747
.pdfподводится 34 кДж/кг тепла. Степень повышения давления в компрессоре ВХМ к= 3,8. Сжатие и расширение воздуха считать адиабатным. Определить холодильный коэффициент ВХМ.
Ответ: ε =2,1.
Задача № 4.10. В бытовом холодильнике в качестве хладагента используется фреон R–22. Сухой насыщенный пар фреона поступает в компрессор с давлением р1= 0,15 МПа, где в процессе адиабатного сжатия его температура повышаются и достигает 600С. Используя диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i, определить холодильный коэффициент ПКХМ и построить цикл в T s – координатах.
Ответ: ε = 3,2.
Задача № 4.11. В бытовом холодильнике в качестве хладагента используется фреон R–22. Сухой насыщенный пар фреона поступает в компрессор с температурой – 25 0С, где в процессе адиабатного сжатия его температура повышаются и достигает + 500С. Используя диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i, определить холодильный коэффициент ПКХМ и построить цикл в T s – координатах.
Ответ: ε = 4,4.
Задача № 4.12. Определить холодильную мощность ПКХМ, если известно, что в качестве хладагента используется фреон R–22 c массовым расходом m = 0,013 кг/с. Температура хладагента на входе и выходе из компрессора при адиабатном сжатии соответственно равна: t1 = –350С и t2 = 650С. Построить цикл ПКХМ в Ts – координатах. При решении использовать диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i
Ответ: ̇
Задача № 4.13. В бытовом холодильнике в качестве хладагента используется фреон R–22. Сухой насыщенный пар
61
фреона поступает в компрессор с давлением р1= 0,13 МПа, где в процессе адиабатного сжатия его температура повышаются и достигает 550С. Используя диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i, определить холодильный коэффициент ПКХМ и построить цикл в T s – координатах.
Ответ: ε = 3.02.
Задача № 4.14. В бытовом холодильнике в качестве хладагента используется фреон R–22. Сухой насыщенный пар фреона поступает в компрессор с температурой – 30 0С, где в процессе адиабатного сжатия его температура повышаются и достигает + 600С. Используя диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i, определить холодильный коэффициент ПКХМ и построить цикл в T s – координатах.
Ответ: ε = 3,07.
Задача № 4.15. Определить холодильную мощность
ПКХМ, если |
известно, что в качестве хладагента использу- |
|
ется фреон R–22 c массовым расходом |
m = 0,015 кг/с. |
|
|
|
|
Температура |
хладагента на входе и выходе из компрессора |
при адиабатном сжатии соответственно равна: t1 = –25 0С и t2 = 55 0С. Построить цикл ПКХМ в T s – координатах. При решении использовать диаграмму состояния фреона R–22 в координатах ln p i.
Ответ: ̇
62
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ОБИТАНИЯ
63
Глава 5 Теплоснабжение
С и с т е м а т е п л о с н а б ж е н и я – это комплекс технологических процессов и технических устройств, обеспечивающих энергией в форме теплоты объекты обитания.
Т е п л о в а я с е т ь – это совокупность трубопроводов и устройств, обеспечивающих посредством теплоносителя (горячей воды или пара) транспортировку теплоты от источника теплоснабжения к потребителям.
5.1 |
Химическое топливо как источник энергии |
Под |
и с т о ч н и к о м э н е р г и и следует понимать |
материальное тело (или тела), доля энергетического по- |
тенциала которого может быть передана другим объектам.
Т о п л и в о м, строго говоря, следует называть веще-
ство или совокупность веществ, энергия связи микрочастиц которого поддается освобождению.
Химический элемент (либо химическое соединение), подвергающийся окислению (теряет электроны) в процессе сгорания, называют "горючим".
Химический элемент (либо химическое соединение), подвергающийся восстановлению (присоединяет электроны) в процессе сгорания, – это "окислитель"
Совокупность горючего и окислителя называют химическим топливом, а его составляющие – компонентам химического топлива
Компоненты топлива не всегда можно представить молекулярной формулой. Однако во всех случаях состав горючего, окислителя или топлива в целом можно задать, если воспользоваться у с л о в н о й химической формулой (УХФ). Условной ее называют потому, что рассматривается компонент или топливо с условной молярной массой, равной 1000 г/моль. Тогда один моль рассматриваемого вещества будет равен 1кг массы. Так соединение, состоящее из углерода, водорода, кислорода, азота имеет в общем виде условную химическую формулу Сbc Hbh Obo Nbn . Здесь индекс у химического элемента означает число грамм-атомов этого элемента в соединении.
64
Число грамм-атомов |
bi |
|
i-го элемента |
в условной |
|
формуле определяется по соотношению |
|
||||
|
bi = |
|
1000, |
(5.1) |
|
|
|
||||
где qi |
– массовая доля |
i -го элемента в химическом соеди- |
|||
нении; |
|
|
|
|
|
Ai |
– атомная масса |
i -го элемента. |
|
||
Массовая доля элемента в компоненте |
находится |
опытным путем. Если компонент задан химической формулой, то для определения qi используется выражение
qi = |
|
, |
(5.2) |
|
∑ |
||||
|
|
|
где zi – число атомов i-го элемента в молекуле компонента. Условная химическая формула воздуха записывает-
ся выражением N52,91 O14,48 , а бензина – C72,25 H133 .
При расчете условной формулы топлива важно знать соотношение между горючими и окислительными элементами. Это соотношение характеризуется с т е х и о м е т р и - ч е с к и м к о э ф ф и ц и е н т о м .
Под массовым стехиометрическим коэффициентом понимают наименьшее теоретически необходимое количество килограммов окислителя, потребное для полного окисления одного килограмма горючего.
|
Обозначают массовый стехиометрический коэффициент |
||||||||||||
К0 |
и выражают в |
кг ок |
|
, где (ок - окислитель, г - горючее). |
|||||||||
кг г |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Формула для определения |
|
К0 |
имеет вид: |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|||
|
|
К0 |
= – |
|
i |
i |
|
г |
, |
(5.3) |
|||
|
|
|
|
|
b |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
i |
i |
ок |
|
|
где i – валентность i -го элемента;
bi – число грамм-атомов i -го элемента в условной химической формуле.
Если действительное количество окислителя, подаваемое для сгорания 1 кг горючего, отличается от теоретически
необходимого, то такая |
смесь |
будет характеризоваться |
д е й с т в и т е л ь н ы м |
к о э ф |
ф и ц и е н т о м соотноше- |
ния компонентов, обозначаемым К:
K = |
ок |
|
г |
||
|
||
65 |
|
Отличие действительного соотношения от стехиометри-
ческого |
оценивается к о э ф ф и ц и е н т о м |
и з б ы т к а |
||
о к и с л и т е л я , который равен |
|
|||
|
|
|
. |
(5.4) |
|
|
|||
При |
>1 топливо содержит избыток окислителя, а при |
< 1 – избыток горючего.
Внастоящее время в теплоэнергетике широко используются химические топлива состава: окислитель – атмосферный воздух; горючее – добываемые из недр вещества органического происхождения.
5.2 Отопление и горячее водоснабжение
О т о п л е н и е – искусственный обогрев объектов обитания с целью возмещения в них тепловых потерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей комфортному значению для человека или других живых организмов.
Ч а с о в а я т е п л о в а я н а г р у з к а – это количе-
ство теплоты, используемое для отопления объекта в тече-
ние часа. Обозначают часовую тепловую нагрузку ̇ и выражают в кДж/ч .
Система горячее водоснабжение (ГВС) – это совокуп-
ность устройств, обеспечивающих нагрев воды, распределение по водоразборным приборам и учет ее расхода.
5.3 Прикладные задачи главы 5
5.3.1. Примеры решения типовых задач
Пример 5-1
Определить стехиометрическое отношение воздуха как окислителя и альтернативного горючего метилового эфира, полученного из рапсового масла. Известен массовый состав воздуха Химическая формула наиболее предпочтительного метилового эфира C18 Н34 О2 .
66
Решение
1.Вычислим условную химическую формулу воздуха, используя выражение
1000,
где – число грамм атомов i-го элемента условной формуле;
– массовая доля i-го элемента в соединении; Aj - атомарная масса i - го элемента.
Тогда для азота
Для кислорода
Тогда сухой воздух имеет условную химическую фор-
мулу N52, 9 О 14;4.
2. Определим условную химическую формулу метилового эфира. Массовая доля каждого химического элемента в этом соединении вычисляется по формуле
= ∑ ,
где zi – число атомов i-ro элемента в соединении.
В результате расчета получим: = 0,766; = 0,121 и
= 0,113.
Определив по формуле (5.1) число грамм-атомов элементов запишем условную химическую формулу метилового
эфира С63,8 H121 О7,06. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Для расчета |
стехиометрического соотношения ком- |
||||||||||
понентов топлива используем выражение (5.3). |
|||||||||||
|
|
∑ |
г |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
ок |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кг ок |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кг г |
||
Ответ: |
|
кг ок |
. |
||||||||
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
кг г |
||||||
|
|
|
67 |
|
|
|
|
|
Пример 5-2
Определить тепловую мощность системы отопления овчарни на 120 подсосных ягнят массой 50 кг, если потери через ограждения составляют 15 кВт. Подача воздуха при общеобменной вентиляции ̇= 2000 м3/ч. Параметры наружного воздуха: tн = 2 0С и φ = 60%; внутреннего tвн = 18 0С и
φ = 80%. Плотность воздуха принять при температуре 10 0С.
Решение
Запишем уравнение теплового баланса
̇ |
̇ |
= |
̇ |
̇ |
отопл |
овец |
ограж + |
вент |
|
1. По таблице 20 (прил.) |
тепловыделение одной овцы |
|||
̇ = 155 Вт, тогда |
|
|
|
|
овцы |
|
|
|
|
̇ |
̇ ∙ n = 155 ∙ 120 = 18600 Вт |
|||
овец |
овцы |
|
|
|
2. Используя id – диаграмму влажного воздуха таблица 10 (прил.), по исходным данным определим энтальпии внут-
ри и снаружи объекта: iвн = 42 кДж/кг и iн= 7 кДж/кг. 3. Определим отвод теплоты вентиляцией
̇ |
= |
̇ρ (i |
вн |
– i ) = |
|
|
1,247 (42 – 7) = 24,2 кВт. |
|
|
||||||
вент |
|
|
н |
|
|
||
В итоге: |
|
|
|
|
|
|
|
̇ |
|
̇ |
|
̇ |
̇ |
||
отопл = |
ограж |
+ вент – |
овец= 15 +24,2 –18,6 = 20,6кВт |
||||
Ответ: |
̇ |
|
= 20,6 кВт. |
|
|
||
отопл |
|
|
5.3.2 Задачи для практических занятий
Задача 5.1. Природный газ, имеющий условную химическую формулу C62,3 H248, сгорает в воздухе массового состава = 0,755 и = 0,232. Определить стехиометрическое соотношение компонентов топлива.
Ответ: К0 = 17,1 кг(ок)/кг(г).
Задача 5.2. |
Керосин, имеющий массовый состав |
= 0,867 и |
= 0,133 сгорает в смеси с воздухом состава |
= 0,755 и |
= 0,232. Определить действительное соотно- |
|
68 |
шение компонентов, если коэффициент избытка окислите-
ля α = 0,8.
Ответ: К = 11,6 кг(ок)/кг(г).
Задача 5.3. Биогаз, имеющий химическую формулу NH3, сгорает с воздухом, условная химическая формула которого N52,9 O14,5. Определить действительное соотношение компонентов, если коэффициент избытка окислителя α = 0,7.
Ответ: К = 4,27 кг(ок)/кг(г).
Задача 5.4. Найти коэффициент избытка окислителя,
если при сгорании бензина (C72,25 H133) с воздухом (N53,9 O14,5) на 1кг бензина подается 17,3 кг воздуха.
Ответ: α = 1,2.
Задача 5.5. Автомобильный гараж выполнен из красного кирпича толщиной стен 0,51 м. Гараж имеет 5 двойных окон размером 2×0,78×0,15 м и 5 ворот из хвойной древесины размером 3,5×3×0,06 м. Температура воздуха внутри гаража tв = 17 0С, снаружи tн = – 14 0С. Определить потери тепла через боковые ограждения гаража. Принять приведенный коэффициент теплопроводности оконных блоков
пр = 0,043 Вт/(м·К), коэффициент теплоотдачи внутри га-
ража 1 = 8,7 Вт/(м2· К), снаружи – |
= 27,3 Вт/(м2··К). |
||
Ответ: |
̇= 14 кВт. |
|
|
Задача 5.6. Одноэтажный |
деревянный |
жилой дом |
|
размерами 8×5×2,5 м имеет 5 |
окон из |
стеклоблоков |
|
1,4×1,2×0,04 м |
и дверь размером 2×0,8×0,05 м. Стены дома |
выполнены из бруса хвойного дерева, толщина стен 0,2 м. Определить потери тепла через стены, окна и дверь, если
температура |
внутри дома |
размерами 35×8×4 м.tв = 21 0С, |
|||
а снаружи tн = – 24 0С. Принять приведенный |
коэффициент |
||||
теплопроводности |
оконных |
блоков |
пр= 0,033 Вт/(м·К), |
||
коэффициент |
теплоотдачи к |
стенам |
внутри |
дома |
|
α1=7,73 Вт/(м2· К), |
от наружных стен |
α 2 = 28,8 Вт/(м2··К). |
|||
Ответ: |
̇= 417 Вт. |
|
|
|
|
|
|
69 |
|
|
Задача 5.7. Электромастерская расположена на втором этаже трехэтажного здания. Единственная наружная стена размерами 8×2,5 м выполнена из силикатного кирпича толщиной 0,51 м. Внутри стена обшита доской толщиной 0,025 м из дерева хвойных пород. В помещении два окна из стеклоблоков размерами 1,4×1,25×0,04 м. Определить потери тепла через стену и окна, если комнатная температура
tв = 23 0С, а температура наружного воздуха tн = – 20 0С и ко- |
||
эффициент теплоотдачи к стене внутри α 1 = 9,25 Вт/(м2· К), |
||
от наружной стены |
2 |
= 28,3 Вт/(м2 ·К). Приведенный ко- |
|
· |
эффициент теплопроводности для окон пр= 0,033 Вт/(м·К).
Ответ: ̇= 110 Вт.
Задача 5.8. Определить потребную мощность нагревательных приборов в сооружении, где потери тепла через ограждения равны 14,2 кВт; подача воздуха при общеобмен-
|
̇ |
3 |
/ч; энтальпии наружного и внут- |
|
ной вентиляции =1500 м |
||||
реннего воздуха |
соответственно равны |
iн= 10 кДж/кг и |
||
iв= 48 кДж/кг; суммарные теплопритоки |
от обслуживаю- |
|||
щего персонала |
и |
оборудования составляют 12,3 кВт. |
||
Плотность воздуха принять при +15 0С. |
|
Ответ: ̇= 16,4 кВт.
Задача 5.9. Определить тепловую мощность системы отопления птичника на 1500 трехмесячных кур мясной породы средней живой массой 2,5 кг. Теплопотери через ограждения составляют 15,2 кВт; подача воздуха на вентиляцию
̇= 520 м3/ч. Параметры наружного воздуха: tнар = 10 0С, φнар = 85%. Параметры внутреннего воздуха: tвн=17 0С и
φвн = 65%. Плотность воздуха принять при 150С.
Ответ: ̇= 4,2 кВт.
Задача 5.10. Определить тепловую мощность системы отопления телятника на 150 голов, средней живой массой
80 кг, если теплопотери |
через ограждения |
составляют |
|||
38,2 кВт. |
Подача воздуха при общеобменной вентиляции |
||||
̇ |
3 |
наружного воздуха: |
tнар= 10 |
0 |
С, |
= 5000 м /ч. Параметры |
|
||||
|
|
70 |
|
|
|