задачи 1. Исходные данные rCH40,100, rCO0,350
 Скачать 39.95 Kb.
|
|
Задача №1 Определить по заданному объемному составу газовой смеси (СН4, СО2, СО), объемную долю СО2, массовый состав смеси, кажущуюся молекулярную массу, газовую постоянную, массовую, объемную и мольную теплоемкость смеси. Температуру газовой смеси принять равной 25 °С (298 К), чему соответствуют стандартные мольные теплоемкости компонентов: (µср)CH4 =35,71 кДж/(кмоль⋅град), (µсP)CO2 =37,11 кДж/(кмоль⋅град), (µсP)CO =29,11 кДж/(кмоль⋅град). Исходные данные: rCH4=0,100 , rCO=0,350. Объемная доля СО2 составляет rCO2=1-( rCO2+ rCO)= 1-(0,1+0,350)=0,55. Молярная масса компонентов смеси составляет µCH4=µс+4*µH=12,0108+4*1,00795=16,04 кг/кмоль. µCО2=µс+2*µо=12,0108+2*15,9994=44,01кг/кмоль. µCО= µс+ µо=12,0108+15,9994=28,01кг/кмоль. Молярная масса смеси составляет µCМ = ∑µi ri =16,04*0,1+44,01*0,55+28,01*0,35=35,613кг/кмоль. Основные массовые доли компонентов смеси составляют: m CH4= µCH4* rCH4/µсм=16,04*0,1/35,613=0,045. mСО2= µCО2* rCО2/µсм=44,01*0,55/35,613=0,68. mСО= µCО* rCО/ µсм=28,01*0,35/35,613=0,275. Проверка m CH4+ mСО2+ mСО= 0,45+0,68+0,275=1. Газовая постоянная смеси составляет Rсм= ∑Rimi=8314,2/16,04*0,045+8314,2/44,01*0,68+8314,2/28,01*0,275=233,415Дж/(кг*К) Мольная изобарная теплоемкость смеси составляет (µср)см=∑(µср)iri=35,71*0.1+37,11*0,55+29,11*0,350=34,17кДж/(кмоль*град). Молекулярная масса смеси составляет µCМ = ∑µi ri =16,04*0,1+44,01*0,55+28,01*0,35=35,613кг/кмоль. Массовая изобарная теплоемкость смеси составляет сРсм=(µср)см/ µCМ=34,17/35,613=0,959кДж/(кг*град). Объемная изобарная теплоемкость смеси составляет с’Рсм=(µср)см/22,4=34,17/22,4=1,53кДж/(м3*град). Мольная изохорная теплоемкость смеси составляет (µсv)см=(µср)см-Rо*10-3=34,17-8314,2*10-3=25,856кДж/(кмоль*град). Массовая изохорная теплоемкость смеси составляет сvсм=(µсv)см/ µCМ=25,856/35,613=0,73кДж/(кмоль*град). Объемная изохорная теплоемкость смеси рассчитывается по формуле с’vсм= сvсм/22,4=25,856/22,4=1,15кДж/(м3*град). Задача №2 По заданному составу топлива на рабочую массу определить: колличество углерода содержащегося в топливе, низшую и высшую теплоту сгорания топлива, теоретически необходимое количество топлива для горения, объемы и состав продуктов сгорания при aв, энтальпию продуктов сгорания при температуре J = 200°С Решения задачи №2 Исходные данные: Wp=13,5%; Ap=21,5%; Sp=0,8%; Hp=3,8%; Np=1,1%; Op=8%; aB=1,25; J=200°С Содержание углерода на рабочую массу составляет: Ср=100-( Hp+ Op+ Np+ Sp+ Ap+ Wp)=100-(3,8+8+1,1+0,8+21,5+13,5)=51,3% Низшая теплота сгорания твердого топлива составляет: Q/pH=338 Cp+1025Hp-108,5(Op-Sp)-25Wp=338*51,3+1025*3,8-108,5(8-0,8)-25*13,5=20115,7 кДж/кг Высшая теплота сгорания топлива составляет: QpB=225Hp+25Wp+QpH=855+337,5+20115,7=21308,2 кДж/кг; Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг твердого топлива составляет: Vo=0,089Cp+0,226Hp+0,033(Sp-Op)=0,089*51,3+0,226*3,8+0,033(0,8-8)=5,19 м3/кг; Действительное необходимое количество воздуха составляет: Vд= aB* Vo=1,25*5,19=6,49 м3/кг; Теоретические объемы продуктов полного сгорания твердых топлив при aВ =1 составляют: - объем трехатомных газов VRO2=0,0187(Cp+0,375Sp)=0,0187(51,3+0,375*0,8)=0,96 м3/кг; -объем азота VoN2=0,79Vo+0,8Np/100=0,79*5,19+0,8*1,1/100=4,11 м3/кг; - объем сухих газов Voсг= VRO2+VoN2=0,96+4,11=5,07 м3/кг; - объем водяных паров VoH2O=0,111*Hp+0,0124*Wp+0,0161*Vo=0,111*3,8+0,0124*13,5+0,0161*5,19=0,67 м3/кг; Полный объем газообразных продуктов сгорания 1 кг твердого топлива при aB =1 составляет Voг= Voсг+ VoH2O=5,07+0,67=5,74 м3/кг; Объем продуктов сгорания при aB =1,25 составляет - объем сухих газов Vсг= Voсг+(aB-1)*Vo=6,57+(1,25-1)*6,39=8,17 м3/кг; - объем водяных паров VH2O= VoH2O+0,0161(aB-1)* Vo=0,67+0,0161(1,25-1)*5,19=0,69 м3/кг Полный объем продуктов сгорания 1 кг твердого топлива составляет: Vг=Vсг+ VH2O=8,17+0,69=8,86 м3/кг Энтальпии 1 м3 при температуре J =200 °С находятся по таблице 2.1 и составляют: (c ϑ)CO2 =360 кДж/м3 ; (c ϑ)N2=261 кДж/м3 ; (c ϑ)H2O = 304 кДж/м3 ; (c ϑ)в =267 кДж/м3 . Энтальпия продуктов сгорания 1 килограмма твердого топлива, при aВ =1,25 составляет Ior=VRO2(c9)CO2+VN2(c9)N2+ VH2O(c ϑ) H2O =0,96*360+4,11*261+304*0,67=1622 кДж/кг Энтальпия воздуха составляет: Ioв=Vo(c ϑ)в=5,19*267=1386,13 кДж/кг Энтальпия продуктов сгорания 1 килограмма твердого топлива, при при aВ =1 составляет: Ir= Ior+( aв-1)*Ioв=1622+(1,25-1)*1386=1969 кДж/кг Задача №3 По заданному составу природного газа определить: количество метана содержащегося в газе, низшую и высшую теплоту сгорания топлива, плотность газа при нормальных условиях, теоретически необходимое количество воздуха для горения, объемы и состав продуктов сгорания при αВ, энтальпию продуктов сгорания при температуре ϑ ,165 °С Решение задачи №3 Исходные данные: 1. В качестве топлива используется газ Заполярного месторождения Тюменской области, со следующим характеристиками C2H6=2,5%, C3H8=0,8%, C4H10=0,5%, C5H12-0,4%, CO2=0,6%, N2-2%. 2. Расчет проводить на aв=1,25 Количество метана содержащегося в газе составляет CH4=100-( ∑CmHn+CO2+N2)=100-(2,5+0,8+0,5+0,4+0,6+2)=93,2% Низшая теплота сгорания природного газа составляет QHP= (∑( CmHn)i* QHPi)/100= =(93,2*35840+2,5*63730+0,8*93370+0,5*123770+0,4*146340)/100=36947 кДж/м3 Высшая теплота сгорания природного газа составляет Qpв=(∑( CmHn)i* Qpв)/100= =(93,2*39860+2,5*70420+0,8*101740+0,5*133980+0,4*158480)/100=41028 кДж/м3 Плотность природного газа при нормальных условиях составляет Pr=(∑ Si*Pi)/100= =(93,2*0,7168+2,5*1,3566+0,8*2,019*0,5*2,703+0,4*3,221+2*1,2505+0,6*1,9768)/100= 0,78 кг/м3 Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м3 природного газа вычисляется по формуле Vo=0,0476[0,5CO+0,5H2+1,5H2S+∑(m+n4)CmHn-O2]= =0,0476[(1+4/4)*93,2+(2+6/4)*2,5+(3+8/4)*0,8+(4+10/4)*0,5+(5+12/4)*0,4]=9,79 м3/м3 Действительное необходимое количество воздуха составляет Vд=aвVo=1,25*9,79=12,24м3/м3 Теоретические объемы продуктов полного сгорания природного газа при aв=1,25 составляют: - объем трехатомных газов VRO2=0,01[CO2+CO+H2S+∑mCmHn]= =0,01[0,6+1*93,2+2*2,5+3*0,8+4*0,5+5*0,4]=1,05 м3/м3 -объем азота VoN2=0,79Vo+N2/100=0,79*9,79+2/100=7,75 м3/м3 - объем сухих газов Voсг= VRO2+ VoN2=1,05+7,75=8,8 м3/м3 - объем водяных паров VoH2O=0,01(H2+ H2S+0,5∑mCmHn+0,124d)+0,0161*Vo= =0,01(0,4*4*93,2+6*2,5+8*0,8+10*0,5+12*0,6+0,124*10)+0,0161*9,79=2,19 м3/м3 Полный объем продуктов сгорания при сжигании сгорания 1 м3 природного газа при aв=1 составляет: Voг= Voсг+ VoH2O=8,8+2,19=10,99 м3/м3 Объем продуктов сгорания при aв=1,25 составляет - объем сухих газов Vсг= Voсг+( aв-1)* Vo=8,8+(1,25-1)*9,79=11,24 м3/м3 - объем водяных паров VH 2O= VoH2O+0,0161( aв-1)* Vo=2,24+0,0161(1,25-1)*9,79=2,28 м3/м3 Полный объем продуктов сгорания 1 м3 природного газа составляет VГ= Vсг+ VH2O=11,24+2,28=13,52 м3/м3 Энтальпии 1 м3 при температуре ϑ =165 °С находятся по таблице 3.2 и составляют: (c ϑ)CO2=360 кДж/м3; (c ϑ)N2=261 кДж/м3; (c ϑ)H2O=304 кДж/м3; (c ϑ)B=265. Энтальпия продуктов сгорания 1 м3 природного газа, при aв =1 составляет Ioг=VRO2*(c ϑ)CO2+ VoN2*(c ϑ)N2+ VoH 2O*(c ϑ)H2O= =1,05*360+7,75*261+2,19*304=3066,51 кДж/м3 Энтальпия воздуха составляет IoB= Vo*(c ϑ)B=9,79*265=2594,35 кДж/м3 Энтальпия продуктов сгорания 1 м3 природного газа, при aв=1,25 составляет Iг= Ioг+( aв-1)* IoB=3066,51+(1,25-1)*2594,35=3715 кДж/ /м Задача №4 Для отопления гаража используют трубу, по которой протекает горячая вода. Рассчитать конвективный коэффициент теплоотдачи и конвективный тепловой поток от трубы к воздуху в гараже, если наружный диаметр и длина трубы соответственно равны dh и l. Температура поверхности трубы tc, при этом температура воздуха в гараже должна составлять tb. Решение задачи №4 Исходные данные: dН = 0,12 м; l = 14 м; tС = 85 °С; tВ=18 °С. В рассматриваемом случае определяющая температура tВ=18 °С. При этой температуре: λ=0,0256 Вт/(м⋅К), ν=14,7⋅10-6 м 2 /с, Рr=0,704, β=1/(tВ+273)=1/(18+273)=3,44*10^-3 1/K Вычисляем значение комплекса Gr*Рr=((g*β*(tC* tB)*dH3)/v2)* Рr=((9,81*3,44*10-3*(85*18)*0,12)/(14,7*10^-6)2)*0,704= =6,72*10^6. Из табл.4.1 находим, что при вычисленном значении комплекса постоянные в расчетном уравнении Nu = c(Gr ⋅ Pr)n равны: с=0,5 и n=0,25. Значение критерия Нуссельта составляет Nu = c(Gr ⋅ Pr)n=0,5*(6,72*10^6)^0,25=24,3. Коэффициент теплоотдачи при свободном движении воздуха около трубы находим из уравнения Nu=(α *dH)/ λ α = Nu*(λ/dH) =24,3*(0,0256/0,18)=3,456 Вт/(м2*К). Площадь наружной поверхности трубы составляет F = π*dH*l=3,14*0,18*8=4,52м2 Тепловой поток отдаваемый от трубы воздуху равен Q = α(tC – tB )F=3,456*(80-17,5)*4,52=976,32 Вт/(м2*К). Задача №5 Для наружной стены определить толщину теплоизоляционного слоя δ, м, коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2оС), и построить график распределения температуры в толще стены. Решение задачи №5 Определить толщину теплоизоляционного слоя δ, м, коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2оС), и построить график распределения температуры в толще наружной стены жилого дома строящегося в г. Краснодар. Условия эксплуатации ограждающих конструкций – Б. Расчетная температура внутреннего воздуха в помещении 20 оС. Конструкция стены трехслойная: слой 1 – сложный раствор ρ=1700кг/м3, δ =20мм; слой 2 - пенопласт ПХВ-1, ρ=100кг/м3; слой 3 - кирпич глиняный ρ=1600кг/м3 ; δ =640мм. Климатические параметры определяем по табл.5.1 t5x=-19oC; tот.пер.=2,0 oC; zот.пер.=149сут. Расчетные значения теплофизических характеристик строительных материалов определяем по табл. 5.4. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»: - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций αB =8,7 Вт/(м2 °C); - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций αH =23 Вт/(м2 °C); - для расчета требуемого значения приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен зданий коэффициенты a и b , имеют следующие значения: a = 0,00035, b = 1,4. Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) составляют ГСОП=(tB-tот.пер)zот.пер.=(20-2)*149=2682 °C сут. Требуемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции составляет RTPo=a*ГСОП + в = 0,00035*2682+1,4=2,34(м2°C)/Вт. Расчетная толщина теплоизоляционного слоя составляет б2=[ RTPo - (1��в +��1λ1+��3λ3+1��н)]* λ2 = [2,34-(1/8,7+0,02/0,87+0,64/0,7+1/23)]*0,052=0,06 м. Фактическое значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции составляет Roф=1��в/ +��1/λ1+��2/λ2+��3/λ3+1/��н=1/8,7+0,02/0,87+0.06/0.052+0,64/0,7+1/23=2.75(м2°C)/Вт. Условие Roф= RTPo; 2,75≥2,63 выполнено. Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции составляет К=1Roф=1/2,75=0,37Вт/(м2°C). Фактическая толщина стены составляет бсм=б1+б2+б3=0,02+0,06+0,64=0,72 м. Используя результаты теплотехнического расчета и формулу расчета распределения температуры в толще стены: tx=tB-��(����−1)Roф∗(tв-tн) , строим график распределения температуры в толще наружной стены. t1=20 – (1/8,7+0,02/0,87+1/23)/2,75*(20-/26) = 20-0,12+0,023+0,032,75*46=18,85 oC. t2=20 – (1/8,7+0,06/0,052+1/23)/2,75*(20-(-26)) = 20-0,12+1,5+0,0432,75= -2,08 oC. t3=20 – (1/8,7+0,64/0,7+1/23)/2,75*(20-(-26)) = 20-0,12+0,91+0,0432,75=-21,3 oC.
Задача № 6 Выполнить конструктивный расчет кожухотрубного теплообменного аппарата. Теплообменник проектируется из трубок наружным диаметром dнар=25мм, внутренним диаметром dвн=21мм. Объем нагреваемой воды 130 м3 /ч. Толщину диаметра корпуса принять равной 10 мм. При выполнении конструктивного расчета скорость движения теплоносителей принимают для жидкостей в интервале 0,5 ÷ 3 м/с, w2 ′ =1,5 м/с. Решение задачи № 6 Ориентировочная площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя составляет ʄ `=L/(3600* w`2) = 130/(3600*1,5) = 0,03 м2. Требуемое количество трубок для прохода теплоносителя составляет nTP= ʄ `/ (π* d2вн/4) = 0,03/(3,14*0,0276^2/4) = 50 К установке принимаем кожухотрубный теплообменник с общим количеством труб 62 (n=62), количество трубок по диагонали nД=9, число окружностей - 4, число труб по наружной окружности - 25. Фактическая скорость теплоносителя в трубах составляет w2 = L/3600*n*(π* d2вн/4) = 130/3600*62*(3,14*0,0276^2/4) = 1,14 м/с. Проверяем условие wmin ≤ w2 ≤ wmax , 0,5 ≤1,14 ≤ 3, скорость теплоносителя лежит в допустимых пределах, число ходов по воде принимаем равное одному (Z=1). Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника D, при этом кольцевой зазор между крайними трубами и корпусом теплообменника примем k = 6 мм, k = 6/1000=0,006 м, а шаг труб выбираем из соотношения s = (1,3÷1,5)dНАР. D = (nд-1)*s+nд*dНАР+2*k = (9-1)*1,5*0,025+9*0,025+2*0,006 = 0,537м. К установке принимаем кожухотрубный теплообменник с наружным диаметром корпуса 720 мм, толщиной стенки 10 мм. Внутренний диаметр корпуса 700 мм (D=0,7 м). Для подобранного теплообменника находится количество труб по диагонали по формуле nд’= (D+s-2k)/(dНАР+s) = (0,7+1,5*0,025-2*0,006)/(0,025+1,5*0,025) = 11,6. Выполняем проверку принятых конструктивных решений, условие nд’ ≥ nд 11,6 ≥ 9 выполняется. Задача № 7 Определить эффективную мощность привода одноцилиндрового одноступенчатого поршневого компрессора и необходимую мощность электродвигателя с запасом 10 % на перегрузку. Одноцилиндровый одноступенчатый поршневой компрессор сжимает воздух при температуре 25 °С от атмосферного давления Р1 = 0,1 МПа до требуемого давления Р2. Для всех вариантов: - относительный объем вредного пространства δ =0,05; - коэффициент, учитывающий уменьшение давления газа при всасывании η р =0,94; эффективный адиабатный КПД компрессора ηе.ад=0,75. Решение задачи № 7 Степень повышения давления λ = P2/P1=0,85/0,1=8,5 Объемный КПД компрессора составляет ηоб=1- δ*(λ1/m-1)=1-0,05*(8,5^1/1.34-1)=0,8 Коэффициент подачи компрессора ηv= ηоб* ηp=0,8*0,94=0,752 Теоретическая подача компрессора составляет VT=3600*( πD2/4)*(S*n)=3600*((3,14*0,3^2)/4)*(0,3*680)=1,38 м3/ч Действительная подача компрессора составляет V=VT* ηv=138*0,804=111 м3/ч Теоретическая мощность привода компрессора при адиабатном сжатии составляет Nад=K/(K-1)*(P1-*V)103*( λ K/(K-1))-1)=1,4/0,4*(0,1*111)/1000*(70,4/1,4-1)=8,1кВт Эффективная мощность компрессора Ne= Nад/ ηе.ад=8,1/0,75=10,8 кВт Необходимая мощность электродвигателя с 10% запасом перегрузки определяется по формуле Nэд=1,1Ne=1,1*10,8=11,88 кВт |
