср і Т1ср) термічний ККД любого циклу збільшується. Збільшення середньої температури Т1ср в процесі підведення теплоти в циклі Ренкіна можна здійснити двома способами.

Перший - збльшення початкового тиску під ведення теплоти від 2,0 до 10,0 МПа при одній і тій же температурі перегрітої гари Т1=500°С і одним і тим же тиском в конденсаторі р2 = 0,004 МПа підвищує ККД циклу Ренкіна від 0,368 до 0,426 тобто на 16,2 %.

Необхідно відмітити, щовласне підвищення тиску ніякої переваги не дає і якщо б підвищення ηt; можна було б досягнути іншим шляхом то йому необхідно було б надати перевагу. Негативним наслідком підвищення початкового тиску є збльшення степені вологості гари в гроцесі розширення.

Другий - підвищення температури перегрітої гари Т’1>Т1 що також приводить до збільшення середньої температури підведення теплоти в процесі (рисі 8.1.4). В зв'язку з цим найбільш сприятливі результати одержані при використанні високих початкових параметрів пари. Мінімальна температура Т2 визначається температурою навколишнього середовища 20-30°С , що відповідає тиску р=0,0024-0,0043Мпа

Навідміну від теоретичного циклу в дійснік циклах процеси протікають необоротно. Робота тертя пари в турбіні перетворюється в теплоту, підвищує ентальпію пари в кінцевому стані від h2 до h2Д. Тому дійсний процес адіабатного розширення пари в турбін, протікає необоротно зі збільшенням ентропії, умовно позначиться не прямою 1-2, а кривою 1-2д (рис. 18.1.5)

Тоді відноснийвнутрішнійККД турбіни

(18.3)

η01 для сучасних машин складає 0,8-0,9. Абсолютний внутршній ККД для циклу Ренкіна:

(18.4)

ηі- сучасних паросилових установок η становить 0,35.

Дня підвищення ККД паросилової установки використовують попередній підігрів живильної води за рахунок відпрацьованої пари (регенеративний цикл), вторинний перегрів пари (цикл з вторинним перегрівом), комбіноване використання тепла (теплофікаційний цикл).

Особливістю регенеративного циклу (рис. 18.1.6) є те, що конденсат після конденсатора попередньо підігрівається в спеціальних теплообмінниках парою, яку відбирають із проміжних ступенів турбіни. Практично доцільне використання 6-8 степеней.

При відборі пари на підігрів конденсату з однієї сторони зменшується розхід теплоти q1 на одержання пари, але з іншої зменшується робота lо в турбіні. Не дивлячись на протилежний характер цих процесів відбір пари завжди підвищує ηt. Це пояснюється тим, що при підігріві живильної води за рахунок теплоти конденсації відпрасованої пари виключається підвід теплоти від зовнішнього джерела на ділянці 4-5' - (рис.18.1 6) і таким чином середня температура підводу теплоти від зовнішнього джерела в регенеративному циклі збільшується (підведення зовнішньої теплоти здійснюється тільки на ділянц 5 -6-1).

Задачі зручно вирішувати по h-s діаграмі. Розглянемо схему і регенеративний цикл з однимвід бором (рис.18.1.6).

Із одного кілограма пари, яка поступає в турбіну, акг пари розширяються тільки до тиску від бору р20 виконуючи корисну роботу і, l1= а(h1-h2),а 1-a кг розширюються в турбіні до кінцевого тиску р2, виконуючи корисну роботу

l2 = (1-а) (h1-h2)

Загальна робота 1 кг пари в регенеративному циклі:

l0 = l1 + l2 = а(h1-h20)+ (1-а) (h1-h2) або l0 = h1-h2- а (h20 -h2)

Кількість теплоти, затраченої на нагрів 1 кг пари, q1= h1-h20

Tермічний ККД регенеративного циклу:

Кількість відібраної парн визначається із балансового рівня теплоти нагрівана:

(1-а)(h'20- h'2)=а(h20- h'2), (18 6)

звідки:

(18.7)

де h20- ентальпіяшрипритиску відбору;

h'20- ентальпія парн при тиску виходу парн із турбіни;

h'2- ентальпія парн при тиску в конденсаторі.

18.2 Цикл з вторинним перегрівом пари

Як було встановлено негативним наслідком підвищення початкового тискуєзошьшення степені вологості гвривкінці розішрення.

Щоб уткнути підвищення вологості в кінці адіабатного розширення за допустиму межу, використовують підвищення початкової температури перегрітої пари, а також вторинний або проміжний перегрів (рисі 8.2.1 та 182.2). Суть проміжного перегріву полягає в тому, що пару після розширення 1-2 в першій ступені турбіни І при постійному тиску рпр вторинно перегрівають в другому перегрівачу ПП2 до температури Т’1.

Потім пар а поступає в наступну ступень турбіни, депроходить розширення 1’-2 до тиску в конденсаторі. В результаті вторинного Перегріву степінь сухості пари збільшується з x1; до х2 відповідно точки 20 i 2.

Одночасно може підвищуватись і термічний коефіцієнт циклу.

Рис 18.2.1. Принципова схема паросилової установки з вторинним перегрівом пари.

18.3 Теплофікаційний цикл

В описаних цикл ах значна частина теплоти (більше 50%), що надається парі в паровому котлі, відводиться в конденсаторі. Вода, яка має температуру 25-30°С не може бути використана в огвлювапьних системах або для технологічних нужд.

Щоб в подальшому використовувати теплоту необхідно підвищити її температуру, для цього необхідно підвищити тиск парц яка виходить із турбіни. Такі установки працюють з погіршеним вакуумом або з протитиском. Поряд з виробництвом електроенергії вони відпускають теплоту в вигляді пари або гарячої води і називаються теплофікаційннмн(ТЕЦ). Схема і цикл показані на рисунку 18.3.1 та 18 3.2.

В цій установці відсутній конденсатор і пар а після турбіни з підвищеним тиском і температурою Тп направляється до споживача теплоти ТС, віддаючи теплоту споживачу, пара конд енсуєть ся і насосом направляється в котел.

Підвищення протитиску приводить до зменшення електричної енергії і термічного ККД, але загальне використання теплоти qвих при цьому значно підвищується.

qвих=l0 + q2 (13 8)

Комбінований спосіб виробництвом електроенергії і теплової енергії є одним з головних методів підвищення економічності теплових ел ектростанцій і служить основою тепгтофікації.

Характеристикою комбінованого процесу буде служити відношення використаної енергії іо l0 + q2 до підведеної теплоти в процесі q1

(18.9)

В ідеальних випадках, коли вся теплота q2 використовується = 100%. В дійсності досягає 60-80%.

Щоб в великому діагвзоні міняти теплове і електричне навантаження на більшості ТЕЦ використовують конденсаційні турбіни з проміжним відбором пащ, при тиску, необхідному для споживачів теплоти

18.4 Парогазовий цикл

Значне підвищення ефективності ПСУ можна досягнути шляхом комбінування газотурбінної установки з паросиловою (рнс.18.4.1, 18.4.2).

Продукти згорання після парового котла з температурою біля 700°С поступають в газову турбіну Т1. Попередній нагрів конденсату, який поступає в котел, проводиться випускними газами газової турбіни (процес d-а) в газоводяному підігрівану ГВ. Пара з котла поступає в парову турбіну Т2.

Відповідно в таких умовах ефективно використовується гази, що виходять із котла, а також покращується використання газів, які залишають газову турбіну. Переваги газотурбінного циклу - використання більш високої темстератури робочого тіла. В газових турбінах до 700°С, в паросилових установках - 500-550 ЯС. Перевага перед газовими є те, що в паровому котлі використовується більш низька температура холодного джерела. В газотурбінному температура на виході складає 150°С, а в паросиловому 25-30°С. Комбінована установка дає економію палива на 15% в порівнянні з паротурбінною.

19. Цикли холодильних установок

Холодильні установки використовують в харчовій промисловості і побуті, при заморожуванні ґрунту в будівництві тунелів і каналів, в хімічній і газовій промисловості приспалюванні газу, кондиціюванні повітря

Холодильні установки працюють по поротних циклах.

19.1 Цикл повітряної холодильної установки

Повітря з холодильника 1 (рис. 19.1.1), яке охолоджує приміщення 5 всмоктується в циліндр компресора 2 (процес й-1), де стискується (процес 1-2) (рис 19.1.2). При стискуванні температура повітря підвищується від Т1, до Т2 (процесі -2). Стиснуте повітря виштовхується з циліндра компресора (процес 2-b) в теплоприймач 3, де ізобарно охолоджується до температури Т3, віддаючи теплоту охолоджуючій воді q=Cрm1(Т2- Т3)

Охолоджене повітря прн тиску Р3 поступає в щліндр розширювальної машннн 4 (процес в-3). Тут проходить процес його адіабатнчного розширення від Р3 до Р4 = Р1 з виконанням роботи.

При адіабатичному розширенні повітря температура його знижується до 203...21K.

Охолоджене повітря з цнлівдра розширювальної машннн виштовхується в холодильник 1 (процес 4-1), де ізобарно нагрівається (4-1), забираючи від середовища приміщення кількість теплоти з, q1= Cрm2 (Т1- Т4). Площа а12bа показує роботу компресора lk площа b34аb - роботу розширювальної машннн lр, а площа 12341 рівна різниці площ - роботу, яка витрачається в установці, тобто роботу циклу lk = lk - lр.

З іншої сторони, робота циклу lk=q1-q2- Холодильний коефіцієнт установки визначаємо наступним чином:

(19.1)

Приймаємо Cрm1= Cрm2 і поділимо чисельник і знаменник дробу на (Т1- Т4).. Одержимо:

(19.2)

З адіабат 1-2 і 3-4 слідує,що

а

Оскільки

р2 =р3 і р4=р1,

то

Т2/Т1 = Т3/Т4 ; Т4/Т1= Т3/Т2

Тоді:

Підставляємо в рівняння (19.2). Одержима

(19.3)

Порівняємо між собою холодильні коефіцієнти циклу повітряної установки і зворотного циклу Карно, взятих в одному і тому ж інтервалі граничних температур холодильника і теплоприймача

При ізотермічних процесах підводу і віддачі теплоти в зворотному щклі Карно гранична температура холодильника повинна бути рівна Т1, анагрівача -Т3. Тоді холодильнийкоефіцієнгзворотногоциклу Карно:

Т3< Т2 то чпл<чк

Холодильний коефіцієнт називають також питомою холодопродуктивністю qо, яка показує кількість відібраної від холодильного джерела теплоти на одиницю затраченої роботи.

Цикл повітряної холодильної установки малоефективний. Крім того повітря має малу теплоємність, в результаті чого потрібний його великий об'єм.

19.2. Цикл парової холодильної установки

Відношення маси аміаку до маси розчинника називається масовим відношенням аміаку.

Коли t -34 обидва компоненти знаходяться в рідкому стані. Якщо розчин підігрівати, аміак випарується і в кінці масове відношення рівне 0. Пара буде чистий аміак, а рідина - вода. охолоджуюча

Рис. 19.4.1. Схема абсорбційної холодильної установки.

На рнс.19.4.1. показана схема найбільш простої абсорбційної установки. В кип’ятильнику 1, який містить водно-аміачний розчин при тиску рк і міцності ζк, проходить випарювання з розчину аміаку за рахунок теплоти, яка поступає з гарячим теплоносієм. На випарювання витрача ється теплота в кількості q1,.

Одержані таким чином пари аміаку направляються в конденсатор 2, де, віддаючи теплоту охолоджуючій воді (навколишньому середовищу), конденсується при рк = const. В результуючому вентилі 3 тиск рідкого аміаку знижується до тиску в абсорбері 6 ра< рк, в якому міцність розчину підтримується ζк > ζa. При такому тиску аміак поступає у випарник 4 і перетворюється в пару за рахунок теплоти q2, яка відводиться від охолоджуючих тіл в холодильній камері 5. Потімпаранаправляєгьсяв паровий простір абсорбера 6, в якому знаходиться випарений із розчину аміак, що має в зв'язку з цим Яльш високу температуру, ніж пара, яка поступила із випарювача. Ця хол одна парапоглннається розчином. Виділена при поглинанні теплота виводиться із абсорбера охолоджуючою водою.

Для того, щоб масове відношення розчинів в котлі і абсорбері запишалось весь час постійним, проводять перекачування насосом 7 розчину з більшим масовим відношенням з абсорбера в котел, а розчин з меншим масовим відношенням поступає з котла в абсорбер. В результаті того, що тиск в котлі вищий, чим в абсорбері, розчин по шляху в абсорбер проходить через дросельний клапан 8.

20. Тепловий насос

Тепловий насос - це машина призначена для поглинання теплоти з навколишнього середовища і передачі її об'єкту з ошьш високою темпер атурою.

На рис. 20.1. показана схема теплового насосу. Основними елементами є: компресор 1, конденсатор 2, регулюючий вентиль 3 і випарник 4, які складають звичайну компресійну холодильну установку. Вигарювання холодильного агенту в випарнику проходить за рахунок холодної води з жого-небудь водоймища. Подача водив випарник проходить за допомогою насосу 5. Охолоджена в випарнику вода скидається далі в водоймище. Конденсація виштовхнутого із компресора агента здійснюється в конденсаторі водою із зворотньої лінії системи опалення Підігріта в конденсаторі вода направляється в прилади опалювання 9, розміщені в опалюваному приміщенні 7. Циркуляція водив системі огвленняздійснюєтьсянасосом 6.

Рис 20 1 Тепловий насос

Ефективність теплового насосу оцінюється опалювальним коефіцієнтом

де q1 - питома теплота, яка виділяється при конденсації холодильного агенту в конденсаторі;

l0 - питома робота, яка затрачається на привід компресора.

ОСНОВИ ТЕПЛООБМІНУ

Основні види теплообміну.

Теорія теплообміну вивчає закони поширення і передачі теплоти між тілами

Розрізняють три види тепло обміну: теплопровідність, конвекція і променистий тепп ообмін.

21. Теплопровідність

Якщо у твердому тіш, нерухомій рідині або газі температура в різних точках не однакова, то теплота буде переходити від ділянки тіла з більшою

температурою до ділянки тіла з меншою температурою. Такий процес передачі теплоти називається теплопровідністю. Теплота при цьому передається за рахунок руху і взаємодії ел ементарних частинок - електронів.

Необхідною умовою процесу теплопровідності є різниця температури в різних точках тіла. В загальному випадку температура є функціао координат і часу:

t=f(x,y,z,τ) (21.1)

Сукупність значень температури для всіх точок простору в даний момент часу називається температурним полем.

Якщо температура тіла не змінюєтьсяв часі, то таке температурне поле називається стаїі онарннм, якщо змінюється - не стаціонарним.

Температура може бути функцією однієї, двох або трьох координат. Відповідно цьому температурне поле може бути одновимірним, двовимірним і тривимірним.

Рис. 21.1. До визначення температурного градієнту і теплового потоку.

При довільному температурному полі в тілі можна знайти точки з однаковою температурою. Геометричне місце таких точок утворює ізотермічну поверхню (рис. 21.1). Очевидно, що передача теплоти може відбуватися тільки від поверхні з більшою температурою до іншої з меншою температурою. Кількість переданої теплоти буде залежати від різниці температур між цими ізотермічнимиповерхнямиі від віддалі міжними.

Границя відношення зміни температур ∆t між двома ізотермічними поверхнями до віддані між ними ∆n взятій по нормалі називається темпер атурним градієнтом.

(21.2)

Температурний градієнт є вектором, направленим по нормані до ізотермічної поверхні в сторону збільшеннятемператури.

Теплота поширюється в сторону гротиггежну градієнту температури, тобто в сторону меншої температури. Кількість теплоти, яка ператосить ся через будь-яку ізотермічну поверхню за одиницю часу називається тепловим потоком Q[Вт]

Тепловий потік віднесений до одиниці площі називається густиною теплового потоку . Густина теплового потоку величина векторна і направлена в сторону поширення тепла.

21.1 Закон Фур’є

Фур'є експериментатгьно встановив, що кількість переданої теплоти пропорційна падінню температури, часу і площ січення, перпендикулярно направленого напряму поширення теплоти,

Q=λFτgrad t (21.3)

Для густити теплового потоку закон Фур'є буде мати вигляд:

(21.4)

Де n-називається коефіцієнтом теплопровідності ,.

Знак "-" показує, що напрям поширення теплового потоку і напрям градієнту температури- протилежні.

Коефіцієнт теплопровідності є фізичною властивістю речовини і характеризує її здатність проводити тепло:

Значення коефіцієнта теплопровідності представляє собою кількість теплоти, яка проходить через одиницю площі ізотермічної поверхи за одиницю часу при температурному градієнті рівному одиниці.

Дтярізних матеріалів коефіцієнт теплопровідності різний і в загалшому випадку залежить від структури, густини, температури, вологості і тиску. В зв'язку з тим, що в процесах теплообміну температура тіла змиюється і неоднакова в різних частинах тіла, тов першу чергу необхіднознатн залежність коефіцієнту теплопровідності від температури. Для металів ця залежність майже лінійна

(21.6)

n0- коефіцієнт теплопровідності прн температурі t0

b-постійна, жавизначаєтьсядослідним шляхом.

Коефіцієнт теплопровідності газів лежить в межах 0,005-0,5 Вт/мК З підвищенням температури коефіцієнттеплопровідності росте.

Коефіцієнт теплопровідності крагшевих рідин лежить в межах 0,08-0,7Вт/мК. З гідвищенням температури зменшується, за виключенням води і гліцерину.

Коефіцієнт теплогровідності металів лежить в межах 20-400 Вт/мК. Найбльш тепгтопровідним металом є срібло (n=410) потім чиста мідь (n=395), золото (n=300), алюміній (n=210).

Дня більшості металів при збільшані температури коефіцієнт теплопровідності падає. Коефіцієнт тепгтопровідності падає при наявності в металі різних домішок. Так коефіцєнт теплопровідності дгтя чистої міді n = 395Вт/м К а для міді зі слідами миш 'яку n=1425т/м К

21.2 Диференціальне рівняння теплопровідності

Розглянемо передачу теплоти за рахунок теплогровідності через елементарний кубик з гранями dх, dу, dz приймаючи, що коефіцієнт теплопровідності n, питома теплопровідність Ср і густина с постійні (рис 21.2)

Визначимо потік теплотичерез грані елемента в результаті теплопровідності. З гідно закону Фур'є кількість теплоти, яка проходить через грань АВСДВ направленні осі Х рівна

(21.7)

а через грань ЕFGК, яка має температуру

за цей же час

(21.8)

Віднімаючивід рівняння(21.7) рівняння(21.8) одержима

(21.9)

Аналогічнов напрямі осей У i Z

(21.10)

(21.11)

Кількість теплоти, яка залишилася в цьому об'ємі:

(21.12)

В зультаті цього температура тіла зміниться

(21.13)

а значить

Після скорочення одержима

де

а=

коефіцієнт температуропровідності.

- операторЛапласа.

Одержане рівняння називається диференційним рівнянням теплопровідності Фур'є-Kірхгофа.

Дня того, щоб розв'язати рівняння теплопровідності в кожному конкретному випадку необхідно поставити умови однозначності. Умови однозначності включають:

геометричні умови, які характеризують розміри і положення системи;

фізичні умови, які визначають теплофізичні параметри тіла (коефіцієнт теплопровідності, густин а, теплоємність);

початкові умови, які описують розпрнділення температури в тілі в

початковий момент часу;

граничні умови, які описують стан тіл а на гр аничних поверхнях.

Граничні умови бувають трьох родів.

Граничні умови першого роду задають температуру на граничних поверхнях: t=f(x,y,z)

Граничні умови другого роду задають тепловий потік на граничних поверхнях: q=f(x,y,z)

Граничні умовитретього роду задають коефіцієнт тепловіддачі а і температуру навколишнього середовища tn

21.3 Тетопровідність плоскої стінки

Розглянемо одношарову необмежену плоску стінку, товщиною Б , з коефіцієнтом теплопровідності А. (рис. 21.3.1).

Визначимо постійні інтегрування, використовуючи граничні умови (21.15).

х=0х = 6

c2=t1t2=c1δ+t1

Отже розподілення температури в стінці

буде мати лінійний характер.

Визначити тепловий потік через плоску одношарову стінку можна, використовуючи закон Фур'є (21.4).

Проінтегрувавширівняння від t1 до t2, одержимо:

- називають теплопровідністю плоскої стінки.

- термічний опіртеплопровідносп одношарової стіки.

21.4 Теплопровідність багатошарової стінки

Розшянемо теплопровідність багатошарової плоскої стінки з товщиною шарів δ1, δ2, δ3 і коефіцієнтами теплопровідності λ1, λ2, λ3, (рис 21.4.1).

Після додавання лівих і правих частн рівнянь, одержима

(21.17)

для п шарів

(21.18)

21.5 Теплопровідність через циліндричну стінку

Розглянемо стаціонарний процес теплопровідності (рнс 21.5.1).

Проінтегру єм о рівняння:

(21.21)

Підставимо граничні умови (21.20) в рівняння (21.21).

(21.22)

(21.23)

віднімемо від (21.22) рівняння (21.23):

(21.24)

Теплопровідність через цилівдрнчну стінку

(21.25)

- термічний опір теплопровідності через циліндричну стінку.

Дня багатошарової циліндричної стінки тепловий потік рівний :

(21.26)

21.6 Теплопровідність тіл з внутрішнім джерелом теплоти

Розглянемо стінку товщиною - 2δі коефіцієнтом теплопровідності – λ (рис 21.6.1). В стінці діє внутрішнє джерело з об'ємною густиною теплового qv

(21.27)

Інтегруємо рівняння (21.27):

Підставимо граничні умови: х = 0 , t0 = С.

Одержимо:

-рівняння зміни температури в плоскій стінці з внутрішнім джерелом теплоти.

22. Конвективний теплообмін

Конвекцією називається процес поширення теплоти за допомогою руху макроч астин ок рі ди нн.

В інженерній практиці найчастіше розглядають теплообмін між рухомою рідиною і твердою поверхнею, який називається конвективнич теплообміном, або тепловідд ачею

Згідно закону Ньютона-Ріхмана тепловий потік Q від рідини до стінки пропорційний площі поверхні теплообміну і різниці температур між твердою етикою tc і рідиною tp.

(22.1)

Де а-коефіцієнттепловіддачі Вт/м2К

Фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі можна визначити як кількість теплоти, яка проходить через одиницю площі ізотермічної поверхні за одиницю часу при різниці температур між стінкою і поверхнею рівною 1 С.

Процес конвективного теплообміну нерозривно зв'язаний з руком рідини Розрізняють два видируху-вимушений і вільний.

Вільний рух рідини виникає в результаті дії масових сил; вимушенім -

при дії стороннх збудників (насоси, вентилятори). На процес конвективного теплообміну впливає і режим руху - ламінарний чи турбулентний При ламінарному русі течія має спокійний характер, при турбулентному -утворюються завихрення Але при люб ому режимі руху рідини в тонкому шарі біля поверхні стінки рух рідини в результаті дії сил тертя сповільнюється і швидкість падає до нуля. Тонкий шар рідини біля поверхні тіла, в якому відбувається зміна швидкості рідини від значення швидкості не збудженого потоку подалі від стінки до нуля безпосередньо на стінці називається динамічнимпограничним шаром.

Тонкий шар рідини, безпосередньо біля стінки, рух в якому має ламінарний характер,називають в'язкимпідшаром .Якщо температури стінкиі рідини неодинакові, то біля стінки утворюється тепловий пограничний шар, в якому відбувається вся зміна температури рідини. За пограничним шаром температура рідини постійна і рівна й. В загальному випадку товщини теплового і динамічного шару можуть не співпадати. Співвідношення товщини динамічного і теплового пограничних шарів визначається безрозмірним числом Прандля:

(22.2)

Де v-кінематичнав'язкість рідини;

а-коефіцієнт температуропровідності.

Безпосередньо біля стінки в ламінарному підшарі перенесення теплоти до стіїки здійснюється теплопровід ні стю і може бутивиражене законом Фур'є:

Де п – нормаль до поверхні тіла

Цю ж кількість теплоти можна визначити законом Ньютона-Ріхмана

Прирівнюючи ці рівняння одержимо:

; (22.3)

Диференціальне рівняння, що описуєумови теплообміну на поверхні каналу (п = 0) називається рівнянням тепгтопер едачі.

По своїй фізичній суті конвективний теплообмін є дуже складним процесом і залежить від великого числа факторів, які визначають процес тепловіддачі. В загальному випадку коефіцієнт тепловіддачі є функцією фізичних параметрів рідини, характеру руху, форми і розмірів тіла.

Звідси коефіцієнт тепловіддачі:

а =f(λ,l,ρ,v,υ,β,Ф,a). (22.4)

Рівняння (22.4) (показує, що коефіцієнт тепловіддачі -складна величина і для її визнач еннянеможливодатизагальну формулу. Як правило для визначення а необхідно використовувати експериментальні дослідження.

22.1 Основні поняття теорії подібності

При вивченні різних фізичних явищ використовують два методи досліджень, які дозволяють одержати кількісні закономірності. В першому методі використовується експериментальне дослідження конкретних властивостей одиничного явищ а, в друго му - виходять з теоретичного дослідження даної проблеми. Перевагою експериментального методу дослідження є достовірність одержаних результатів. Але результати даного експерименту не можуть бути використані стосовно другого явица, яке в деталях відрі зняєть ся від вивчено го.

Другий метод досліджень для знаходження кількісних характеристик використовує найбільш загальні закони природи, які в свою чергу є результатом надзвичайно широкого уза гальнення дослідних даних.

Будь-яке диференціальне рівняння є математичною моделлю цілого класу явищ.

Таким чином, гід класом розуміють таку сукупність явищ, які характеризуються основним механізмом процесіє і однаковою фізичною природою

Явища, які входять в клас, підпорядковуються однаковим рівнянням як по формі, так і по фізичному змісту величин, які в нього входять Наприклад, диференціальне рівняння теплопровідності.

До кожного диференціального рівняння необхідно поставити умови однозначності.

В багатьох випадках знайти рішення диференціального рівняння, яке б відповідало конкретним умовам однозначності неможливо.

Об'єднання двох методівздійснюється теорією подібності.

Крім класу явищ і одиничного явища теорія подібності вводить поняття групи явищ

Групою явищ називають сукупність фізичних процесів, які описуються однаковими по формі і змісту диференціальними рівняннями і однаковими по формі і змісту розмірними умовами однозначності.

Поняття про подібні сть явищ зустрічається ще в шкільному курсі, коли ми говоримо про подібність трикутників. В даному випадку мова йде про геометричну подібність. Можна також говорити про подібні сть картини руху двох потоків рідини - кінематичну подібність, подібність поля розподілу сил -динамічну подібні сть, подібність розподілу температур-теплову подібність.

В загальному вигляді поняття подібності явищ зводиться до наступних положень:

Понягтяпро подібність у відношенні до фізичних явищ можна тільки застосовувати до явищ фізично однорідних, які описуються однаковими по формі і по змісту аналітичними рівняїнями.

Обов'язковою умовою подібності явищ є геометрична подібність.

При аналізі подібних явищ сггівставляги між собою можна тільки однорідні величини у відповідних точках простору і у відповідний момент часу.

Однорідними називаються величини, які мають однаковий фізичний зміст і однакову розмірність.

Відповідними точками геометрично подібних систем називаються такі точки, координати яких задовольняють умові:

; ;

Два проміжки часу називають ся відповідними, якщо вони мають спільний моментвідгтіку і зв'язані між собою співвідношенням:

- Подібність двох фізичних явищ означає подібність всіх величин, які

характеризують дане явище.

Це означає, що у відповідних точках простору і у відповідний момент часу для любих однорідних фізичних величин справедлива рівність: Х1 = СХ2.

Коефіцієнт пропорційності С називається константою подібності, або постійною подібності.

Постійні подібності не можна встановлювати або вибирати випадкова Між ними існує зв'язок, який виводиться із математичного опису процесу. Сгівв ід ношення між постійними подібності встановлює існування особливих величин, які називаються числами подібності.

Числа подібності встановлюються з розв'язку диференціаттьних рівнянь або шляхом узагальнення експериментальних даних. Наприклад, розглянемо рівняннятеплопередачі (22.3):

(22.5)

(22.6)

Позначимоконстантиподібності:

; ; ;

Звідси:

;

і.т.д., підставляючи ці співвідношення в рівняння (22.6) і скоротивши на С, одержимо:

(22.7)

Рівняння (22.5) і (22.7) тотожні, оскільки виражають зв'язок між параметрами процесу, обумовленим диференціальні мрівнчнням тепловіддачі:

;

де - число Нуссельта - характеризує теплообмін в пограничному шарі.

Безрозмірні числа подібності представляють собою нові змінні. Кількісний зв'язок між числами подібності визначається дослідним шляхом Вказівку на те, в якому напрямку вести експеримент дає теорія подібності.

В основу теорії подібності покладені три теореми

Перша теорема: Подібні між собою явища мають одинакові критерії подіон ості.

Теорема вказує на те, що при виконанні дослідів необхідно і достатньо вимірювати лише ті величини, які входять в числа подібності явища, яке ми вивчаємо.

Друга теорема подібності: Залежність між змінними величинами, які характеризують процес, може бути подана у вигляді залежності між числами подіон ості.

З другої теореми подібності випливає, що результати любого експерименту можна описати у вигляді критеріїв подібності і залежність між нимиподати увигляці рівнянь подібності.

Третя теорема подібності вказує необхідні умови для того, щоб явища виявилися подібними один одному.

Третя теорема може бути сформульована наступним чином - подібні ті процеси, умови однозначності яких подіоні, і числа подібності, складені зумов однозначності, чисельно одинакові.

Тобто вшначальнезначення мають числа подібності складені з величин, які входять в умови однозначності. Такі числа подібності називаються критеріямиподібності.

Таким чином, теорія подібності дозволяє не інтегруючи диференціальне рівняння одержати з них числа подібно сті і встановити рівняння подібності, які справедливі для всіх подібних процесів.

Конвективний теплообмін характеризується такими числами подібності:

числоПрандгля

характеризує теплофізичніпараметрнречовини

число Грасгофа

де β -коефіцієнт об'ємного розширення; g-прискорення вільного падіння;

l - характерний лінійний р оз мір;

v-кінематична в'язкість;

∆t -різниця температур між стінкою і рухомим середовищем.

Число Грасгофа характеризує кінематичну подібність явищ при вільній конвекції

Число Реинольдса:

,

де ω-швидкість руху.

Число Реинольдса характеризує гідродинамічну подібність явищ.

В теорії теплообміну часто використовують також числа подібності:

число Фур'є

де τ- час процесу,характеризує нестаціонарні явища теплопровідносп;

число Біо

де λ -коефіцієнт теплопровідності твердого тіла.

Число Біо характеризує поширення теплоти в тілі при нестаціонарній теплопровідності;

число Пекле

характеризує співвідношення між швидкістю руху

джерела теплоти і швидкістю поширення теплоти

Залежність між критеріями подібності представляється у вигляді критеріальних рівнянь.

Загальний вигляд критеріального рівняння вимушеної конвекції можна записати так:

Nu=f(Re,Pr)

Визначальним є критерій Рейнольдса. По його величині можна вибирати показник степеня і коефіцієнгив рівнянні.

Длявільної конвекції критеріальне рівняння має вигляд:

Nu=f(Gr,Pr)

Де визначальним є критерій Грасгофа.

Для вільно-вимушеної конвекції:

Nu=f(Re,Gr,Pr)

Для вибору теплофізичним параметрів при розрахунку критеріїв подібності при вільній конвекції визначальною є середня температура між стінкою і рухомим середовищем, при вимушеній- середня температура рідини.

23. Променистий (радіаційний) теплообмін

Променистий теплообмін - це процес поширення теплоти за допомогою електро матнітнж хвиль.

Випромінювання характеризується довжиною хвилі X і частотою V. Теплове випромінювання має однакову природу з іншими видами випромінювання і відповідає діапазону довжин хвиль від 0,8-10-6 <λ<0,8-10-3 м. Роль теплового випромінювання особливо велика в процесах з високою температурою. Мж процесами теплопровідності, конвекції і променистим теплообміном існує суттєва різниця В процесах променистого теплообміну суцльність середовища необов'язкова. За рахунок променистого теплообміну тепло поширюється і в вакуумі.

Величина теплового випромінювання, яка відповідає дуже вузькому

інтервалу зміни довжини хвилі від λ до λ + dλ, який можна характеризувати даним значенням довжини хвилі λ, називається потоком монохроматичного випромінювання Qλ.

Потік випромінювання, який відповідає всьому спектру в межах від нуля до ∞, називається інтегральним або повним променистим потоком Q.

Потік, який випромінюється з одиниці поверхні по всіх напрямках наггівсф еричн ого простору називається густиною теплового потоку.

Випромінювання, яке визначається гриродою даного тіла називається власним. Енергія електромагнітних хвиль (Епад) які попадають на навколишні тіла, частково поглинаються ними (Епог). При і*ому частина енергії випромінювання переходигьу внутрішню енергію поглинального тіла, частина відбивається (Евід) і частина проходить крізь нього (Епр).

Згідно закону збереження енергії:

Епад= Епог+ Евід+ Епр (23.1)

Позначимо Епог/ Епад=А; Евід/ Епад=R; Епр/ Епад=Д

де А - коефіцієнт іюглннання;

R - коеф іцієнт відбивання;

Д - коефіцієнт пропускання

А+R+Д=1

Якщо тіло поглинає всі падаючі на нього промені. тобто.А=1. Д=0. R=0. то воно називається абсолютно чорним. Коли вся падаюча енергія відбивається. R=1, .A=0. Д=0. то тіло називається дзеркальним. .Якщо Д=1, .A=0. R=0, то таке тіло називається прозорим. Тіло, яке приймає участь в теплообміні крім власного випромінювання буде відбивати падаючу на нього енергію:

Евід= RЕпад (23.2)

Сума енергії власного і відбитого випромінювання становить ефективне випромінювання

Для площини а-а

qp=E-Eпог=Е-АЕпад (23.4)

Для площини b-b

qp=Eеф-Епад (23.5)

Із рівняння (23.4)

Eеф= qp +Епад (23.6)

В свою чергу (23.4)

Підставляючи вираз для Епад в рівняння (23.6) одержимо:

(23.7)

23.1 Закони променистого теплообміну

Залежність мі ж спектральною інтенсивністю випромінювання абсолютно чорного тіла і довжиною хвилі встановиюсзакон Планка:

де с1=3,74∙10-16Вт∙м2

с2=1,44∙10-2м/град

При декому значенні λm залежність має максимум. Для всіх довжин хвиль інтенсивність випромінювання тим вища, чим вища температура. Максимум кривих з підвищенням температури зміщується в сторону більш коротких довжин хвиль.

Згідно закону зміщення Віна:

λmaxT=2,898∙10-3 мК (23.9)

Якщо проінтегрувати залежність (23.8) по всьому інтервалі хвиль одержимо закон Стефана-Больцмана. Гостина інтегрального випромінювання для абсолютно чорного тіла пропорцйна температурі в четвертій степені:

Е=σ0∙Т4, (23.10)

де σ0= 5,6710-3 Вт/мК- постійна Стефана-Больцмана.

Для сірих тіл:

Е=εσТ4 (23.11)

де ε - ступінь чорноти - відношення випромінювальної здатності сірого тіла до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла при цій же темпер атурі.

Згідно закону Кірхгофа відношення густини потоку випромінювання сірого тіла до його поглинальної властивості не залежить від природи тіла і рівне густині потоку випромінювання абсолютно чорного тіла при цій же темпер атурі.

Розглянемо систему двох тіл, які мають необмежені плоскі поверхні, повернуті одна до іншої (рис. 23.1.2). Поверхня 1 належить сірому тілу, а поверхня 2 - абсолютно чорному.

Де Eφ0 - густина потоку випромінювання, яка відповідає куту φ

dΩ - елементарний тілесннйкуг.

23.2 Теплообмін між дбома тілами

Як правило, тілов процесі променистого теплообміну взаємодіє з іншими тілами Розглянемо процес теплообміну між двома плоско паралельними поверхнями, (рис 232.1). Дія кожної повфхні задані постійні в часі температури Т1 і Т2 (Т1>Т2), поглинальні властивості тіл А1 і А2.

Падаючий на пластину променистий потік рівний ефекгивн ому випромінюванню першої пластини і навпаки.

Тоді результуючий тепловий потік:

Q1-2=Eеф1- Eеф2 (23.14)

В свою чергу за формулою (23.7):

Враховуючи що Q12=-Q21 і підставляючи в значення q12 одержим:

Звідси:

Згідно закону Кірхгофаі Стефана-Больцмана:

звідси

(23.15)

(23.16)

Розглянемо променистий теплообмін між двома тілами, одне з яких знаходиться є порожнині іншого (рис 23.2.2). Поверхня внутрішнього тіла F1 випукла, зовнішнього F2 - ввігнута - відповідне значення температур поверхонь Т1 і Т2 (Т1>Т2) пошинальні властивості тіл А1 і А2. Резупьтуючий тепловий потік, який передається від першого тіла до другого, визначається рівнянням:

(23.17)

де φ21- середній кутовий коефіцієнт випромінювання, який характеризує частину випромінювання зовнішньої поверхні, яка по падає на внутрішню.

Частина енергії, яка залишилася, проходить повз внутрішнє тіло і знову попадає на зовнішню поверхню.

Рис 23.2.2. Схема променистого теплообміну між тілами в замкнутому просторі

Повні потоки ефективного випромінювання визначається співвідношенням:

(23.18)

Враховуючи, що Q12 = -Q21 також співвідношення (23.17) і (23.18) одержима

Замінити співвідношення виразом

одержимо:

Дня визначення величини φ21 приймаємо Т1= Т2 і отже Q12 = 0.

В цьому випадку F1- φ21F2=0 , звідси

Кінцевий вираз для результуючого потоку:

(23.19)

де:

приведена поглинальна здатність системи

При випромінюванні тіла в необмежений простір з температурою Т2 приймемо F1<<F2. Тоді:

(23.20)

При наявності екранів поглинапьна здатність:

Де А1, А2 -тюглинапьна здатність тіл;

Аеі – поглинальна здатність і-го екрану;

п-кількість екранів.

24. Теплопередача

Теплопередачу можна розглядати як теплопровідність при граничних умовах треть ого роду. Теплопередача включає в себе: тепловіддачу від більш гарячої рідини до стінки, теплоповідність в стінці, тепловіддачу від стінки до більш холодного середовища.

Теплопередача - це передача тепла від одного рухомого середовища до іншого через розділюючу стінку до іншого.

24.1 Тепюпередача через плоску спинку

При стаціонарному тепловому режимі тепловий потік через стінк

(24.2)

Той же тепловий потік передається від стінки до холодного середовища

Рівняння можна зали сатиувнгляді:

(24.3)

Якщо просумувати всі рівняння отримаємо:

Тепловий потік становить:

(24.4)

Величину

називають коефіцєнтом теплопередачі,

Рівняння можна загасати у вигляді:

q=k(tp1-tp2), (24.5)

Величина, обернена до коефіцієнта теплопередачі, називається повним термчнимопоромтеплопередачі:

Оскільки загальний термічний опір складається з часткових термічних опорів, то у випадку багатошарової стінки необхідно враховувати опір всіх складових:

(24.6)

Густина теплового потоку через багатош рову стінку:

(24.7)

Температури поверхонь:

;

На межі двох шарів температуру можна визначити за формулою:

(24.8)

24.2 Теплопередта через циліндричну стішу

Розглянемо однорідну циліндричну стінку довжиною l зі сталим коефіцієнтом теплопровідності λ (рис. 24.2.1). Температури рухомих середовищ відповідно tр1 і tр2 постійні коефіцієнти тепло віддачі на внутрішній і зовнішній поверхнях труби а1, і а2.

Рис. 24.2.1. До визначення теплового потоку через циліндричну стінку.

Допустимо, що довжина труби велика порівняно з товщиною стінки. То му в трата ми з тор ця тру ои можна знехтувати.

Кількість тепла, яке поступає від рухомого середовища до стінки і від стінки до другого середовища буде одна і таж

Від середовищадостінки:

q1=a1πd1(tр1- tc2)

Тепловийпотік через стінку:

Від стінки до другого серед овища:

q2=a2πd2(tр1- tc2)

Запишемо рівняння наступним чином:

Просумуємо рівняння і одержимо:

Звідси:

Позначимо:

(24.9)

Рівняння запишеться:

q1=k1pπ(t1-t2), Вт/мК

Значення k1 чисельно рівне кількості теплоти, яка проходить через стінку довжиною 1м за одиницю часу від одного середовища до іншого при різниці температур між ними в один градус.

Величина

обернена до лінійного коефіцієнта теплопередачі називається лінійним термічним опором теплопередачі.

Окремі доданки повного термічного опору представляють собою:

, - термічні опори тепловіддачі на відповідних поверхнях;

- термічний опір теплопровідності стінки.

Якщо тепловий потік через циліндричну стінку віднести до внутрішньої або зовнішньої гюверхні стінки, то отримаємо густину теплового потоку Вт/м , віднесену до одиниці відповідної поверхні труби:

Тобто:

kl=d1.k1= d2.k2

Формули для k1і k2 мають вигляд:

У випадку теплопередачі через багатошарову стінку система рівнянь (24.9) повинна бути замінена системою, яса враховує опір теплопровідності всіх шарів:

(24.10)

З рівняння отримаємо, що:

Критичиеий діаметр теплопередачі через циліндричну стінку. Розглянемо вплив зміни зовнішнього діаметра на термічний опір однорідної циліндричної стінки:

При постійних значеннях а, d, λ та a2 - повний термічний опір циліндричної стінки буде залежати від зовнішнього діаметра.

При збільшенні d2 вираз - буде зростати, а - зменшуватись.

Дослідимо Rl як функцію d2 на екстремум:

При - термічний опір теплопередачі буде мінімальним.

Значення зовнішнього діаметра труби, яке відповідає мінімальному критичному опорові теплопередачі називається критичним діаметром і позначається dкр:

(24.11)

Якщо труба має ізоляцію зовнішнім діаметром й-^ то термічний опір для такої труби буде:

24.3 Шляхи інтенсифікації теплопередачі

Розшянемо шляхи інтенсифікації теплопередачі:

а) інтенсифікація теплопередачі шляхом збільшення коефіцієнтів тепловіддачі.

З рівняння теплопередачі Q=kF∆t слідує, що при заданих розмірах стінки і температурах рідини величиною, яка визначає тепловий потік, є коефіцієнт теплопередачі k. Але оскільки при теплопередачі k є характеристикою складною,тонеобхіднопроаналізувативсіскладові:

При =0 (длятонких стінок):

Із рівнянь видно, що коефіцієнт теплопередачі не може бути більшим найменшого а.

При а2 →∞, k→ а1

При а1→∞, k→ а2

Якщо збільшення більшого з коефіцієнтів теплопередачі (а2) практично не дає збльшення k Збільшення меншого з коефіцієнтів а1, в 2-5 разів дає збільшення k в 2,5 разів.

б) інтенсифікаціятеплопередачі зарахунокоребрення стінок.

При передачі теплоти через циліндричну стінку термічний опір і

визначається не лише коефіцєнтом тепловіддачі, але і розмірами самих поверхонь. Таким чином, якщо а мале, то термічний опір можна збільшити шляхом збільшення відповідної поверхні.

Збільшити поверхню плоскої стінки, можна шляхом оребрення. При використанні методу оребрення необхідно керуватися наступним:

якщо а1<<а2, то ореорення поверхні доцільно проводити зі сторони а1 до тих пір, поки а1,F1, не досягне значення а2,F2, Подальше збільшення поверхні F1 мало ефективне.

Теплопередача через ребристу стінку.

в) інтенсифікація теплопередачі можлива за рахунок збільшення &.І. Це можна досягнути змінюючи температуру теплоносія, або схему руху.

24.4 Принцип розрахунку теплообмінних апаратів

По принципу дії всі теплообмінники можуть бути розділені на три групи: рекуперативні,регенеративні і змішувальні.

В рекуперативних теплообмінниках теплообмін здійснюється через розділ яючи п ер егор одку.

В регенеративних теплообмінниках передача теплоти здійснюєть ся почерговим омиванням поверхні гарячимі холодним тепло носієм.

В теплообмінниках змопування теплообмін здійснюється безпосереднім змішуванням гарячого і холодного теплоносія.

Зупинимося на розрахунку рекуперативних теплообмінників, які найчастіше зустрічаються в техніц. При розрахунку теплообмінників можуть зустрітися наступні задачі:

-визначення поверхні нагріву F, яка забезпечує передачу заданої кількості теплоти;

-визначення кількості теплоти Q яке може бути передане при відомій

поверхні F

- визначення кінцевих температур теплоносіїв при відомих значеннях F і Q

Основними розрахунковими рівняннями для рішення поставлеіих задач є

рівняння теплопередачі:

Q=k∙F∙Дtсер (24.12)

і рівнданя теплового балансу:

Q=G1c1(t’1-t’’1)= G2c2(t’2-t’’2)

Де G1 і G1 -витати гарячогоі холодного теплоносіїв;

c1 і с2 -відповідно теплоємності теплоносіїв;

tr1, і ts1, а також tr2, і ts2- початкова і кінцева температура гарячого і холоди ого теплоносіїв.

Оскільки температури гарячого і холодного теплоносіїв змінюється, то відповідно змінюється різниця температур. Тому в формулі (24.12) використовують ∆Дсер- середню різницю температур. Середня різниця температур залежить від схеми руху теплоносіїв.

.Якщо робочі середовища рухаються вздовж поверхні нагріву в одному напрямі такий потік руху рідин називається прямотечійним, зустрічний паралельний рух рідин називається протигоком. Якщо в різних поверхнях нагріву є обидва вигадки руху, такий рух називається змішаним і якщо обидва теплоносії рухаються в взаємно перпендикулярних площинах, такий рух називається перехресним

Рис. 24.4.1. Схема руху рідин в теплообмінниках. а) прямотечійний; б) протитечійнщ в) змішаний; г,д) перехресний: 1 - гарячий теплоносій; 2 -холодний теплоносій.

Середній температурний напір. Розглянемо теплообмінний апарат, який працює за схемою прямотоку.

Нехай в довільному перерізі температури теплоносіїв tr, і ts Температурний напір:

t’-t’=τ (24.13)

δQ=m1cp1∙dt’= m2cp2∙dt’

або

;

Продиференціюємо рівняння (24.13), підставивши в нього значення dtr I dts

Позначимо:

Тоді:

Підставивши значення δQ із (24.15) в рівняння (24.14), одержимо:

або

Інтегруємо рівняння в межах від t’1- t’2 =τ1 до t’’1- t’’2 =τ2 і від 0 до А знаходимо:

;

Звідки:

(24.16)

Проінтегруємо рівняння (24.15):

Q=( τ1-τ2)n

і підставимо в нього значенняп з рівняння (24.16):

де τ1=t’1- t’2 =Дmax - максимальний перепад температур для даного теплообмінника.

τ2 =t’’1- t’’2 =Дmin - мінімальний перепад температур.

Середній температурний напір можна записати та

(24.17)

Аналогічну формулу можна одержати якщо розглядати протитечійну схему руху.

При Дtcp можна визначити за формулою:

(24.18)

25. Методи термодинамічного аналізу енерго-технологічних систем (ЕТС)

Енергетичний метод. Найпростішим методом термодинамічного аналізу ЕТС є енергетичний метод, оснований на першому законі термодинаміки. Цей метод дозволяє оцінити втрати енергії в технологічній системі і її окремих елементах, а також виявити участки, де втрати теплоти максимальні.

Суттєвим недоліком енергетичного методі є те, що він не враховує цінність різного виду енергії, її придатність. Тому більш широке поширення отримали ентропійнийі ексергетичний методи аналізу.

Ектроггійний метод термодинамічного аналізу оснований на першому і другому законі термодинаміки.

Дня термодинамічної оцінки ефективності системи (установки) необхідно відповісти на чотири запитання:

який ККД оборотного циклу, від яких факторів він залежить і що необхідно дляйого збільшення;

як розприділяються втрати по окремих елементах установки.

на удосконалення якої частини установки необхідно звернути увагу з метою зменшення ступ єн я необоротності.

У відповідності з щми задачами термодинамічний аналіз установки проводиться в два етапи: спочатку аналізується оборотний цикл, а потім необоротний.

ККД оборотного циклу:

Для того, щоб оцінити, наскільки даний дійсний (необоротний) цикл менш досконалій, чим теоретичний, вводять поняття відносного внутрішнього ККД циклу як відношення:

Ефективність реальної установки в цілому характеризується ефективним ККД ηв який представляє собою відношення кількості енергії (в формі теплоти або роботи), відданої зовнішньому споживачу до кількості енергії (в формі теплоти абороботи), підведеної доустановки.

В термодинамічній системі, яка складається з багатьох елементів необхідно враховувати ККД кожного елементу ηв,j

Перемноживши між собою всі ефективні ККД елементів системи на абсолютній внутрішній ККД циклу, одержимо ефективний абсолютний ККД для всієї системи.

де - добуток величин ефективних ККД які характеризують необоротні втрати в всіхп елементах системи.

ККД показує, яка доля виділеної в системі теплоти перетворюється в корисну роботу, віддану зовнішньому споживачу.

lпов=ηвq1

Очевидно, що втрати теплоти ∆q = (1-ηс) q1 представляють собою долю теплоти q1, яка не перетворилася в роботу і включає теплоту q2 передану холодному джерелу і втрати теплоти ∆qвт , обумовлені необоротністю процесів в окремих елементах установки в результаті тертя і кінцевої різниці температур, втратами в навколишнє середовище.

Очевидно:

∆qвт=lц-lпов

де lц - робота, яка виконується в оборотньому циклі.

Рис 25.2 Діаграма Грасмана- Шагурта компресійної теплонасосної установки.

В відкритих системах ексергія речовини рівна нулю, в закритих системах, коли відсутній обмінречовиничерез межі системи, рівні нулю ексергії потоку речовини і нульова ексергія.

В хімічних реакторах періодичної дії нугтьова ексергія при хімічних перетвореннях є основною.

Ексергетичний коефіцієнт корисної дії для малих машині апаратів:

Діаграма Грассмана - Шаргута. Для аналізу термодинамічних циклів, роботи машин і апаратів використовується діаграма Гзассмана-Шаргута.

Націй діаграмі кожний потік ексергії позичається полосою, ширина якої пропорційна значенню ексергії.

На рис 25.1 і 25.2 представлена схема і відповідно діаграма Цїассмана-Шаргута компресорної теппонасосної установки

В компресорі П проходить стиснення парів низькокиплячого теплоносія, телячого він поступає в конденсаторІІІ. Тут пари теплоносія охолоджуються і конденсуються при високому тиску, при цьому виділяється кількість теплоти Q", яка далі використовується для нагріву. Із апарату Ш конденсат поступає в дросель IV, де в результаті дроселювання його температурапоннжується Ддлі охолоджений конденсат поступає в випарник V, де з а рахунок теплоти Q’< Q" яка підводиться з навколишнього середовища він повністю випарюється Утворєні в випарнику пари теплоносія поступають в компресор II

На діаграмі величина втрати ексергії в кожному елементі установки відповідає зменшенню полоси ексергії і умовно позначається заштрихованим трикутником. На вході ексергія рівна ексергії електродвигуна. В елементі І проходять втрати ексергії, пов'язані з втратами в приводі. Дані по ходу відмічені втрати ексергії в окремих елементах. Втрати ексергії мають різну природу і можуть бути пов"язані із кінцевою різницею температур, із теплообміном з навколишнім середовищем, теплопровідністю, тертям в деталях і вузлах машин і тд. Діаграма дозволяє встановити де спостерігаються максимальні втрати ексергії і розробити заходило їх зниженню.

26. Шляхи економії енергоресурiв

26.1 Вторинні енергоресурси і відновлювальні джерела теплоти

Одним із важливих шляхів економії енергоресурсів є використання вторинних енергоресурсів (ВЕР) і в т.ч. і відновлювальних джерел теплоти (ВД).

Під ВЕР розуміють хімічно зв'язану теплоту, фізичну теплоту і потенціальну енергію надлишкового тиску продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, які утворюються в технологічних агрегатах (установках, процесах), не використовуються в самому агрегаті, але можуть бути частково або повністю використані для енергопостачання інших агрегатів. ВЕР можуть використовуватись безпосередньо без зміни ввду енергоносія або зі змною енергоносія шляхом одержання теплоти, енергії, холоду абот ехнічної роботи в утилізаційній установці.

В залежності від виду і параметрів робочих тіл відрізняють чотири основних напрямки використання ВЕР:

- паливне - безпосереднє використ ання горючих компонентів в якості палива;

- теплове-використання теплоти, яку одержуємо зарахунокВЕР;

- ситове ( використання механічної та електричної енергії, яка виробляється за рахунок ВЕР;

- комбіноване;

Найбльші джерела ВЕР мають підприємства чорної і кольорової металургії, хімічної і нафтопереробної промисловості.

В даний час тегпота високого потенціалу в загальній витраті корисної енергії складає 26% Із загальної виграти теплоти високого потенціалу 33% йде на плавку, 40% на нагрів і 20% на випалювання руд.

Приблизно 52% всієї корисної енергії в народному господарстві витрачається в виді теплоти середнього (373-623 К) потенціалу і на її одержання витрачається 38% всіх паливно-енергетичних ресурсів. Ця теплота використовується для задоволення технологічних потреб. Основними енергоносіями,які забезпечують середнії низькотемпературні процеси є пара і гаряча вода.

Для утилізації ВЕР найбільш поширеними в різних галузях народного господарства установками є котли-угилізатори, які використовують високо потенціальні димові гази промислових печей і технологічні гази хімічного виробництва, а такожводяні економайзери для нагріву живильної води котлів і повітрепідігрівачів для нагріву дуттєвого повітря.

Котли-утилізатори забезпечують велику економію палива шляхом генерування енергетичної і технологічної пари, а також нагріву води.

Можлива виробітка тегпоти в виді пари або гарячої води в утилізаційній установці за рахунок теплових ВЕР в загальному вигляді визначається за формулою

QT=(h1G1- h2G2)β(1-ζ)

а можлива виробітка холоду

Qx= QTε

де G1 і G2 -кількість енергоносія на вході і на виході.

h1, h2- ентальпія

β - враховує невідповідність годин роботи і режиму утипізаційної установки і джерела ВЕР.

ζ - коефіцієнт, який враховує втрати;

ε - холодильний коефіцієнт.

Можлива виробітка електроенергії в утипізаційній турбіні за рахунок ВЕР.

W=mВЕР∙τ∙l∙ηoi∙ηM∙ηI∙

де mВЕР∙-часова кількість енергоносія,яка має надлишковий тиск.

τ -число годинроботн;

l -робота ізоентропного розширення;

ηoi∙ - внутрішній відносний ККД турбіни;

ηM - механічний ККД;

ηI∙ -ККД генератора.

26.2 Відновлювані джерела теплоти

Відновлювальними джерелами теппоти є енергія сонця, енергія вітру, припливів і відпливів і т.д.

Таблиця 26.1. Природні ресурси енергії і їх величина.

Назва	Величина (кВт∙г)
Невідновлювальні джерела теплоти
Термоядерна енергія	100000000∙1012
Ядерна енергія ділення	547000 012
Хі мічна енергія корисних копалин органічного походження	55000 1012
Внутрішнє тепло земні	134 1012
Щорічно поповнювальні ресурси
Еіергія морських приплив в	70000 1012
Енергія падаючого на землю сонячного проміння	58000∙1012
Енергія сонячного проміння, яке акумулюється в верхніх шарах атмосфери (150-200 км) в вигляді атмосферних кисню і азоту.	0,012∙1012
Енергія вітру	1700∙1012
Енергія рік	18∙1012

Всі види енергії, які виробляються на землі складають 5% від поступаючої на землю сонячної радіації. Температура в центрі сонця досягає 10 °С. Температура на поверхні сонця 5500°С.

Сонячна енергія є виключно чистим джерелом енергії. її використ ання не зв'язано з забрудненням навколишнього середовища. Трудність її використання пов'язана із технічними проблемами її перетворення Сонячна радіація дуже розсіяна і має малу густину.

Одним із напрямків використання сонячної енергії є її перетворення в теплову.

Сонячні печі мають параболічний рефлектор. При діаметрі зеркала 1,5 м в тропічних умовах потужність, яку получають в фокусі такого пристрою складає 0,5 -1 кВт. Температура встановлюється на протязі години.

Дня одерлання дуже високих температур використовують декілька параболічних дзеркал (рис 22.2.1), таким чином, що вони мають спільний фокус. В системах, які складаються з декількох дзеркал додатково встановлюється плоске діеркало — геліостат, за допомогою якого слідкують з а сонцем і направляють проміннянанерухомідзеркала.

Рис. 22.2.1. Пристрій дляперетворення сонячної енергії в т еппову. 1 -рефлектор.

В лабораторії сонячної енергії Французького національного науково-дослідного центру, розміщеній в західних Піренеях за допомогою сонячної печі з дзеркалом діаметром біля 10 метрів, булипроведені роботи по очистці особливо тугоплавких металів.

Тепер встановлено параболічне діеркало діаметром 50 м. Воно виготовлене із 8000 невеликих дзеркал В фокусі одержують зображення сонця в виді кругу діаметром 50см. Таке дзеркало може забезпечити потужність 1200 кВт. Матеріал в центрі розппавляється і температура досягає 3000°С. За рахунок того,що тіглі обертаються, матеріал не виливається Тйким чином розплавляються оксиди кремнію і цирконію.

Використовують сонячну енергію для опалення, арячого водопостачання, нагріву води в басейнах. Складовою частиною є пластина-поглинач. Вода, чи повітря яке знаходиться в контакті з пластиною-поглиначем нагріваються.

Одним із шляхів використання сонячної енергії є акумулюання з можливістю забезпечення його рівномірного споживання.

Для акумулювання тепла необхідно забезпечити рівномірний нагрів. Використовують басейн з водою, парафін, камінь, шоуберову сіль Nа2SО410Н2O, яка плавиться при температурі 32°С, при цьому затрачується на руйнування кристалічної решітки 67 Вт∙г/кг.

26.3 Розробка раціональної схеми підприємства

Основним напрямком про розробці раціональної теплової схеми підприємства харчової промисловості є:

Вибір технологічного режиму з можливою низькою температурою процесів нагрівання.

Розвиток енерготехнологічного комбінування з метою найбільш повного використання генерованих енергоносіїв в виробничому процесі.

Основними напрямками енерготехнологічного комбінування є наступні: Комбінуванняпаровогокотлаі сушарки з метою використання димових газів для сушки продуктів, які використовуються в якості фуражу (сушка жому).

Комбінування парового котла із абсорбційною холодильною машиною з метою використання димових газів в якості теплоносія (птвоварені заводи).

Комбінування газотурбінної установки і сушки. Його метою є використання теплової енергії від палива і використання димових газів для скіпки.

Комбінування вистарної установки і скіпки. Для нагріву вологого гювітря в калорифері сушарки в якості енергоносія може бути використана пара або конденсат від випарної установки або те і інше одночасн о.

Комбінування випарної установки і ректифікаційної установки без посер едньо зв'язаних на лінії роз чину.

Комбінування випарної і абсорбційної холодильної машини. Ця комбінація може бути використана на цукрових заводах для зберігання буряку.

Комбінування випарної установки і вакуум кристалізаторів.

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Кафедра обладнання харчових технологій

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторної роботи № 1

«Дослідження процессу адіабатного витікання газу (повітря) через сопло».

Тернопіль 2003

Дослідження процесу адіабатного витікання газу (повітря) через сопло

Мета роботи: поглибити знання в питаннях витікання газу (повітря), експериментальне визначити розхід і швидкість витікання повітря через сопло при різних тисках перед ним.

Теоретичні основи витікання

Витікання - це процес прискореного руху і азу в коротких каналах змінного перерізу.

Канал, в якому збільшується швидкість струмини І падає тиск робочого тіла, називають соплом, В соплах потенціальна енергія газу перетворюється в кінетичну енергію потоку, їх використовують в парових і газових турбінах, реактивних двигунах, турбо- і пароструменевих компресорах.

Канап, в якому сповільнюється рух робочого тіла і збільшується його тиск, називають дифузором. В дифузорах кінетична енергія потоку газу перетворюється в його потенціальну енергію, їх використовують в турбо- і пароструменевих компресорах, а також в вентиляторах.

Рухаючись в горизонтальному каналі, газ виконує роботу подоланая зовнішнього тиску ору) і зміни кінетичної енергії потоку:

В цьому випадку рівняння пертого закону термодинаміки мас вигляд (для газового потоку):

dg=dU+d(pv)+wdw=di+wdw (1.1)

де: g - питома теплота, то сприймається газом, Вт/м2;

U - внутрішня енерпя газу, Дж/кг;

р - тиск газу. Па;

v - питомий об'єм газу, м3/кг;

w - швидкість потоку, м/с;

і - ентальпія газу, Дж/кг. Рівняння першого закону термодинаміки мас вигляд:

dg-di-vdp (1.2)

Прирівнюючи формули (1,1) і (1,2) одержуємо:

wdw=-vdp (1,3)

Це значить, шо приріст кінетичної енергії визначається роботою зміни тиску vdp; при збільшенні швидкості потоку (dw>0) тиск газу (dр<0) зменшується, і навпаки.

При русі газу в каналі кінцевої довжини (рис. 1.1, а) його параметри змінюються від v1, р1, Т1, до vу, ру, Ту (рис. 1.1, б). Робота зміни тиску - в рv - координатах зображується площею М1УКМ (рис 1.1, в).

В соплах і дифузорах контакт газу з каналом короткочасний, тому обміном з навколишнім середовищем нехтують. Це дозволяг розглядати витікання як адіабатний процес (dg=0). В цьому випадку рівняння (1.1) приймає вигляд wdw=-dі, а для каналу кінцевої довжини (сопла) після інтегрування:

(1.4)

це: w1,wy - швидкість газу відповідно на вході і в гирлі каналу, м/с;

і1, іу - ентальпія відповідно на вході і в усті каналу, Дж/кг, Для сопел wу >>w1, тому величиною w1 частіше всього нехтують. В цьому випадку

або (1.5)

якщо ентальпія виражена в кілоджоулях на кілограм (кДж/кг).

Для газів що повністю або приблизно підпорядковуються рівнянню рv=RТ і справедливі умови і=СрТ, Сp=RК/(К-1), рівняння (1.5) приймає вигляд:

(1.6)

де: К - показник адіабати, К=Сp/Сv;

R - питома газова стала, Дж/кг К,

Якшо відома площа перерізу в усті сопла f, то із умови нерозривності потоку масовий розхід газу:

(1.7)

з врахуванням (1.7):

(1.8)

Із (1.7) і (1.8) слідує, шо для даного газу (k-соnst) з початковими параметрами р1, і V1, швидкість його потоку і розхід визначається тільки відношенням тисків Рv/Р1=β. Так швидкість і розхід зростають при збільшенні Р1. Це досягається збільшенням абсолютного тиску Р, середовища, з якого витікає газ (див. рис. 1.1 а). При цьому тиск в усті сопла Ру рівний тиску за соплом P2: до тих пір, поки швидкість потоку не досягне швидкості поширення звуку а в даному середовищі. З цією швидкістю поширюються пружні хвилі тиску (розрідження). Тиск Р2, при якому (wv досягає швидкості звуку, називають критичним і позначають Ркр а відношення цього тиску до тиску Р1- критичним відношенням Ркр / Р1= β кр

Хвиля зменшення тиску в усті сопла, яке виникає при Р2 < Ркр (β < β кр) не може поширюватись в соплі назустріч течії, так як а=w, як наслідок для всіх значень Р2 < Ркр (β < β кр) В усті сопла тиск Р2 =Ркр,. Тому, якщо витікання газу докритнчне (β < β кр), в рівняннях (1.6) і (1.8) замість відношеннч Рv / Р1 використовують величину Р2 / Р1= β,, а якщо витікання критичне і зверхкритичне (β < β кр) величину β кр=β кр /Р1. Залежність wv =f(β) i M =f1(β) зображені на рис. 1,2.

Рис 1.2

В рівняннях (1.6) і (1.8) для двоатомних газів К=1,4 і β кр =0,528, для багатоатомних газів К =1,3, а β кр =0,546.

Витікання газу супроводжується помітними втратами кінетичної енергії потоку на тертя між шарами газу і газу зі стійками каналу.

Із-за вказаних втрат кінетичної енергії дійсна швидкість витікання w w д, менша теоретичної w. Величину

φ= wд/ w

називають швидкісним коефіцієнтом сопла, а відношення дійсного масового розходу газу Мд до теоретичного М - коефіцієнтом розходу μ

μ = Мд / М (1.10)

Дійсний масовий розхід за 1 с. визначають, використовуючи швидкість витікання і питомий об’єм vд газу в усті сопла:

Мд=fy

або безпосереднім вимірюванням.

Лабораторна установка

Схема лабораторної установки показана на рис. 1.3.

Рис.1.3 1- пневм о циліндр; 2- впускний клапан; 3-випускний клапан; 4 -балон; 5 - запобіжний клапан 6-10- манометри; 7 - трубопроводи; 8 - фільтр; 9-редуктор тиску; 11 - сопло; 12 - стравлюючий клапан; 13 - ковпак; 14 -посудина; 15 – шкала 16 - вказівник.

Повітря Із пневмоциліндра 1 поступає в балон 4, з якого через фільтр 8, редуктор тиску 9 і сопло 11 поступає по трубопроводу 7 в ковпак ІЗ, який знаходиться в посудині 14, заповненій водою. Повітря, яке поступає в ковпак ІЗ, витісняючи з нього воду, піднімає його вверх. Висоту підйому ковпака 13, визначаємо по шкалі 15 за допомогою вказівника 16. Випуск повітря із ковпака 13 проводиться за допомогою стравлюючого клапана 12.

Діаметр ковпака дорівнює 150 мм.

Постановка дослідів

1.Одержати завдання на досліди на шість-вісіи значень Р ,

2.Розрахувати абсолютний тиск (Рабс< Па) для всіх значень β. Тиск в ковпаку 13 (Р2 Па) прийняти рівним атмосферному.

По тиску Р1абс визначити тиск Р1м для манометра 10 для всіх значень р,

З допомогою п не вм о циліндра і заповнити балон 4 стиснутим повітрям до тиску 2-3 атмосфери по манометру 6.

Редуктором тиску 9 відрегулювати тиск повітря Р1м по манометру 10 (при відкритому стравлюючому клапані 12).

По шкалі 13 відмітити положення показника 16

Закрнти стравлюючий клапан 12, одночасно включивши секундомір і визначити положення показника 16 по шкалі 15 при підйомі ковпака 13 на

Відкрити стравлюючий клапан 12 і відрегулювати редуктором тиску 9 по манометру 10 тиск Р1м (для другого значення 0) і продовжити досліди,

Результати дослідів занести а таблицю.

Обробка дослідних даних

1.По рівняннях (1,6) і (1.8) визначити теоретичну швидкість витікання повітря і теоретичний масовий розхід повітря.

2,По рівняннях (1.9) і (1,10) підрахувати швидкісний коефіцієнт сопла φ і коефіцієнту розходу μ.

3.Побудувати графік залежності Mд =f(β) і визначити дійсний максимальний розхід повітря Mд =f(β)

4,Побудувати графік залежності wд =f(β)

Контрольні питання

Пояснити роботу установки по її схемі.

Пояснити черговість включення установки.

Як перевести установку в слідуючий режим роботи,

4.Записати і пояснити рівняння першого закону термодинаміки для потоку.

Пояснити характер зміни розходу повітря із зміною величини β,

Що називають критичним розходом і швидкістю витікання

7.Що називають коефіцієнтом розходу/г і швидкісним коефіцієнтом розходу φ

8.Який канал називають соплом, а який дифузором?

9.Чому при Р1 > Ркр збільшення тиску перед соплом не збільшує розхід повітря?

10.Коли наступає критичний режим витікання ічим він хара ктеризусться

11.Як визначити розрахункове і дійсне максимально можливе значення р для витікання повітря через сопло лабораторної установки

12.Яку швидкість має повітря при витіканні із сопла

Список літератури

1. Недужий НА.. Алабовский А.Н. Техническая термодинамика й теплопередача, К.: Вища школа, 1981, - 248 с.

2. Чечеткин А,В., Занемонец Н,А. Тєплотехника, М.: Вьісшая школа, 1986. - 344 с.

3. Міністерство освіти України

4. Тернопільський Державний Технічний університет імені Івана Пулюя

Кафедра обладнання харчових технологій

Методичні вказівки

до лабораторної роботи № 2

«Дослідження теплообмінного апарату».

Тернопіль 2003

Дослідження теплообмінного апарату

Мета роботи; Вивчити процес теплообміну в теплообмінних апаратах, ознайомитись з методикою і'х випробування, одержати навики в проведенні експериментів, їх призначення, вплив різних факторів на інтенсивність теплообміну.

Загальні відомості

А Типи теплообмінних апаратів

Теплообмінниками називаються такі апарати, в яких в Збувається передача тепла від одного теплоносія до іншого (процес нагрівання або охолодження).

В теплосилових установках до теплообмінних апаратів належать; паровий котел, пароперегрівач, водяний економайзер, підігрівач повітря, конденсатор, деаератор та ін.

По принципу дії теплообмінні апарати розділяються на рекуперативні, регенеративні, змішувальні із внутрішнім тепловиділенням.

В рекуперативних теплообмінниках тепло від одного теплоносія до другого передасться через стінку (поверхню теплообміну є котлах, пароперегрівачах та ін.)

В регенеративних теплообмінниках тепло передається поперемінним омиванням гарячим і холодним тілом спеціальних металічних плит (насадів -акумуляторів тепла), що мас місце в доменному виробництві.

В теплообмінниках змішуючого типу (контактних) тепло передається безпосередньо змішуванням обох тіл. Вони найпростішої конструкції, в них повніше використовується тепло, але мають обмежену область використання.

Такі теплообмінники - градірні - мають місце на теплові»: електростанціях, в розімкну тих системах охолодження двигунів внутрішнього згоряння, компресорних станцій та ін.

4.Теплообмінники з внутрішнім тепловиділенням мають місце в ядерній енергетиці.

Б. Схеми теплообмінних апаратів

Рекуперативні теплообмінники виготовляються трубчатими або пластинчастими. В свого чергу трубчасті теплообмінники бувають одно-, дво- і багатоходові.

Зміна температури обох теплоносіїв вздовж поверхні нагріву залежить ВІД схеми їх руху.

Рис, 2, Графіки зміни температури вздовж теплообмінника а)при прямоточній схемі б)при протитечійній схемі

Схеми руху теплоносіїв показані на рис. 1.

Прямоточна.

Протитечійна.

Перехресна.

Комбінована.

В усіх теплообмінниках температура більш нагрітого теплоносія, що вілдас тепло зменшується від t’1 до t’’1 ( а температура менш нагрітого збільшується віл t’2 до t’’2; . Одночасно різниця температур (температурний напір) між теплоносіями вздовж поверхні нагрівання також буде змінюватись від ∆tmax до ∆tmin

Характер зміни температур для прямоточної і протитечійної схем руху теплоносіїв показано на рис, 2.

В розглянутих схемах руху теплоносіїв також будуть мати місце рівні термічні опори тепловіддачі для кожного теплоносія і термічні опори тепловіддачі взагалі.

Звідси видно, шо буде різна і інтенсивність теплопередачі в теплообмінниках.

Інтенсивність передачі тепла від одного до другого характеризується коефіцієнтом теплопередачі К. Розглянемо схему передачі тепла через елемент стінки (рис.3).

Кількість переданого тепла (потужність теплового потоку) визначається формулою теплопередачі:

Q=kF∆tсер (1)

Де Q - потужність потоку тепла, Вт;

Р - поверхня теплообміну, м2;

k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2К

tсер - середній температурний напір - середиьологарифмічна різниця між температурами теплоносіїв, град, С.

Коефіцієнт теплопередачі визначається формулою:

(2)

для циліндричних сттнок.

(3)

для плоских та тонких циліндричних стінок.

де α1- коефіцієнт віддачі тепла від гарячого середовища до стінки. Вт/м" К;

δ- товщина стінки, м;

λ. - коефіцієнт теплопровідності стінки,:

а2- коефіцієнт віддачі тепла від стінки до холодного серелонища, Вт/м2 К;

dсер - середній діаметр, м.

Середній температурний напір залежить від схеми руху теплоносіїв в теплообміннику і їх фізичних властивостей (рис, 1 та рис. 2):

(3)

Де ∆tmax-максимальна різниця між температурами теплоносіїв в °С;

∆tmin- мінімальна різниця між температурами теплоносіїв в °С;

∆tmax=t’1- t’2

для прямотоку

∆tmax=t’’1- t’’2

Якщо зміна температур теплоносіїв невелика, то можна використати середньоарифметичний напір, тобто при

(3a)

Потужність теплового потоку Q, відданого гарячим і одержаного холодним носісм (нехтуючи втратами б навколишнє середовище), визначаємо з рівняння теплового балансу

Q=G1cp1(t’1- t’2)= G2cp2(t’’1- t’’2) (4)

де G1і G2 - масові витрати гарячого і холодного теплоносія, кг/сек;

cp1 і cp2- ізобарна теплоємність гарячого і холодного теплоносія, Дж/кг град.

Добуток і називається умовним еквівалентом. Тоді рівняння (4) прийме вигляд:

(4а)

Якщо позначити зміну температури через δt, то одержимо

(4б)

Отже, чим більший еквівалент, тим менше змінюється температура даного теплоносія (мал, 2).

Якщо в теплообміннику тепло передається віл пари, що конденсується, то рівняння теплового балансу прийме вигляд:

Q=G2cp2(t’’2- t’2)=Gn(in-in) (Вт) (5)

де: in - ентальпія пари при вході в теплообмінник, Дж/кг;

ik - ентальпія конденсату, Дж/кг.

В. Випробовування теплообмінного апарату

Хід роботи

До проведення досліду необхідно вивчити схему установки.

По трубі 1 (рис. 4) з центральної системи подається гаряча вода. Кількість її протікання регулюється вентилем 8. Витрата гарячої води визначається мірною посудиною 9. Трубу 1 помішено в трубу 2 більшого діаметра, а в кільцевий простір між ними подається холодна вода з системи водопроводу. При передачі тепла температура одного теплоносія зменшується від t’1до t’’1, а другого підвищується від t’2 до t’’2

Розхід холодної води визначаємо мірною посудиною 10. Регулювання проводиться вентилем 7.

Теплообмінник зовні покритий тепловою ізоляцією. Температуру гарячої і холодної воли вимірюємо скляними спиртовими термометрами.

Під час проведення лабораторної роботи спочатку частково відкриваємо вентиль 7, потім вентиль 8 і встановлюємо стабільний тепловий режим, після того робимо вимірювання і записуємо в журнал випробування. Далі змінюємо кількість протікання холодної води, коли режим знову встановлюється повторюємо вимірювання. Вимірюваний проводимо 3-4 рази і визначаємо для кожного режиму середнє значення.

На основі даних досліду визначаємо за формулою (2) коефіцієнт теплопередачі і будуємо графік залежності k=f(v).

ПРОТОКОЛ ВИМІРЮВАННЯ

Показ барометра Во=мм.рт,ст

Температура оточуючого повітря = ос

№ досліду	№ заміру	Вода гаряча (гріюче середовище)				Вода холодна (середовище, що нагрівається)
		Температури на вході, t,0С	Температура на виході t,0С	К-сть води, води, см2	Трив, заміру, сек	Тем-ра при вході t,0С	Тем-ра на виході t,0С	К-сгь зібр. води, см2	Трив, виміру сек
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
І	1 2 3
Середнє значення
ІІ	1 2 3
Середнє значення
Ш	1 2 3
Середнє значення

Найменування	Позначення	Розмірність	Спосіб одержання величини	Числові значення
1	2	3
1	2	3	4	5	6	7
Внутрішній діаметр трубопровода	d1	м
Зовнішній діаметр трубопровода	d2	м
Робоча довжина трубопровода	L	м
Робоча поверхня теплообмінника	F	м2	ΠdсерL
Середня температура холодної води при вході	t’2	0С	3 показу термометра
Середня температура холодної води на виході	t’2з	°С	3 повазу термометра
Середня температура холодної води	t2сер	°С
Теплоємність холодної води	Ср2		3 таблиць
Густина колодної води	ρ	кг/м	-
Кількість зібраної холодної води	G2	кг/сек
Середня тем пература гарячої води при вході	t’2	°С	3 показу термометра
Середня температура гарячої води на виході	t’’2	°С	3 показу термометра
Середня температура гарячої води	t1сер	°С
Теплоємність гарячої води	Ср1
Густина гарячої води	ρ	кг/м
Кількість зібраної гарячої води	G1	кг/сек
Швидкість протікання гарячої води	V	м/с
Кількість тепла, відданого гарячою водою	Q	Дж/сєк	За формулою (4)
Максимальний температурний напір між гарячою і холодною водою	∆tmax	°С	∆tmax=t’1- t’2
Мінімальний температурний напір між гарячою і холодною волою	∆tmin	°С	∆tmax=t’’1- t’’2
Середиьолога- рифмічний температурний напір між гарячої і холодною водою	∆tсер	°С
Коефіцієнт теплопередачі	k

Використана література

1. М.Михеев, И.Михеева. Краткий курс теплопередач и, 1961.

2. А. Баскаров й др. Общая теплотехника, 1963.

3. Н.Кираковский, М.Недужий. Лабораторний практикум по курсу общей теплотехники, 1966.

4. Є.Міговк та В.Єресько, Лабораторні роботи з загальної теплотехніки, 1960.

Міністерство освіти України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Кафедра обладнання харчових технологій

Методичні вказівки

до лабораторної роботи № З

«Тепловіддача горизонтальної труби при вільному русі повітря».

Тернопіль 2003

У даних методичних вказівках подані теоретичні основи, опис експернментальної установки і практичні рекомендації лля проведення лабораторної роботи і обробки дослідних даних

Мета роботи - засвоїти знання з теорії" конвсктивнот теплообміну при вільному русі цілини (вільній конвекції), ознайомитись з метопи кою експериментального дослідження середньої характери стики процесу: іасвоіти поняття: чільна конвекція, тепловнР потік, густина теплового потоку, коефіцієнт тепловіддачі, температурний палір, теплофізичні властивості рідин.

Завдання

1. У процесі виконання експерименту визначити середні коефіцієнти тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної трубн в залежності від температурного напору, стінка туби - навколишнє повітря.

2 Розрахував повну похибку експериментального визначення косфіціїнта тепловіддачі в даній лабораторній роботі.

3. Визначити коефіцієнт тепловіддачі за загальним критеріальнич рівнянням для учов експерименту і порівняти одержані значення з дослідними на графіку.

4 На основі виконаної роботи скласти звіт, що містить протокол спостережень, схему експериментальної установки, результати розрахунку з дослідних даних і з критсріальнОї залежності, розрахунок похибки.

До виконання роботи необхіднії приступати після поглибленого ознайомлення з літературою по темі /1-4/

Основні теоретичні відомості.

При розв'язанні техтчннх задач (наприклад, розрахунку теплових втрат трубопроводів, охолодження або нагрівання різних виробі н нрч металообробці, розрахунку тепло- і електрйОналювальних пристроїв тощо) часто епостер і гається теплообмін чіж твердич тілом і рухомою рідиною, який називається конвектнвним теплообміном, тепловіддачею аоо конвекцією

Характерною особливістю процесу є тісний зв'яюк теплообміну з рухом рідин Відрізняють вільний і вимушений рух рідини, а залежно від цього - вільну і вимушену конвекцію.

Вільним називається рух рідини під дією неоднорідного поля масових сил, ітрикладеннх до її частинок Масові сили можуть бути викликані зовнішніми іншими1 гравітаційним, магнітним, електричним. Вільний рух у гравітаційному полі виникає під дією різниці густин в різних точках простору, яка викликана різницею температур твердого тіла і навколишнього середовища Теплообмін, цю виникає при цьочуч називається тепловіддачею при вільній, конаекшї

У випадку нагрітої труби, розміщеної в повітрі, найближчі тари повітря ш.інхом теплопровідності нагріваються При цьому густина іїпго іченшугться і виникає внштовхувальна сила, під дією якої нагріте повітря підпічаггься. а йою місце гаймаг більш холодне. Якую ізометричні розміри, які характсриіуюіь об'см нонігря, достатньо великі, то взаємодія висхідних потоків нагрітого повітря і більш холодного, яке витісняє нагріте, практично відсутня. Іншими словами, розміри простору, які зайчає повітря, не впливають на інтенсивність теплообміну, який у цьому випадку називається вмілою конвекцією. Процес тепловіддачі оиіиюггься коефіцієнтом тепловіддачі. Вт/м2К.

(1)

де а – коуфіцієнт тепловіддачі: представляє собою кількість теплоти, яку приймає обо віддає одиниця поверхні тіла при температурному напорі 1 К

де Qк – тепловий потік, який передається нагрітим поверхням шляхом конвенції, Вт

F – площа поверхні тіла м2

tc і tр - температура відповідно поверхні стінкн і рідини (в даному випадку навколишнього повітря), 0С

За формулою (1) визначають локальні значення а , якщо необхідно дослідити тепловіддачу в стаціонарних умовах на всій поверхні

(2)

Важливо зазначити, що коефіцієнт тепловіддачі не являється фізичною характеристикою, тобто, одержавши в ході ексиернченту яке-небудь значення а, не можна стверджувати, що відоме значення кпсфіпігнтії тепловіддачі повітря.

Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі у великому об'ємі буде залежати від швидкості руху рідини (остання буж тич більша, чим більший температур ний напір між стінкою і напколмігшім середовищем), фізичних властивостей середовища, форчн і положеній тіла в просторі і ряду інших факторів Залежно відзначення і співвідношення величин, характеру руху рілннн біля стінки буде різним при малому температурному напорі переважає ламінарний режим рух), при великому - турбулентний Відповідно до цього і змінюється тепловіддача

У даній робим необхідно встановити вплив температурного напору на інтенсивність тепловіддачі.

Інструментом для цього може служити теорія подібності, яка дозволяє узагальнити розрізнені експериментальні дані у вигляді крнтерійльннх рівпнпь Для галів і крапельних рідин при Рг > 0,7 узагальнена критеріальна формула для розрахунку теплообміну при вільній конвекції у великому об'ємі мас вигляд

Nu=c(Gr,Pr)n (3)

де Nu - критерій Hуссeльта або критерій тепловіддачі, який характеризує інітенсивність в пограничночу шарі

(4)

де l0 - визначальний розмір поверхні (для горизонтальної труби діаметр), м:

λ - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/ М Кч

Gr - критерій Грaсгофа, або критерій підіймальної сили. який харакгеризує кінематичну подібність явищ при вільному русі рідини.

Критерій Грасгофа визначається за формулою:

(5)

де g = 9,81 м/с - прискорення вільного падіння;

v - кінематична в'язкість рідини м/с;

β-коефіцыэнт об'ємного розширення рідини, 0С

∆t - різниця температур між стінкою труби і повітрям;

Рг - критерій Прандтля. який характеризує фізичні властивості рідини.

(6)

де а - коефіцієнт температуропровідності. м2/с.

Для визначення констант с і п при вільній: конвекції біля горизонтальної труби використовується табл. 1

Таблиця 1

№п/п	Режими руху	Сг-Рr	с
1	Плівковий	<10-5	0.4
2	Перехідний	10-5.. 5 10-5	1,18
3	Ламінарний	5 10-5.. 109	0.54
4	Турбулентний	109.. 1012	0.13

У залежності (3) в якості визначального розміру для тіл обертання використовується діаметр (l0 = d), а в якості визначальної температури - середня температура пограничного шару

(7)

за якою в довідникових таблицях знаходнгь значення фізичних параметрів середовища; а,v,λ,β

Для повітря коефіцієнт об'ємного розширення знаходять за формулою ідеального газу, 1/К:

(8)

де: Тm - визначальна температура. К

Тm = tm.+273,15.

Опис експериментальної установки

Експериментальна установки (рис, 1) служить для визначення коефіцієнта тепловіддачі від горизонтальної труби до навколишнього повітря при нагріві поверхні трубн від 30 до 125 0С. Вона повинна бути розміщена в кімнаті з достатньо спйкою температурою навколишнього повітря.

Основний елемент установки - горизонтальна труба, в якості якої використаний трубчаттий електронагрівач (ТЕН), довжиною 995 мм і зовнішнього діаметра D = 14 мм. Теплоізоляцій ТЕНа на торцях забезпечується фарфоровими пробками, за допомогою яких він закріплюється на вертикальних стійках. Електроживлення ТЕНа здійснюється провідинками, розміщених в отворах стійок. Кількість виділеної і розсіяної в навколишній простір теплоти визначається за витратами електроенергію яку спожинає ТЕН Потужність, яку спожива ТЕН, регулюється лабораторним автотрансформатором і вимірюється ваттметром 5Д500Д4 класу 0,5.

Для зменшення променевої складової розсіюваної теплової" потужності поверхня ТЕНа покрита шаром нікелю. в результаті чого середня степінь чорноти по нормалі до поверхні складав не більше 0,015

Рис. 2. Встановлення термопар на поверхні труби.

Температура зовнішньої стінки ТЕНа вимірюється за допомогою шести хромельалючепєвих термопар, розташованих рівномірно по довжині і по кільшо труби (термопари стандартної градуіровки з чутливістю 41 мкВ/К і граничною допустимою похибкою не більше 0,16 мВ за ГОСТ 3044-74)

Термоелектрони діаметром 0,2 мм ізольовакі кремнеземною ниткою. Схема установки термопар на ТЕН показана нарис 2.

Технічні дані установки

Установка забезпечує низначения в ході виконання експерименту в діапазоні температур ∆t= 30...120 0С і повною похибкою не більше 0,6 Вт/м2-К або 7% (достовірна імовірність Р = 0.68) При цьому вмазаному діапазоні ∆t середньоквадратнчне відхилення дослідних даних вкл розрахованих за критеріальними залежностями складає 5-8%.

Значення всіх величин необхідно заміри і н в стаціонарному тепловому режиме Максимальний час виходу установки на стаціонарний режим після включення не більший 75 хв. Час стабілізації теплового режиму працюючої установці після підвищення температури стінки труби не більший 25 хв

Максимально допустима температура поверхні дослідної труби 330 0С(30 Вт навантаження на ТЕН).

Зміна потужності ТЕНа при коливанні напруги в системі не більше 0,2. 0,4 Вт. Максимальна різниця температур між показнчкани термопар по поверхні труби 10.. 15 0С

Максимально допустимий час заміру (індикації) температури в окремій точці труби А565-2С

Променева складова розсіюваної потужності при значенні температури поверхні труби 40.,. 120 "С-нс більше 4%.

Методика досліджень

Після ознайомлення з експериментальною установчою включають тумблер живлення, після чого засвічується сигнальна лампочка і табло цифрової індикани мілівольтметра (див рис П

У процесі виконання лабораторної роботи необхідно одержати значення для 3-4 теплових режимів Тепловий режим задасться електричною потужністю ТЕНа за допомогою ЛАТРа і ватметра.

Навантаження на ТЕН для кожного теплового режиму вибирають довільно в діапазоні 5...25 Вт. Про перебільшення навантаження наТЕНа (більше 30 Вт) сигналізує світлове табло 13.

Всі заміри проводяться при строго встановленому в часі тепловому стані ТЕНа (стаціонарний режим) Тому після надання наступного навантаження на ТЕН необхідно постійно записувати покази термопар Т1...Т6.

Через деякий час теплові трати конвекцією і випромінюванням вш поверхні ТЄЕіа в навколишній простір досягнуть постійних значень Цей стан фіксується а часі за незмінними показами термопар ТІ-Т6 3 участю викладача студент робить висновок про настання стацюнарното теплового режиму Далі проводять три-чотири серії вимірювань електричної навантаження на ТЕН, температуру стінки труби з температурами Т1-Т6 і середньої температури навколишнього середовища

Одержані покази приладів заносять в табл. З, після цьою установку переводять на повий тепловий режим і вимірювання повторюють у відповідності з викладеною методикою.

У процесі виконання лабораторію і роботи необхідно з'ясувати всі складові для розрахунку повної похибки при визначенні дослідного коефіцієнта тепловіддачі

В процесі досліду необхідно уникати різких рухів біля труби.

Обробка результатів експерименту

Тепловий потік, який передається три юігшлі.пою трубою шляхом конвекції становить, Вт

Qk=Q-Qn (9)

де Q-сумарний тепловий потік який передається в зовнішнє середовище шляхом конвенції і випромінювання, визначається за потужністю W нагрівача:

Q=W

Qn - променистий тепловий потік, який передасться трубі шляхом Вт:

(10)

де С0=5.67 Вт/м2К4 – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;

εп= ε01,2 – степінь чорноти поверхні із врахуванням напівсферичним випромінюванням;

ε0=0,045 – степінь чорноти по нормалі до поверхні випромінювання (εп=0,054);

F=πdl – площа поверхні труби, м2;

Тс і Тр – абсолютні температури дослідної труби і навколишнього повітря.

Середня температура стінки. 0С (К);

де: tci, - середня температура стінки в одній серії замірів

(11)

де tTі- покази термопар Т1-Т6 в одній серії замірів;

п - кількість замірів температур стінки в одному стаціонарному режимі (ножна обмежитися трьома-чотирма замірами).

Аналогічно середня температура навколишнього повітря, 0С.

де tp1, - покази термометра

Одержані значення tc і tр заносять, в табл. 2 і далі розраховують значення необхідних величин.

Коефіцієнт тепловіддачі визначають за рівнянням (2). Результати дослідів представляють у вигляді графіка залежності.

α=f(∆t) (12)

яка є строго справедлива лише для даної дослідної труби. Тому необхідно співставити результати дослідів з αр, одержаними з розрахунку за формулою (3).

Розрахунок коефіцієнт тепловіддачі αр проводить для дослідних значень tc, tр, tж.

Постійні с і п вибирають з табл. 1. а необхідні фізичні властивості сухого повітрі (Р=1,01∙105)- із табл.2

Параметри	розмірність	Температура, 0С
		0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
λ∙102	Вг/мК	2,44	2,51	2,59	5,67	5,76	2,83	5,90	2,26	3,05	3,13
v∙106	м2/с	13,28	14,16	15,06	16,00	16,96	17,95	18,97	20,02	21,09	22,10
Рг	-	0,707	0,705	0,703	0,701	0,698	0,696	0,696	0,694	0,692	0,690

Результати розрахунку представляють у вигляді плавної кривої за формулою (12).

По відповідності експериментальних точок і розрахункової кривої можна судити про надійність одержанії результатів. Для цього розраховують середньоквадратичне відхилення дослідних від а по ар залежності

;

де.п0 - кількість дослідів для визначення а,

ар-коефіцієнт тепловіддачі з першого чосліду

Необхідні розрахунки зручно провести за допомогою ЕОМ. На рис.З наведена блок-схема і далі програма розрахунку а, ар γ і γ0 мовою Паскаль ча прикладі використання „ІВМ" сумісних ЕОМ.

При роботі на ЕОМ з іншими термінальними пристроями й іншими алгоритмічними мовами представлена програма майже не змпіняться

Окречі фрагменти розрахунків можна проиоднти на мікрежалькулчюрі.

1- тумблер живлення;

- сигнальна лампа;

- ЛАТР;

- ланцюг електричного реле для світлових табло:

- ваттметр;

- стійка;

- мінівольтметр;

З - спіраль нагрівана;

9 - реле;

10 - ТЕН (термоелектричний нагрівач);

11 - гарячі спаї термопар;

12-13 - світлові табло;

14 - термометр.

Зміст звіту

Мета роботи.

Принципова схемя установки.

Протокол запису показів вимірювань.

Обробка результатів експерименту.

Графіки залежності тепловіддачі від температурного напору.

Порівняння коефіцієнта тепловіддачі а, одержаного у процесі експерименту, з аналогічними, представленими в 1-3.

Розрахунок похибкиа

Контрольні питання,

Дати визначення вільної конвекції,

Назвати основні фактори, що впливають на вільну конвекцію. їх вплив на інтенсивність тепловіддачі,

Назвати основні режими руху рідини при вільній конвекції у великому об'ємі

Охарактеризувати розподілення швидкостей і температур в пограничночу шарі при вільному русі у великому об'ємі.

Які величини погрібно вимірювати при експериментальному визначенні коефіцієнта тепловіддачі.

Назвати методи вимірювання температури і теплових потоків, які використовуються при виконанні експериментальної часі мни даної роботи.

За якої умови можливе вивчений явищ теплообміну при вільній конвекції на моделях без збереження геометричної подібності.

Записати рівняння Нютона-Ріхмана.

Фізичний зміст коефіцієнгу тепловіддачі.

Критерії і критеріальні рівняння вільної і вимушеної конвекції.

Методика експериментального і розрахункового визначення коефіцієнту тепловіддачі.

Основні положення теорії подібності явищ.

Теореми подібності.

Список літератури

1. Исаченко В. П. и др. "Теплопередача. 3-4-е изд, -М.: Энергия, 1975-1933 - 4К8 с

2. КреитФ. Блск У. Основи теплопередач к/ Пер. с англ. -М.: Мир, 1983. - 512 с.

3. НедужниЙ Й. А , Анабопский А. Н Техннческая термодннамнка й теплопередача. Уч. нособиедля ву-іов. - 2-е изд. - К.: Виша школа. 1981. - 248 є.

4. Инженерные методы расчета погрешностей при виполнепии лабораторних работ по курсах “Теплообмен” й “Техннческая термодинамика”. Мстоднчссклс указаний /Сост. В. її. Босий, Г, Н, Васильченко, Р,. Н. Панов. -Киев: КПИ, 1985, - 71 с.

Похибка експериментального визначення коефіцієнта тепловіддачі

Відносна і повна похибка визначення коефіцієнта тепловіддачі.

де - повна абсолютна похибка визначення коефіцієнта тепловіддачі, яка містить дослідне експериментальну похибку .винадкову , і похибку відношення

де - середнє значення коефщюіта тепловіддачі для першого теплового режиму

У свою чергу залежить від точності визначений конвективного потоку ,температури стінки , температури рідинн - геометричних розмірів , ,числа π- δ(π) , і поправок .

Випадкова похибка

де під знаком радикалу сума квадратів випадкових відніксних похибок вимірювання відповідних величин, кожна з яких вираховується як середньоквадратична похибка вимірювання даної величніш. Кінцева кількість вимірів враховується коефіцієнтом Стьюдента.

Похибка відношення залежить від точки визначення різниці температур і вигляду

Приклад розрахунку повної похибки для даній лабораторної роботи приведені в метоличних вказівках «Инженерлные методи расчета погрешностей при выполнении лабораторных работ по «Тепломассобмен» и «Техническая термодинамика»

Лабораторна робота №8

Дослідження процесів вологого повітря

Мета роботи: вивчити методику визначення параметрів вологого повітря за допомогою Hd- діаграми; зобразити процеси нагріву, зволоження й охолодження повітря на Hd- діаграмі; вивчити методику розрахунку витрат повітря й теплоти на випаровування 1 кг вологи.

Основні теоретичні відомості

Вологе повітря – це механічна суміш сухого повітря ( µс.п = 29 кг/кмоль, R с.п = 287 Дж/(кг·К)) і водяної пари ( µп = 18 кг/кмоль, Rп = 461,5 Дж/кг ).

У харчовій промисловості вологе повітря широко використовується як сушильний агент при виробництві макарон, сухарів, печива, цукру, кухонної солі, сухофруктів і фруктових порошків, солоду, сухого молока та інших продуктів.

Процеси сушіння, кондиціонування, вентиляції зазвичай проходять при барометричному тиску, який згідно з законом Дальтона дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря й водяної пари: Рδ = Р с.п + Рп .

У більшості випадків барометричний тиск приймають рівним 99,3 кПа. Це відповідає середньорічному тиску для України. Для цього тиску й побудована Hd – діаграма стану вологого повітря. Указаному тиску відповідає температура насичення 99,45 ºС. Якщо температура вологого повітря нижча за 99,45 ºС, то максимальна можлива кількість водяної пари в ньому дорівнює густині сухої насиченої пари при цій температурі.

Повітря, в якому густина пари рівна максимально можливій при даній температурі називається насиченим ρ = ρmax = ρн, повітря в якому ρп < ρн - ненасиченим ( Рп < Рн), а повітря , в якому ρп > ρн - перенасиченим.

При парціальному тиску пари Рп < 10 кПа з похибкою до 0,1%, водяну пару можна вважати ідеальним газом. Знаючи температуру вологого повітря, тиск насиченої пари Рн можна визначити за таблицею теплофізичних властивостей насиченої водяної пари.

Основні параметри вологого повітря

Абсолютна вологість повітря – це маса водяної пари в кілограмах у 1 м3 вологого повітря, тобто густина водяної пари при заданих тиску Рп і температурі повітря t :

ρп = mп / V = Pп / (Rп T). / 2.1 /

де Rп – питома газова стала, Дж/(кг×К);

Т – температура, К.

Відносна вологість повітря – це відношення абсолютної вологості в даному стані до максимально можливої абсолютної вологості насиченого повітря при одинаковій температурі :

φ = 100 ρп / ρн = 100 Рп / Рн . / 2.2 /

Для сухого повітря φ = 0 , а для насиченого φ = 100%.

Вологовміст повітря – це маса водяної пари в грамах, що припадає на 1 кг сухого повітря:

d =103 mп /mс.п = 103 Pп µп / ( Pс.п µс.п) = 622 Pп / ( Pб – Pп ). / 2.3 /

де µп, µс.п – відповідно молекулярна маса сухого повітря і водяної пари.

В процесі нагрівання повітря вологовміст d і парціальний тиск Рп не змінюються, тиск насичення Рн збільшується, відносна вологість φ зменшується й зростає здатність повітря поглинати вологу, яка пропорційна dн - d.

Ентальпія вологого повітря дорівнює сумі ентальпій сухого повітря й водяної пари:

H = hc.п + 0,001d hп = ср.с.п. t + 0,001d ( rо+ ср.п.t) , / 2.4 /

де ср.с.п., ср.п. –середня ізобарна теплоємність відповідно сухого повітря і водяної пари; Ср.с.п. =1,006 кДж/(кг·К), Ср.п. =1,92 кДж/(кг·К); r0 =2500 кДж/кг – питома теплота пароутворення води при температурі 0 ºС;

Ентальпія вологого повітря розраховується на 1 кг сухого повітря , тобто на /1+d/ кг вологого повітря. Тому її позначають не малою, а великою літерою H.

На практиці відносна вологість повітря визначається за допомогою психрометра, який включає два термометри. Кулька одного з них обмотана тканиною, змоченою водою. Перший термометр називається сухим і показує температуру вологого повітря t , другий – мокрим, а температура, яку він показує, називається температурою мокрого термометра tм . Це температура води, яка випаровується з вільної поверхні тканини після досягнення теплової рівноваги між нею і вологим повітрям, тобто коли кількість теплоти, яку одержує вода від повітря, дорівнює кількості теплоти, що йде на випаровування.

У ненасиченому повітрі tм < t , у насиченому, де є рівновага між випаровуванням і конденсацією, tм = t .

Зі зниженням t ( Pп = const) через деякий момент часу ненасичене вологе повітря перетворюється в насичене / Рп = Рн /. Температура , при якій проходить це перетворення, називається температурою точки роси tр. При подальшому охолоджені з вологою повітря почне конденсуватися вода.

Нd- діаграма вологого повітря

Ця діаграма була запропонована проф. Л. К. Рамзіним у 1918 р. Аналогічна діаграма побудована Р. Мольє у 1923 р., в ній замість d використано x = 0,001 d , кг/кг /рис.2.1/. Діаграма побудована для Pп=745 мм рт.ст., але при розрахунках процесу сушіння коливанням барометричного тиску з достатньою в техніці точністю можна знехтувати.

З метою збільшення корисного поля діаграми кут між осями ентальпій і вологовмісту дорівнює 135º. Для компактності нижня частина діаграми відрізана і значення d відкладені на горизонталі /рис.2.1/.

З лівого нижнього кута вгору і вправо йде жмуток кривих φ = const. Нижня крива відповідає насиченому повітрю φ = 100%, верхня φ = 5%. При t >99,45 ºС φ =f(d) і лінії φ = const направлені вертикально вгору, тому що у формулі dн = 622 Рн /(Рб – Рн) знаменник перетворюється на нуль. Для сухого повітря d = 0, для водяної пари d = ∞.

Нижня частина діаграми використовується для визначення парціального тиску пари в повітрі. Значення Рп = f(d), кПа, відкладені внизу на правій ординаті .

Ізотерми вологого повітря /показники сухого термометра/ - суцільні прямі, направлені зліва направо, злегка піднімаючись угору. Ізотерми мокрого термометра починаються на кривій насичення /при φ = 100% tм = t / і у вигляді штрихових прямих направлені справа наліво дещо пологіше, ніж прямі Н = const.

Початковий стан повітря /точка 0 на рис.2.1/ наносять на Нd – діаграму за показами психрометра. За допомогою діаграми / для відомого положення точки / можна знайти значення ще п’яти параметрів вологого повітря. Наприклад, при t =20 ºС і tм = 15 ºС Н = 43 кДж/кг, φ = 60%, tр = 12 ºС , d = 8,5 г/кг, Рп =1,4 кПа.

Вологе повітря / наприклад, у калорифері сушарки / нагрівається при d = const і процес нагріву зображається відрізком вертикальної лінії від початкової точки 0 до перетину ліній з ізотермою, яка відповідає температурі нагрітого повітря t1 /див. рис.2.1/.

Процес охолодження зворотний нагріву і зображається вертикальною лінією, що йде зверху вниз.

В ідеальній сушарці, що працює без втрат теплоти в оточуюче середовище, процес сушіння (випаровування) ішов би при Н = const, тому що теплота сушильного агента, витрачена на випаровування вологи, повертається в повітря разом з парою вологого матеріалу. В реальних умовах із-за втрат теплоти в оточуюче середовище, процес сушіння відбувається із зменшенням ентальпії, ізотерми на Hd – діаграмі йдуть крутіше, ніж за ізоентальпією.

При t < tр починається конденсація водяної пари чи на поверхні тіл з утворенням роси, чи в об’ємі вологого повітря з утворенням туману /при t < 0ºС можуть утворюватися відповідно іній або паморозь /. При цьому осушується вологе повітря. Охолодження повітря продовжується за кривою φ = 100%. Із зниженням температури зменшується значення d і збільшується кількість сконденсованої вологи. Ентальпія перенасиченого повітря / ρп > ρн / зменшується пропорційно кількості сконденсованої пари.

Опис лабораторної установки

Основними елементами установки є калорифер 2 та сушильна камера 4 /рис.2.2/.

Стан вологого повітря у приміщенні визначають за показами сухого t та мокрого tм термометрів психрометра 8. Для визначення барометричного тиску Рб використовують барометр 9. Масову витрату повітря через установку знаходять за допомогою реометра 1, вимірюючи перепад тиску, що виникає на каліброваному звуженні / круглий отвір /, через який тече повітря.

Через реометр повітря надходить у двоходовий калорифер – горизонтальну скляну трубу, поділену навпіл уздовж осі сталевою перегородкою і закриту з обох торців кришками. Потужність електронагрівача / два тени / 3 регулюється автотрансформатором 7 і вимірюється ватметром W. За допомогою такого самого автотрансформатора / на схемі не показаний / зміною напруги, що подається на електродвигун вентилятора 6, установлюють задану масову витрату повітря / її знаходять, використовуючи номограму, за висотою нижньої частини водяного меніска у прямій скляній трубці реометра /.

Рис.2.2 Схема експериментальної установки 1 – реометр, 2 – калорифер, 3 – тени, 4 – сушильна камера, 5 – потенціометр,6 – вентилятор, 7 – автотрансформатор, 8 – психрометр, 9 – барометр.

Сушильна камера 4 циліндричної форми має ванну для води і кільцевими поперечними перегородками розділена на три секції. На перегородках закріплені серветки тканини, нижні краї яких занурені у воду. Повітря, яке тече від секції до секції, змінює напрям і зволожується.

Температури на різних ділянках потоку повітря вимірюється за допомогою хромель-копелевих термопар, що підключені до шестипозиційного потенціометра 5. Термопари t1 та t2 служать для вимірювання температур повітря відповідно на вході та виході із сушильної камери, а суха tз та мокра tм4 термопари – для визначення стану вологого повітря на певній відстані від сушильної камери, тобто після його часткового охолодження.

Порядок виконання роботи

Добавити декілька мілілітрів води у ванночку сушильної камери.

Перевірити наявність води у U- подібному коліні мокрої термопари.

Встановити нуль шкали реометра 1 / по низу водяного меніска у скляній трубці реометра /.

Включити вентилятор, а потім / але не раніше / електричний нагрівач калорифера. За допомогою автотрансформаторів встановити задані викладачем витрату повітря та потужність нагрівача, записати ці дані у табл.2.1.

Змочити тканину мокрого термометра і включити вентилятор психрометра, уважно стежити за зміною tм . Записати мінімальне значення tм / воно спочатку знижується, а після підсихання тканини починає підвищуватися / і відповідну температуру сухого термометра t .

Записати покази барометра.

Включити потенціометр. Включити привід діаграми і виключити його, як тільки підключиться термопара t1 . Коли підвищення температури за калорифером припиниться, тобто коли установка ввійде у стаціонарний режим роботи, можна починати експеримент. Одержані результати записати у табл.2.1.

Таблиця 2.1

Номер досліду	Витрата повітря за реометром, л/хв	Потужність нагрівача, Вт	Температура вологого повітря, ºС, на термопарах				Примітка
			t1	t2	t3	t4

1 t =

2 tм =

3 Рбар=

Обробка результатів спостережень

За показами психрометра t і tм знаходимо початкову точку 0. Піднімаємось за вертикаллю до ізотерми t1, яка відповідає температурі повітря за калорифером, і дістаємо точку 1 /рис.2.3/.

Точка 2 повинна лежати на ізотермі t2 і перебуватиме на одній вертикалі з точкою 3, тому що за сушильною камерою вологе повітря лише охолоджується. Точку 3 знаходимо аналогічно точки 0 за показами термопар t3 і tм4 . Піднімаючись від точки 3 за вертикаллю до ізотерми t2 , визначаємо положення точки 2.

З’єднавши точки 2, 3 прямими лініями, дістанемо три процеси, що відбуваються з повітрям в установці: 0-1 – нагрів повітря в калорифері; 1-2 – зволоження його в сушильній камері; 2-3 – охолодження повітря за сушильною камерою (рис.2.3).

Парціальний тиск сухого повітря у вологому повітрі приміщення, Па:

Рс.п = Рб - Рп ,

де Рп – визначаємо за Нd- діаграмою.

Масова витрата сухого повітря через установку, кг/с:

Мс.п = Рс.п V / (Rс.п T0) ,

де V – об’ємна витрата повітря, м3/с; Rс.п – питома газова стала сухого повітря, Дж/(м·К); То – абсолютна температура повітря в приміщенні / точка 0 /, К.

Потужність теплового потоку, який витрачається на нагрів повітря в калорифері, кВт:

Qк = (H1-H0)Mс.п ,

де H1, H0 - ентальпія вологого повітря відповідно після калорифера і перед ним, кДж/кг Мс.п - потужність нагрівача, кВт:

Q = 0,001W .

ККД калорифера, %:

ηк = 100 Qк / Q

Потужність теплового потоку, який втрачається при охолодженні повітря в процесі 2-3, кВт:

Qохол = (Н2-Н3) Мс.п .

Продуктивність сушильної камери за випареною вологою, кг/с:

Мр =0,001(d2-d1) Мс.п .

де d2, d1 – вологовміст повітря після і до сушильної камери.

Витрати на випаровування 1 кг вологи:

сухого повітря, кг:

mс.п = 1000 / (d2-d1);

теплоти в сушильній установці, кДж:

q = 1000 (Н1-Н0) / ( d2-d1).

Ефективність сушильної установки можна оцінити, порівнюючи q з мінімальною витратою теплоти qmin на підігрів висушуваного матеріалу до температури випаровування 1 кг вологи. Для атмосферної конвективної сушки qmin = 2500 кДж/кг. Чим ближче до одиниці значення 2500 / q , тим ефективніше працює установка.

Контрольні запитання

Що являє собою вологе повітря ?

Що називається абсолютною вологістю повітря ?

Що називається відносною вологістю повітря ?

Що називається вологовмістом ?

Що таке ентальпія і як вона визначається для вологого повітря ?

У якому стані може перебувати вологе повітря ?

Як, використовуючи покази психрометра, знайти на Id- діаграмі точку, що характеризує стан вологого повітря ?

Як на Id- діаграмі зображається процес, який відбувається у калорифері?

Як і які параметри можна знайти для заданої на Id- діаграмі точки ?

Пояснити, як визначено стан повітря в характерних точках процесів, що відбуваються в сушильній установці.

Який тепловий режим вважають стаціонарним ?

Будова й призначення елементів лабораторної установки.

Порядок виконання лабораторної роботи.

Як визначається витрата повітря й теплоти на випаровування 1 кг вологи ?

Як визначити теплові втрати калорифера в оточуюче середовище ?

Як визначається витрата сухого повітря через установку ?

З якими процесами вологого повітря ви стикаєтесь у побуті ?

Чому ентальпію вологого повітря, яка має одиницю кДж/кг, позначають H,а не h, що, звичайно, вживається для величин, віднесених до 1 кг ?

Чому у розрахунку сушарок за основну розрахункову одиницю беруть1 кг сухого повітря ?

Список літератури

1. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух: Термодинамические свойства и применение. – М.: Энергоатомиэдат, 1984.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высш. шк., 1980. – С.210-217.

3. Теплотехника. / Под ред. А.П. Баскакова. – М.: Энергоатомиэдат, 1982. – С.44-47.

4. Теплотехника./ И. Т. Швец, В. И. Толубинский, Алабовский и др. – К.: Высш. шк., 1976. – С.68-72.

5. Техническая термодинамика /В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. – М.: Энергоатомиэдат, 1983. – С.371-382.

6. Шинкарик М.М. Теоретичні основи теплотехніки. – Тернопіль, вид. ТДТУ ім. І.Пулюя, 2002. – с. 39-45.

Основні положення термодинаміки

Технічна термодинаміка є феноменологічою теорієюмакроскопічних процесів, які супроводжуються пертворенням:

1. енергії; 2. тепла; 3. тиску; 4. ідеального газу;

2. Першою роботою яка положила початок розвитку термодинаміки була робота:

1. С. Карно; 2. М. Ломоносова; 3. Больцмана; 4. Лаваля;

3. Термодинамічною системою називається сукупність матеріальних тіл, які є об’єктом вивчення і знаходиться з навколишнім:

1. середовищем; 2. тиском; 3. атмосферним тиском; 4. питомим об’ємом;

4. Питомий об’єм – це величина:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

5. Питомий об’єм – це об’єм, який займає:

1. 1 кг речовини; 2. 1 кг газу; 3. 1 м3 речовини; 4. 1 м2 речовини;

6. Для вимірювання тиску використовують одиниці виміру:

1. Паскаль(Па),Н/м2; фізична атмосфера(ф.атм.) бар; технічна атмосфера (ат) міліметри ртутного стовпчика, міліметри водяного стовпчика; 2. Паскаль (Па); фізична атмосфера, бар; технічна атмосфера; 3. фізична атмосфера; технічна атмосфера; міліметри ртутного стовпчика, міліметри водяного стовпчика; 4. атмосфера, бар;

7. Температура – характеризує степінь нагрітості тіл і є мірою середньою:

1. кінематична енергія руху молекул; 2. потенціальна енергія руху молекул; 3. енергія руху молекул; 4. внутрішня енергія;

8. Параметром стану є абсолютна температура:

1. ; 2. ; 3. 4.

9. Основні термодинамічні параметри стану P, v, T взаємоз’язані:

1. F(P, v, T=0); 2. F(w, p,T)=0; 3. F(P, v, T)≠0; 4. F(v, T)=0

10. Послідовність зміни стану системи складає:

1. термодинамічний процес; 2. тепловий процес; 3. термодинаміка; 4. теплообмінний процес;

11. Оборотним процесом може бути тільки процес:

1. врівноважений; 2. стислий; 3. внутрішній 4. зовнішній;

12. Перетворення теплоти в роботу здійснюється за допомогою:

1. робочого тіла; 2. робочого тиску; 3. робочого об’єму; 4. робочого впливу;

13. Кожна молекула, якщо вона рухається зі швидкість w, за одиницю часу здійснює:

1. ходів; 2. ходів; 3. ходів; 4. ходів;

14. Рівняння стану ідеального газу:

1. PV=mRT; 2. pw=mRT; 3. PV=RT; 4. PV=RT

Перший закон термодинаміки

1. Перший закон термодинаміки стверджує, що енергія не виникає і не зникає, вона лише переходить із однієї в іншу.

1. форму; 2. фази; 3. залежності; 4. температури;

2. Яке рівняння вірне?

1. dQ=dU+dL; 2. dQ=dP+dL; 3. dQ=dT+dP; 4. dQ=dT+pdV;

3. Абсолютна величина внутрішньої енергії:

1. v=∫(dQ+dL)+U0; 2. v=∫(dQ+dL)+V; 3. v=∫(dQ+dL); 4. v=∫dp+pdV;

4. Внутрішня енергія системи є однозначною функцією стану:

1. системи; 2. температури; 3. об’єму; 4. тиску;

5. Внутрішня енергія системи є однозначною функцією стану тіла:

1. U=φ(P,V); U= φ2(P,T); U= φ3(V,T); 2. U= φ(P,V); U= φ3(P,T);

3. U= φ(V,T); U= φ(P,T); 4. U= φ(p,V,T);

6. Робота виконана поршнем:

1. dL=Pdv; 2. dL=TdV; 3. dL=VdV; 4. dA=SdV;

7. Перший закон в диференціальній формі:

1. dg=du+pdυ; 2. dg=dT+pdυ; 3. dg=dv+dp; 4. dg=dv+dυ;

8. Величина:

1. h=v+рυ; 2. h=v-рυ; 3. h=dv+g; 4. h=v+pυT;

-є функцією стану системи і чисельно рівна всій енергії

9. Ентальпія є:

1. параметром; 2. тиском; 3. температурою; 4. станом системи;

10. Істинна теплоємність тіла:

1. ; 2. ; 3. ; 4.

11. Середня теплоємність це:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

12. Показник адіабати це:

1. ; 2. ; 3. ; 4.

Друний закон термодинаміки

1. Друний закон термодинаміки встановлює максимально можливу границю пертворенн2я:

1. теплоти в роботу; 2. риску в роботу; 3. густини потоку в роботу;

4. теплоти;

2. Робота в термодинамічних процесах можлива в результаті:

1. зміни внутрішньої енергії; 2. зміни тиску; 3. зміни об’єму;

4. зміни середовища;

3. Цикл, в результаті якого одержується позитивна робота, називається:

1. прямим циклом; 2. зворотнім циклом; 3. оборотнім циклом;

4. змішаним циклом;

4. Співвідношення між питомими кількостями теплоти і питомою роботою визначається:

1. першим законом термодинаміки g1-g2=u2-u1+L;

2. другим законом термодинаміки g1-g2=u2-u1+L;

3. термодинамічними законами; 4. станом тіла

5. Термічний коефіцієнт корисної дії:

1. ; 2. ;

3. ; 4. ;

6. Степінь досконалості зворотнього циклу визначається холодильним коефіцієнтом:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

7. Термічний коефіцієнт циклу Карно:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

8. В зворотному процесі робоче тіло від т.1 розширюється до т.4 по адіабаті 1-4 без теплообміну з зовнішнім середовищем:

1. по адіабаті 1-4 без теплообміну з зовнішнім середовище

2. по ізохорі 1-4 без теплообміну з зовнішнім середовище

3. по ізотермі 1-4 без теплообміну зовнішнім середовище

4. по ізобарі 1-4 без теплообміну з зовнішнім середовище

9. В зворотному процесі робоче тіло

від т.4-3 підводиться тепло q2 по :

1. ізотермі;

2. ізобар;

3. ізохорі;

4. адіабаті

10. Для адіабатного процесу розшир енняі стиснення відповідн о маємо

1. ; 2. ; 3. ; 4.

Аналіз основних термодинамічних процесів ідеального газу

1. Вираз першого закону термодинаміки для ізохорного процесу:

1. qυ=∆u; 2. qυ=∆t; 3. qυ=∆Р; 4. qυ=∆Q;

2. Вираз першого закону термодинаміки для ізобарного процесу:

1. dgp=dh; . dgp=dТ; 3. dgp=dV; 4. dgp=∆u;

3. В ізохорному процесі dυ=0 і робота:

1. не виконується lυ=0; 2. виконується lυ≠0; 3. не виконується lυ>0; 4. виконується lυ<0;

4. Теплота в ізохорному процесі тільки на зміну:

1. внутрішньої енергії qυ=∆u= Сυm(t2-t1); 2. внутрішньої енергії qυ=du= Сυm(t2-t1);

3. внутрішньої енергії qυ=∆u= Сυm(t-t); 4. внутрішньої енергії qυ=∆h= Сυm(t2-t1);

5. Рівняння стану двох точок ізобарного процесу:

1. pυ1=RT1; pυ2=RT2; 2. p=RT1, p=RT2;

3. pυ1=RT; pυ2=RT; 4.1 υ=RT1; υ=RT2;

6. Заміна ентальпії в ізобарному процесі визначається:

1. ; 2. 3. 4. ;

7. Кількість теплоти в ізобарному процесі рівна зміні:

1. qp=Cpm(t2-t1)=∆h; 2. qp=∆u; 3. qp=∆h∆T; 4. qp=∆u =Cpn(t2-t1);

8. Теплота необхідна для здійснення ізотермічного прцесу:

1. ; 2. ;

3. ; 4. ;

9. Зміна ентропії в ізотермічному процесі:

1. ; 2. ;

3. ; 4.

10. Адіабатним називається такий процес, при якому робоче тіло не обмінюється теплотою з:

1. навколишнім середовищем g=0, dg=0; 2. навколишнім тілом;

3. навколишнім тиском; 4. навколишнім об’ємом;

11. Рівняння адіабатного процесу:

1. k∙lnυ+lnp=0; 2. k∙lgυ+lgp=0; 3. k∙lnυ-lnp=0; 4. k∙lgυ-lgp=0;

12. Робота в адіабатному процесі:

1. ; 2. ;

3. ; 4. ;

13. В TS координатах адіабата зображається:

1. вертикальною прямою; 2. горизонтальною прямою;

3. гіперболою; 4. параболою;

14. В TS координатах ізобара зображається

1. логарифмічною кривою; 2. горизонтальною кривою;

3. вертикальною кривою; 4. похилою;

Перший закон термодинаміки для потоку відкритої термодинамічної системи

1.Умова нерозривності потоку полягає в однаковості масової витрати m робочого тіла в будь-якому січенні:

1) m=F∙c/γ=const; 2) m=F∙l/ν=const; 3) m=F∙c/V=const; 4) m=F∙ ν /c=const.

2.Під відкритими розуміють термодинамічні ситеми, які крім обміну теплотою і роботою з навколишнім середовищем допускають ще й обмін:

1) масою; 2) об’ємом; 3) тиском; 4) швидкість.

3. Теплота ,яка надається тілу в процесі його проходження по каналу,

складається з:

1) зовнішньої теплоти і теплоти тертя; 2) зовнішньої теплоти; 3) теплоти тертя.

4. У теплообмінному апараті для , тому:

1) 2) 3) 4) .

5. У теплового двигуна, як правило тому

1) 2) 3) ; 4) .

6. У компресора процес стиснення газу проходить без теплообміну з навколишнім середовищем. то

1) 2) 3) 4) .

7.Канали в яких проходить збільшення швидкості газу, називаються:

1) соплами; 2) дифузорами; 3) турбінами.

8. масові витрати газу m через сопло:

1) m=f∙С2/V2; 2) m=f∙С2 ; 3) m=f∙С2∙V2; 4) m=f∙V.

9. Критична швидкість, це:

1) 2)

3) 4) .

10. Дроселюванням називається необоротний процес, в якому тиск при проходженні газу через вузький отвір:

1) зменшується; 2) збільшується; 3) без змін; 4) без здійснення зовнішньої роботи.

11. Коефіцієнт корисної дії каналу, це відношення дійсної кінетичної енергії робочого тіла до:

1) теоретичної; 2) досліджуваної; 3) експериментальної. 4) витікаючої

12. Швидкість поширення звуку в середовищі, це:

1) ; 2) ; 3) ; 4) .

Променистий теплообмін

1.Променистий теплообмін це:

1) процес поширення теплоти за допомогою руху електронів; 2) процес поширення теплоти за допомогою мікрочастинок речовини; 3) процес поширення теплоти за допомогою електромагнітних хвиль; 4) процес поширення теплоти за допомогою руху елементарних астинок.

2.Густиною теплового потоку при променистому теплообміні називається:

1) тепловий потік, який відповідає вузькому інтервалу хвиль від λ до λ+dλ

2) тепловий потік, який відповідає всьому спектру від 0 до ∞;

3) тепловий потік, який випромінюється перпендикулярно до поверхні;

4) тепловий потік, який випромінюється з одиниці поверхні по всіх напрямках напівсферичного простору.

3.Коефіцієнт поглинання, це:

1) відношення пропущеної енергії до відбитої; 2) відношення поглинутої енергії до відбитої; 3) відношення поглинутої поверхні до падаючої;

4.Ефективне випромінювання, це:

1) 2) 3) 4)

5.Закон Планка для променистого теплообміну має вигляд:

1) 2)

3) 4)

6. Згідно закону Віна, максимальна інтенсивність випромінювання спостерігається при:

1) λmax=0; 2) λmax ∙T = 2,898∙10 -3 м ∙ к; 3) λmax ∙T = 3∙10 8 м ∙ к; 4) λmax= 1,4 м ∙ к.

7.Густина інтегрального випромінювання для абсолютно чорного тіла визначається за формулою:

1) 2) 3) 4)

8.Згідно закону Кіргофа відношення густини потоку випромінювання сірого тіла до його поглинаючої здатності

1) Залежить від природи тіла;

2) не залежить від природи тіла і рівне густині потоку випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі;

3) залежить від природи тіла і рівна коефіцієнту поглинання абсолютно чорного тіла;

4) не залежить від природи тіла і рівне коефіцієнту поглинання абсолютно чорного тіла.

9. Приведений коефіцієнт поглинання між двома плоско паралельними тілами рівний:

1)

2)

3)

4)

10. Густину теплового потоку між двома плоско паралельними стінками можна визначити за рівнянням:

1) 2)

Теплопровідність

1.При теплопровідності передача тепла проходить за рахунок:

1) руху мікрочастинок речовини; 2) руху і взаємодії елементарних частинок;

3) електромагнітних хвиль; 4) дотику тіл з різною температурою.

2.В загальному вигляді температура тіла:

1) є функцією координат і часу; 2) є функцією координат;

3) залежить від коефіцієнту теплопровідності; 4) є функцією часу.

3.Ізотермічна поверхня це:

1) поверхня: з різною температурою; 2) поверхня паралельна граничним поверхням тіла;

3) поверхня, всі точки якої мають однакову температуру; 4) поверхня, в якій коефіцієнт теплопровідності має постійне значення.

4.Градієнт температури це:

1) зміна температури протягом певного часу,

2) границя відношення зміни температур між двома ізотермічними поверхнями до віддалі між ними, взятій по нормалі;

3) зміна температури між двома граничними поверхнями тіла;

4) зміна коефіцієнту теплопровідності тіла в різних точках.

5.Густина теплового потоку - це відношення теплового потоку до:

1) одиниці площі; 2) одиниці температури; 3) одиниці часу; 4) одиниці об'єму.

6.Закон Фур'є має вигляд:

1) 2) 3) 4)

7. Коефіцієнт теплопровідності залежить від;

1) структури, густини, температури, вологості і тиску; 2) густини, температури, тиску;

3) густини, температури, вологості; 4)структури, температури, вологості і тиску.

8. Диференціальне рівняння теплопровідності:

1) 2)

3) 4)

9. Граничні умови бувають:

1) трьох родів; 2) двох родів; 3) чотирьох родів; 4) п´яти родів.

10. Що таке а:

1) коефіцієнт температуропровідності; 2) коефіцієнт теплопровідності;

3) коефіцієнт тепловіддачі; 4)коефіцієнт теплопередачі.

11. Оператор Лапласа це:

1) 2) 3) 4)

12. Теплопровідністю плоскої стінки називають:

1) 2) 3) 4)

13. Опором теплопровідності одношарової стінки називають:

1) 2) 3) 4)

14. Тепловий потік через плоску стінку має вигляд:

1) 2) 3) 4)

15. Тепловий потік для багатошарової стінки має вигляд:

1) 2) 3) 4)

Конвективний теплообмін

1.Конвекцією називається процес поширення теплоти за допомогою:

1) мікрочастинок речовини; 2) макрочастинок речовини; 3) електромагнітних хвиль; 4) руху електронів.

2.Критерій Прандгля характеризує:

1) теплофізичні характеристики речовини; 2) режим руху речовини; 3) тепловіддачу в пограничному шарі;

4) зміну температури тіла протягом часу.

3.Критерій Прандтля можна визначити за формулою:

1) 2)

3) 4)

4.Критерій Рейнольдса характеризує:

1) режим руху речовини; 2) теплообмін в пристінному шарі;

3) нестаціонарні явища теплопровідності; 4) теплообмін при вільній конвекції.

5.Критерій Рейнольдса визначається за рівнянням:

1) 2)

3) 4)

6.Критерій Грасгофа характеризує:

1) режим руху речовини при вимушеній конвекції; 2) теплообмін в пограничному шарі;

3) кінематичну подібність явищ при вільній конвекції; 4) нестаціонарні процеси теплопровідності;

7.Критерій Грасгофа можна визначити за рівнянням:

1) 2)

3) 4)

8.Перша теорія подібності формулюється так:

1) подібні між собою фізичні явища мають однакові критерії подібності;

2) подібні між собою фізичні явища мають різні критерії подібності;

3) залежність між фізичними явищами можна представити у вигляді залежності між числами подібності; 4) подібні між собою явища мають рівні між собою фізичні величини.

9.Друга теорія подібності формулюється так:

1) залежність між фізичними величинами можна представити у вигляді залежності між числами подібності, складеними із цих величин;

2) залежність між фізичними величинами необхідно знаходити експериментальним шляхом;

3) залежність між фізичними величинами необхідно встановити шляхом розв'язку диференційних рівнянь;

4) залежність між фізичними величинами можна встановити із умов однозначності диференційних рівнянь.

10.Вкажіть неправильне твердження:

1) обов' язковою умовою подібності явищ є геометрична подібність;

2) подібні явища описуються однаковими по формі і змісту диференційними рівняннями;

3) при аналізі подібних явищ співставляти між собою можна тільки однорідні величини;

4) для подібних явищ всі фізичні величини, взяті в відповідних точках простору і часу, рівні.

11.Критеріальне рівняння вимушеної конвекції має вигляд:

1) 2) 3) 4)

Аналіз циклів теплових двигунів

1. Теплові установки поділяються на – двигуни, в яких здійснюється прямий цикл з віддачею роботи зовнішньому споживачу і на установки, які працюють по зворотньому циклу, з затратою роботи, яка підводиться ззовні:

1. теплові, холодильні; 2. особливі, захолоджувальні; 3. холодильні, особливі; 4. холодильні, теплові;

2. Теплові двигуни можна розділити на:

1. 3 групи; 2. 2 групи; 3. 4 групи; 4. 5 груп;

3. Двигуни внутрішнього згоряння, в яних процес підводу теплоти і перетворення її в роботу проходить в:

1. середині циліндра двигуна; 2. камері згоряння; 3. поршні двигуна; 4. ззовні циліндричного двигуна;

4. Степінь досконалості теоретичних циклів повністю характеризуються величиною термічного ККД, а саме:

1. ηt=l0/gi=1-g2/g1; 2. ηt=l0/gi=1+g2/g1; 3. ηt=l0/gi=1-g1/g2; 4. ηt=l0/gi=1-g1

5. Ефективнысть реального необоротнього циклуоцынюэться внутрышным ККД, а саме:

1. ηt=lі/g1; 2. ηt=l/g; 3. ηt=l1/g1; 4. ηt=lі/g2

6. Ефективним ККД буде відношення:

1. ηе=lе/g1; 2. ηе=lе/g; 3. ηе=l/g; 4. ηе=l0/gi;

7. Процес всмоктування називається:

1. першим тактом роботи д.в.з.; 2. другим тактом роботи д.в.з.; 3. тактом стиснення; 4. згорання газу;

8. Процес стискання проходить по:

1. політропі; 2. ізохорі; 3. ізобарі; 4. адіабаті;

9. Процес згорання в pv – координатах близького до:

1. ізохори; 2. ізобари; 3. ізотерми; 4. політропи;

10. Принципова відповідність дізеля від д.в.з. полягає в тому, що першому такті в циліндр поступає:

1. повітря; 2. паливо; 3. суміш; 4. горіння;

11. Які двигуни більш екологічні?

1. ізобарним підведенням теплоти; 2. ізохорним підведенням теплоти; 3. змішаним підведенням теплоти; 4. ізотермним підведенням теплоти;

Котельні агрегати

1. Котельним агрегатом називається:

1. пристрій, який служить для спалювання палива; 2. пристрій, який служить для спалювання палива і одержання пари або гарячої води підвищеного тиску; 3. пристрій, який служить для одержання пари підвищеного тиску за рахунок високотемпературних газів інших технологічних процесів; 4. немає правильної відповіді;

2. Пароперегрівач котельного агрегату служить для:

1. одержання водяної пари; 2. охолодження димових газів; 3. підігріву живильної води; 4. підвищення енергетичного потенціалу пари за рахунок теплоти димових газів;

3. Економайзер в котельному агрегаті служить від:

1. підігріву живильної води; 2. підігріву повітря; 3. перегріву пари; 4. відведення димових газів;

4. Для захисту обмурівки котла від високої температури використовують:

1. фестоні труби; 2. конвективний пучок труб; 3. екрані труби; 4. колонтери;

5. Температура димових газів на виході із котла становить:

1. 10000С; 2. менше 1000С; 3. 100÷1200С; 4. більше 3000С;

6. Робочим складом палива називається:

1. паливо в такому виді, як воно поступає до споживача; 2. паливо, з якого повністю відведена волога; 3. паливо, яке містить тільки горючі компоненти; 4. паливо, яке не містить органічних домішок;

7. Якщо з органічного палива вилучити неорганічні домішки, то отримаєм:

1. робочий склад палива; 2. абсолютно сухе паливо; 3. горючу масу палива; 4. органічний склад палива;

8. Паливо, з якого повністю видалена волога називається:

1. робочим паливом; 2. сухим паливом; 3. горючим складом палива; 4. органічним паливом;

Паливо. Процеси горіння

1. Паливом називаються речовини, які використовуються для одержання значної кількості:

1. теплоти; 2. тепловіддачі; 3. продукту горіння; 4. теплоносія;

2. Всі види палива по агрегатному стану можуть бути розділенні на:

1. тверді, рідкі, газоподібні; 2. рідкі, газоподібні; 3. рідкі, тверді, аерозольні; 4. тверді, рідкі, аерозольні

3. Основними хімічнимим елементами палива є:

1. ; 2. ; 3. ;

4. ;

4. Абсолютно сухе паливо є:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

5. Органічна маса палива є:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

6. Теплота згорання – це кількість теплоти, яка виділяється при повному згоранні одного кілограма твердого палива і при охододжені продуктів горіння до:

1. початкової температури процесу; 2. температури 800С; 3. кінцевої температури процесу; 4. середньої температури процесу;

7. Реакція горіння є:

1. 2Н2+О2=2Н2О; 2. Н+О2=2Н2О; 3. Н2+О2=2Н2О; 4. Н2+О2=Н2О;

8. Теплота згоряння палива є:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

9. Умовне паливо, теплота згоряння якого прийнята рівною:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

10. Температура запалювання – це температура,до якої необхідно нагріти паливо і необхідно для його горіння повітря, щоб почалося інтенсивне з’єднання елементів палива з:

1. кинем повітря; 2. вуглецем; 3. відкритим вогнем; 4. повітрям;

11. швидкість протікання хімічних реакцій це:

1. ; 2. ; 3. ; 4.

Ідеальний газ

1. Рівняння стану ідеального газу:

1. PV=mRT; 2. PR=mT; 3. Vm=RT; 4. mR=PVT;

2. Температура є функцією:

1. питомої газової сталої; 2. теплоти; 3. внутрішньої енергії; 4. ентальпія;

3. Питома газова стала рівна:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

4. Виберіть відповідь, яка не справедлива для газової суміші:

1. кожний газ, який входить в суміш, має туж температуру що і вся суміш; 2. Кожний з газів займає об’єм, який займає суміш; 3. тиск суміші рівний суміші парціальних тисків окремих компонентів; 4. суміш не підпорядковується рівнянню стану ідеального газу.

5. Перший закон термодинаміки:

1. δq=du+pdv; 2. δq=du-pdv; 3. δq=du+vdp; 4. δq=dh+ pdv;

6. Вкажіть не рівні залежності:

1. ; 2. Cp=Cv+R; 3. ; 4. ;

7. Вкажіть правельну залежність:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

8. Ентальпія рівна:

1. h=u+pv; 2. h=u-pv; 3. h=u+R; 4. h=q-R;

9. В якому термодинамічному процесіідеального газу кількість теплоти qv=Cvm(t2-t1):

1. ізобарному; 2. ізотермічному; 3. ізохорному; 4. адіабатному;

10. В якому термодинамічному процесі dq=Cpm(t2-t1):

1. ізобарному; 2. ізотермічному; 3. ізохорному; 4. адіабатному;

11. Для якого термодинамічного процесу справедлива формула ;

1. ізобарному; 2. ізотермічному; 3. ізохорному; 4. адіабатному;

12. Для якого термодинамічного процесу робота lv=0:

1. ізобарному; 2. ізотермічному; 3. ізохорному; 4. адіабатному;

13. Для якого термодинамічного процесу роботу можна обчислити за формулою

1. ізобарному; 2. ізотермічному; 3. ізохорному; 4. адіабатному;

14. Покази політропи n рівний:

1. n=0; 2. n=1; 3. n=k; 4. -∞<n<∞;

15. Рівнянння політропного процесу має вигляд:

1. PV=const; 2. PVn=const; 3. PVk=const; 4. P=const;

Реальні гази

1. Чи виконується рівняння Менделєєва-Клапейрона для реальних газів:

1. так; 2. Ні; 3. частково в області визначених температур; 4. немає правильної відповіді;

2. Коефіцієнт стислості характеризує:

1. зміну температури при зміні тиску; 2. зміну тиску при нагріву газу; 3. відхилення властивостей реальних газів від властивостей ідеального газу;

3. В рівнянні Ван-дер=Вальсса поправка b враховується:

1. швидкість руху молекул; 2. густину газу; 3. вплив взаємодії між молекулами; 4. об’єм молекул і між молекулярним проміжком;

4. В рівнянні Ван-дер=Вальсса поправка а враховується:

1. швидкість руху молекул; 2. густину газу; 3. вплив взаємодії між молекулами; 4. об’єм молекул і між молекулярним проміжком;

5. Якщо ступінь сухості пари х=1, то пара:

1. суха; 2. волога ненасичена; 3. перегріта; 4. рідина;

6. Трійна точка речовини характеризує:

1. початок кипіння рідини; 2. початок плавлення; 3. стан коли тіло може існувати в рідкому, твердому чи газоподібному стані; 4. завершення кипіння;

7. Насиченою називається пара, яка:

1. має більшу температуру, чим температура кипіння при даному тиску; 2. має меншу температуру чим температуру кипіння при даному тиску; 3. знаходиться в теродинамічній рівновазі з рідиною; 4. немає правильної відповіді;

8. Суха насичена пара це пара, яка має:

1. більшу температуру чим температуру кипіння при даному тиску; 2. немає рідини і температура рівна температурі кипіння при даному тиску; 3. двофазна система, яка складається з пари і рідини; 4. немає правильної відповіді;

9. Вологою насиченою парою називають пару, яка:

1. має більшу температуру, чим температура кипіння при даному тиску; 2. має меншу температуру чим температуру кипіння при даному тиску; 3. складається із пари і рідини, як ізнаходяться в термодинамічній рівновазі при температурі кипіння; 4. пара в якій не має рідини;

10. Стан вологої насиченої водяної пари характеризується на діаграмі лінією: 1.АК; 2. КВ; 3. АА’; 4. АКВ;

11. Стан сухої насиченої водяної пари характеризується на діаграмі лінією:

1. АА’; 2. АК; 3. КВ; 4. АКВ

12. Степінь сухості пари це відношення:

1. маси рідини до маси пари; 2. відношення маси вологої пари до маси сухої пари; 3. відношення маси сухої пари до маси вологої пари; 4. немає правильної відповіді;

13. Кількість теплоти яку необхідно підвести до рідини, щоб нагріти її до температури кипіння:

1. qp=VvtН; 2. qp=VntН; 3. qp=VptН; 4. немає правильної відповіді;

Вологе повітря

1. Вологим повітрям називається:

1. суміш сухого повітря і водяної пари; 2. суміш води і сухого повітря; 3. суміш води і вологого повітря; 4. немає правильної відповіді;

2. Відносною вологістю повітря називається:

1. кількість водяної пари, яка знаходиться на 1 м3; 2. відношення абсолютної вологості ρп до максимально можливої ρmax при даному тиску і температури 3. густина пари в повітрі; 4. кількість водяної пари в одному кілограмі повітря;

3. Маса водяної пари в 1 кг сухого повітря називається:

1. абсолютною вологістю; 2. відносна вологість; 3. вологовмістом; 4. немає правильної відповіді;

4. Вологовмістом вологого повітря називають:

1. маса волого, яка міститься в одному кілограмі вологого повітря; 2. маса волого, яка міститься в одному кілограмі сухого повітря; 3. маса вологи в насичені й водяній парі; 4. правильної відповіді нема;

5. Температура мокрого тармометра співпадає з температурою сухого термометра при:

1. відносній вологості φ=100%; 2. відносній вологості φ<100%; 3. відносній вологості φ=15%; 4. при постійному вологовмісті;

6. Точка роси це:

1. температура до якої необхідно нагріти водяну пару, щоб почався процес кипіння; 2. температура до якої необхідно нагріти водяну пару, щоб почався процес конденсації води; 3. тиск при якому температура кипіння 1000С; 4. тиск при якому лід утворюється при 00С;

7. Кількість теплоти, яку затрачають на нагрів повітря можна визначити за H-d діаграмою як:

1. різницю ентропій в двох точках; 2. різницю ентальпій в двох точках; 3. як зміну температури помножену на теплоємність; 4. не має правельної відповіді.

8. Процес нагріву в калорифері проходить на H-d діаграмі по лінії:

1. φ=const; 2. d=const; 3. t=const; 4. tм=const;

9. Змыну ентропыъ пари в процесі нагріву до температури насичення можна визначити за рівнянням:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

10. Кількість теплоти, яка необхідна для переходу речовини з рідкого стану в газоподібний називається:

1. питомою теплоємністю; 2. питомою теплотою пароутворення; 3. питомою газовою сталою; 4. питомою ентальпією;

11. Питому теплоту пароутворення можна визначити за рівнянням:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

12. Питомий об’єм вологої насиченої пари можна визначити за формулою:

1. ; 2. ; 3. ; 4. ;

Х – степінь сухості; V’ – питомий об’єм води; V’’ – питомий об’єм водяної пари.

13. Виберіть графік, який відповідає ізобарному процесу водяної пари:

14. Виберіть графік, який відповідає ізохорному процесу водяної пари:

15. Виберіть графік, який відповідає ітермічному процесу водяної пари: