Министерство Российской Федерации

по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям

и ликвидации последствий стихийных бедствий

ФГОУ ВПО «Ивановский институт ГПС МЧС России»

Кафедра физики и теплотехники

О.Е. СТОРОНКИНА М.С. МАРШАЛОВ

ТЕПЛОТЕХНИКА

методические указания для выполнения курсовой

работы курсантами, слушателями и студентами специальности 280705 «Пожарная безопасность» всех форм обучения Иваново 2013 ББК 541 С 53 УДК 614.84.13 Сторонкина О.Е., Маршалов М.С. Теплотехника: методические указания для выполнения курсовой работы курсантами, слушателями и студентами по специальности 280705 «Пожарная безопасность» всех форм обучения.- Иваново:

ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2013.- 72с.

В учебном пособии изложены варианты заданий, приведены цели и задачи курсовой работы, даны основные рекомендации по оформлению и методические рекомендации по ее выполнению. В приложениях приведены справочные данные, необходимые для проведения расчетов.

Издание предназначено для курсантов, слушателей и студентов специальности 280705 «Пожарная безопасность» всех форм обучения.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к публикации кафедрой физики и теплотехники. Протокол № 17 от 21 марта 2013 г.

Печатается по решению Редакционно-издательского совета института (протокол №5 от 23.05.2013).

Рецензенты:

Доцент кафедры механики и инженерной графики ИвИ ГПС МЧС России кандидат технических наук, доцент В.В. Киселев Начальник научно – исследовательского учреждения Ивановского государственного университета кандидат технических наук, доцент В.В.Новиков ©ИвИ ГПС МЧС России,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 1 Методические указания для выполнения работ 2 Курсовая работа. Часть Основные обозначения и единицы измерения 4 Варианты заданий (таблица 1) 5 Теоретические вопросы 6 Задачи 7 Методические указания по изложению теоретических вопросов 8 Методические указания по решению задач 9 10 Приложения 11 Список рекомендованной литературы 12 Курсовая работа. Часть 13 Основные обозначения и единицы измерения 14 Варианты заданий (таблица 1) 15 Теоретические вопросы 17 Методические указания по изложению теоретических вопросов Теплотехника является общетехнической дисциплиной, которая занимает одно из центральных мест в инженерной подготовке специалистов. Законы тепло- и массообмена в практике пожарного дела используются при научных исследованиях, связанных с оценкой пожаро- и взрывобезопасных параметров процессов нагрева, сушки, при определении огнестойкости строительных конструкций, пожароопасных свойств горючих материалов, эффективности огнетушащих средств и особенно при оценке основных факторов пожара внутри зданий – температуры и газообмена.

Курсовая работа выполняется в целях более глубокого изучения дисциплины «Теплотехника». Задание на курсовую работу содержит вариантов. Вариант курсовой работы определяет преподаватель, а задания выбираются в соответствии со своим вариантом приведённой в начале каждой части курсовой работы.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОЙ

РАБОТЫ

По ряду дисциплин в Ивановском институте ГПС МЧС России предусмотрено выполнение курсантами, студентами и слушателями курсовых работ, которые являются важной формой обучения и контроля знаний, умений и навыков обучающихся.

Курсовая работа представляет собой выполненную в письменном виде самостоятельную учебную работу, раскрывающую теоретические и практические проблемы избранной темы.

Курсовая работа является важнейшей формой самостоятельной работы обучаемых. Это одно из первых исследований, в котором обучаемые в полной мере проявляют и развивают свои творческие способности, изучая определенную тему за рамками учебного материала.

Выполнение курсовой работы предполагает углубление и систематизацию полученных знаний в целом и по избранной теме в частности;

выработку навыков сбора и обобщения практического материала, работы с первоисточниками; развитие умений применять полученные знания для решения конкретных научных и практических проблем, формулировать и аргументировать собственную позицию в их решении.

Курсовая работа, в отличие от курсового проекта, представляет собой научное исследование, связанное с решением определенных научнотехнических и научно-производственных задач, сопровождаемое, как правило, организационно-экономическим обоснованием, но не требующее включения обязательных элементов конструкторской и технологической проработок, а также рассмотрения вопросов безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды.

ВЫБОР И ЗАКРЕПЛЕНИЕ ТЕМЫ

Тематика курсовых работ разрабатывается, рассматривается и утверждается соответствующей кафедрой.

Темы курсовых работ должны соответствовать рекомендуемой тематике курсовых работ предусмотренной в учебной рабочей программе учебной дисциплины.

Научный руководитель, закрепленный за конкретным обучаемым, осуществляет постоянный контроль за ходом написания курсовой работы, систематически встречается с ним в период написания курсовой работы с целью соблюдения обучаемым установленных сроков подготовки работы надлежащего качества.

ОРГАНИЗАЦИЯ НАУЧНОГО РУКОВОДСТВА

Общее руководство и контроль за ходом выполнения курсовой работы осуществляет назначенный преподаватель.

Выполнение курсовой работы рассматривается как вид учебной работы по дисциплине и реализуется в пределах времени, отведённого на её изучение.

В ходе консультаций преподавателем разъясняются цели и задачи, структура и объём, принципы разработки и оформления, примерное распределение времени на выполнение отдельных частей курсовой работы, даются ответы на вопросы обучаемых.

Основными функциями руководителя курсовой работы являются:

• консультирование по вопросам содержания и последовательности выполнения курсовой работы;

• оказание помощи студенту в подборке необходимой литературы;

• контроль за выполнением курсовой работы;

• подготовка письменного отзыва (рецензии) на курсовую работу.

СТРУКТУРА РАБОТЫ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЕЁ СОДЕРЖАНИЮ

Курсовая работа должна иметь следующую структуру:

- самостоятельность исследования;

- анализ литературы по теме исследования (для курсовых работ);

- связь предмета проектирования (расчета, исследования) с актуальными проблемами современной науки и техники;

- наличие у автора собственных суждений по проблемным вопросам темы;

- логичность изложения, убедительность представленного фактологического материала, аргументированность выводов и обобщений;

- научная или практическая значимость работы.

Работа должна сочетать теоретическое освещение вопросов темы с анализом практики, показывать общую и правовую культуру обучающегося.

Пояснительные записки курсовых работ оформляются только машинописным способом.

Структура работы, как правило, должна включать:

- титульный лист (приложение 2);

- план-график выполнения курсовой работы (проекта) (приложение 1);

- оглавление;

- основную часть;

- заключение (выводы);

- список использованной литературы;

- приложения.

Во введении указываются актуальность и значимость темы, степень ее разработанности в литературе, в т.ч. определяются существующие в науке и практике подходы к проблеме, формулируются цель и задачи работы, характеризуются использованные автором практические материалы и структура работы.

Основная часть работы может содержать несколько глав, в которых излагаются теоретические аспекты темы на основе анализа опубликованной литературы, рассматриваются дискуссионные вопросы, формулируются позиция, точка зрения автора (теоретическая часть); описываются проведенные обучающимся наблюдения и эксперименты, методика исследования, расчеты, анализ экспериментальных данных (собранного фактического материала), полученные результаты (практическая часть). Содержание теоретической и практической частей определяется в зависимости от профиля специальности и темы работы.

Главы должны иметь заголовки, отражающие их содержание. При этом заголовки глав не должны повторять название работы.

В заключении подводятся итоги работы, формулируются важнейшие выводы, к которым пришел автор, и рекомендации о возможности внедрения полученных результатов исследования в практику.

Необходимой частью работы, позволяющей судить об уровне компетентности обучаемого, является список использованной литературы. В него должны включаться как цитированные источники, так и вся использованная литература с тем условием, что она содержит сведения по данной теме. Однако список не должен быть перегружен.

Список использованной литературы включает в себя:

- нормативные правовые акты;

- научную, справочную литературу и материалы периодической печати;

- практические материалы.

В список литературы включаются источники, изученные обучающимся в процессе подготовки работы в т.ч. те, на которые он ссылается.

Список использованной литературы составляется и оформляется в соответствии с требованиями государственных стандартов системы информационно-библиографического и издательского дела (СИБИД).

ОБЩИЕ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа должна быть грамотно написана и правильно оформлена. Оформление курсовой работы должно соответствовать определенным нормам. Работу пишут на листах белой бумаги формата А (210x297 мм). Первый лист титульный (см. приложение 2). Далее лист с оглавлением. Каждый раздел работы должен иметь заголовок и начинаться на новом листе. Нумерация страниц – обязательна, счет идет с титульного листа.

Работа может быть выполнена на компьютере с использованием любого текстового редактора, например MS Word. При выполнении работы на компьютере текст следует набирать через полуторный межстрочный интервал, размер кегля - 14 пт, шрифт - Times New Roman. Текст размещается не на всем листе – необходимо оставлять поля.

Поля: левое - 30 мм, правое - не менее 1,5 мм, нижнее - не менее 20 мм, верхнее - не менее 20 мм. Текст следует писать на одной стороне листа.

Схемы, рисунки и таблицы оформляются на компьютере или от руки чёрными чернилами. Опечатки, описки, графические неточности, обнаруженные при оформлении работы должны быть исправлены чернилами соответствующего цвета.

В тексте курсовой работы не должно быть сокращений слов, за исключением общепринятых. Если в тексте используются специальные сокращения, то при первом упоминании пишется полное название употребляемого сокращения, а в скобках даётся ссылка на краткую аббревиатуру.

Нумерация рисунков, схем и таблиц в работе сквозная или по разделам.

На все рисунки, схемы, таблицы, формулы и формы документов должны быть ссылки в тексте.

При использовании в тексте работы цитат, положений, заимствованных из литературы, обучающийся обязан делать ссылки на них в соответствии с установленными правилами. Заимствования текста без ссылки на источник (плагиат) не допускается.

Объем работы определяется заданием и требованиями к работе, но не должен быть менее 20 страниц машинописного текста, не считая приложений.

Курсовая работа должна быть сброшюрована с использованием папки скоросшивателя без использования файлов. Обложка курсовой работы мягкая. Допускается использование жесткой обложки из прозрачного материала.

ЗАЩИТА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Защита курсовой работы производится индивидуально до сдачи экзаменационной сессии. Как правило, обучаемый защищает работу перед научным руководителем.

При подготовке к защите необходимо выполнить все указания, данные в рецензии, учесть замечания в тексте работы и предварительно ответить на заданные вопросы. На защите курсовой работы, обучаемый должен быть готов к краткому изложению основного содержания работы и ее результатов, к собеседованию по отдельным моментам работы, к ответу на любые вопросы, как по данной теме, так и по всему курсу.

Курсовая работа оценивается по пятибалльной системе. Положительная оценка по той дисциплине, по которой предусматривается курсовая работа, выставляется только при условии сдачи и защиты курсовой работы в установленные сроки.

Оценку «отлично» получает обучаемый, который показал в работе и на защите глубокие знания темы, творчески использовал их для самостоятельного анализа современных аспектов темы, сумел продемонстрировать практические умения, сделал интересные выводы и предложения.

Курсовая работа, получившая оценку «отлично», может быть рекомендована на конкурс творческих курсантских, студенческих работ, доклада или выступления на научной студенческой конференции.

Оценку «хорошо» получает обучаемый, который показал в работе и на защите полное знание материала, всесторонне осветил вопросы темы, продемонстрировал практические умения, но недостаточно проявил творческое отношение к работе.

Оценку «удовлетворительно» получает обучаемый, правильно раскрывший в работе и на защите основные вопросы избранной темы, но испытывающий затруднения в логике изложения материала и допустивший те или иные неточности при выполнении практической части курсовой работы, в общих чертах сделал выводы по работе, но не проявил творческого отношения к работе.

Оценку «неудовлетворительно» получает обучаемый, не раскрывший в работе и на защите основные вопросы избранной темы, допустивший грубые ошибки при выполнении практической части курсовой работы, не сделал выводы по работе и не устранил замечания, данные в рецензии.

Если в ходе защиты представленная работа оценивается «неудовлетворительно», предстоит повторная защита, так как обучаемый, получивший неудовлетворительную оценку за курсовую работу, к экзамену не допускается. Обучаемый, получивший на защите неудовлетворительную оценку, допускается к защите повторно, в сроки установленные графиком учебного процесса.

Обучаемые, не сдавшие и не защитившие в срок курсовую работу, к сессии не допускаются.

Основные обозначения и единицы измерения Р – абсолютное давление, Па Ратм. – атмосферное давление, Па Ризб. – избыточное давление, Па Рвак. – вакуумметрическое давление, Па V – объём, м3.

v – удельный объём, м3/кг.

- плотность, кг/м3.

Т – абсолютная температура, К.

t – практическая температура, °С R – газовая постоянная, Дж/(кгК) Rу – универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК) СµV – мольная теплоёмкость при постоянном объёме, Дж/(мольК).

ѵР– мольная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(мольК).

gi – массовая доля компонента, входящего в смесь.

ri – объёмная доля компонента, входящего в смесь.

yi – мольная доля компонента, входящего в смесь.

M – молярная масса, кг/кмоль.

Q – количество теплоты, Дж.

L – работа, Дж.

t – термический коэффициент полезного действия.

k – показатель адиабаты.

n – показатель политропы.

m - секундный расход, кг/с.

mmax – массовый расход, кг/с.

w – скорость истечения, м/с.

wкр. – критическая скорость истечения, м/с.

Рабочее тело. Газ как рабочее тело. Основные параметры состояния Давление. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Виды давления. Единицы измерения. Приборы для измерения давления.

Использование данного параметра в практике работы.

Температура. Температура с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Температурные шкалы. Приборы для измерения температуры.

Использование данного параметра в практике работы.

Основное уравнение кинетической теории газов. Вывод уравнений Клапейрона и Клапейрона - Менделеева на его основе. Использование этих уравнений в практике пожарного дела.

Газовая постоянная. Универсальная газовая постоянная. Их физический смысл.

Законы идеальных газов: Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля Закон Авогадро. Использование этих законов в практике пожарного Понятие газовой смеси. Парциальное давление. Закон Дальтона.

Парциальный объем. Закон Амага. Способы задания газовых смесей.

Пожарная опасность смесей горючих газов с воздухом.

Газовая смесь как рабочее тело. Уравнение состояния газовой смеси.

Определение средней молярной массы, газовой постоянной, плотности, удельного объема смеси. Использование уравнений для газовых смесей в практике пожарного дела.

Теплоемкость газов. Виды теплоемкости газов и связь между ними.

Теплоемкость газовых смесей. Зависимость теплоемкости от характера процесса, подвода тепла. Уравнение Майера. Использование теплоемкости для определения количества тепла, полученного газом в условиях Зависимость теплоемкости от температуры. Истинная и средняя 10.

теплоемкости. Формулы для вычисления истинной и средней теплоемкости. Определение количества тепла при нагревании газов в интервале температур от T1 до Т2.

Закон сохранения энергии. Теплота и работа - формы передачи энергии.

11.

Внутренняя энергия системы и определение ее изменения. Определение работы расширения газа в различных процессах. Первый закон термодинамики и его математическое выражение.

Понятие о термодинамическом процессе. Обратимые (равновесные) и 12.

необратимые (неравновесные) процессы. Основные термодинамические процессы. Общий метод исследования термодинамических процессов.

Исследование изохорного процесса изменения состояния газа, Практическое использование данного процесса в пожарном деле.

Исследование изобарного процесса изменения состояния газа, 14.

Практическое использование данного процесса в пожарном деле.

Исследование изотермического процесса изменения состояния газа.

15.

Использование данного процесса в практике пожарного дела.

Исследование адиабатного процесса изменения состояния газа 16.

Использование данного процесса в практике пожарного дела.

Исследование политропного процесса изменения состояния газа 17.

Практическое использование данного процесса в пожарном деле.

Понятие о термодинамических циклах. Термический коэффициент 18.

полезного действия цикла, Цикл Карно. Термический к. п. д. цикла Карно. Второй закон 19.

термодинамики.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

20.

Циклы компрессорных установок.

21.

Циклы паросиловых установок.

22.

Циклы газотурбинных установок.

23.

Истечение газов и паров. Определение скорости истечения и массового 24.

расхода. Использование уравнений истечения газов и паров в практике пожарного дела.

Каналы переменного сечения. Сопло Лаваля.

25.

Дросселирование газов и паров. Использование принципа 26.

дросселирования в технике и пожарном деле.

В сосуде находится газ под разряжением 65 мм рт. ст. при температуре 27.

0С. Ртутный барометр показывает 740 мм рт. ст. при температуре 20°С.

Определить удельный объем и плотность газа при этих условиях.

Баллон с газом емкостью 85 л при давлении 6 ат оказался в зоне очага 28.

пожара. Определить, каково будет давление газа, если его температура через некоторое повысилась до:

Газ, заключенный в баллон емкостью 95 л, выпускают в атмосферу.

29.

Температура его вначале равна 30°С. Определить массу выпущенного газа, если начальное давление в баллоне составляло 107 бар, после выпуска – бар, а температура снизилась Компрессор подает сжатый воздух в резервуар, причем за время работы 30.

компрессора давление в резервуаре повышается от атмосферного до Р2, а температура от 20°С до t2. Объем резервуара 700 л. Барометрическое давление, приведенное к 0°С, равно 760 мм рт. ст. Определить массу воздуха, поданного компрессором в резервуар:

Какова объемная доля азота в отработавших газах двигателя пожарная 31.

автомобиля, если объем остальных составляющих следующий: двуокись углерода-18%, кислород-6%, окись углерода-2%. Определить также газовую постоянную смеси, относительную молекулярную массу и плотность смеси при следующих давлении и температуре:

Определить объемный состав, молекулярную массу, газовую постоянную 32.

и объем смеси, если ее массовый состав следующий: пропан-48.7%, бутангексан-14.6%, этилен-4.7%, азот-15.2%. Давление смеси 3 бар, масса и температура смеси соответственно равны Объемный состав смеси следующий: пропан-18%, гексан-12%, азот-70%.

33.

До какого давления нужно сжать эту смесь, находящуюся при нормальных условиях, чтобы при температуре 230°С 11 кг ее занимали следующий В помещении объемом 150 м3 при давлении воздуха 0.2 МПа и 34.

температуре 19°С произошло истечение ацетилена. Определить массовые и объемные доли смеси ацетилена с воздухом, а также сделать вывод о возможности образования взрывоопасной концентрации, если пределы воспламенения ацетилена 2.5 и 8.5 % по объему. Масса ацетилена равна:

Горючая смесь в цилиндре двигателя, имеющая температуру 100°С, 35.

подвергается сжатию по политропе с показателем n=1.29. Определить конечное давление и степень сжатия в момент, когда температура Газ массой 8 кг при давлении 0,1 МПа и температуре 26°С сжимается 36.

изотермически до давления 0.5 МПа, затем расширяется при постоянном давлении так, что объём увеличивается в 5 раз, после чего в изохорном процессе газ принимает начальное состояние. Рассчитайте неизвестные параметры в начале и конце каждого процесса. Для каждого процесса определите изменение внутренней энергии. Изобразите процесс изменения состояния газа в р-v диаграмме. Теплоёмкость принять линейно зависящей от температуры.

Газовая смесь, находящаяся в реакторе, имеет следующий объемный 37.

состав: окись углерода =14%, азот =6%, кислород = 75%, водяные пары = 5% нагреваются от t1 до t2. Определить количество тепла, подведённого к газовой смеси. Зависимость теплоёмкости от температуры принять в соответствии со своим вариантом 4 кг газа при давлении 402 кПа и температуре 100°С расширяются.

38.

Определить конечную температуру, количество тепла и совершенную работу, если расширение происходит: изобарно, адиабатно (k = 1.4).

Углекислоту сжимают изотермически при температуре 12°С до 39.

десятикратного уменьшения объёма. Определить конечное давление, работу сжатия и отводимое тепло, если начальное давление и масса углекислоты равны:

3 кг газа при давлении 400 кПа и температуре 120°С расширяется до 40.

давления 87 кПа. Определить конечную температуру, количество тепла и совершаемую работу, если расширение происходит:

В процессе политропного расширения газу сообщается 287 кДж тепла.

41.

Определить изменение внутренней энергии газа и произведенную работу, если объем газа увеличился в 15 раз, а давление уменьшилось в Воздух работает по циклу, с изохорным подводом тепла. Определить 42.

параметры цикла в характерных точках и полезную работу цикла, если масса воздуха, начальное давление, начальная температура, степень сжатия и количество подведённого во время сгорания тепла соответственно равны Теплоёмкость воздуха принять постоянной. Вычертить график цикла.

При снятии индикаторной диаграммы дизельного двигателя пожарного 43.

судна (со смешанным подводом тепла) установлено, что степень повышения давления 1.4, степень расширения при изобарном подводе тепла 1.6. Показатель адиабаты 1.4. Рабочее тело – воздух. Определить параметры состояния рабочего тела в характерных точках и количество отведённой и подведённой теплоты, работу цикла, если масса воздуха, начальное давление, начальная температура и степень сжатия соответственно равны Сравнить КПД данного двигателя с КПД цикла Карно в этом температурном интервале. Вычертить график цикла.

44. Воздух совершает цикл Карно, наивысшее давление при этом составляет 20 бар, а наинизшее 1.2 бар, показатель адиабаты принять равным 1,4.

Определить параметры состояния воздуха в характерных точках, работу, термический КПД цикла и количества подведенного и отведенного тепла.

Начертить график процесса в координатах (р - v).

45. Для идеального цикла газовой турбины с подводом тепла при постоянном давлении с начальными параметрами газа рассчитать: параметры в характерных точках, полезную работу, термический КПД, количество подведённого и отведённого тепла. Рабочее тело – воздух, теплоёмкость принять величиной постоянной горючей смеси Показатель адиабаты принять равным 1.4.

46. Для цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давлении определить параметры в характерных точках при использовании 1 кг рабочего тела, полученную работу, термический КПД, количество подведенного и отведенного тепла.

Рабочее тело – воздух. Теплоёмкость считать постоянной.

Найти наибольшую степень сжатия в цикле с изохорным подводом 47.

теплоты, если известно, что начальное давление 100 кПа, показатель адиабаты 1.3, а начальная температура и температура самовоспламенения горючей смеси составляют:

В результате аварии в корпусе аппарата с хлором образовалось отверстие.

48.

Определить критическую скорость истечение и секундный массовый расход, если в ёмкости поддерживалось постоянное давление и температура.

Наружное давление принять равное 0.1МПа.

Для ликвидации горения продукта в реакторе предусмотрена подача 49.

азота. Определить требуемую площадь выходного сечения сопла, через которое будет происходить истечение газа в реактор, если известно, что давление азота, температура азота, требуемый секундный расход газа Давление среды в реакторе 0.3МПа Определить необходимый диаметр предохранительных клапанов для 50.

отвода продуктов взрыва из трубопровода, по которому транспортируется горячая паровоздушная смесь. Известно, что продукты взрыва имеют большую долю азота. Клапана срабатывают при давлении 0.122МПа.

Количество продуктов сгорания, их плотность, время горения равны барометрическое давление 98кПа.

Воздух вытекает из резервуара. Найти значение давления среды, при 51.

котором теоретическая скорость адиабатного истечения будет равна критической и величину этой скорости, если первоначальное давление и температура соответственно равны Из газгольдера в атмосферу выходит метан. Определить диаметр 52.

отверстия, если давление метана, его удельный объем и массовый расход Определить теоретическую скорость адиабатного истечения хлора и 53.

секундный массовый расход, если:

Показатель адиабаты сжатия составляет 1.3.

Воздух вытекает из расширяющегося сопла в среду с давлением 1 бар.

54.

Определить размеры сопла, если первоначальные давление и температура, массовый расход воздуха и угол конусности расширяющейся части сопла соответственно равны Расширение воздуха в сопле считать адиабатным.

Методические указания по изложению теоретических вопросов.

Изложению теоретического вопроса должна предшествовать детальная проработка всего программного материала по курсу «Термодинамика». При подготовке к ответу можно использовать литературу, предложенную в методических указаниях, или любую другую, допущенную Министерством высшего и среднего специального образования РФ в качестве учебного пособия.

При ответе на теоретический вопрос студент обязан руководствоваться материалами методических рекомендаций.

Изложение материала должно сопровождаться соответствующими рисунками, графиками, примерами из практической деятельности, подтверждающими теоретические положения. При написании математических выражений и формул необходимо использование условных обозначений, рекомендованных методическими указаниями.

Заканчиваться ответ должен выводами, связанными с практикой пожарного дела.

Вопрос I. Ответ на данный вопрос следует начать с определения, что изучает термодинамика. Дать формулировку рабочего тела и на примере работы тепловых двигателей показать, почему в качестве рабочих тел используется вещества в газообразном состоянии, привести характерные примеры случаев, когда газы будут являться рабочими телами в других устройствах, аппаратах и т.д. Перечислить основные параметры состояния газа, записать их единицы измерения и основные соотношения с внесистемными единицами, также применяемыми в практике работы.

Вопрос 2. При ответе на данный вопрос, необходимо дать определение давления. Показать разницу между определением давления у газов и у твёрдых тел. После чего привести определение давления с точки зрения молекулярно кинетической теории газов. Перечислить виды давления и дать определение каждому из них. Перечислить приборы для измерения каждого вида давления.

Используя определение абсолютного давления, установить математические выражения для его вычисления. Показать, почему параметром состояния является только абсолютное давление. Указав основную единицу измерения давления, записать ее соотношения с применяемыми еще единицами в практике работы. На конкретных примерах показать значение использования данного параметра в практике пожарного дела.

Вопрос 3. Отвечая на данный вопрос, необходимо дать понятие температуры. Рассмотреть температуру с точки зрения молекулярно кинетической теории газов, назвать температурные шкалы, принятые в РФ, указать единицы измерения температуры для каждой шкалы, привести соотношения для перехода от одной шкалы к другой, изложить принцип построения температурных шкал. Затем перечислить приборы для измерения температуры и кратко изложить их принцип действия и область применения.

Показать значение использования данного параметра в практике пожарного дела не только для газов, но и для других веществ и материалов.

Вопрос 4. При изложении этого материала следует записать математическое выражение основного уравнения кинетической теории газов, пояснить физический смысл входящих в него величия. Выразив концентрации молекул через число молекул, содержащихся в объёме, занимаемом I кг газа, и среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул через абсолютную температуру газа, получить уравнение Клапейрона для I кг газа. Вывести уравнение Клапейрона для произвольной массы газа и Клапейрона - Менделеева для одного киломоль. Указать область применения этих уравнений в практической работе на конкретных примерах.

Вопрос 5. При ответе на данный вопрос необходимо, записав основное уравнение состояния газов, вывести газовую постоянную и установить единицу её измерения путем подстановки в полученное выражение единиц измерения всех входящих величин. Подобным же образом установить единицу измерения и вычислить величину универсальной газовой постоянной, используя уравнение Клапейрона-Менделеева. Установить связь между газовой и универсальной газовой постоянной и показать на примерах, как используется эта связь практически. На основании установленных единиц измерения сформулировать физический смысл обеих постоянных и доказать, это аналитически, используя формулу для определения работы газа в изобарном процессе нагревания. Показать методику расчёта газовой постоянной, используя универсальную газовую постоянную.

Вопрос 6. При ответе на данный вопрос необходимо дать формулировку идеального газа. Используя уравнение Клапейрона, вывести законы БойляМариотта, Гей-Люссака и Шарля и дать чёткую формулировку каждого закона. Затем показать графическое изображение закона в координатах p – v И рассмотреть его практическое применение на конкретных примерах. Дать формулировку закона Авагадро и следствия из него.

Вопрос 7. Ответ на этот вопрос следует начать с определения, что такое газовая смесь. Привести примеры газовых смесей. Затем обосновать, почему газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов, рассмотреть закон Дальтона, дать понятие парциального объема с объяснением закона Амага. Перечислить способы задания газовых смесей, показать, как определяются массовые, объемные и мольные доли компонентов смеси, рассмотреть формулы перехода от массовых долей к объёмным и наоборот. Доказать, что задание компонентов объёмными долями равнозначно их заданию мольными долями. Показать, как осуществляется переход от одних долей к другим на конкретных примерах.

Показать важность знания темы на примере образования взрывоопасных концентраций смесей горючих газов с воздухом.

Вопрос 8. Раскрывая этот вопрос, следует дать определение газовой смеси и показать, что газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов, охарактеризовать свойства газовых смесей, позволяющие рассматривать их как рабочие тела. Привести примеры. Записать уравнение Клапейрона для газовой смеси, показать, как находятся все параметры, входящие в данное уравнение, дать понятие средней (кажущейся) молярной массы смеси, рассмотреть выражения для определения средней молярной массы, газовой постоянной, удельного объема и плотности. На конкретных примерах показать использование этих уравнений в практике пожарного дела.

Вопрос 9. Ответ на данный вопрос необходимо начать с четкого определения теплоемкости, её физической сущности. Рассмотреть виды теплоёмкости в зависимости от выбранной количественной единицы вещества, дать определение, условное обозначение и единицы измерения каждого вида, показать связь между ними. Затем рассмотреть, как определяются данные виды теплоемкости для газовых смесей. Используя формулировку первого закона термодинамики, установить, как будет отличаться величина теплоемкости газа, если, например, I кг его нагревать при постоянном давлении и постоянном объеме. Количественное же отличие теплоемкости в зависимости от характера процесса подвода теплоты показать на выводе уравнения Майера, связав данный материал с подтверждением ранее установленного физического смысла газовой постоянной. На конкретных примерах показать, как используется теплоёмкость газов для определения количества тепла, полученного ими при нагревании в условиях пожара.

Вопрос 10. Отвечая на данный вопрос, необходимо дать формулировку средней и истинной теплоемкости, объяснить, когда и какой из них пользуется; установить, на какие виды подразделяют теплоёмкость, показать зависимость теплоемкости от температуры, привести формулы для определения истинной и средней теплоемкости в зависимости от температуры; используя соответствующие приложения. На примере показать, как вычисляются средние теплоемкости какого-либо газа при различных зависимостях от температуры. Рассмотреть формулы и на конкретных примерах показать, как определяется количество тепла при нагревании газов в интервале температур от T1 до Т 2. Связать изложенный материал с практикой пожарного дела на конкретном примере.

Вопрос 11. В данном вопросе, прежде всего необходимо записать формулировку закона сохранения энергии, показать его значение в науке и технике. Рассмотреть 2 вида передачи энергии в форме теплоты и в форме работы, обратив особое внимание на принцип эквивалентности этих видов передачи энергии. Подчеркнуть, что хотя теплота и работа имеют размерность энергии, но сами энергией не являются. На примерах показать пожарную опасность превращения одного вида энергии в другой. Дать понятие внутренней энергии термодинамической системы, показать, что характеризует её в процессе изменения и как определяется изменение внутренней энергии системы. Дать формулировку первого закона термодинамики, привести его математическое выражение, альтернативные формулировки первого закона термодинамики и раскрыть их суть. Указать на значение использования этого закона в практике пожарного дела.

Вопрос 12. При ответе на данный вопрос необходимо дать определение термодинамического процесса и рассмотреть условия его осуществления. Затем дать понятие обратимого (равновесного) и термодинамика в основном изучает только обратимые термодинамические процессы.

Назвать основные термодинамические процессы, дать их характеристику, изложить общий метод исследования термодинамических процессов. На конкретных примерах показать с какими термодинамическими процессами приходится сталкиваться в практике пожарного дела.

Вопросы 13, 14, 15, 16,. 17. Ответы на данные вопросы должны выполняться в соответствии с общим методом исследования термодинамических процессов. Необходимо дать формулировку процесса, записать его уравнение. На основании уравнения состояния установить зависимость между начальными и конечными параметрами системы, вычертить график процесса в координатах р-v и Т-s; анализируя первый закон термодинамики, установить закон распределения энергии для данного процесса, показать, как определяется количество тепла, изменение внутренней энергии и работа в процессе. Определить, какая часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии, а какая на совершение работы.

На конкретных примерах показать, где в практике пожарного дела приходится сталкиваться с описываемым процессом.

Вопрос 18. Отвечая на данный вопрос, необходимо объяснить, почему для превращения тепловой энергии в механическую нельзя обойтись только одним термодинамическим процессом. Затем дать формулировку термодинамического цикла. Используя диаграммы р- v для произвольного цикла, пояснить сущность прямого и обратного циклов, указать, в основу работ каких машин положен тот и другой циклы. Дать понятие термического КПД, цикла и показать, как получается его выражение для прямого цикла. Главное внимание следует обратить на практическое значение термического КПД для оценки экономичности и степени пожарной опасности двигателей. На примере тепловой машины сформулировать второй закон термодинамики. Привести и дать объяснение другим формулировкам второго закона термодинамики.

Вопрос 19. При ответе на данный вопрос необходимо вычертить диаграмму прямого цикла Карно, пояснить, из каких процессов состоит цикл, и почему именно эти процессы выбраны для данного цикла, рассмотреть условия протекания цикла Карно. Затем вывести формулу для определения термического КПД цикла Карно и пояснить, почему его величина не может быть равна единице, почему любой другой цикл будет иметь КПД меньше, чем цикл Карно. Показать значение цикла Карно для построения реальных циклов тепловых двигателей. Рассмотреть обратный цикл Карно и рассмотреть КПД обратного цикла Карно как эталона цикла холодильных машин.

Вопрос 20. При ответе на данный вопрос необходимо кратко описать сущность работы тепловых двигателей и его рабочие процессы. Затем, перейти к рассмотрению их термодинамических циклов, перечислить условные допущения, при которых изучают тот или иной цикл. Определить термодинамические процессы, составляющие циклы и их последовательность. Изобразить в координатах р-v и Т-s циклы, дать понятие величинам, характеризующим каждый цикл. Показать, как определяется количество подведенного и отведённого в циклах тепла. Без вывода рассмотреть и проанализировать выражение термического КПД циклов. В заключение рассмотреть особенности пожарной опасности двигателей внутреннего сгорания, работающих по данным циклам, типы задач пожарной безопасности и методику их решения.

Вопрос 21. При ответе необходимо кратко описать сущность работы компрессорных установок и их рабочие процессы. Объяснить, почему в ряде случаев используются многоступенчатые компрессоры. Изобразить циклы компрессорных установок в координатах р-v, и T-s. Показать, какие процессы присутствуют в работе той или иной установки и определить их последовательность. В заключение рассмотреть область применения компрессоров в практике пожарного дела.

Вопрос 22. Ответ на данный вопрос следует начать с области применения паросиловых установок. Описать принципиальную схему и принцип действия паровой установки. Более подробно описать теоретический цикл паросиловой установки (цикл Ренкина). Привести последовательность. Привести основные характеристики данного цикла.

Вопрос 23. Данный ответ следует начать с основного преимущества газотурбинных установок перед двигателями внутреннего сгорания.

Рассмотреть общий принцип действия ГТУ. Рассмотреть ГТУ с изохорным и изобарным подводом тепла. Дать характеристику каждой из газотурбинных установок: привести принцип действия, циклы ГТУ в координатах р-v и T-s.

Объяснить, для чего применяется регенерация в ГТУ.

Вопрос 24. Ответ должен начинаться с определения, что такое истечение газов. Показать, на основе, каких уравнений строится теория истечения. Дать определение основных характеристик течения. Привести уравнения первого закона термодинамики для единицы массы движущегося газа и уравнение неразрывности. Следует подробно остановиться на массовом расходе и скорости истечения. Привести графики зависимости массового расхода и скорости истечения от отношения давлений. Объяснить, почему при некотором значении отношения давлений скорость становится критической, а массовый расход максимальным.

Вопрос 25. В ответе должно содержаться определение каналов, по которым течёт газ. Объяснить основное отличие сопла от диффузора. Дать понятие числа Маха и на основе его математическое и графическое объяснение разного поведения сужающихся и расширяющихся каналов. Дать определение и показать, как выглядит сопло Лаваля. Объяснить и графически обосновать такую форму сопла. Показать применение сопел и диффузоров в производстве и практике пожарного дела.

Вопрос 26. Ответ на данный вопрос следует начать с определения процесса дросселирования. Показать механизм дросселирования. Описать эффект Джоуля-Томсона (дифференциальный дроссельный эффект). Показать область применения дросселей в практике пожарного дела, быту и производстве.

В соответствии с заданиями каждый вариант содержит 5 задач по каждому из разделов:

Законы идеальных газов их смесей;

Теплоёмкость. 1-й закон термодинамики. Термодинамические процессы;

Термодинамические циклы;

Истечение газов и паров.

Внимательно изучить условие задачи и переписать эти условия в тетрадь.

Привести чертежи и схемы, необходимые для более полного понимания Записать данные в столбик, под которым, предварительно подчеркнув его, записать, что требуется определить.

Все представленные величины перевести в систему СИ и записать их справа от данных, отчеркнув последние вертикальной чертой.

Приступить к решению задачи. При решении необходимо показать весь ход решения и математические преобразования. Промежуточные и конечные величины, полученные при решении, должны сопровождаться размерностями.

Каждая задача должна сопровождаться развёрнутым ответом и соответствующими выводами.

При решении первой задачи необходимо повторить основные газовые законы. Не следует упускать из виду, что все газовые законы применимы только к абсолютному давлению и абсолютной температуре.

Абсолютным давление называется давление, отсчитанное от нуля. Если по условию задачи приведено барометрическое (атмосферное) давление и избыточное или вакууметрическое, следует перейти к абсолютному давлению по одному из приведённых выражений:

В системе СИ давление измеряется в Паскалях.

термодинамической шкале Кельвина. Если по условию задачи приведена температура по шкале Цельсия, то её необходимо перевести в шкалу Кельвина, осуществив перевод следующим образом:

При нахождении массы газа целесообразно использовать уравнение Клапейрона:

где Р- абсолютное давление, Па;

Т – абсолютная температура, К R – газовая постоянная, кДж/(кгК);

При решении задач обратить внимание на отличие газовой постоянной от универсальной газовой постоянной.

В задачах, где процесс протекает при постоянном параметре, желательно использовать газовые законы (Бойля-Мориотта, Гей-Люссака, Шарля).

При решении задач на газовые смеси не забывать, что газовые смеси подчиняются всем законам идеальных газов. Перед решением таких задач повторить способы задания газовой смеси, законы Дальтона и Амага, а также как находится газовая постоянная смеси и молярная масса смеси.

Пример 1.

Массовый состав смеси следующий: двуокиси углерода - 18%, кислорода – 12%, азота – 70%. Определить, до какого давления нужно сжать эту смесь, чтобы при температуре 80°С 8 кг её занимали объем равный 0.6 м3.

СО2 =18% gCO2=0. а) анализ данных и формул;

Задача на определение параметров состояния газовой смеси следовательно:

б) вычисления;

Определяем газовую постоянную смеси газов µ(СО2)= 44кг/кмоль; µ(О2)= 32кг/кмоль; µ(N2)= 28кг/кмоль Определим давление смеси газов.

Ответ: газовую смесь необходимо сжать до 1284920Па.

При рассмотрении второй задачи необходимо повторить тему теплоёмкость, Первый закон термодинамики, основные термодинамические процессы.

При решении задач на теплоёмкость обучающиеся должны разобраться с физической сущностью теплоёмкости, видами, единицами измерения теплоёмкости, а также зависимостью теплоёмкости от температуры. При этом они должны уметь пользоваться соответствующими таблицами для определения теплоёмкости. При этом следует чётко отличать теплоёмкость в процессе при постоянном объёме СV и теплоёмкость в процессе при постоянном давлении СР. Немаловажным является умение студента находить теплоёмкость газовой смеси.

В некоторых случаях, когда используется разница температур (например, при определении количества теплоты, определение теплоёмкости по таблицам), допускается применение температуры по шкале Цельсия.

Задача заканчивается построением графика процесса. При построении графика на исследование изотермического, адиабатного и политропного процессов необходимо провести вычисления параметров в какой-либо промежуточной точке, т.к. графики подобного рода строятся минимум по трём точкам.

В закрытом сосуде объемом 200 л находится азот при давлении 490 кПа и температуре 17°С. Какое количество тепла необходимо подвести, для того чтобы температура азота поднялась до 200°С. Зависимость теплоемкости от температуры считать постоянной, линейной и нелинейной.

Дано:

V = 200 л Р=490 кПа T1 =(273+17)=290К Т2 =(273+200)=473К а) анализ данных и формул расчет массы газа по уравнению Менделеева-Клапейрона:

PV = mRT m = расчет линейной зависимости теплоемкости от температуры:

расчет нелинейной зависимости теплоемкости от температуры:

Ct1 = расчет теплоемкости, не зависящей от температуры:

Определение подведенного к газу тепла:

Q = m CV (T2 – T1) б) вычисления:

1. линейная зависимость теплоемкости от температуры:

2. нелинейная зависимость теплоемкости от температуры:

3. С=const:

4. расчет количества теплоты при постоянстве теплоемкости:

Q1 = 1.14·0.7475(200-17) =155.9 кДж 5. расчет количества теплоты при линейной зависимости теплоемкости от температуры:

Q2 = 1.14·0.7472(200-17) =155.9 кДж 8. расчет количества теплоты при нелинейной зависимости от температуры:

Q3 = 1.14·0.7470(200-17) = 155.8 кДж Ответ: 155.9 кДж, 155.9 кДж, 155.8 кДж При решении третьей задачи, обучающиеся должны иметь следующие умения и навыки: иметь понятия о термодинамических циклах, цикле Карно, 2ом законе термодинамики, энтропии, устройстве и принципе действия тепловых машин, паросиловых установок, газотурбинных установок, компрессоров, холодильных машин. Особое внимание следует уделить рабочим циклам перечисленных машин, а также основным параметрам этих циклов, включая определение термического КПД циклов машин. Задача заканчивается графиком цикла.

1кг воздуха совершает прямой цикл Карно в пределах температур 627 °С и 27 °С, При этом наибольшее давление равно 5 МПа, а наименьшее 0,1 МПа.

Определить параметры состояния воздуха в характерных точках цикла и количество отведенной теплоты, принимая показатель адиабаты 1.4. Построить данный цикл графически.

воздух t1 = 627°C значения v2 и v4 находим, рассмотрев адиабатные процессы v2 – v3 и v4 – v величины давлений Р2 и Р4 определяем из закона Бойля-Мариотта теплота в цикле Карно отводится в изотермическом процессе. В изотермическом процессе теплота равна совершаемой работе б) вычисления газовая постоянная воздуха при М = 29 кг/моль R = 8314/29=286.7 Дж/(кгК) Рассчитываем v1.

Рассчитываем v3.

Рассчитываем v2.

Рассчитываем v4.

Рассчитываем Р2.

Рассчитываем Р4.

Рассчитываем количество отведённой теплоты Ответ: в цикле Карно от воздуха отведено 0.6327.88 Дж тепла. Знак минус свидетельствует о том, что тепло отводится. При этом параметры состояния в характерных точках следующие: v1 = 0.05 м3/кг, v2 = 0.055 м3/кг, P2 = 4545454.5Па, v3 = 0.86 м3/кг, v4 = 0.779 м3/кг, P4 = При решении четвертой задачи требуются знания процессов истечения газов и паров, а также дросселирования газов.

Через образовавшееся в результате аварии в корпусе аппарата отверстие площадью 20 мм2 происходит истечение этилена в объём помещения. Давление газа 5 МПа, температура 20°С. Давление среды, в которую происходит истечение 0.1 МПа. Определить критическую скорость истечения и максимальный массовый расход этилена.

Р1 = 5 МПа Р2= 0.1 МПа t = 20°С кр=? mmax=?

а) анализ данных и формул:

определение удельного объема по уравнению Клапейрона Р1v1 = RT расчет критической скорости истечения расчет максимального массового расхода б) вычисления 1. Определяем = Р1/Р2 = 105/5106=0.002 < кр. =0.546, для двухатомных газов скорость истечения будет критической, а расход – максимальным.

Находим показатель адиабаты.

Для этилена газа СµР=37.68 кДж/(кмольК), СµV=29.31 кДж/(кмольК) k = СµР/ СµV k = 1. R=8314/M; М С Н = 28кг/кмоль, R = 8314/28=296.9 (Дж/кгК) Удельный объём определяем по уравнению Клапейрона:

Р1v1 = RT1 v1 = RT1/Р1 v1=8314293/105=0.0174 (м3/кг) 2. Определяем критическую скорость истечения:

3. Вычисляем максимальный расход mmax Ответ: критическая скорость истечения этилена 312.9 м/с, максимальный массовый расход 0.24 кг/с.

Основные соотношения между внесистемными единицами измерения давления и единицами Международной системы единиц (СИ) Некоторые наиболее часто встречающиеся химические соединения.

(линейная зависимость от температуры сm = a +b tср.) Воздух Средняя удельная теплоёмкость при постоянном давлении (нелинейная зависимость от температуры) Средняя удельная теплоёмкость при постоянном объёме (нелинейная зависимость от температуры) 1. Сырбу А.А. Термодинамика газовых потоков. Учебное пособие – Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2009. -113 с.

2. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого – М.: Мир, 2003. - 461 с.: ил.

3. Багажков И.В., Сторонкина О.Е. Первый закон термодинамики.

Учебное пособие - Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2011. – 67 с.

4. Задачник по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие / Андреев В.В., Казанцев Ю.В., Козлов Ю.И. и др./ Под ред. д.т.н., проф., акд. НАНПБ Кошмарова Ю.А. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. – 140 с.

Основные обозначения и единицы измерения - плотность теплового потока, Вт/м - линейная плотность теплового потока, Вт/м Т - абсолютная температура, К - температура международной практической шкалы, °С - температура поверхности, °С - начальная температура тела, °С - площадь поверхности теплообмена, м - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) сt - удельная теплоёмкость, кДж/(кг К) - коэффициент температуропроводности, м2/кг - коэффициент кинематической вязкости, м2/с - скорость движения среды, м/с - ускорение свободного падения, м/с к - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2К) 1, 2 - коэффициент теплообмена, Вт/(м2К) - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) k - коэффициент конвекции - предел огнестойкости, мин; время прогрева, мин - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Вт/(м2К4) erf(А) А - аргумент функции Крампа Основные виды передачи тепла.

Стационарный режим. Теплопроводность при стационарном режиме.

Закон Фурье.

Теплопроводность одно- и многослойных плоских стенок.

Теплопроводность одно- и многослойных цилиндрических стенок.

Нестационарная теплопроводность. Стандартный температурный Конвективный теплообмен. Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона - Рихмана.

Теплообмен при естественной циркуляции воздуха. Конвективный теплообмен в неограниченном объёме и в прослойках.

Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости.

Теплообмен при вынужденном движение жидкости по каналам.

Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости.

Теплообмен при поперечном обтекании труб.

Теплообмен при изменении агрегатного состояния (кипение, конденсация).

Тепловое излучение. Основные законы лучистого теплообмена.

Лучистый теплообмен между телами (плоскопараллельными, свободно ориентированными в пространстве, концентрически расположенными поверхностями).

Тепловые экраны. Виды, назначение, методика расчёта отражающих экранов.

Излучение в ослабляющей среде.

Излучение факела.

Излучение факела на пожаре. Минимально безопасные расстояния.

Методика расчёта минимально безопасных расстояний.

Сложный теплообмен. Теплопередача через одно- и многослойные плоские стенки.

Сложный теплообмен. Теплопередача через одно- и многослойные цилиндрические стенки.

Классификация теплообменных аппаратов.

Топливо. Классификация топлив. Характеристика топлив.

21. Определить количество теплоты, передаваемое в единицу времени через стену из красного кирпича длиной 6 м, высотой 4 м, если толщина стены и температуры на поверхностях стены следующие:

22. Определить температуру на наружной поверхности печи и области топливника, если стенки из шамотного кирпича толщиной 230 мм.

Плотность теплового потока, и температуру на внутренней поверхности печи принять в соответствии со своим вариантом 23. Рассчитать толщину слоя тепловой изоляции из молотого диатомита, размещённого между слоями силикатного и шамотного кирпича, толщина каждого из которых 205 мм, чтобы температура на наружной поверхности красного кирпича не превышала 90°С. Температура на обогреваемой поверхности шамотного кирпича и плотность теплового потока соответственно равны:

Коэффициент теплопроводности материалов взять при средней температуре стены.

24. Железобетонная дымовая труба, выполненная из песчаного бетона, должна быть футерована внутри огнеупорным кирпичом. Определить толщину футеровки и температуру наружной поверхности трубы при условии, что линейный тепловой поток, проходящий через трубу равен 2500 Вт/м, а температура внутренней поверхности не должна превышать 250°С.

Температура внутренней поверхности футеровки и диаметры трубы соответственно равны:

25. На продолжительном пожаре в здании происходило прогревание стены из силикатного кирпича толщиной 42 см, отштукатуренной с обеих сторон известковой штукатуркой толщиной 3 см каждый. Стена разделяет здание на 2 части. Определить температуры на границах слоёв, если на внутренней и внешней поверхностях стены установились температуры 26. Определить необходимую толщину изоляции трубопровода диаметром мм, если допустимая температура на её внешней поверхности 50°С, а тепловой поток через тепловую изоляцию не должен превышать 750 Вт/м.

Определить толщину изоляции для защиты плоской стены при прежних условиях. Сделать вывод.

27. Паропровод, внешний диаметр которого 350 мм, покрыт двухслойной теплоизоляцией. Внутренний слой - асбоцементные скорлупы толщиной мм. Наружный – цементный раствор толщиной 10 мм и коэффициентом теплопроводности 0.8 Вт/(мК). Определить температуру на границе соприкосновения слоёв и температуру на внешней поверхности теплоизоляции, если температура стенки паропровода и плотность теплового потока соответственно равны Коэффициент теплопроводности асбоцементных скорлуп принять равной средней температуре теплоизоляции.

28. Через противопожарную стену проходит стальной стержень, боковая поверхность которого тщательно теплоизолирована, т.е. стержень представляет собой полуограниченное тело. Торец стержня нагревается до температуры tw, которая затем остается постоянной. Начальная температура стержня 20°С. Определить температуру стержня на выходе из стены толщиной 25 см в смежное помещение через мин.

29. Стена из красного кирпича подвергалась одностороннему нагреву в условиях пожара. При этом температура поверхности её со стороны пожара поднялась с 20°С до tw и далее оставалась постоянной. Определить толщину стены, если через время прогрева (мин) температура на необогреваемой стороне стены установилась tx,.

30. Определить предел огнестойкости противопожарной стены из бетона на гранитном щебне, считая её полуограниченным телом, если начальная температура 20°С, а температура обогреваемой поверхности и толщина стенки соответственно равны:

31. Железобетонная плита перекрытия изготовлена из аглоперлитобетона. При начальной температуре плиты в 25°С в условиях стандартного пожара с одной стороны плита подвергается нагреву. Определить температуру на необогреваемой стороне плиты, если толщина плиты и время горения соответственно равны:

32. Плита перекрытия из керамзитобетона толщиной 300 мм подвергается нагреву в условиях стандартного температурного режима. Начальная температура 20°С. Определить температуру на поверхности арматуры, если толщина защитного слоя арматуры и время нагрева соответственно равны:

Принимая критическую температуру арматуры равной 470°С, сделать вывод о возможности обрушения конструкции.

33. Определить предел огнестойкости перегородки из аглоперлитобетона, считая её полуограниченном телом, подвергающейся одностороннему нагреву в условиях стандартного температурного режима, если начальная температура конструкции 20°С, температура на необогреваемой поверхности не должна превышать 160°С, толщина перегородки соответственно равна:

34. Определить количество тепла, отдаваемое дымовыми газами ограждающим поверхностям помещения при пожаре. Внутренние размеры помещения:

ширина – 4 м, длина – 6 м, высота 3.5 м. Средняя температура дымовых газов (tf) и температуры поверхностей ограждающих конструкций (tw) соответственно равны:

35 Противопожарная закрытая отступка имеет толщину 20 см. Определить плотность теплового потока от поверхности печи к сгораемой поверхности в конвективном теплообмене при условии, что температура сгораемой поверхности 50°С, а температура поверхности печи соответственно равна:

36. Найти коэффициент теплоотдачи между стеной высотой 4 м и воздухом, если температура стены и температура воздуха соответственно равны:

37. Воздухоподогреватель представляет собой шахматный пучок труб, который обтекается поперечным потоком воздуха. Диаметр труб 50 мм. Средняя температура потока воздуха 200°С. Число рядов по ходу газов 20. Шаги труб 38. Нетеплоемкая печь установлена вблизи деревянной стены так, что их взаимное расположение можно принять в качестве двух бесконечно параллельных тел. Определить результирующую плотность теплового потока излучением. Сделать вывод о возможности самовоспламенения древесины. Температуру на наружной поверхности печи, температуру самовоспламенения древесины и материал печи взять в соответствии с вариантом:

39. Определить интегральную излучательную способность абсолютно чёрного тела и длину волны, при которой спектральная излучательная способность максимальна, если температура абсолютно чёрного тела равна:

40. Определить, во сколько раз уменьшится плотность теплового потока между двумя плоскопараллельными поверхностями, если между ними установить однослойный экран из полированного алюминия. Степени черноты поверхностей взять в соответствии со своим вариантом.

41. Можно ли применять экран из полированной стали для защиты деревянного простенка из сосновой древесины от печи, выполненной из красного кирпича, если допустимая температура применения данного экрана 1020 К.

Температуру печи взять в соответствии со своим вариантом.

Все недостающие параметры взять в соответствующих приложениях.

42. Определить требуемое количество экранирующих слоёв из шлифованной листовой стали для защиты деревянной конструкции от лучистой тепловой энергии, если степень черноты излучающей поверхности 0.8. Плотность теплового потока соответственно равна:

Степень черноты материала экрана, сосновой шероховатой древесины и критическую плотность теплового потока для древесины выбрать по соответствующим приложениям.

43. Определить количество листов полированного алюминия, расходуемого на устройство экранирующих щитов, предназначенных для защиты людей в условиях длительной работы по тушению пожара газового фонтана.

44. Дать заключение о достаточности минимально–безопасного расстояния между двумя деревянными домами, если коэффициент безопасности равен 1.2. Длину дома (А), высоту до конька (H) и величину минимальнобезопасного расстояния взять в соответствии со своим вариантом.

Все недостающие данные взять в соответствующих приложениях 45. Найти максимальную высоту штабеля сосновых досок, если размер досок и расстояние между штабелями соответственно равны:

Все недостающие данные взять в соответствующих приложениях.

46. Определить коэффициент теплообмена и плотность теплового потока в лучистом теплообмене между дымовыми газами и стенками дымохода, если в дымовых газов содержится 13% СО2 и 11% Н2О. Сечение дымохода аb = 2512.5 см, высота h = 3м. Температуры дымовых газов и поверхности стенки соответственно равны:

47. При продолжительном пожаре в подвальном помещении установилась температура среды tf. Температура в помещении со стороны первого этажа равна 20°С. Определить температуру на поверхности перекрытия со стороны первого этажа, если оно выполнено из песчаного бетона толщиной 20 см.

Температуру tf выбрать в соответствии со своим вариантом.

48. Для изоляции стенки топливника технологической печи между слоями, выполненными из шамотного и силикатного кирпича, засыпан котельный шлак. Определить толщину засыпки из котельного шлака, если толщина слоя из шамотного кирпича 170 мм, толщина слоя силикатного кирпича мм, температура в помещении равна 20°С, а температура на наружной поверхности печи не должна превышать 90°С. Температуру среды в топливнике взять в соответствии со своим вариантом.

49. Рассчитать необходимую толщину слоя тепловой изоляции паропровода, выполненного из углеродистой стали диаметром d1/d2=50/53 мм, чтобы температура на внешней поверхности теплоизоляции не превышала 60°С.

Температура окружающей среды 10°С. Температуру паровоздушной смеси и материал теплоизоляции взять в соответствии со своим вариантом.

50. Определить требуемую толщину противопожарной стены из шамотного кирпича, если известно: температура нагреваемой среды 20С, температура на необогреваемой поверхности не должна превышать с учетом начальной температуры конструкции 160С. Температуру нагретой среды при возможном пожаре взять в соответствии в вариантом:

51. Определить удельный тепловой поток, тепловой поток и количество тепла, проходящее через стенку в условиях пожара, если размеры ее 206 м.

Средняя температура окружающего воздуха - 15С. Продолжительность передачи тепла 30 минут. Коэффициент теплообмена 2= 15 Вт/(м2·С).

Средняя температура среды на пожаре, толщина и материал стены приведены в таблице:

Методические указания по изложению теоретических вопросов Изложению теоретического вопроса должна предшествовать детальная проработка всего программного материала по курсу «Теплопередача». При подготовке к ответу можно использовать литературу, предложенную в методических указаниях, или любую другую, допущенную Министерством образования РФ в качестве учебного пособия.

При ответе на теоретический вопрос слушатель-заочник обязан руководствоваться материалами методических рекомендаций.

Изложение материала должно сопровождаться соответствующими рисунками, графиками, примерами из пожарной практики, подтверждающими теоретические положения. При написании математических выражений и формул необходимо использование условных обозначений, рекомендованных методическими указаниями.

Заканчиваться ответ должен выводами, связанными с практикой пожарного дела.

Вопрос I. При ответе на данный вопрос, прежде всего, необходимо дать определение того, что изучает теплопередача как наука. Затем рассмотреть понятия температурного поля, стационарного и нестационарного теплового режимов, изотермической поверхности, теплового потока и плотности теплового потока с указанием их единиц измерения. Перечислить виды распространения тепла, раскрыть физическую сущность каждого вида и на конкретных примерах показать, какое влияние они оказывает на развитие пожара. Перечислять основные направления при разработке профилактических мероприятий по исключению и ограничения условий развития пожаров вследствие распространения тепла данными видами.

Вопрос 2. В ответе необходимо дать формулировку стационарной теплопроводности, описать физическую сущность передачи тепла этим видом, привести примеры случаев стационарной теплопроводности. Затем следует сформулировать закон Фурье, записать его математическое выражение, пояснить физический смысл входящих в него величин. Особое внимание следует уделить коэффициенту теплопроводности, его физическому смыслу, единицам измерения и зависимости его величины от вида вещества или материала, влажности, плотности, направления теплового потока и температуры. Пояснить, почему и как коэффициент теплопроводности зависит от этих факторов; пользуясь справочными материалами, привести примеры.

Показать значение коэффициента теплопроводности в пожарнопрофилактической работе.

Вопрос 3. Отвечая на данный вопрос необходимо вычертить эскиз однослойной плоской стенки, обозначить и пояснить необходимые величины, показать, как изменяется температура стенки по толщине. Затем, используя закон Фурье, сделать вывод уравнения теплопроводности и проанализировать от чего и как зависит количество тепла, проходящее сквозь стенку; дать понятие термического сопротивления теплопроводности. Аналогично рассмотреть теплопроводность многослойной плоской стенки. Перечислить типы задач пожарной безопасности и изложить методику их решения. Привести конкретные примеры из практики работы, пояснить в каких случаях решаются те или иные типы задач.

Вопрос 4. Ответ на вопрос следует начать с примеров того, в каких случаях мы сталкиваемся с расчетом теплопроводности через цилиндрическую стенку. Затем на примере однослойной цилиндрической стенки вывести уравнение теплопроводности. Для этого нужно выполнить эскиз однослойной цилиндрической стенки, показать и пояснить используемые обозначения, объяснить, почему линия, изображающая температурное поле по толщине стенки, имеет криволинейный характер. Дать понятие термического сопротивления теплопроводности. Аналогично проанализировать теплопроводность многослойной цилиндрической стенки. Выявить, от чего зависит количество тепла, проходящее через стенку, показать, как определяется плотность теплового потока, отнесенного к единице длины стенки;

сформулировать условие возможности расчета цилиндрической стенки по уравнению для плоской стенки. Рассмотреть типы задач пожарной безопасности и методику их решения.

Вопрос 5. В ответе на данный вопрос необходимо записать формулировку нестационарной теплопроводности, пояснить ее физическую сущность. На примере одностороннего и двустороннего нагрева тела показать графическое изображение температурного поля при нестационарной теплопроводности. Указав, что скорость изменения температурного поля при нестационарной теплопроводности характеризуется коэффициентом температуропроводности, записать его математическое выражение. Пояснить, от каких величин он зависит, установить единицы измерения, выяснить, каким образом влияет величина коэффициента температуропроводности на скорость прогрева строительных конструкций в условиях пожара.

Далее необходимо дать понятие полуограниченного тела, привести примеры, указать условие, при котором плоские конструкции можно считать полуограниченными телами. Затем дать определение граничных условий 1-го рода; записать уравнение нестационарной теплопроводности полуограниченного тела для этих условий; пояснить физический смысл входящих величин; рассмотреть условие применимости этого уравнения для плоских ограждений. Используя эскиз однослойной плоской стенки, рассмотреть типы задач пожарной безопасности и методику их решения.

Указать, исходя из каких условий производится решение задач по определению требуемой толщины ограждавших конструкций и их пределов огнестойкости.

Далее следует дать понятие стандартного температурного режима.

Пользуясь данными приложения, вычертить график стандартной температурной кривой, показать практическое значение его при решении задач пожарной безопасности. Затем записать уравнение нестационарной теплопроводности полуограниченного тела при стандартном режиме, пояснить физический смысл входящих величин, рассмотреть типы задач пожарной безопасности и методику их решения.

Вопрос 6. Отвечая на вопрос, необходимо дать определение конвективному теплообмену, пояснить физическую сущность процессов передачи тепла от жидкости к поверхности твердого тела или наоборот. Затем перечислить факторы, влияющие на интенсивность передачи тепла, и пояснить их суть. Сформулировать закон Ньютона - Рихмана и записать его математическое выражение, поясняя физическую сущность величин, входящих в уравнение Ньютона – Рихмана. Особое внимание следует обратить на сущность коэффициента теплообмена конвекцией, указать единицы его измерения. На конкретных примерах показать влияние данного вида теплообмена на развитие пожара.

Вопрос 7-10. Прежде чем приступить к ответу по указанным вопросам, необходимо разобраться с общими понятиями теории подобия и сущностью её применения в расчетах по конвективному теплообмену. В ответах следует отразить сущность и примеры данных случаев конвективного теплообмена, записать расчетные критериальные уравнения, пояснить физическую сущность входящих в них критериев, физических величин и их единицы измерения, изложить методику определения коэффициента теплообмена конвекцией (для газовых прослоек - эквивалентного коэффициента теплопроводности) и количества тепла, передаваемого в том или ином случае теплообмена. На конкретных примерах рассмотреть опасность конвективного теплообмена, а в данном случае и его влияние на развитие пожара.

Вопрос 11. Ответ на данный вопрос следует начать с формулировки лучистого теплообмена и пояснения сущности процессов преобразования тепловой энергии в лучистую и наоборот. Затем показать, как распределяется лучистая энергия, падающая на тело, и связать данный материал с понятием абсолютно черного, абсолютно белого и диатермичного тел; пояснить, для чего вводятся эти понятия.

Рассмотреть законы Вина, Планка, Стефана-Больцмана, Кирхгофа и Ламберта: формулировка, математическое выражение, физическая сущность и единицы измерения величин, входящих в выражение законов. При рассмотрении закона Кирхгофа необходимо изложить и его следствия.

Показать влияние теплового излучения на развитие пожара, привести конкретные примеры. Особое внимание следует обратить на практическое использование законов лучистого теплообмена в расчетах и выводах при организации тушения пожаров.

Вопрос 12. В ответе на вопрос необходимо по очереди рассмотреть теплообмен между плоскопараллельными поверхностями, свободно ориентированными в пространстве и концентрически расположенными. Для этого, вычертив схему теплообмена между двумя поверхности, определить условия теплообмена, записать выражения для плотности теплового потока, излучаемого каждой поверхностью, показать, как получается расчетное уравнение результирующей плотность теплового потока, пояснить физический смысл входящих величин. Особое внимание следует обратить на сущность коэффициента облученности. Рассмотреть особенности теплообмена между высоко нагретыми поверхностями и конструкциями из горючих материалов, дать понятие критической плотности теплового потока и предельно допустимой температуры нагрева, записать условия пожарной безопасности; рассмотреть типы задач пожарной безопасности и порядок их решения.

Вопрос 13. Начать ответ на вопрос следует с определения теплового экрана. Затем, после рассмотрения роли экранов в лучистом теплообмене, дать их классификацию. Пояснить назначения каждого из видов экранов, используемых в практике пожарного дела. Используя схему теплообмена при наличии экрана, вывести уравнение расчёта температуры отражающего экрана, пояснить физически смысл входящих в него величин. Вывести выражение для определения плотности теплового потока с учётом экрана. Привести выражение для определения необходимого количества экранирующих слоёв. Рассмотреть типы задач пожарной безопасности и последовательность их решении.

Вопрос 14. Излагая материал по данному вопросу, следует указать, какие газы представляют интерес с точки зрения излучения и поглощения тепловой энергии, показать, каким образом происходит процесс излучения и поглощения в ослабляющей среде в зависимости от длины волн, в чем особенности излучения и поглощения газов в отличие от твердых тел. Затем рассмотреть природу излучения газообразных продуктов горения, образующихся при горении различных веществ. Особое внимание следует уделить влиянию излучения продуктов горения на поведение строительных конструкций на пожаре, мерам защиты их и личного состава пожарных подразделений от воздействия лучистой тепловой энергии.

Вопрос 15. Ответ на вопрос необходимо начать с определения излучения факела. Показать природу излучения факела, после чего рассмотреть особенности факела при горении твёрдых веществ, жидкостей и газов.

Рассмотреть излучение факела в топках печей и котлов, изложить излучение пламени через топочные отверстия.

Вопрос 16. При ответе на данный вопрос следует осветить особенности излучения факела пламени при наружных пожарах, основные направления в пожарно-профилактической работе по исключению возможности распространения горения на смежные здания и сооружения вследствие излучения, меры техники безопасности при работе пожарных подразделений.

После этого следует изложить методику определения минимально безопасных расстояний между зданиями и сооружениями, а также особенности данной методики при определении параметров безопасной работы пожарных подразделений.

Вопрос 17-18. Ответы на вопросы следует начать с определения характера передачи тепла от нагретой среды к нагреваемой через разделяющую их стенку. При этом необходимо выполнить эскиз стенки с соответствующими обозначениями величии, температур среды и поверхностей стенки, изображением температурного поля на каждой стадии передачи тепла. Затем, записав уравнения теплообмена для каждой стадии, пояснить физический смысл входящих величин, указать единицы измерения и вывести уравнения теплопередачи. Поясняя физическую сущность величин, входящих в полученное уравнение, особое внимание следует обратить на понятия, математические выражения, единицы измерения термических сопротивлений теплообмена, полного термического сопротивления теплопередачи, коэффициента теплопередачи. Рассмотреть типы задач пожарной безопасности и последовательность их решения.

Вопрос 19. При ответе на данный вопрос прежде всего необходимо дать определение понятия «теплообменный аппарат» и «теплоноситель». Затем рассмотреть, как различаются теплообменные аппараты по назначению, принципу действия, конструкции, виду теплоносителя и схеме течения теплоносителей. Вычертив 2-3 схемы теплообменных аппаратов, наиболее часто встречающихся на объектах обслуживаемого района, изложить особенности пожарной опасности данных аппаратов. Затем рассмотреть методику конструкторского и поверочного расчета теплообменных аппаратов.

Вопрос 20. Ответ на данный вопрос следует начать с определения топлива. Привести классификацию топлив. Привести примеры твёрдого, жидкого и газообразного топлив и дать их характеристики. Рассмотреть элементарный состав топлива. Дать понятие теплоты сгорания.

При выполнении задач следует придерживаться следующих указаний.

1. Внимательно изучить условие задачи и переписать эти условия в тетрадь.

2. Записать данные в столбик, под которым, предварительно подчеркнув его, записать, что требуется определить.

3. Все представленные величины перевести в систему СИ и записать их справа от данных, отчеркнув последние вертикальной чертой 4. Выполнить рисунки, эскизы или схемы к задачам (разрезы стенок, перегородок, плит перекрытия, противопожарных разделок печей и др.

конструкций) выполнять в осях координат t-x. В соответствии с характером задачи выписать необходимые формулы и провести их 5. Приступить к решению задачи. При решении необходимо показать весь ход решения и математические преобразования. Промежуточные и конечные величины, полученные при решении, должны сопровождаться размерностями.

6. В случаях, когда задача связана прогревом каких-либо конструкций, на выполненных рисунках построить график изменения температурного поля с обозначением соответствующих температур.

7. Каждая задача должна сопровождаться развёрнутым ответом и соответствующими выводами.

Характерной особенностью задач по теплопередаче является то, что некоторые данные, необходимые для решения, в условиях не даны, и их требуется выбрать по соответствующим таблицам, приложениям или определять по графикам и номограммам.

Некоторые основные таблицы и графики приведены в приложении данного методического указания. В остальных случаях следует пользоваться таблицам и графиками, помещёнными в рекомендуемой литературе. При пользовании таблицами следует обратить внимание на единицы измерения, кратные и дольные множители условных обозначений величин, на запятые, определяющие порядок числовых значений.

Не следует упускать из виду то, что в большинстве задач (исключая задачи на лучистый теплообмен) удобнее использовать международную практическую шкалу.

Следует помнить требования ГОСТ, предъявляемые к некоторым техническим сооружениям. В частности, температура на необогреваемой стороне противопожарной стены не должна превышать 160 °С.

При решении задач на нестационарную теплопроводность предел огнестойкости выражается в часах. Эта размерность учитывалась при составлении таблицы значений функции Крампа, поэтому в формулу определения коэффициента теплопроводности at вносится соответствующий коэффициент 3.6, переводящий коэффициент теплопроводности из Вт/(мК) в Дж/(мКч) и теплоёмкость из кДж/(кгК) в Дж/(кгК). С учётом этого коэффициента формула для расчёта коэффициента теплопроводности примет вид:

Следует также помнить, что при решении задач на нестационарную теплопроводность при стандартном температурном режиме все термодинамические параметры следует брать при температуре 450°С.

При выполнении задач (конвективный и сложный теплообмен) обратить внимание на различие в обозначении температуры среды (газы или жидкости) и температуры стенки. В критериальных уравнениях конвективного теплообмена индекс указывает, что f – параметры взяты при температуре среды, w – температуре стенки, m – средней температуре стенки и среды. В задачах на сложный теплообмен индекс f обозначает греющую среду, а t - обогреваемую среду.

При расчёте критериев подобия необходимо чётко ориентироваться в определении определяющий размер. Не следует забывать, что в качестве определяющего размера используется для горизонтальных труб – диметр трубы, вертикальных плит – высоту стены, горизонтальных плит – размер меньшей стороны, для газовых прослоек – толщина прослойки.

При некоторых расчётах используется параметр – коэффициент объёмного расширения. Необходимо помнить, что для газов этот параметр рассчитывается по уравнению = 1/Т, а для жидкостей по таблицам.

В задачах на лучистый теплообмен слушатели-заочники должны тщательно разобраться в основных законах лучистого теплообмена, особенностями теплообмена между излучающими поверхностями и горючими материалами. Особое внимание необходимо обратить на понятия критическое плотности облучения, допустимую температуру нагрева и температуру воспламенения горючих материалов. При решении задач на определение эффективности применения экрана и на расчёт минимально-безопасных расстояний необходимо основываться на условиях пожарной безопасности:

- температура экрана не должна превышать предельно допустимую температуру экрана, - плотность теплового потока, падающего на поверхность горючего материала с учётом коэффициента безопасности, не должна превышать критической плотности теплового потока.

Примеры основных типов задач приведены ниже.

Пример 1.

Какова должна быть толщина противопожарной стены из песчаного бетона, если температура обогреваемой поверхности температура необогреваемой поверхности 160°С. Плотность теплового потока 1000 Вт/м Дано:

t1.= 450 °С t2= 180 °С q = 1000 Вт/м 1. Находим среднюю температуру стены 2. По приложению 2 находим коэффициент теплопроводности при средней температуре стены 3. ср. = 1,05-5,810-4 tср Вт/(м°С) ср. = 1,05-5,810-4355=0,87 Вт/(м°С) 4. Из уравнения теплопроводности для плоских стенок выражаем толщину противопожарной стены Ответ: толщина противопожарной стены бетона 0,28м.

Пример 2.

Противопожарная закрытая отступка имеет толщину 13 см. Определить плотность теплового потока от поверхности печи к горючей поверхности в конвективном теплообмене при условии, если температура поверхности печи tw1=90°С, температура горючей поверхности tw2=30°С.

Дано:

tw1=90°С tw2=30°С q=?

1. Определяем среднюю температуру воздуха в отступке и находим физические параметры воздуха при этой температуре по приложению 2. Плотность теплового потока находится по выражению:

где к – коэффициент конвекции, зависящий от произведения Gr и Pr.

3. Находим произведение Gr и Pr и коэффициента конвекции где -коэффициент объёмного расширения (для газов =1/Т).

g – ускорение свободного падения.

l = определяющий размер.

- кинематическая вязкость.

GrPr = 1,07910 0,695=7, При данном произведении GrPr коэффициент конвекции принимает вид:

к = 0,4(GrPr)m0, к = 0,4(7,5106)0,2 = 9, экв.= 2,8910-2 9,5 =27,410-2 (Вт/(м°С) Ответ: q = 126,2 Вт/м2.

Пример 3.

Допустимо ли применение теплового экрана из полированной стали для защиты деревянного простенка от печи из красного кирпича, если температура печи 800°С. Температура деревянного простенка не должна превышать 90°С.

Допустимая температура применения экрана 1020 К..

Дано:

t1=800°С(1073К) t2=90°С (363К) 1 = 0, 2= 0, Э = 0, Тдоп.= 1020 К ТЭ =?

По приложениям 4 и 6 находим степени черноты:

степень черноты экрана 0.2, красного кирпича 0.93, деревянного простенка 0. Температура экрана определяется по выражению:

T = где степени приведённые черноты определяются из степеней черноты объёктов, участвующих в теплообмене Ответ: т.к. ТЭ < Тдоп., то применение экрана допустимо.

Пример 4.

Определить минимально безопасное расстояние между двумя деревянными домами выполненными из сосновой шероховатой древесины если длина дома составляет 12м, а высота дома до конька равна 8м. Коэффициент безопасности принять равным 1,2.

Дано:

А = 12м h = 8м Кб = 1, L=?

Задача решается по методу четвертинок По приложениям находим:

температура факела равна 1100К:

допустимая температура для древесины 568К, степеньчерноты факела 0.7, степень черноты древесины 0.9, критическая плотность теплового патока для древесины 12800 Вт/м2.

1. Находим коэффициент облучённости 2. Находим четвертинку коэффициента облучённости ф-д = 0,25ф-д ф-д = 0,25 0,21 = 0, Находим отношение четвертинок короткой и длинной стороны Т.к длина четверти пламени равна а = А т.е а = 12 = 6м, а высота четверти пламени равна b = h т.е. b = 8 = 4м.

b/a = 4/6 = 0,66; b/l = b/l = 0,66=0, По номограмме (приложение 9) находим a/l. a/l = 0, l = a/0,78 = 6/0,78 = 7,7м Ответ: расстояние между домами должно быть не менее 1,7м.

Пример 5.

Определить требуемую толщину бетонной стены, если коэффициент теплопроводности бетона равен 0,84 Вт/(мК); температура нагреваемой среды равна 20°С, температура на необогреваемой поверхности стены не должна превышать 160 °С, температура нагретой среды при возможном пожаре равна 1100°С.

Дано:

tf=1100°С tf=20°С =0,84 Вт/(мК) t2 = 160 °С 1. Определяем коэффициент теплоотдачи греющей среды Определяет коэффициент теплоотдачи обогреваемой среды 3. Находим плотность теплового потока из выражения 4. Из выражения q = k(tf - tf) определяем коэффициент теплопередачи 1. 1 = 11,63 е 0,0023 1100 = 146 Вт/(м К) 2. 2 = 11,63 е 0,0023 160 = 16.8 Вт/(м2К) 3. q = 16,8(160-20)=2352 Вт 4. k = 2352/(1100-20)=2.17 Вт/(м2К) 5. = 0,84(1/2,17-1/146-1/16,8)=0,33 м Ответ: толщина бетонной стены должна быть не менее 0,33 м.

Пример 6.

Определить предел огнестойкости перегородки из бетона на известняковом щебне, считая её полуограниченном телом, подвергающейся одностороннему нагреву в условиях стандартного температурного режима, если начальная температура конструкции 20°С, температура на необогреваемой стороне не должна превышать 160°С, толщина перегородки 0.12 м.

t0=20°С = 0,12 М щебне при температуре 450°С по приложению 2 (, сt, ) =? 2. Находим коэффициент температуропроводности 3. Находим функцию Крампа по следующему выражению 4. По приложению 1 определяем аргумент функции Крампа 5. Из выражения для расчёта аргумента функции Крампа находим предел огнестойкости, учитывая что = х 1. Физические параметры бетона на известняковом щебне = 2190 кг/м = 1,25-9,610-4 ·t = 1,25 -9,6 10-4 450 = 0,818 Вт/(мК) сt = 0,77+6,310-4 ·t = 0,77 + 6,310-4450 = 1,04Дж/(кгК) 2. Коэффициент температуропроводности 3. Функция Крампа erf ( A ) = 4. Аргумент функции Крампа А = 1, 5. Предел огнестойкости Ответ: предел огнестойкости 34,8 минуты.

Ивановский институт ГПС МЧС России Подпись обучающегося _ Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Государственной противопожарной службы Кафедра физики и теплотехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теплотехника»

Выполнил Руководитель Дата защиты Оценка 0,00 0,0000 0,50 0,5205 1,00 0,8427 1,50 0, 0,02 0,0216 0,52 0,5379 1,02 0,8508 1,52 0, 0,04 0,0451 0,54 0,5549 1,04 0,8586 1,54 0, 0,06 0,0676 0,56 0,5716 1,06 0,8661 1,56 0, 0,08 0,0901 0,58 0,5879 1,08 0,8733 1,58 0, 0,10 0,1125 0,60 0,6039 1,10 0,8802 1,60 0, 0,22 0,1348 0,62 0,6194 1,22 0,8868 1,62 0, 0,14 0,1569 0,64 0,6346 1,14 0,8931 1,64 0, 0,16 0,1719 0,66 0,6494 1,16 0,8991 1,66 0, 0,18 0,2009 0,68 0,6638 1,18 0,9048 1,68 0, 0,20 0,2227 0,70 0,6778 1,20 0,9103 1,70 0, 0,22 0,2443 0,72 0,6914 1,22 0,9155 1,72 0, 0,24 0,2657 0,74 0,7047 1,24 0,9205 1,74 0, 0,26 0,2869 0,76 0,7175 1,26 0,9252 1,76 0, 0,28 0,3079 0,78 0,7300 1,28 0,9297 1,78 0, 0,30 0,3286 0,80 0,7421 1,30 0,9340 1,80 0, 0,32 0,3491 0,82 0,7538 1,32 0,9381 1,90 0, 0,34 0,3694 0,84 0,7651 1,34 0,9419 2,00 0, 0,36 0,3893 0,86 0,7761 1,36 0,9456 2,10 0, 0,38 0,4090 0,88 0,7867 1,38 0,9460 2,20 0, 0,40 0,4284 0,90 0,7969 1,40 0,9523 2,30 0, 0,42 0,4475 0,92 0,8068 1,42 0,9554 2,40 0, 0,44 0,4662 0,94 0,8163 1,44 0,9583 2,50 0, Физические параметры некоторых веществ и материалов Вещество или материал:

Газобетон на молотом песке Более 100 Вещество или материал:

поперек волокон Предельно-допустимая температура нагрева, температура самовоспламенения и критическая плотность облучения некоторых Древесина сосновая:

смолы ПН- связующем При определении безопасных расстояний от нагретых поверхностей печей и другого оборудования принимается допустимая температура применения (ДТП) или (если материал самовозгорается) самонагревания, а при определении наименьших расстояний между зданиями и сооружениями и безопасных условий работы пожарных подразделений – температура самовоспламенения материала.

Степень черноты при сгорании некоторых горючих веществ Несветящегося газового и антрацита при слоевом 0, сжигании Светящееся:

Температура пламени при горении некоторых горючих материалов Степень черноты полного излучения некоторых веществ и материалов Материал и характер поверхности Т, К Асбестовые:

Кирпич:

Сталь:

листовая:

Штукатурка известковая шероховатая 283-363 0, Чугун:

Номограмма для определения минимально безопасного расстояния 1. Сырбу А.А. Термодинамика газовых потоков. Учебное пособие – Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2009. -113 с.

2. Луканин В.Н. и др. Теплотехника. – Москва: Высшая школа, 2003. - 3. Кошмаров Ю.А. Теплотехника: учебник для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 501 с.: ил.

4. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого – М.: Мир, 2002. - 461 с.: ил.

5. Багажков И.В., Сторонкина О.Е. Первый закон термодинамики.

Учебное пособие - Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2011. – 67 с.

6. Задачник по термодинамике и теплопередаче. Учебное пособие / Андреев В.В., Казанцев Ю.В., Козлов Ю.И. и др./ Под ред. д.т.н., проф., акд. НАНПБ Кошмарова Ю.А. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. – 140 с.

ТЕПЛОТЕХНИКА

методические указания для выполнения курсовой работы курсантами, слушателями и студентами по специальности 280705 «Пожарная безопасность»