Бруй Л.П. (состав.) Техническая термодинамика - файл n1.doc

приобрести
Бруй Л.П. (состав.) Техническая термодинамика
скачать (291.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc292kb.24.08.2012 08:50скачать

n1.doc

  1   2   3   4
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА


Хабаровск

2002

Министерство образования Российской Федерации

Хабаровский государственный технический университет

техническая термодинамика



Методические указания к выполнению контрольных работ для студентов специальности ТГВ (290700) заочного ускоренного обучения.

Хабаровск

Издательство ХГТУ

2002


УДК 621.1.016.7(076)
Техническая термодинамика: методические указания к выполнению двух контрольных работ для студентов специальности ТГВ (290700) заочного ускоренного обучения / Сост. Л. П. Бруй. –Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002.
Методические указания составлены на кафедре «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», включают основные сведения по расчету задач, исходные данные по вариантам заданий, необходимый справочный материал по физическим свойствам газов, рекомендации по выполнению контрольных работ.
Печатается в соответствии с решениями кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» и методического совета методического заочного факультета.


Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136
О
3
бщие указания



При изучении технической термодинамики студенты – заочники, руководствуясь программой курса, самостоятельно работают над учебниками и учебными пособиями, выполняют контрольные и лабораторные работы. По основным вопросам курса рекомендуется прослушать обзорные лекции.

При самостоятельной работе студента над учебником необходимо добиваться отчетливого представления о физической сущности изучаемых явлений и процессов.

Курсы «Техническая термодинамика» и «Тепломассообмен» включают в себя вопросы, необходимые при изучении профилирующих дисциплин специальности ТГВ (290700): «Котельные установки», «Теплоснабжение», «Отопление», «Вентиляция и кондиционирование воздуха», «Газоснабжение».

Контрольные работы должны быть аккуратно оформлены в отдельных тетрадях, на обложке которых обязательно следует указать учебный шифр студента. Решение каждой задачи начинается с подробного изложения содержания задачи без сокращений из методического указания, выделив исходные данные, соответствующие шифру студента. Необходимо оставлять поля для заметок преподавателя. Обязательно также ответить на вопросы, предложенные для проверки усвоения материала. Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.

При выполнении контрольных задач необходимо соблюдать следующие условия: решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется, и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника или были определены выше и т.д.); вычисления проводить в единицах СИ, показывать ход решения. При решении задач рекомендуется пользоваться многофункциональным калькулятором.

Всегда, если это возможно, нужно осуществлять контроль своих действий и оценивать достоверность полученных численных результатов.


Методические указания
Техническая термодинамика рассматривает вопросы взаимного превращения теплоты и работы, в том числе наиболее эффективные условия осуществления этих превращений. Кроме того, в курсе технической термодинамики изучаются свойства рабочих тел, участвующих в энергетических преобразованиях, и способы определения (расчета) термодинамических параметров состояния рабочих тел.

В
4
качестве рабочего тела в технической термодинамике выступает вещество (газ, пар, жидкость). Следует разобраться в понятиях – идеальный газ и реальный газ.

Основными параметрами рабочего тела являются абсолютное давление Р, удельный объем v, и абсолютная температура Т. Эти параметры связаны уравнением состояния рабочего тела. Уравнением состояния идеального газа является уравнение Клапейрона, которое может быть записано для 1 кг вещества или для произвольного его количества. Уравнение состояния идеального газа для киломоля вещества предложено Менделеевым и носит название уравнения Менделеева-Клапейрона. Примером уравнения состояния реального газа является уравнение Ван-дер-Ваальса.

Уравнение состояния идеального газа, кроме основных параметров состояния, включает также газовую постоянную. Различают газовую постоянную 1 кг газа R и газовую постоянную киломоля газа универсальную газовую постоянную R. Необходимо знать физический смысл R и R, а также связь между ними.

Основные положения технической термодинамики рассматриваются на примере идеального газа.

Поскольку в тепловых машинах и аппаратах весьма часто в качестве рабочего тела выступают смеси газов (например, газообразные топливно-воздушные смеси, продукты сгорания топлива и др.), курс знакомит с методами расчета газовых смесей.

Приступая к изучению термодинамических процессов, следует иметь в виду, что классическая термодинамика рассматривает их как равновесные и обратимые.

При расчете термодинамических процессов с идеальным газом в качестве рабочего тела (изохорного, изобарного, адиабатного и обобщенного политропного процессов) прежде всего выясняют закономерности изменения основных параметров состояния рабочего тела Р, v, Т, а также определяют количество теплоты q1-2, подведенное к рабочему телу (или отведенное от него) в ходе процесса, работу изменения объема рабочего тела l1-2, изменения внутренней энергии рабочего тела U=U2-U1 в процессе, изменение энтальпии h=h2-h1 и изменение энтропии S=S2-S1 в ходе процесса.

Для определения количества теплоты, участвующего в процессе, важно правильно определить теплоемкость рабочего тела. Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются массовой С, объемной С и мольной С теплоемкостями. Необходимо понять зависимость теплоемкости рабочего тела от физической природы вещества, от характера термодинамического процесса, в котором участвует рабочее тело. Необходимо научиться пользоваться таблицами теплоемкостей газов ( таблицами истинных теплоемкостей, средних теплоемкостей в интервале температур от 00С до заданной температуры) для определения теплоемкости в заданном интервале температур, а также определять теплоемкость как величину, независимую от температуры. Следует освоить формулы для расчета теплоемкости рабочего тела в политропном процессе и формулы определения теплоемкостей газовых смесей.

В
5
курсе технической термодинамики выводятся формулы для определения работы деформации l12 в различных термодинамических процессах.

Следует обратить внимание, что при изображении термодинамического процесса в координатах p-v площадь между линией процесса и осью абсцисс характеризует работу деформации 1 кг рабочего тела в этом процессе- работу расширения (если v2> v1) или работу сжатия (если v2< v1 ). При изображении термодинамического процесса в координатах Ts площадь между линией процесса и осью абсцисс дает изображение количества теплоты, участвующего в этом процессе в расчете на 1 кг рабочего тела. Причем, если s>0, то количество теплоты подводится к рабочему телу, а если s<0, то при совершении термодинамического процесса рабочим телом теплота отводится от него.

При изучении курса необходимо понять физический смысл энтальпии и энтропии, которые также как P, v, Т и u являются параметрами рабочего тела и освоить их использование в расчетах термодинамических процессов. Введение этих параметрических величин в курс дало возможность применять для анализа термодинамических процессов диаграмму h-s, которая нашла широкое применение в инженерной практике особенно для расчета процессов изменения состояния водяного пара.

Курс технической термодинамики базируется на двух принципиальных положениях – первом и втором началах термодинамики.

Первое начало термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическому процессу. Он устанавливает эквивалентность при взаимных превращениях механической работы и теплоты и количественное соотношение при переходе одного вида энергии в другой. Согласно первому началу термодинамики нельзя построить вечный двигатель первого рода, т. е. тепловую машину, которая бы совершала работу, не расходуя на это никакой энергии.

Уравнение первого начала термодинамики является энергетическим балансом рабочего тела, участвующего в термодинамическом процессе. Оно может быть записано (как для 1кг вещества, так и для произвольного его количества) в форме, где связаны между собой количество теплоты, участвующее в процессе, работа, совершаемая рабочим телом против внешних сил и изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе, а также в форме, где связаны между собой количество теплоты, изменение энтальпии и располагаемая работа.

Второе начало термодинамики определяет направление, в котором протекают термодинамические процессы, устанавливает условия преобразования количеств теплоты в механическую работу, а также определяет максимальное значение работы, которая может быть произведена тепловым двигателем.

С
6
огласно второму началу термодинамики нельзя создать «вечный двигатель 2-го рода», т.е. тепловую машину, которая бы в течении длительного времени совершала бы непрерывную работу при условии перехода в получаемую работу всего количества теплоты, подводимого к рабочему телу. Необходимо освоить и другие трактовки второго начала термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины и связать их с аналитическим выражением второго начала термодинамики.

Специальный раздел курса посвящен водяному пару. Изучение его свойств и связанных с ним расчетов тем более важно, т. к. водяной пар используется как рабочее тело в теплосиловых установках, а также как теплоноситель в промышленной теплотехнике.

Изучение свойств воды и водяного пара проводится с помощью P-v диаграммы. Следует внимательно рассмотреть процесс парообразования, уяснить основные состояния воды и водяного пара, при этом выделяются основные состояния водяного пара: влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар. Очень важно научиться пользоваться таблицами воды и водяного пара для определения соответствующих параметров состояния. Практические задачи, связанные с расчетом процессов с водяным паром решаются с помощью h-s диаграммы, на плоскости которой нанесены семейства изобар, изохор, изотерм и линии х=const, включая х=1.

Внутренняя энергия определяется по формуле u=h-Pv.

В теплотехнике многие расчеты связаны с влажным воздухом, который представляет собой механическую смесь сухого воздуха и водяного пара. Важно рассмотреть возможные состояния водяного пара в воздухе в P-v координатах. Необходимо понять, почему влажный воздух, несмотря на присутствие в нем водяного пара, рассчитывается как идеальный газ. Важными являются понятия влагосодержания воздуха d, абсолютной влажности воздуха , относительной влажности . Расчеты процессов изменения состояния влажного воздуха обычно осуществляют помощью h-d диаграммы.

При изучении процесса истечения газа (пара) следует разобрать обоснование и методику определения скорости истечения, расхода газа (пара) через сопло, размера расчетного сечения соплового устройства. Следует понять закономерности истечения газа (пара) из суживающихся сопел, а также из комбинированного сопла Лаваля.

В курсе технической термодинамики подробно рассматривается процесс сжатия газообразного рабочего тела в поршневом компрессоре. При этом анализируется возможность и целесообразность сжатия идеального газа по изотерме, адиабате и политропе. Необходимо понять причины, вызывающие необходимость создания многоступенчатых компрессоров. Следует разобрать методику определения мощности привода компрессора.

Из курса технической термодинамики следует, что непрерывно теплота превращается в работу в результате кругового термодинамического процесса или цикла, осуществляемого в тепловых двигателях. Циклы включают процессы расширения и сжатия рабочего тела, процессы с подводом теплоты и процессы с отводом теплоты. Процессы, из которых складываются циклы в теоретическом курсе – рассматриваются как равновесные и обратимые. Циклы, в которых работа расширения по абсолютному значению больше работы, затрачиваемой на сжатие, являются циклами тепловых двигателей (прямые циклы). Циклы, в которых работа сжатия по абсолютной величине больше, чем работа расширения, являются циклами холодильных машин или тепловых насосов (обратные циклы).

Н
7
еобходимо освоить графическое изображение прямых и обратных циклов в координатах Pv и Ts; понимать значение площадей, получающихся при построении циклов в этих координатах.

Необходимо разобрать принципиальные схемы тепловых машин.

Следует разобрать прямой и обратный циклы Карно, циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с подводом теплоты при Р=const , с подводом теплоты при v=const и при комбинированном способе подвода теплоты, циклы газотурбинных установок (ГТУ) при разных условиях подвода теплоты, холодильных машин и теплового насоса.

Следует детально изучить теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, в том числе графическое изображение его в Pv, Ts и hs координатах.

Необходимо разобрать вывод формул для определения термического КПД цикла паросиловой установки и удельных расходов пара и тепла для выработки единицы энергии при осуществлении энергетического цикла. Необходимо обратить внимание на способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина.

Существенное значение при освоении этого материала имеет рассмотрение принципиальных схем и тепловых балансов конденсационной тепловой электрической станции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Необходимо понять основные принципы теплофикации.

При рассмотрении циклов холодильных машин следует освоить понятие холодильного коэффициента, а при изучении цикла теплового насоса следует освоить понятие отопительного коэффициента.

К
8
онтрольные задания.



Задача №1.
Расчет газовой смеси.
Газовая смесь состоит из нескольких компонентов, содержание которых в смеси задано в процентах по объему (табл. 1).

Определить: 1) кажущуюся молекулярную массу смеси; 2) газовую постоянную смеси; 3) средние мольную, объемную и массовую теплоемкости смеси при постоянном давлении в пределах температур от t1 до t2 (табл.2).

При решении этой задачи и последующих задач для всех исходных и итоговых величин, кроме относительных, безразмерных величин, должны быть указаны единицы измерения.

В конце задачи следует ответить письменно на следующие вопросы:

  1. Что называется удельной газовой постоянной? Единица ее измерения в системе СИ. Чем она отличается от универсальной газовой постоянной?

  2. Что представляют собой массовая, объемная и мольная теплоемкости. Каковы единицы их измерения в системе СИ. Какова связь между указанными теплоемкостями.

  3. Какие факторы влияют на величину теплоемкости.


Таблица 1.


Последняя цифра шифра

Компоненты смеси, % по объему

СО2

О2

N2

CO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

20

18

14

8

18

12

10

24

20

32

5

4

3

10

-

-

-

-

-

-

75

78

83

82

72

74

60

50

52

50

-

-

-

-

10

14

30

26

28

18



Т
9
аблица 2.


Показатели

Предпоследняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Температура

Смеси:

Начальная t1, 0С

Конечная t2, 0С



126

528



366

926



592

1492



818

1217



286

1183



456

813



626

1342



918

1566



742

1643



1342

2143


Литература: [2, C. 27-32, 62-73]; [4, C. 30-38, 39-56].

Таблицы теплоемкостей газов указаны в приложении данного методического указания.


Задача №2.
Расчет политропного процесса сжатия газовой смеси в компрессоре.
Рабочее тело – газовая смесь, имеющая тот же состав, что и в задаче №1 (в процентах по объему). Первоначальный объем, занимаемый газовой смесью, - V1 (табл. 3). Начальные параметры состояния: давление р1 = 0,1 Мпа, температура t1 = 270С. Процесс сжатия происходит при показателе политропы n. Давление смеси в конце сжатия Р2, Мпа. (Табл. 3).

Определить: 1) массу газовой смеси; 2) уд. объемы смеси в начале и в конце процесса; 3) объем, занимаемый смесью в конце процесса; 4) температуру газовой смеси в конце процесса; 5) работу сжатия в процессе; 6) работу, затрачиваемую на привод компрессора; 7) изменение внутренней энергии газовой смеси; 8) массовую теплоемкость рабочего тела в данном процессе; 9) количество теплоты, участвующего в процессе; 10) изменение энтропии в процессе.
Таблица 3.


Показатели

Последняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Объем смеси V1, м3

Показатель политропы n

Давление P2, Мпа


5
1,1

0,5


10
1,2

0,6


15
1,17

0,7


25
1,16

0,8


40
1,22

0,9


50
1,18

1,0


70
1,15

1,1


90
1,17

1,2


100
1,13

1,3


120
1,14

1,4

П
10
остроить (в масштабе) рассмотренный процесс в координатах p-v и T-s.

Необходимые для решения задачи теплоемкости компонентов газовой смеси принять независимыми от температуры. Значения теплоемкостей газов можно принять при температуре равной 0 0С из приложения данного методического указания.

Газовую постоянную смеси взять из решения задачи №1.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. В каких пределах может изменяться показатель политропного процесса?

2. В каких пределах может изменяться теплоемкость рабочего тела в политропном процессе?

3. Как выглядит уравнение 1-го закона термодинамики применительно к рассмотренному в задаче процессу?

4. Как зависит работа, затрачиваемая на привод компрессора, от показателя политропы n, почему?

Литература: [2, C. 56-57, 88-94]; [4, C. 57-61, 102-116].


Задача №3.
Расчет цикла Карно применительно к тепловому двигателю.
Рабочее тело в цикле Карно – 1 кг сухого воздуха. Предельные температуры рабочего тела в цикле: наибольшая t1, наименьшая t3 (табл. 4). Предельные давления рабочего тела в цикле: наибольшее р1, наименьшее р3 (табл. 4).
Таблица 4.


Показатели

Предпоследняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Температура

Воздуха, 0С

t1

t3



200

15



300

18



250

20



205

17



270

21



310

25



260

23



310

19



330

25



270

16



Давление, Мпа

р1

р3

Последняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0


2

0,16


2,8

0,1


3

0,15


2,5

0,12


4

0,125


4,2

0,1


3,5

0,11


2,5

0,13


4,8

0,14


3

0,17


О
11
пределить:
1) основные параметры рабочего тела в характерных точках цикла; 2) количество теплоты, подведенное в цикле; 3) количество теплоты, отведенное в цикле; 4) полезную работу, совершенную рабочим телом за цикл; 5) термический КПД цикла; 6) изменение энтропии в изотермических процессах цикла.

Построить цикл (в масштабе) в координатах p-v и T-s.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. Из каких процессов состоит цикл Карно?

2. Что показывает термический КПД цикла теплового двигателя?

3. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать полезную работу, совершаемую рабочим телом в цикле?

4. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать количество теплоты, участвующее в процессе?

Литература: [2, C. 99-101, 88-94]; [4, C. 136, 149-152].
Задача №4.
Расчет процесса адиабатического расширения водяного пара.
Рабочее тело – водяной пар, имеющий в начальном состоянии давление р1 и температуру t1 (табл. 5). Масса рабочего тела – М (табл. 5). Пар расширяется до давления р2 (табл. 5).

Схематически построить процесс адиабатического расширения водяного пара в диаграмме h-s.

Таблица 5.


Показатели

Предпоследняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Температура t1, 0С

Давление (абс.) р1, Мпа

300

2

400

3

320

4

370

5

450

6

520

7

500

8

380

9

430

10

530

11



Масса М, кг

Давление (абс.) р2, Мпа

Последняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

5
0,003

3
0,004

7
0,005

8
0,006

10
0,007

12
0,008

16
0,009

15
0,010

20
0,015

25
0,020



Определить: 1) уд. объем и энтальпию пара в начальном состоянии; 2) температуру, уд. объем, степень сухости и энтальпию пара в конечном состоянии; 3) значения внутренней энергии пара до и после расширения; 4) работу расширения пара в адиабатном процессе.

К
12
решению задачи приложить схему построения процесса в координатах h-s.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. Каковы особенности адиабатного процесса?

2. Какой пар называется сухим, влажным, перегретым?

3. В каком состоянии водяной пар находится в начале процесса?

4. В какое состояние пар перешел в конце процесса?

5. Каков физический смысл энтальпии водяного пара в данном, конкретном состоянии?

Литература: [2, C. 169-171, 173-179]; [4, C. 136, 179-217].
Задача №5.
Определение технико-экономических показателей теоретического цикла Ренкина.
Паротурбинная установка работает по теоретическому циклу Ренкина. Давление и температура водяного пара на выходе из парогенератора (перед турбиной): р1 и t1; давление пара после турбины (в конденсаторе) р2.

Определить термический коэффициент полезного действия цикла ?t и теоретический удельный расход пара d, кг/(кВт·ч) при следующих условиях работы установки:

I - р1, t1 и р2. (все параметры взять из табл. 6);

II - р1, t1 (табл. 6); р2 (табл. 7);

III - р1, t1 и р2. (все параметры взять из табл. 7).

Сделать вывод о влиянии уровня начальных параметров состояния пара и давления пара после турбины на значения термического КПД цикла Ренкина и удельного расхода пара.

К решению задачи приложить принципиальную схему паротурбинной установки, изображение цикла Ренкина в координатах p-v и T-s, также изображение процесса расширения пара в турбине в диаграмме h-s.
Таблица 6.


Показатели

Последняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Начальное давление P1, Мпа

Температура t1,0С

Конечное давление P2, Мпа


0,5

200
0,1


0,8

220
0,1


1,2

300
0,1


1,6

350
0,1


2,5

370
0,1


3

375
0,1


4

350
0,1


2,9

320
0,1


3,5

390
0,1


5

400
0,1


Т
13
аблица 7.


Показатели

Предпоследняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Начальное давление P1, Мпа

Температура t1,0С

Конечное давление P2, Мпа


8

420
0,05


10

450
0,02


12

470
0,01


14

490
0,008


16

510
0,007


18

520
0,006


20

540
0,005


22

550
0,004


24

560
0,003


26

600
0,002



Литература: [2, C. 270-275]; [4, C. 239-245, 252-255].
Задача №6.
Определение скорости истечения водяного пара из сопловых устройств.
Определить теоретическую скорость истечения водяного пара из суживающегося сопла и из сопла Лаваля. Начальные давление и температура пара: р1 и t1 (табл. 8). Давление среды, в которую происходит истечение пара, р2 (табл. 8).

Таблица 8.


Показатели

Последняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Давление (абс.) р1, Мпа

Температура t1, 0С

0,8
220

1,6
350

3
375

3,5
390

5
400

8
420

10
450

7
370

6
350

4
325



Давление р2, Мпа

Предпоследняя цифра шифра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0,005

0,01

0,05

0,02

0,04

0,003

0,03

0,04

0,008

0,01
  1   2   3   4


ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации