книги / Расчёты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов
..pdfУДК 691.002.5: 621.1.016.4(075.3)
Ре ц е н з е н т ы: Э. И. Коляева (Киевский индуст
риальный техникум) и Ф. Я. Актуганов и З. Е. Циплина (вольский технологический техникум)
Роговой М. И., Кондакова М. Н., Сагановский М. Н. Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию
предприятий промышленности строительных материалов.
Учеб. пособие для техникумов. М., Стройиздат, 1975.
320 С.
Приведены задачи по общей теплотехнике и их ре
шения: по термодинамике, теплопередаче, аэродинамике
газов, а также по использованию l-d-диаграммы в рас
четах сушилок. Даны числовые примеры комплексных тепловых расчетов распылительных и барабанных суши
лок, кольцевых, шахтных, вращающихся, ванных и отжи
гательных печей, а также автоклавов, используемых на
предприятиях промышленности строительных мате
риалов.
Книга является учебным пособие.м для выполнения
учащимися техникумов курсовых и дипломных проектов
по дисциплине «Теплотехника И теплотехническое обо· рудование предприятий 1J:ромышленности строительных
материалов».
Табл. 54. рис. 32, список лит: 61 назв.
р 30209-466 243-75 |
© Стройиздат, 1975. |
047(01)-75 |
|
РОГОВОй МИХАИЛ ИСААКОВИЧ, КОНДАКОВА МАРИОНЕЛЛА НИКОЛАЕВНА, САГАНОВСКИй МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ
Расчеты и задачи по теплотехническому оборудоваиию предприятий
промышлеииости строительиых материалов
Редакция литератур'Ы ПО технологии стронтельных материалов
Зав. редакцией З. К. К 1) с я к и и а
Редактор Н А. Г 1) м о з о в а
Мл. редактор Л. А. Т а 6 а ч н и к Внешнее оформление художника Р. И. с м а г а
|
Техни,еекий редактор |
В. |
М |
Р о Д н о н о в а |
|
|
||||||
|
|
Корректор Л |
Б |
Б и r |
ю к о в а |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Сдано |
I! набор |
17{,VII |
1974 г |
Подписано |
к |
печати 23Л 1975 г |
Т-О28З9. |
|||||
Формат |
84Х 1081/" |
д. л. |
Бумага |
типографская |
М |
2 |
16,8 |
уел. печ |
л + вкл. |
|||
1,26 уел. печ. л. |
(уч ·юд. 17,0 л) |
Тираж |
15000 |
экз |
Изд,N, |
A·III·2912. |
||||||
|
|
|
3ак. ,N, 266. Цеиа 67 коп. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Стройuздат |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
103006, Москва, Каляевская ул., дом 23а |
|
|
|
|||||||
|
Владимирская ТИПОl рафия |
Союзполиграфnрома |
|
|
при Государственном комитете Совета Миннстров СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли
Гор Владимир, ул Победы. д 18·б.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Общая особенность ранее изданных пособий по теп
JIOБЫМ расчетам печей и сушилок силикатной промыш
ленности состоит в том, что в них предпочтение отдано
изложению методики тепловых расчетов и в меньшей
мере отведено место комплексным числовым примерам
расчета отдельных тепловых агрегатов. Числовые при
меры в них приведены лишь в виде некоторых иллюст
раций к обстоятельному изложению методики. Пособия такого плана являются очень необходимыми и ценными для инженерно-те~НЦ'iеских работвиков проектных, на ладочных и исслеДовательских организаций, которые
уже имеют определенную начальную подготовку, неко
торый навык в выполнении тепловых расчетов и распо
лагают достаточным временем, чтобы изучить те или Щlые тонкости отдельных разделов расчета. Но для сту
дентов и особенно для учащихся техникумов, которые
впервые при курсовом и дипломном проектировании
должны выполнить комплексный расчет теплового агре
гата, пользование такиj'dИ цособиями оказывается доста
точно трудным.
Практика преподавания теоретического курса этой
дисциплины, а также руководства курсовым и диплом
ным проектированием убеждают нас, что на первом этапе обучения тепловым расчетам наиболее эффектив
ным учебным пособием является конкретный числовой
пример. Методические пояснения в этих примерах долж
ны занимать под-чиненную роль и давать их надлежит в
минимально необходимом объеме для данного конкрет
ного случая.
Предлагаемое пособие в отличие от ранее ИfДанных
является, по существу, сборником числовых примеров
комплексных тепловых расчетов отдельных агрегатов.
При этом авторы имели в виду, что все методические
основы расчета должны быть проработаны в теоретичес ком курсе, а необходимость тех или иных видоизмене
ний и отступлений при пользовании в качестве аналога
ЧИСЛQВЫМ примером будут пояснены руководителем про
екта в процессе консультаций.
3
До сего времени совершенно отсутствовали пособия для решения задач по общей теплотехнике, которые
нужны учащимся дневных отделений при выполнении
домашних заданий, а заочникам для выполнения конт рольных работ.
Что касается /-d-диаграммы влажного воздуха, то
в нашем представлении она до сих пор остается мощным
инструментом не только для расчета, но и для анализа
работы сушильных установок. Специалист, соприкасаю щийся с их работой, должен ею владеть в совершенст ве. Поэтому мы сочли необходимым в этом учебном по
собии привести также и задачи, связанные с использова
нием /-d-диаграммы.
Сравнительно небольшой объем пособия резко огра
ничил количество примеров, которое представилось воз
можным рассмотреть, и обусловил необходимость при
вести их лишь по важнейшим агрегатам для отдельных
видов производств промышленности строительных ма
териалов.
Задачи по расчетам горения топлива, по использова·
нию /-d-диаграммы и примеры расчетов распылитель ной сушилки и кольцевой печи проработаны М. и. Рого
вым; по термодинамике, расчету аэродинамических
сопротивлений, печи для отжига и закалки стекла и ван
ные стекловаренные печи - М. Н. Кондаковой; по теп
лопередаче и примеры расчетов сушильного барабана, вращающейся и шахтной печей и автоклава - М. Н. Са
гановским.
Авторы приносят искреннюю благодарность рецен
зентам - преподавателю Киевского техникума Э. и. Ко ляевой и преподавателям Вольского техникума Ф. 51. Ак
туганову и з. Е. Цыплиной - за тщательный просмотр.
рукописи и многочисленные замечания, способствовав шие улучшению рукописи. Авторы воспримут также с
благодарностью отзывы и замечания читателей, которые просят присылать в СтроЙиздат.
Главаl
ЗАДАЧИ ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ГАЗА, ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ, ГАЗОВЫЕ СМЕСИ
1. Манометр парового котла показывает |
давление |
|||
13 ат (1,3 МПа). Определить |
давление |
пара |
в |
котле. |
Реш е н и е Так как манометр |
показывает |
избыточное |
давле |
ние, то абсолютное давление определяем, приняв барометрическое давление равным 1 ат (0,1 МПа):
Рабе |
Ризб +Рбар; |
Рабе = 13 + 1 = 14 ат (1,4 МПа).
2. Плотность воздуха при нормальных условиях со ставляет 1,293 кг/мЗ• Какова плотность воздуха при тем
пературе 1250 С и том же давлении?
Реш е н и е. Плотность обратно пропорциоиальна абсолютноА
температуре:
f!.. |
То |
РоТо |
1,293'Z73 |
о ,886 кг1м3. |
|
Ро |
Т1 |
; Рl = --т;- = 273 + 125 |
|||
|
|||||
3. Давление |
г.аза по' |
манометру составляет 3 ат |
|||
(0,3 МПа) |
при температуре 600 С. При этом газ занима |
ет объем 2,5 м3• Определить объем газа при нормальных
условиях.
Решение
Рl Vt |
РО УО |
Р1. У1 |
То |
. |
~=--;Yo= |
РО Т1 |
|||
Т1 |
То |
|
Лереводим значение параметров в систему СИ: Ро=760 мм рт. СТ.,
т. е. 0,101 МПа:
Ризб = 3·9-,8·104Па=О,294 МПа;
Рабе = 0,294 + 0,101 = 0,395 МПа;
Т1 = 60 273 = |
33301(; |
|
УО = |
0,395.2,5·273 |
=7,99м3. |
0,101.333 |
5
4. Определить |
массу |
водорода в сосуде |
вместимо |
||||||
стью 80 л, если манометр |
|
показывает |
давление 18 ат |
||||||
(1,76 МПа) при температуре 15° С. |
|
|
|||||||
Реш е н и е |
Основное |
уравнение |
состояния газа |
PV =MRT. |
|||||
Находим значение газовой постоянной R. |
|
|
|
||||||
|
8314 |
8314 |
= 4157 |
Дж (кг·К), |
|
||||
|
R = --;- = |
2 |
|
|
|||||
где /l- молекулярная масса водорода. |
|
|
|
||||||
Значение остальных |
параметров |
подставляем |
непосредственно |
||||||
в уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М = |
PV = |
(l ,76+1·0, 1) 106.0,0~ = О |
124 кг |
|
|||||
|
RT |
4157(15 + |
273) |
, |
. |
5 Смесь газов имеет объемныи состав (%): С02 - 12; N2 -74; Н2О-6; 02-7; СО-l. Давление смеси 750 мм рТ. СТ. (0,1 МПа). Определить молекулярную
массу, газовую постоянную, плотность смеси при темпе
ратуре 1000° С и парциальные давления отдельных
газов.
Решение
1)
где т.-- объемная доля газа; |
|
|
|
|
|
|
|||
f.tCM = 44·0,12+28.0,74+18·0,06+32·0,07 + |
28·0,01=29,6 кгjкмоль: |
||||||||
8314 |
8314 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2) RCM = - |
= - |
= 281 Джj(кг·К); |
|
|
|
|
|
||
f.tCM |
29,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3) по основному уравнению состояния для |
1 кг |
газа Pv=RT, ОТКУ |
|||||||
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
да - =RT, следовательно |
|
|
|
|
|
|
|||
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
0,1.106 |
|
28 |
кг мЗ |
' |
||
|
р |
|
--'--- = О |
' |
|||||
|
|
RT 281.1273 |
|
I |
а |
||||
4) Рп=Рr для определения парциального давления газов; |
|||||||||
|
Рсо• = 0,1·0, 12 = 0,012 МПа = |
12 кПа; |
|||||||
|
PN• = 0,1 ·0, 74 = 0,074 МПа = |
74 кПа; |
|||||||
|
РН•О = 0,1·0,06 = 0,006 МПа = 6 кПа; |
||||||||
|
Ро• = |
0,1·0,07 = |
0,007 МПа = 7 кПа; |
||||||
|
Рсо = |
0,1·0,001 = |
0,001 МПа = |
1 кПа. |
б
6 В сосуде объем()м 0,3 м3 находится 0,5 кг газа. Оп
ределить плотность и удельный объем газа.
Ответ: р=I,7 кг/м3 ; v=O,6 м3/кг.
7. Тягомер у дымовой трубы показывает разрежение
70 мм вод. ст. (686 Па). Определить абсолютное давле ние дымовых газов, если показание барометра 740 мм рт. ст. (0,098 МПа).
Ответ: Рабс=97,8 кПа=735 мм рт. ст.
8. Дымовые газы, выходящие из стекловаренной пе чи, охлаждаются в регенераторе с 1400 до 5000 С. Во
сколько раз уменьшится их объем, если давление оста ется неизменным?
Ответ: объем уменьшится в 2,2 раза.
9. Определить плотность азота при нормальных ус
ловиях.
Ответ: РN. = 1,25 кг/мЗ•
|
10. Определить вместимость баллона, в котором за |
||||||||
длючен газообразный |
кислород при температуре 1000 С |
||||||||
и давлении 3,5 бар (350 |
кПа). Масса |
газа |
составляет |
||||||
5 кг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ: V=I,38 м3• |
|
|
|
|
|
|
||
|
11. Определить плотность и удельный объем водоро |
||||||||
да, сжатого до 3 бар при температуре 270 С. |
|
||||||||
|
Ответ: р=О,24 кг/м3 ; v=4,16 м3/кг. |
|
|
|
|||||
|
12. Генераторный газ имеет |
следующий |
объемный |
||||||
состав (%): Н2 -7; |
СН4 -2; |
СО-27,6; |
С02 -4,8; |
||||||
N2 - |
|
58,6. |
Определить молекуЛ51РНую массу смеси и до |
||||||
ли газов по массе. |
|
|
|
|
gCH, = 0,0120; |
||||
Ответ: |
f..tcM =26,72; |
gH. =0,0050; |
|
||||||
gco=0,290; gco. =0,0079; gN. =0,6140. |
|
|
|
||||||
|
13. До какого давления необходимо сжать смеСь Г(1- |
||||||||
зов, состоящую по массе |
(%): из С02 -18, 02 -12 И |
||||||||
N2-70, чтобы при температуре |
1800 С 8 КГ этой смеси |
||||||||
занимали объем 4 м3? |
|
|
|
|
|
|
|||
Ответ: Р=246 кПа. |
|
|
|
|
|
|
|||
§ 2. |
ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ. 1 И 11 |
ЗАКОНЫ |
|
||||||
ТЕРМОДИНАМИКИ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|||||||
|
14. Какое количество теплоты надо затратить, чтобы |
||||||||
6 м |
З |
газа |
С02 нагреть при постоянном |
давлении 6 ат |
|||||
|
|||||||||
(6·105 Па) |
(избыточных) |
от 5 до 650 С. |
Принять тепло |
емкость независящей от температуры.
7
Ре tl! е н и е. kоличество теплотЫ рассчитывают по формуле
Q = МСр (f2 - t1 ).
Для определения массы газа воспользуемся основным уравнени. ем его состояния PV=MRT;
М = ~ = (6 + 1) 100·6 = 80 кг'
RT |
8314278 |
' |
|
44 |
|
37,7
Q=804'4 (65-5) = 4110 кДж = 4,11 МДж.
При м е ч а н и е. I<иломольная теплоемкость СО2, как трех
атомного газа при постоянном давлении, согласно табличным дан
/lC
ным, составляет 37,7 кджf(кмоль,ОС), а массовая С= - .
!'"
15. Рассчитать теплоемкость продуктов сгорания при
родного газа при температуре 5000 С. Состав продуктов сгорания (%): С02 -8,4; Н20-16,7; N2-72,4; 02- 2,5. Давление постоянное.
Реш е н и е. Пользуясь таблицей средней удельной теплоемко
сти газов при постоянном давлении (нелинейная зависимость), нахо дим значение удельной объемной теплоемкости каждого газа:
С' = 0,084.1,989 + 0,167 ·1,59 +0,724·1,328 + 0,025.1,398 =;о
=1,426 кДжf(мЗ,ОС),
16.Определить изменение внутренней энергии 1 мЗ
воздуха, если его температура понижается от 400 до
1000 С, а начальное |
давление состаВЛSJет 2 бара |
(200 кПа). Зависимость |
теплоемкости от температуры |
принята линейной. |
|
Реш е н и е. Определяем массу: |
|
PV |
2·10~·2 |
М=-= |
=2,1 кг. |
RT ~ (400 + 273) 29
Из таблицы средней теплоемкости газов по массе (лииейная: за
висимость) используем формулу для воздуха:
Cvт = 0,7088 + О,ОООО9299' = 0,7088 + 0,00009299·500 =
=0,7553 кДжj(кг.ОС)
8
(В формулу подставляем сумму температур /1+/2);
tJ..U = MCvт (/g - 11);
tJ..U = 0,7553 (100 - 400) 2,1 = - 475,8 кДж.
Знак минус указывает уменьшение внутренней энергии.
17. Термический к. п. д. цикла Карно составляет
0,65, а температура теплоприемника 150 с. Опреде
лить температуру верхнего источника теплоты, количе
ство подведенной и отведенной теплоты, если полезная
теплота составляет 100 кДж.
Реш е н и е. Термический к. п. д. цикла Карно определяется по
формуле
f]T =
Т1 -Т2
Т1
где Т1 и Т2 - температуры верхнего и нижнего источников теплоты.
Отсюда
Т1 |
Т2 |
= |
(273+15) |
о |
К или 550 |
о |
с. |
||
= -- |
1 - |
0,6 |
5 |
= 823 |
|
||||
|
1 -- f]T |
|
|
|
|
|
|
||
Кроме того, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q1 = |
qo |
100 |
= |
/ |
|
|
|
|
|
- |
= |
- |
154 кДж, |
|
|
|||
|
|
f]T |
0,65 |
|
|
|
|
||
но |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поэтому |
|
|
qo = 154 - |
100 = 54 кДж. |
|
|
|||
|
q2 т= q1 - |
|
|
18. Определить значение удельной объемной тепло
емкости кислорода, считая ее не зависящей от темпера
туры. |
|
|
|
Ответ: С;=l,з кДж/(мЗ.ОС); |
С~=0,9З кДж/ |
||
(мЗ • |
О |
С). |
|
|
|
||
19. Требуется ПОНfIЗИТЬ температуру 2,5 кг водорода |
|||
при постоянном давлении от 500 до |
1000 С. Какое коли |
.чество теплоты надо отвести? Считать теплоемкость не
зависящей от температуры.
Ответ: Q=-14,7 МДж.
20. Определить теплоемкость газовой смеси, состоя
щей (%): из С02-12, 02-6, Н2О-8, N2-74 по объему,
при температуре 2000 С.
Ответ: C~=1,385 кДж/(м3 , ОС),
21. Определить количество теплоты, приобретаемое
воздухом в насадке регенератора, через которую прохо
дит в секунду 2,2 м3 воздуха. Воздух нагревается от 100
до 11000 С при постоянном давлении. Зависимость теп
лоемкости от температуры принята нелинейной.
Ответ: ф=3153 кВт.
22. В сосуде вместимостью 300 л находится азот при давлении 2 бара (200 кПа) и температуре 200 С. Какое
КОличество теплоты надо подвести для нагревания азота
до 2000 С? Какое давление установится в сосуде? При
нять теплоемкость не зависящей от температуры.
Ответ: Q=92,4 кДж; Р2=322 кПа.
23. Определить изменение внутренней энергии 1 кг воздуха при нагревании его от 100 дО 6000 С. Теплоем
кость считать постоянной.
Ответ: ~ и=362 кДж.
24. На сжатие 5 кг метана (СН4) затрачена работа,
равная 900 кДж, при этом внутренняя энергия газа уве
личилась на 590 кДж. Определить количество тешIOТЫ и
изменение температуры при постоянном объеме газа.
Принять теплоемкость не зависящей ОТ температуры.
Ответ: Q -310 кДж; М=-33,80 С.
25. К газу в круговом процессе подведено 80 ккал
(335,2 кДж) теплоты. Термический к. п. д. данного цикла
равен 0,44. Определить работу, полученную за цикл.
Ответ: [0= 147,5 кДж.
§3. ГАЗОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
26.До какого значения нужно изменить давление га
за, составляющее 3 ат (0,3 МПа), чтобы его температу
ра повысилась вдвое, а объем остался тот же.
Решение
P 1 |
=~. |
P 1 Т2 |
Р2 |
Т2 ' |
Р2=~=(о,з+0,1)2=о,8МПа, |
так как
Рdбс = Ризб + Рбар,
а барометрическое давление принимаем равное 1 ат (0,1 МПа).