Гидравлический расчет коротких трубопроводов. Режимы движения. Ламинарность и турбулентность, основные характеристики. Потери по длине и на местные сопротивления. Зона сопротивления, график Никурадзе. Теорема Борда-Карно. Структуры основных формул для оценки сопротивлений по длине и в местных сопротивлениях.
Гидравлический расчет длинных трубопроводов. Водопроводная формула. Модуль расхода. Особенности гидравлического расчета последовательно соединенных, параллельных, разветвленных и с непрерывной раздачей расхода по пути движения трубопроводов. Графоаналитические методы расчета трубопроводов.
Понятие о гидравлическом ударе. Формула Жуковского для прямого и непрямого гидроударов. Инженерные средства защиты гидросистем от гидроудара.
Методические указания
При изучении раздела уделите внимание рассмотрению особенностей ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, опытов Рейнольдса, определения числа Рейнольдса для различных сечений. На различных участках трубопровода, даже на одних и тех же участках в разные периоды времени поток может отличаться характером движения, что определяется диаметрами трубопроводов, изменением скорости течения жидкости. Следует уяснить факторы, влияющие на переход из ламинарного к турбулентному режиму, например, в результате плавного или внезапного изменения диаметра трубы, изменения скорости движения и формы потока жидкости.
Определение гидравлических сопротивлений необходимо при расчете различных систем трубопроводов, поэтому нужно обратить внимание на определение коэффициента сопротивления трению по длине λ, понятие шероховатости трубопроводов. Формула Дарси-Вейсбаха справедлива как для ламинарного, так и для турбулентного режимов движения жидкости, однако коэффициент трения по длине λ не является величиной постоянной и зависит от многих факторов.
При расчете трубопроводов нужно учитывать и потери на местные сопротивления. Следует учесть, что коэффициент местного сопротивления ξм зависит от конкретных геометрических размеров местного сопротивления и его формы. Физический смысл коэффициента ξм состоит в том, что он показывает долю скоростного напора, затрачиваемого на преодоление данного сопротивления. При определенных условиях весьма вероятно взаимное влияние местных сопротивлений друг на друга, тогда сопротивления рассматривают как единое сложное сопротивление, коэффициент ξм которого определяется экспериментально. Следует отметить, что для большинства местных сопротивлений коэффициент ξм не зависит от числа Рейнольдса при Re > 5000.
При изучении явлений полного и прямого гидравлического удара необходимо уяснить причины возникновения и характер протекания в трубопроводах колебательного процесса, характеризующегося периодическим повышением и понижением давления, а также опасные последствия гидроудара в трубах. Следует обратить внимание на расчет величины подъёма давления и скорости распространения ударной волны в трубопроводе.
Вопросы для самопроверки
1. В каком случае совпадают понятия: живое сечение потока и поперечное сечение канала; геометрический и смоченный периметр канала?
2. При каком течении расход жидкости не изменяется во времени?
3. Каков характер движения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах движения?
4. При каком режиме скорость наиболее равномерно распределена по сечению потока?
5. Какую структуру имеет поток жидкости при ламинарном режиме течения?
6. Чем характеризуется турбулентный режим течения жидкости?
7. Какая зависимость скорости и давления в каждой точке потока от времени при установившемся течении жидкости?
8. Что является критерием режима течения?
9. От каких показателей зависит число Рейнольдса?
10. Какое число Рейнольдса принимают для равномерных потоков жидкости в трубах круглого сечения?
11. Как отличаются ламинарный и турбулентный режимы путем сравнения числа Рейнольдса с его критическим значением?
12. Где в природе и технике встречаются ламинарный и турбулентный режимы?
13. Чем вызваны потери напора по длине? От каких показателей они зависят?
14. Что называют местными потерями напора? В каких случаях возникают местные потери напора жидкости?
15. Как рассчитываются местные потери напора в инженерных расчетах?
16. Назовите причины явления гидравлического удара в трубах.
17. Какие методы предотвращения негативных явлений гидравлического удара вам известны?
18. В каких устройствах используется явление гидравлического удара? На чем основаны принципы их работы?
1.1.6. Истечение жидкостей из отверстий и насадок. Понятие тонкой стенки. Скорость и расход истечения. Коэффициенты сжатия, скорости, расхода. Свободное истечение (в атмосферу) и истечение под уровень. Истечение жидкости через насадки.
Методические указания
При изучении темы следует уяснить, что в случаях истечения жидкости через отверстия и насадки запас потенциальной энергии, которым обладает жидкость, находящаяся в резервуаре, превращается в кинетическую энергию свободной струи. Особое внимание нужно обратить на определение скорости истечения и расхода жидкости для различных форм отверстий и насадков.
Расчетные формулы включают коэффициенты сжатия, скорости и расхода, которые определяются в зависимости от формы и положения отверстия или насадка по эмпирически построенным зависимостям или таблицам из справочной литературы.
Вопросы для самопроверки
1. Какие отверстия считаются малыми?
2. Какойдолжна быть толщина стенки, чтобы она считалась тонкой?
3. Как определяется скорость истечения? Расход?
4. Как связаны между собой коэффициенты истечения? От чего онизависят?
5. Чтоназывается насадком?
6. Как влияет наличие насадка на характер истечения?
7. Какие виды насадков вам известны?
1. 2. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
1.2.1. Основы технической термодинамики. Термодинамика как наука. Термодинамическая система. Параметры состояния. Уравнение состояния и термодинамический процесс.
Методические указания
В теме представлены определения и понятия, на основе которых излагаются последующие темы. Поэтому нужно четко усвоить основные понятия и определения.
Вопросы для самопроверки
1. Что является предметом изучения технической термодинамики?
2. Что понимается под термодинамической системой?
3. Какое состояние называется равновесным и какое — неравновесным?
4. Какие величины относят к основным параметрам состояния рабочего тела?
5. Что называется термодинамическим процессом?
6. Какие процессы называются равновесными и какие неравновесными?
7. Какие процессы называются обратимыми и какие необратимыми?
8. Каковы условия обратимости процессов?
1.2.2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Теплота и работа как формы передачи энергии. Сущность первого закона термодинамики. Формулировка первого закона термодинамики. Аналитическое выражение первого закона термодинамики закрытых систем. pv-диаграмма. Теплоемкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкости. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Средняя и истинная теплоемкости. Формулы и таблицы для определения теплоемкости. Теплоемкость смеси рабочих тел. Энтальпия.
Методические указания
Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии, приложенный главным образом к закономерностям превращения теплоты в работу. При подготовке темы нужно обратить внимание на принципиальное различие между внутренней энергией как функцией состояния газа и теплотой и работой как функциями процесса. Являясь функцией состояния или функцией основных параметров состояния, внутренняя энергия является параметром состояния, величиной которого можно характеризовать состояние рабочего тела. Работа и теплота являются формой передачи энергии, поэтому можно говорить, что телу сообщена (или от тела отнята) определенная теплота или определенная работа. Работа и теплота являются функциями не состояния, а процесса, характер которого определяет их численное значение.
Вопросы для самопроверки
1. Как связаны между собой основные термодинамические параметры состояния идеального газа?
2. Что такое «функция состояния» и «функция процесса»? Приведите примеры этих функций.
3. В чем разница между теплотой и работой изменения объема?
4. Когда теплота, работа и изменение внутренней энергии считаются положительными и когда отрицательными?
5. Какой вид имеет уравнение первого закона термодинамики?
6. В чем отличие понятий «истинная теплоемкость» и «средняя теплоемкость»?
7. Как определяют удельную массовую теплоемкость смеси газов?
8. Является ли удельная энтальпия функцией состояния рабочего тела?
1.2.3. Второй закон термодинамики. Сущность второго закона термодинамики. Основные формулировки второго закона термодинамики. Понятие энтропии. Ts-диаграмма. Прямые и обратные циклы. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент. Цикл Карно и его свойства. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии в необратимых процессах. Понятие об эксергии.
Методические указания
В соответствии со вторым законом термодинамики, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. Возможность преобразования теплоты в работу ограничена.
Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле. Следует обратить внимание, что КПД (ht) цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от рода рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с ht любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур.
Энтропия не является функцией состояния системы, состоящей из нескольких тел (рабочее тело, холодильники и источники теплоты), каждое из которых характеризуется своими параметрами. Поэтому на изменение энтропии системы влияет характер процесса теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты. При протекании обратимых процессов энтропия системы остается постоянной: при необратимых процессах энтропия системы растет.
Вопросы для самопроверки
1. В чем сущность второго закона термодинамики? Приведите основные формулировки. В чем общность различных формулировок второго закона термодинамики?
2. Почему Ts-диаграмму называют тепловой диаграммой? Покажите с помощью Ts-диаграммы, что при заданных Tмакс и Tмин ht цикла Карно будет наибольшим по сравнению с ht других циклов.
3. Почему ht цикла Карно не может быть равным единице?
4. Является ли удельная энтропия функцией термодинамического процесса?
5. Как с помощью выражения ds = dq/T показать, что в круговом процессе не вся подведенная теплота превращается в полезную работу, а часть ее отдается холодильнику?
1.2.4. Анализ термодинамических процессов. Термодинамические процессы. Общие методы исследования процессовизменения состояния рабочих тел. Политропные процессы. Уравнение политропы. Основныехарактеристики политропных процессов. Изображение в pv- и Ts-координатах. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный - частные случаи политропного процесса.
Термодинамические процессы в реальных газах и парах. Свойства реальных газов. Уравнения состояния реального газа. Процессы парообразования в рv-, Ts- координатах. Водяной пар. Термодинамические таблицы воды и водяного пара, рv-, Ts- и hs- диаграммы водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью таблиц и hs-диаграммы.
Влажный воздух. Определение понятия "влажный воздух". Основные величины, характеризующие состояние влажного воздуха. Расчет основных процессов влажного воздуха.
Методические указания
При рассмотрении термодинамических процессов в идеальном газе исследуют взаимосвязь между основными параметрами состояния в начале процесса и в конце процесса, изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии; теплоемкость процесса; работу процесса; теплоту процесса. В любом исследуемом процессе идеального газа должно выполняться уравнение состояния идеального газа.
Для реального газа расчетные формулы, применявшиеся при изучении идеального газа, как правило, недействительны. Например, для идеального газа в процессе Т = const изменение внутренней энергии равнялось нулю, а для пара при Т = const не равно нулю. Линии, изображающие основные термодинамические процессы в pv- и Ts-диаграммах, в общем случае различны для газа и пара. При расчете процессов и циклов паров используются таблицы и hs-диаграммы.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите процесс, в котором вся подведенная теплота идет на увеличение внутренней энергии? вся подведенная теплота идет на совершение работы?
2. В каком процессе работа совершается лишь за счет уменьшения внутренней энергии?
3. Назовите процесс, в котором подведенная к рабочему телу теплота численно равна изменению энтальпии? Какая доля подведенной теплоты в этом случае идет на совершение работы?
4. Какой процесс называется политропным?
5. Покажите в pv-диаграмме работу газа в адиабатном процессе.
6. При каких значениях показателя политропы п можно получить уравнения основных термодинамических процессов? В чем состоит обобщающее значение политропного процесса?
7. Почему в Ts-диаграмме изохора идет круче, чем изобара, а в pv-диаграмме адиабата идет круче изотермы?
8. Как в Ts-диаграмме по заданной кривой процесса определить знак q и Δu?
9. Что такое испарение и кипение? Какой пар называется сухим насыщенным?
10. Каков физический смысл пограничных кривых?
11. Какой пар называется перегретым и что такое степень перегрева? Какой пар называется влажным насыщенным и что такое степень сухости?
12. Как определить удельный объем, энтальпию, энтропию влажного пара?
13. Как изменяется теплота парообразования с увеличением давления?
14. Чем характерна критическая точка?
15. Какими параметрами можно охарактеризовать состояние влажного, сухого и перегретого пара?
16. Изобразите pv-, и Ts-диаграммы водяного пара и покажите в них характерные области и линии фазовых переходов.
17. Изобразите основные термодинамические процессы с паром в pv- и Ts-диаграммах. Приведите формулы для определения работы, теплоты, Δu.
18. Что называют относительной влажностью воздуха?
19. Какие параметры влажного воздуха остаются неизменными при его нагреве (увлажнении)?
20. Какую диаграмму используют для анализа процессов, происходящих во влажном воздухе?
21. Что произойдет с влагосодержанием при охлаждении влажного воздуха до температуры ниже температуры точки росы?
1.2.5. Термодинамические циклы тепловых машин. Сжатие газа в компрессорах. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Термодинамическое обоснование многоступенчатого сжатия. Изображение в pv- и Ts-диаграммах термодинамических процессов, протекающих в компрессорах.
Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Циклы паросиловых установок. Анализ циклов. Термический КПД цикла теплового двигателя. Методы повышения КПД. Изображение циклов в рv- и Ts- диаграммах. Циклы холодильных машин, тепловой насос.
Методические указания
При изучении поршневых компрессоров следует обратить внимание на причины применения многоступенчатых компрессоров и целесообразность применения промежуточного охлаждения, а также охлаждения цилиндров компрессоров. Рост температуры при сжатии отрицательно влияет на экономичность компрессора, так как нагреваясь, газ расширяется, и на его сжатие расходуется дополнительная энергия. В связи с этим невыгодно сжимать в одной ступени (за один цикл) газ до высоких давлений, в связи с чем используется многоступенчатое сжатие, при котором между ступенями устанавливаются промежуточные теплообменники (холодильники).
Процессы расширения и сжатия в любых газовых двигателях (поршневых и газотурбинных) можно принимать адиабатными. Принципиальное отличие циклов газотурбинных установок от циклов поршневых двигателей заключается лишь в процессе отвода теплоты. В газотурбинных установках осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, поэтому процесс отвода теплоты принимается изобарным. В поршневых двигателях газы выбрасываются из цилиндра с давлением, в 2-4 раза большим атмосферного. Поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным. Процесс подвода теплоты не характеризует принадлежность рассматриваемого теплового двигателя к той или иной группе (как для газотурбинного, так и для поршневого он может быть и изохорным и изобарным). Термический КПД цикла растет с увеличением степени сжатия.
При изучении циклов паросиловых установок следует обратить внимание на проблему осуществления на практике цикла Карно: неблагоприятные технические условия работы турбины при высокой конечной влажности пара при обратном расширении. Кроме того, сжимающий пар компрессор должен иметь очень большие габариты, а условия его работы были бы крайне тяжелыми. В связи с этим применяется не цикл Карно в чистом виде, а цикл с полной конденсацией отработавшего пара - цикл Ренкина. При этом возможно применение перегретого пара, что повышает экономичность цикла.
Основная тепловая потеря в цикле Ренкина – теплота, уходящая с отработавшим паром, отдаваемая охлаждающей воде и нигде больше не используемая. В реальных условиях эта теплота составляет до 60% всей теплоты, сообщенной пару в парогенераторе. Температура охлаждающей воды составляет около 20оС и ее невозможно использовать в качестве источника тепловой энергии. Устранить этот недостаток можно, если повысить давление на выходе из турбины. В этом случае КПД турбины несколько падает, но температура пара на выходе существенно увеличивается. Соответственно растет температура охлаждающей воды (до 90оС), и ее можно использовать в системах отопления.
Вопросы для самопроверки
1. Можно ли в одноступенчатом поршневом компрессоре получить любое конечное давление, и если нельзя, то по каким причинам?
2. Как влияет вредное пространство на производительность компрессора?
3. Как влияет показатель политропы сжатия на конечную температуру газа в одноступенчатом компрессоре?
4. В каком из поршневых компрессоров (быстроходном или тихоходном) показатель политропы сжатия будет больше?
5. Какой цикл называется идеальным?
6. Почему процессы сжатия или расширения во всех идеальных циклах тепловых двигателей принимаются адиабатными?
7. По какому циклу работают карбюраторные ДВС? Дизельные?
8. Циклы каких двигателей характеризует изохорный отвод теплоты и почему?
9. С ростом какого параметра увеличивается термический КПД любого цикла?
10. Что называют степенью сжатия? Чем ограничивается степень сжатия у различных типов поршневых двигателей?
11. Что является причиной, ограничивающей возможность повышения степени сжатия в ДВС, работающих по циклу с подводом теплоты при v = const?
12. За счет чего в цикле Дизеля достигают высоких степеней сжатия?
13. Почему для пара цикл Карно не применяется, хотя изотермические процессы с влажным паром осуществляются достаточно просто?
14. Каковы способы повышения экономичности паросиловой установки?
15. От каких параметров и как зависит ht цикла Ренкина?
16. Какой параметр характеризует эффективность холодильной установки?
17. Какими свойствами должны обладать хладоагенты?
Основы теории теплообмена. Основные понятия и определения. Основные понятия теплообмена: температурное поле, изотермическая поверхность, градиент температуры, количество теплоты, тепловой поток, удельные тепловые потоки.
Виды переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение. Сложный теплообмен.
Теплопроводность. Основные положения учения о теплопроводности. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных изотропных тел; условия однозначности. Коэффициент температуропроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенки при граничных условиях I рода. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях III рода (теплопередача). Теплопередача через однослойную и многослойную плоскую и цилиндрическую стенки; коэффициент теплопередачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Критический диаметр тепловой изоляции. Выбор целесообразного материала тепловой изоляции.
Методические указания
Для решения основной задачи расчета теплообмена – определения температурных полей и тепловых потоков при теплоотдаче и теплопередаче – необходимо уметь рассчитывать три элементарных способа передачи тепловой энергии. При рассмотрении теплопроводности элементарных тел следует обратить внимание на применение закона Фурье - закона распределения температур по толщине стенки и определении количества теплоты, передаваемой через стенку. При изучении процесса теплопередачи через стенку нужно учесть влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, знать способы уменьшения термических сопротивлений.
Вопросы для самопроверки
1. Как передается теплота в процессе теплопроводности?
2. Сформулируйте основной закон теплопроводности.
3. Каков закон распределения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
4. При каком условии расчет цилиндрической стенки можно заменить расчетом плоской стенки?
5. Всегда ли с увеличением толщины изоляции цилиндрической трубы тепловой поток через нее уменьшается?
6. По какому условию выбирается изоляция трубы?
1.2.7. Конвективный теплообмен в однофазных средах. Основные положения учения о конвективном теплообмене. Физическая сущность конвективного теплообмена. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен. Уравнение Ньютона - Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Дифференциальные уравнения теплообмена: уравнение движения вязкой жидкости (уравнение Навье-Стокса), уравнение теплопроводности для потока движущейся жидкости (уравнение Фурье- Кирхгофа), уравнение теплоотдачи на границе потока и стенки (уравнение Био-Фурье), уравнение закона сохранения. Условия однозначности к дифференциальным уравнениям конвективного теплообмена.
Основные положения теории подобия. Критериальные уравнения конвективного теплообмена. Расчётные формулы конвективного теплообмена.Конвективная теплоотдача при свободном движении текучей среды. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении текучей среды в трубах и каналах. Конвективная теплоотдача при вынужденном внешнем обтекании тел. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи по критериальным уравнениям.
Теплообмен при фазовых превращениях. Теплообмен при конденсации. Пленочная и капельная конденсации. Теплоотдача при конденсации чистых паров. Расчетные уравнения коэффициента теплоотдачи для вертикальных и горизонтальных труб. Факторы, влияющие на теплообмен при конденсации чистых паров и паров из паровых смесей.
Теплообмен при кипении; механизм процесса при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризисы кипения. Теплоотдача при пузырьковом и пленочном кипении жидкости в большом объеме.
Расчетные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи.
Методические указания
Конвекция теплоты осуществляется за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция протекает совместно с процессом теплопроводности. Сочетание конвекции и теплопроводности, наблюдаемое в текучих средах, называют конвективным теплообменом. Для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи α, который характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел: жидкости (или газа) и твердого тела. Поэтому α зависит от большого количества факторов. Для сложных систем теплообмена необходимо выполнить бесконечное множество экспериментов, поскольку коэффициент теплоотдачи зависит в общем случае от координат, скорости, температуры, физических свойств среды и т.д.
Теория подобия позволяет уменьшить число независимых переменных и распространить результаты ограниченного числа экспериментов на группу подобных явлений. Определяемые критерии называют числами подобия. Наиболее часто в инженерных расчетах конвективного теплообмена для расчета коэффициента теплоотдачи используют критерий Нуссельта и критерий Стантона.
Чтобы выполнить расчет коэффициента теплоотдачи по критериальным формулам необходимо определить вид конвективного теплообмена, найти в справочной литературе критериальные формулы данного вида конвекции, определяющие параметры (определяющий размер, определяющая температура). Затем определить режим течения среды (ламинарный или турбулентный) и природу его возникновения (свободное или вынужденное): при вынужденном движении по критерию Рейнольдса (Re), при свободном движении по критерию Рэлея (Ra) и уточнить критериальную формулу в зависимости от режима течения. Затем по критериальному уравнению вычислить число Нуссельта (Nu) или число Стантона (St) и найти коэффициент конвективной теплоотдачи a:
или 
.
Вопросы для самопроверки
1. Что называют конвекцией?
2. Как формулируется основной закон теплоотдачи конвекцией?
3. Какой критерий является определяемым при нахождении коэффициента теплоотдачи?
4. Какой критерий характеризует вынужденную конвекцию?
5. Из каких уравнений выводятся критерии Re, Gr, Pr и Nu?
6. Какой критерий характеризует свободную конвекцию?
7. Что характеризует критерий Нуссельта?
8. Что такое определяющая температура и определяющий размер?
9. Какую температуру используют в качестве определяющей при нахождении величин, входящих в критерии подобия?
10. Почему при обтекании стенки жидкостью в непосредственной близости от поверхности стенки температурный градиент резко увеличивается?
11. В чем особенности теплоотдачи при кипении воды и конденсации водяного пара? Какие режимы кипения вам известны?
1.2.8. Теплообмен излучением. Общие понятия и определения; тепловой баланс лучистого теплообмена. Законы излучения абсолютно черного тела (АЧТ). Закон Кирхгофа. Понятие серого тела. Особенности излучения газов. Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны.
Методические указания
Тепловое излучение – способ переноса теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло. Теплообмен излучением связан с двойным преобразованием энергии и происходит в три стадии. Внутренняя энергия тела превращается в энергию электромагнитного излучения; лучистая энергия переносится электромагнитными волнами в пространстве, которые в однородной среде распространяются прямолинейно со скоростью света; затем лучистая энергия переходит во внутреннюю энергию тела путем поглощения фотонов. К радиационным характеристикам тела относят поглощательную, отражательную и пропускательную способности тела, спектральную и интегральную степени черноты и угловую степень черноты. Следует изучить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана — Больцмана, методику и границы их применения.
В реальных условиях, как правило, наблюдают совместное участие разных видов теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение), поэтому следует определить виды теплообмена в каждом конкретном случае, преобладающий вид теплообмена по сравнению с другими, каким видом теплообмена с целью упрощения решения задачи можно пренебречь?
Вопросы для самопроверки
1. Что происходит с лучистой энергией, падающей на поверхность твердого тела?
2. Что такое абсолютно черное, абсолютно белое и диатермическое тело?
3. Что графически изображает закон Планка?
4. Сформулируйте закон смещения Вина. Объясните его связь с законом Планка.
5. Как формулируется закон Кирхгофа и каково его практическое применение? Сформулируйте закон Стефана- Больцмана, как он связан с законом Планка.
6. Дайте определения абсолютно черного тела, серого тела, поглощательной способности и степени черноты. Излучает ли энергию абсолютно черное тело?
7. Верно ли утверждение, что коэффициент поглощения серого тела равен его степени (коэффициенту) черноты.
8. Для чего нужны экраны и какими свойствами они должны обладать?
9. Как определяется лучистый поток между параллельными плоскими стенками и для тела, находящегося внутри другого полого тела?
10. Что больше: собственное, результирующее или эффективное излучение тела?
11. Что такое сплошной и селективный спектры излучения? У каких тел они наблюдаются?
12. Каковы особенности излучения газов? Какие газы обладают значительным тепловым излучением?
13. Какие газы можно считать прозрачными для тепловых лучей?
14. Как определяется степень (коэффициент) черноты газовой среды?
1.2.9. Сложный теплообмен. Теплообменные аппараты. Теплопередача в теплообменниках. Основные схемы движения и теплообмена потоков теплоносителей. Теплоносители,их основные характеристики. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Уравнения для теплового потока и средней разности температур любой схемы теплообмена; сложный теплообмен. Теплопередача через плоскую, цилиндрическую и оребренную стенки. Коэффициент теплопередачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Тепловая изоляция. Выбор материала тепловой изоляции. Принцип расчета теплообменных аппаратов. Современные конструкции трубчатых и пластинчатых теплообменных аппаратов.
Методические указания
Под теплопередачей понимают передачу теплоты от текучей среды с большей температурой (горячей жидкости) к текучей среде с меньшей температурой (холодной жидкости) через непроницаемую стенку любой формы. Теплопередача относится к сложным видам теплообмена между теплоносителями через разделяющую перегородку. Следует обратить внимание на основное уравнение теплопередачи, факторы, влияющие на коэффициент теплопередачи, способы интенсификации теплообмена в теплообменниках, расчет теплообменников при различных схемах движения теплоносителей (противоток и прямоток), уметь анализировать полученные результаты.
Вопросы для самопроверки
1. Что понимают под термином «сложный теплообмен»?
2. Чем отличается теплопередача от теплоотдачи?
3. Какой вид имеет уравнение теплопередачи?
4. Как определить температуру стенок по графику зависимости
t = f (R), где R - термическое сопротивление?
5. Для увеличения коэффициента теплопередачи какой из коэффициентов теплоотдачи следует увеличить, если α1 >> α2?
6. Какие виды теплообменных аппаратов вы знаете?
7. При каких предположениях выводятся формулы, определяющие среднелогарифмический температурный напор?
8. Когда среднелогарифмический температурный напор можно заменить среднеарифметическим?
9. Какие преимущества имеет противоточная схема теплообменника перед прямоточной? В каких случаях эти схемы эквивалентны?
10. С какой стороны теплопередающей поверхности следует в первую очередь увеличивать площадь теплообмена за счет оребрения?
11. Для чего предназначена тепловая изоляция?
12. Что называют критическим диаметром тепловой изоляции?
3. ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
3.1. Основы гидравлики
1. Физические свойства жидкостей. Основные понятия гидростатики.
2. Гидростатическое давление. Первое свойство гидростатического давления. Второе свойство гидростатического давления.
3. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости (уравнения Эйлера).
4. Закон Паскаля, гидравлические машины на его основе.
5. Абсолютное и манометрическое давление.
6.Давление жидкости на плоские, криволинейные поверхности. Эпюры гидростатических давлений, действующих на стенки сосудов.
7. Основные понятия гидродинамики. Два способа описания движения частицы. Ускорение жидкой частицы.
8. Дифференциальные уравнения движения невязкой жидкости.
9. Уравнение сплошности (неразрывности).
10. Уравнение Бернулли для потока жидкости.
11. Практические приложения уравнения Бернулли.
12. Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости.
13. Уравнение Бернулли для сжимаемой жидкости.
14. Потери напора при движении жидкости.
15. Основное уравнение равномерного движения жидкости в трубопроводе.
16. Опыт Рейнольдса. Два основных режима движения жидкости.
17. Распределение скорости потока по сечению трубопровода при ламинарном движении жидкости.
18. Распределение скорости по сечению трубопровода при турбулентном движении жидкости.
19. Определение коэффициентов трения при движении жидкости.
20. Местные потери. Формула Борда.
21. Общие потери при напорном течении жидкости в трубопроводе. Эквивалентная длина.
22. Гидравлические расчеты систем трубопроводов. Определение потерь напора через сопротивление участка трубопровода.
23. Определение расхода по величине напора на участке трубопровода. Проводимость и другие расходные характеристики трубопроводов.
24. Гидравлический расчет последовательного, параллельного соединения трубопроводов.
25. Расчет трубопроводов при равномерной раздаче воды.
26. Гидравлический удар. Формула Жуковского. Гидравлический удар в технике.
27. Истечение жидкостей через незатопленные и затопленные отверстия.
28. Истечение жидкостей через насадки.
3.2. Основы теплотехники
1. Предмет технической термодинамики и ее методы. Термодинамическая система и термодинамический процесс.
2. Основные параметры состояния. Уравнения состояния идеальных газов.
3. Смеси рабочих тел. Способы задания состава смеси, соотношения между массовыми и объемными долями.
4. Вычисление параметров состояния смеси, определение кажущейся молекулярной массы и газовой постоянной смеси, определение парциальных давлений компонентов.
5. Равновесное и неравновесное состояние. Теплота и работа как формы передачи энергии.
6. Равновесные и неравновесные процессы. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы (циклы).
7. Теплоемкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкости.
8. Теплоемкость при постоянных объеме и давлении. Зависимость теплоемкости от температуры и давлении. Средняя и истинная теплоемкости.
9. Формулы и таблицы для определения теплоемкостей. Теплоемкость смеси рабочих тел.
10. Первый закон термодинамики. Сущность первого закона термодинамики. Формулировки первого закона термодинамики.
11. Аналитические выражения первого закона термодинамики. Определение работы и теплоты через термодинамические параметры состояния.
12. Внутренняя энергия. Энтальпия. рv-диаграмма.
13. Анализ термодинамических процессов. Общие методы исследования процессов изменения состояния рабочих тел.
14. Политропные процессы. Основные характеристики политропных процессов. Изображение в рv и Ts-координатах.
15. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный – частные случаи политропного процесса.
16. Термодинамические процессы в реальных газах и парах. Свойства реальных газов Пары. Основные определения.
17. Процессы парообразования в рv-, Ts- и hs- диаграммах. Водяной пар – как рабочее тело. Понятие об уравнениях Ван-дер-Ваальса и Вукаловича – Новикова.
18. Термодинамические параметры воды и водяного пара в рv-, Ts- и hs-диаграммах. Расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью hs-диаграммы.
19. Второй закон термодинамики. Сущность второго закона термодинамики. Основные формулировки второго закона термодинамики.
20. Прямой и обратный обратимые циклы Карно. Энтропия – как функция состояния. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Т-S диаграмма.
21. Термодинамический анализ тепловых двигателей. Принцип действия поршневых ДВС. Изображение циклов в рv-,Ts-диаграммах. Термический КПД циклов ДВС.
22. Сравнительный анализ циклов ДВС. Циклы газотурбинных установок с изобарным и изохорным подводом теплоты (цикл Брайтона и Гемфри). Изображение циклов в P-V и T-S диаграммах. Термический КПД циклов ГТУ.
23. Теплопроводность как вид теплообмена. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Механизм передачи теплоты в металлах, диэлектриках, жидкостях и газах.
24. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Условия однозначности.
25. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок. Теплопроводность сферической стенки.
26. Конвективный теплообмен. Основные понятия и определения. Понятие о пограничном слое. Уравнение Ньютона –Рихмана.
27. Коэффициент теплоотдачи. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена: уравнение теплоотдачи на границе потока и стенки; уравнение энергии для потока жидкости; уравнение движения вязкой жидкости (уравнение Навье– Стокса); уравнение неразрывности. Условия однозначности к дифференциальным уравнениям конвективного теплообмена.
28. Основы теории подобия. Основные определения условия подобия физических явлений. Критерии подобия.
29. Физический смысл основных критериев подобия. Определяющие критерии. Теоремы подобия. Критериальные уравнения.
30. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя. Критериальные уравнения.
31. Теплообмен при вынужденном движении теплоносителей: теплообмен при движении теплоносителя вдоль плоской поверхности; теплообмен при течении жидкости в трубах; теплообмен при поперечном омывании одиночной круглой трубы и при поперечном омывании пучков труб, коридорно и шахматно расположенных. Критериальные уравнения. Теплообмен при изменении агрегатного состояния.
32. Теплообмен при кипении; механизм процессов при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Теплообмен при конденсации.
33. Тепловой баланс лучистого теплообмена. Законы теплового излучения. Излучение газов. Сложный лучисто -конвективный теплообмен. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой: теплообмен между плоско - параллельными поверхностями; защита от излучения.
34. Теплопередача через плоскую, цилиндрическую (гладкую и оребренную) стенки. Коэффициент теплопередачи. Уравнение теплопередачи.
35. Тепловая изоляция. Выбор материала тепловой изоляции. Критическая толщина тепловой изоляции труб.
36. Основы расчета теплообменных аппаратов. Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов. Конструктивный и поверочный расчеты теплообменных аппаратов.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П1
