Задание на контрольную работу содержит 100 вариантов. Вариант контрольной работы определяется в соответствии с последними цифрами зачётной книжки слушателя-заочника.

Варианты контрольных заданий

1. Перечень теоретических вопросов

1. Основные виды передачи тепла.

2. Теплопроводность при стационарном режиме. Температурный градиент, изотермическая поверхность. Закон Фурье.

3. Теплопроводность одно- и многослойных цилиндрических стенок.

4. Теплопроводность одно- и многослойных плоских стенок.

5. Нестационарная теплопроводность. Прогрев стен и колонн. Стандартный температурный режим.

6. Конвективный теплообмен. Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона - Рихмана.

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

8. Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при вынужденном движение жидкости по каналам.

9. Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при поперечном обтекании труб.

10. Теплообмен при изменении агрегатного состояния (кипение, конденсация).

11. Тепловое излучение. Основные законы лучистого теплообмена.

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

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

14. Излучение в ослабляющей среде.

15. Излучение факела.

16. Излучение факела на пожаре. Минимально безопасные расстояния. Методика расчёта минимально безопасных расстояний.

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

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

19. Классификация теплообменных аппаратов.

20. Топливо. Классификация топлив. Характеристика топлив.

2. Перечень задач

21. Определить количество теплоты, передаваемое в единицу времени через стену из силикатного кирпича длиной 3 м, высотой 2 м, если толщина стены и температуры на поверхностях стены следующие:

22. Противопожарный занавес для театральной сцены теплоизолирован. Рассчитать толщину этой теплоизоляции, если температура на необогреваемой поверхности занавеса не должна превышать 160°С. Плотность теплового потока q, материал занавеса и температуру на обогреваемой стороне занавеса (t₁) принять в соответствии со своим вариантом

23. Между слоями красного и шамотного кирпича, толщина каждого из которых 12 см, засыпан котельный шлак. Рассчитать толщину этой засыпки с условием, 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. Через стенку здания из ЛМК (легкие металлические конструкции) проходит стальной паропровод. В качестве утеплителя в стенных панелях использован пенополистирол. Допустимая температура нагрева пенополистирола 313 К. Для исключения нагрева полистирола паропровод при проходе через стенку заключен в гильзу из керамзитобетона. Рассчитать толщину стенки теплоизоляционной гильзы. Потери тепла через гильзу 45 Вт на метр длины. Температура внутренней поверхности паропровода и диаметры трубы соответственно равны:

25. Стены сушильной камеры выполнены из слоя красного кирпича толщиной 250 мм и слоя строительного волокна толщиной 200 мм. Коэффициент теплопроводности строительного волокна 0.056 Вт/м∙К. Определить потери тепла через 1 м² стенки и температуру в плоскости соприкосновения слоев, если на внешней поверхности кирпичного слоя и внешней поверхности войлочного слоя установились температуры:

26. Определить температуру на наружной поверхности вращающегося шарообразного варочного котла, внутренний диаметр которого  1300 мм, а общая толщина стенки котла и слоя теплоизоляции 250 мм. Тепловой поток через тепловую изоляцию не должен превышать 600 Вт. Температура на внутренней поверхности и материал изоляции взять в соответствии со своим вариантом:

27. Рассчитать толщину слоя тепловой изоляции из альфоля гофрированного, расположенного между слоя слоями силикатного и шамотного кирпича толщиной 215 мм. Температура на наружной поверхности не должна превышать 90°С. Температура на внутренней поверхности силикатного кирпича и плотность теплового потока соответственно равны:

Коэффициент теплопроводности альфоля гофрированного принять равной средней температуре теплоизоляции.

28. Определить требуемую толщину защитного слоя арматуры железобетонного перекрытия из песчаного бетона, если начальная температура стены 20°С. Температура на поверхности арматуры не должна превышать 470°С. Время прогрева и температуру обогреваемой поверхности взять в соответствии с вариантом:

29. Деревянная стена защищена слоем из шамотного кирпича. Определить температуру в точке соприкосновения кирпичной кладки с деревянной стеной и сделать вывод о возможности самовоспламенения древесины, если начальная температура кирпичной кладки 20°С. Толщина кирпичной кладки, время прогрева и температура обогреваемой поверхности указаны в таблице:

30. Определить время теплового воздействия на противопожарную стену из аглоперлитобетона, считая её полуограниченным телом, если начальная температура 20°С, а температура обогреваемой поверхности и толщина стенки соответственно равны:

31. Железобетонная плита перекрытия изготовлена из керамзитобетона. 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 бетона на песчанном щебне толщиной 250 мм подвергается нагреву в условиях стандартного температурного режима. Начальная температура 15°С. Определить температуру на поверхности арматуры, если толщина защитного слоя арматуры и время нагрева соответственно равны:

Принимая критическую температуру арматуры равной 450°С, сделать вывод о возможности обрушения конструкции.

33. Определить предел огнестойкости перегородки из бетона на гранитном щебне, считая её полуограниченным 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 (t_f) и температуры поверхностей ограждающих конструкций (t_w) соответственно равны:

35. Определить плотность теплового потока от поверхности печи к сгораемой поверхности в конвективном теплообмене при условии, толщина противопожарной закрытой отступки 15 см. что температура сгораемой поверхности 50°С, а температура поверхности печи соответственно равна:

36. Определить плотность теплового потока от дымовых газов к поверхности дымохода длиной 20 м сечением 125´125 мм. Дымовые газы движутся со скоростью 3 м/с. Средняя температура дымовых газов и температура поверхности дымохода соответственно равны:

37. Воздухоподогреватель представляет собой коридорный 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 s₁ = s₂. Определить плотность теплового потока.

38. Трубы диаметром 80 мм расположены в коридорном порядке. Определить средний коэффициент теплообмена между поперечным потоком дымовых газов и стенками труб котельного пучка. По направлению потока газов в пучке 4 ряда труб с одинаковой поверхностью. Шаги труб поперёк лотка 2d, вдоль - 1.5d. Температура газов перед пучком 1100°С, за пучком 900°С. Скорость движения в пучке соответственна равна:

39. Определить минимальное расстояние, обеспечивающее безопасность соседнего с горящим дома, если горит деревянный дом длиной А, высотой Н.

Кроме того, оценить безопасное расстояние от факела для личного состава, работающего на пожаре без средств защиты, от теплового воздействия при условии: а) кратковременного пребывания; б) длительной работы. При кратковременном тепловом воздействии для кожи человека q_кр = 1120 Вт/м², при длительном q_кр = 560 Вт/м². При решении задачи учитывать только теплообмен излучением. Коэффициент безопасности принять равным 1,2.

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 шлифованной 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. Степень черноты боевой одежды принять 0,8.

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 минимально безопасного 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 газах содержится 13% СО₂ и 11% Н₂О. Сечение дымохода а´b = 25´12.5 см, высота h = 3м. Температуры дымовых газов и поверхности стенки соответственно равны:

47. При продолжительном пожаре в подвальном помещении установилась температура среды t¢_f. 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 25 см. Температуру t¢_f выбрать в соответствии со своим вариантом.

48. Для изоляции стенки топливника технологической печи между слоями, выполненными из шамотного и красного кирпича, засыпан котельный шлак. Определить толщину засыпки из котельного шлака, если толщина слоя из шамотного кирпича 125 мм, толщина слоя красного кирпича 100 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. Подобрать эффективную теплоизоляцию паропровода, диаметр которого 50 мм. Температура на наружной поверхности изолятора не должна превышать

51. В цистерне длиной 1,6 м пожарного автомобиля для подачи воды необходимо установить трубчатый теплообменник. Расход воды 30 кг/с. Вода подаётся в цистерну с температурой 4°С, а из цистерны в рукавную линию с температурой 6°С. Внутри труб движутся дымовые газы со скоростью 10 м/с. Температура дымовых газов на входе равна 550°С, а на выходе - 120°С. Коэффициент теплопроводности стали - 40 Вт/(м °С). Стенки цистерны утеплены так, что потерями тепла через них можно пренебречь. Определить расход дымовых газов, поверхность теплообмена, общую длину труб, число труб, длину одной трубы и объём, который займут трубы в цистерне, если диаметр труб и коэффициенты теплообмена соответственно равны:

3. Методические указания по изложению теоретических вопросов

Изложению теоретического вопроса должна предшествовать детальная проработка всего программного материала по курсу «Теплофизика». 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. Перечислить 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 пожарно-профилактической 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 поверхностями, определить условия теплообмена, записать выражения для плотности теплового потока, излучаемого каждой поверхностью, показать, как получается расчетное уравнение результирующей плотности теплового потока, пояснить физический смысл входящих величин. Особое внимание следует обратить на сущность коэффициента облученности. Рассмотреть особенности теплообмена между высоконагретыми 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 величин, 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.

4. Методические указания по решению задач

При выполнении задач следует придерживаться следующих указаний.

Общая методика решения задач:

1. Внимательно изучить условие задачи и переписать это условие.

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 анализ.

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.