WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Министерство образования РФ Тамбовский государственный технический университет КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ С ПРИМЕРАМИ РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ Методическая разработка для студентов третьего курса специальности 101600 Тамбов 2003 1 УДК 621.1.016(076) ББК з311я73-5 Утверждено Редакционно-издательским советом университета Составитель к.т.н., профессор В.И. Ляшков Рецензент к.т.н., доцент С.А Набатов Курсовая работа по теплопередаче с примерами расчета и оформления:

метод. разработка /Сост. В.И. Ляшков. -Тамбов: Тамб. гос. тех. ун-т, 2003. -32 с Методическая разработка составлена в соответствии с программой и учебным планом дисциплины "Теоретические основы теплотехники" и содержит 3 индивидуальных задания по расчетам стационарных и нестационарных температурных полей и тепловому расчету теплообменных аппаратов, а также примеры расчета и оформления работы. Приводится список рекомендуемой литературы и необходимые справочные данные.

© Тамбовский государственный технический университет Тамбов 2003 2 ВВЕДЕНИЕ Только широкое обновление средств и методов производства, использование высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования способно обеспечить поступательное развитие отечественной экономики, производство конкурентоспособной на мировом рынке продукции и, как следствие, укрепление международного престижа нашей страны. Новые технологии и промышленное оборудование должны отличаться широким применением приемов регенерации и утилизации тепла, трансформации различных видов энергии друг в друга, использованием наиболее интенсивных и экономичных процессов, обеспечивающих необходимый теплообмен, наличием оптимально подобранных теплоносителе и тепловой изоляции и т.п.

Тепловые процессы получили самое широкое распространение в технике, и сегодня очень трудно назвать оборудование или технологию, где бы тепловая энергия не играла определяющей роли. Тепло используется как для выработки механической и электрической энергии, так и для проведения и интенсификации технологических процессов. Широкое распространение нашли также холодильные установки умеренного и глубокого охлаждения, установки для разделения воздуха, газотурбинные установки для дожигания вредных отходов и другое оборудование. Энергетическая эффективность и степень совершенства такого оборудования определяется тем, насколько широко и правильно были проведены различные тепловые расчеты еще на этапе проектирования и доводки таких установок, их основных частей и агрегатов.

Теплопередача, а точнее - теория тепло- и массообмена, вооружает нас инженерными методиками расчета различных процессов теплообмена, позволяющими рассчитывать температурные поля и такие важнейшие характеристики процессов теплообмена как передаваемый тепловой поток, плотность теплового потока, температурные градиенты, температурные напоры и др. Наряду с аналитическими решениями многих задач для тел простой геометрической формы, здесь широко применяются методы численного решения задач теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена, которые с развитием компьютерной техники стали все больше принимать первостепенное значение.

Поэтому твердое знание основ теории тепло- и массообмена, умение применить эти знания для решения практических задач является совершенно необходимым для специалистов, связанных с проектированием, доводкой, эксплуатацией и автоматизацией современных технологических процессов и оборудования, т.е. практически для всех инженерно-технических работников, не говоря уже о тех людях, которые выбрали благородную, интересную и очень важную профессию – обеспечивать теплом и светом жизнь и труд других людей в нашей стране.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ Курсовая работа по теплопередаче выполняется студентами с целью закрепления и углубления учебного материала, изучаемого во второй части учебной дисциплины «Теоретические основы теплотехники». Выполнение работы прививает навыки практического применения основных методик анализа температурных полей и тепловых потоков при стационарной и нестационарной теплопроводности, расширяет знания о численных методах решения тепловых задач. Она знакомит студента с использованием различных критериальных уравнений для расчетов интенсивности теплоотдачи, позволяет на конкретном примере освоить методику теплового расчета самых распространенных теплотехнических устройств – рекуперативных теплообменников. Работа включает решение трех отдельных задач и выполняется в течение всего учебного семестра. Выполнение ее является обязательным условием положительной аттестации студента на зачетах.

Индивидуальное задание выдается каждому студенту в начале семестра в виде простого цифрового кода. При этом исходные данные для расчета выбираются из соответствующей таблицы по значениям первой и последней цифрам этого кода. Цифровой код един для всех трех задач.

Чтобы успешно подготовиться и выполнить курсовую работу по теплопередаче необходимо:

1. Внимательно ознакомиться с содержанием задач, выписать их для себя, вставляя в текст численные значения исходных данных из соответствующих таблиц.

2. По конспекту лекций изучить теоретический материал по соответствующим темам, обращая особое внимание на методики практических расчетов. Подобрать по списку рекомендованной литературы и получить в библиотеке университета один из учебников или учебное пособие «Теоретические основы теплотехники» [1], подробно ознакомиться по ним с соответствующим теоретическим материалом.

3. Провести приближенный расчет, соблюдая последовательность расчетов такой же, как она дается в приведенных примерах.



4. Изучить основы работы с пакетом Elcut [2], приведенные в приложении настоящего пособия.

5. В компьютерном классе кафедры гидравлики и теплотехники с помощью пакета Elcut выполнить необходимые расчеты процессов теплопроводности. По специальным программам, разработанным на кафедре, проверить правильность своих расчетов теплообменника. Если погрешности выполненных расчетов не будут превышать предельных уровней, программа зафиксирует это в специальном зашифрованном файле.

6. Оформить отчет по курсовой работе в соответствии с требованиями стандарта ТГТУ [3], ориентируясь при этом на приведенные в настоящей методической разработке примеры. Краткий перечень основных требований к оформлению отчета, вытекающих из [3] приведен в методической разработке [4].

7. Защитить работу перед комиссией из двух – трех преподавателей выпускающей кафедры.

Если в процессе работы над заданиями или при расчетах возникают вопросы или неясности, студенту необходимо обращаться к преподавателю за консультациями, которые организуются кафедрой еженедельно по специальному расписанию.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ Задача Исследование стационарных температурных полей Рассчитать стационарное температурное поле в неограниченном по длине теле сложной геометрической формы при граничных условиях первого рода на наружных и внутренних поверхностях. Геометрические размеры поперечного сечения и температуры tн и tв на наружной и внутренней поверхностях принимать по табл. 1 в соответствии с номером варианта, задаваемым преподавателем. Приближенный расчет (с крупной сеткой, дающей 5 – 15 узлов) выполнить методом релаксации [1] вручную (с расчетами на калькуляторе). Точный расчет выполнить на ПК с помощью интегрированной диалоговой системы ELCUT. С помощью этой же системы провести расчет температурного поля при условии, что с наружной стороны исследуемого сечения реализуется ГУ-3, т.е. теплообмен осуществляется теплоотдачей с коэффициентом н, а температура окружающего воздуха равна tв. Результаты расчетов для трех-четырех характерных точек сечения представить в виде таблицы, сопоставить их и сделать соответствующие выводы из этого сопоставления.

Таблица Исходные данные к задаче Первая Номер схемы tн, н, Вторая tв, tвоз, о о о цифра поперечного С цифра С С Вт/(м2К) номера сечения номера варианта варианта 1 1 30 10 1 1600 2 2 35 12 2 1500 3 3 40 14 3 1400 4 4 45 16 4 1300 5 5 50 18 5 1200 6 6 55 20 6 1100 А А В=0,6А В=0,5А =0,4А А А В=0,8А B=0,4A А А В=0,6А B=0,6A B=0,6A Рис. 1. Схемы поперечных сечений к задаче Задача Исследование нестационарных температурных полей Плоская пластина из _ _ _ _ _ _ _ _ с размерами 950850 мм и о равномерно распределенной начальной температурой t0=_ _ _ С быстро и плотно прижимается к двум плоским поверхностям с постоянными о температурами t1=_ _ _ и t2=_ _ _ С (см рис. 2). Рассчитать, как распределится температура по толщине пластины через =_ _ _ с после начала процесса. Приближенный расчет выполнить методом сеток [1] вручную (с помощью калькулятора), точный расчет – на ПК с помощью пакета ELCUT.

tИсходные данные принимать по табл.2, теплофизические свойства материалов – по табл. t1П приложения.

tС помощью пакета ELCUT определить также, как изменится это температурное поле, Рис. 2 Расположения если толщину пластины увеличить на 5 мм Как исследуемой пластины изменится распределение температуры, если теплообмен с холодной поверхности плиты будет осуществляться конвекцией с коэффициентом теплоотдачи =_ _ _ Вт/(м2К) в среду с температурой tж=_ _ _ оС.

Во всех случаях считать, что тепловой контакт между поверхностями идеальный, т. е. контактные термические сопротивления отсутствуют.

Таблица Исходные данные к задачеПервая Вторая цифра цифра номера Материал номера t0 t1 t2 tж варианта варианта 1 Резина 30 350 20 1 10 90 30 2 Оргстекло 25 250 25 2 40 110 70 3 Текстолит 35 450 15 3 50 70 110 4 Фанера 40 800 10 4 60 90 40 5 Стекло 15 25 23 5 70 30 100 6 Гипс 35 190 13 6 80 40 60 7 Сосна 42 850 10 7 90 50 30 Задача Тепловой расчет теплообменного аппарата Выполнить конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата, схема и основные исходные данные для расчета которого заданы в табл. 3.

Таблица Исходные данные к задаче Первая Номер задания по Вторая Номер варианта цифра методической разработке цифра этого задания номера [5] номера по методической варианта варианта разработке [5] 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 6 4 5 7 5 6 9 6 7 13 7 Литература 1. Ляшков В.И. Теоретические основы теплотехники / В.И. Ляшков. -М., 2002. – 260 с.

2. ELCUT: Руководство пользователя. - СПб.: 2000. -185 с.

3. Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления: СТП ТГТУ 07-97. – Тамбов: ТГТУ, 2000. - 40 с.

4. Ляшков В.И. Курсовая работа по термодинамике с примерами расчета и оформления / В.И. Ляшков. – Тамбов: ТГТУ, 2003. -19 с.

5. Ляшков В.И. Тепловой расчет теплообменных аппаратов / В.И. Ляшков, И.А. Черепенников. Тамбов: ТИХМ, 1991. - 48 с.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ И ОФОРМЛЕНИЯ* Пример решения задачи Задача 1. Рассчитать стационарное температурное поле в неограниченном по длине теле сложной геометрической формы (нагревательной печи) при граничных условиях первого рода на наружных и внутренних поверхностях. Геометрические размеры поперечного сечения принять по табл. 1 схема 2, а температуры на наружной внутренней о о поверхностях tн=0 С и tв=2000 С, соответственно. Приближенный расчет выполнить методом релаксации вручную, точный расчет выполнить на ПК с помощью интегрированной диалоговой системы Elcut. С помощью этой же системы провести расчет температурного поля при условии, что с наружной стороны исследуемого сечения теплообмен осуществляется теплоотдачей с коэффициентом н=17 Вт/(м2К), а температура окружающего воздуха равна о tв=23 С. Результаты расчетов для нескольких характерных точек сечения представить в виде таблицы, сопоставить их и сделать соответствующие выводы из этого сопоставления.





1.1 Расчет стационарного двумерного температурного поля методом релаксации.

Ввиду симметрии заданного геометрического сечения в нашем случае достаточно рассчитать температурное поле в одной восьмой сечения (например, в заштрихованном участке на рис. 1).

На рис. 2 представлен выделенный участок сечения с прилежащей к нему зоной и с нанесенной прямоугольной сеткой с постоянным в обоих направлением шагом h=А/8. Отдельные узлы сетки пронумерованы двойными индексами. При этом первая цифра индекса – это номер узла по оси абсцисс, а вторая – по оси ординат.

Запишем граничные условия первого рода на наружных и внутренних поверхностях выделенного участка t-1.0= t0.0= t1.0= t2.0= t3.0= t4.0= t4.1= t4.2= t4.3=00С (1) t-1.3= t0.2= t1.3=20000C (2) Из условий симметрии имеем:

t-1.1= t1.1, (3) t1.2= t2.3, (4) t2.1= t3.2, (5) Рис. 1 Поперечное а тепловые потоки q через грани (0,0) – (0,2) и сечение печи по схеме (4,0) – (1,3) отсутствуют.

* В этом разделе принята собственная нумерация рисунков, формул, таблиц и литературных источников Для сетки с равномерным шагом алгебраический аналог дифференциального уравнения 2 •3,теплопроводности для любого узла •1,представляется следующим конечно – разностным уравнением [1], [2] (при •1,1 •2,1 •3,1 •0,=const):

ti,j=1/4(ti-1,j+ ti+1,j+ ti,j-1+ ti,j+1), (6) где i и j – индексы расчетного узла. Из -1 2 3 А/4А/формулы видно, что температуры в узлах не зависят от величины коэффициента Рис.2 Расчетная сетка теплопроводности и определяются лишь для выделенного сечения величиной шага сетки. В соответствии с приведенной формулой (6) для температур в узлах, лежащих на осях симметрии, можем записать 1 1 t0,1 = (t-1,1 + t1,1 + t0,0 + t0,2 ) = (2t1,1 + 0 + 2000) = (t1,1 +1000), (7) 4 4 1 t2,2 = (t1,2 + t3,2 + t2,1 + t2,3) = (t1,2 + t2,1), (8) 4 1 1 t3,1 = (t1,1 + t4,1 + t3,0 + t3,2 ) = (2t2,1 + 0 + 0 ) = t2,1, (9) 4 4 откуда видно, что эти температуры однозначно определяются значениями температур в близлежащих внутренних узлах сетки t1,1, t1,2 и t2,1.

Зададимся в первом приближении этими температурами, приняв t1,1=о С, t1,2=400 оС и t2,1=1300 оС. Тогда по приведенным формулам рассчитываем:

1 о t0,1 = (t1,1 +1000) = (600 +1000) = 800 C 2 1 о t2,2 = (t1,2 + t2,1) = (1300 + 400) = 850 C, 2 1 о t3,1 = t2,1 = 400 = 200 C.

2 По формуле [1] Ri,j=-4 ti,j +ti-1,j+ ti+1,j+ ti,j-1+ ti,j+1 (10) рассчитаем "остатки" в каждом внутреннем узле в первом приближении:

о R1,1 = -4t1,1 + t0,1 + t2,1 + t1,0 + t1,2 = -4 600 + 800 + 0 +1300 = 100 C, о R1,2 = -4t1,2 + t2,2 + t0,1 + t1,3 + t1,2 = -4 1300 + 850 + 2000 + 2000 + 600 = 250 C, о R2,2 = -4t2,2 + t1,2 + t3,2 + t2,1 + t2,3 = -4 850 +1300 + 400 + 400 +1300 = 0 C.

При расчете R2,3 используем соотношения (4) и (5):

R2,1 = -4t2,1 + t1,1 + t3,1 + t2,2 + t2,0 = -4 400 + 600 + 200 + 850 + 0 = 500C.

А /А /Легко убедиться, что "остатки", определяемые по формуле (10) в точках (0,1) и (3,1), равны тождественно нулю, а температура в этих точках согласно (7) и (9) зависят от температуры только одного узла области решения.

Начальные температуры этих точек нужны для нахождения "остатков" соседних узлов при начальном приближении.

Температуры и "остатки" в каждом узле записываем в сводную таблицу 1. Туда же будем записывать температуры и "остатки" при последующих приближениях.

В соответствии с основным правилом релаксации при последующем приближении следовало бы свести к нулю наибольший по абсолютной o величине "остаток" начального приближения, то есть R3,3=250 C. Но для ускорения сходимости релаксационного процесса существует несколько специальных приемов [2], [3], применение которых мы и продемонстрируем при решении нашей задачи.

Если сумма "остатков" начального приближения существенно отличается от нуля, то при первом приближении их сумму целесообразно получить нулевой. В нашем случае:

Ri, j = R1,1 + R1,2 + R2,2 + R2,1 = 100 + 250 + 0 + 50 = 4000 C, поэтому воспользуемся так называемой блоковой релаксацией и получим "остатки" с нулевой суммой (все узлы, где рассматриваются "остатки", образуют блок). Определим, насколько изменятся "остатки" в узлах (1,1), (1,2), (2,2), (2,2), если температура в каждом из них увеличится на. При этом следует учесть соотношения (4) - (9). Так для узла (1,1), учитывая, что t2,0=0 oC, можно записать:

R1,1 + R1,1 = -4(t1,1 + ) + (t0,1 + ) + (t2,1 + ) + t1,0 + (t1,2 + ) = = -4t1,1 - 4 + (t1,1 +1000 + ) + t2,2 + + t2,0 + t1,2 + = = R1,1 - 4 + 0,5 ) + + = R1,1 -1,5, откуда R1,1 = -1,5.

Аналогично находим:

R1,2 = -4 + + = -2, R2,2 = -4 + + + = 0, R2,1 = -4 + 0,5 + + = -1,5.

Приравнивая суммарное изменение "остатков" Ri, j = -1,5 - 2 + 0 -1,5 = -сумме "остатков" Ri, j первого приближения, взятой с противоположным знаком, найдем :

-Ri, j - = = = 800C.

Ri, j - Определяем теперь температуры следующего (второго) приближения в точках (1,1), (1,2), (2,1), (2,2), (0,1) и (3,1):

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.