Общая энергетика. Методические указания и контрольные задания

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Методические указания и контрольные задания для студентов ускоренной формы обучения специальности 100400 «Электроснабжение» института подготовки кадров.

Составители: к.т.н., доцент Матханова В.Э. к.т.н., и.о. доцента Аюрова А.Б.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2003

Общая характеристика курса Курс «Общая энергетика» относится к циклу общепрофессиональных дисциплин и предназначен для студентов специальности 100400 «Электроснабжение». Цель курса: выявить и изучить основные направления и закономерности производства электроэнергии на различных типах энергетических установок, экономии топливно-энергетических ресурсов , методы и способы решения вопросов энергоснабжения в энергетических системах. Курс является обобщающим , систематизирующим и углубляющим знания по вопросам общей энергетики. Предметными целями курса «Общая энергетика» предусматривается изучение следующих вопросов : - основные положения по общей энергетике в рамках производства и преобразования электроэнергии на тепловых электрических станциях, АЭС, ГЭС, включая нетрадиционные источники энергии; - эксплуатация современного теплового оборудования отрасли народного хозяйства с целью максимальной экономии топлива и материалов; - основные направления интенсификации и оптимизации современных энерготехнологических процессов; - основные законы термодинамики, термодинамические процессы, реальные газы, циклы тепловых двигателей; - законы основных способов передачи теплоты, а также основы расчета теплообменных аппаратов ; - конструктивные методы снижения теплопотерь; - методы и способы формирования энергосберегающих технологий; - современное энергосберегающее оборудование.

Расчет времени для изучения курса. 1. 2. 3. 4. 5.

Лекционные занятия – Лабораторные занятия – Выполнение контрольной работы №1 – Подготовка к защите лабораторных работ – Самостоятельное изучение литературы – Всего -

8 часов 6 часов 26 часов 10 часов 50 часов 100часов

Литература Основная 1. Белинский С.Я., Липов Ю.М. Энергетические установки электростанций. М., Энергия . 1984. 2. Немцов З.Ф., Арсентьев Г.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение. М., Энергоиздат, 1986. 3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высшая школа, 1982. 4. Щукин А.М., Сушкин И.Н., Бахмачевский Б.И., Лызо Г.П. Теплотехника. М.,1983. 5. Теплотехника под ред. Сушкина И.Н., М.,Энергия.1983. Дополнительная 6. Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия.1982. 7. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин Е.А. Техническая термодинамика. М.,1985. 8. Исаченко В.Н., Осипова В.М., Сукомел А.С. Теплопередача. М.,1981. 9. Дрыжаков Е.Е., Исаев С.И. и др.. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче (под ред. Юдаева Б.Н.)., М.,1978.

Общие методические указания Студент, руководствуясь программой курса и методическими указаниями к ней, самостоятельно изучает материал учебника и учебных пособий и выполняет письменные контрольные работы. Со всеми непонятными вопросами нужно обращаться за консультацией на кафедру «Теплогазоснабжение, вентиляция и теплотехника». В период экзаменационной сессии по наиболее сложным вопросам преподаватели читают лекции. Курс «Общая энергетика» рекомендуется изучать в последовательности, указанной в программе и методических указаниях. Необходимо разобраться в основных понятиях и определениях, которые, как правило, предшествуют выводу определенной формулы. Надо понять ход математических выводов, а затем самостоятельно, не заглядывая в учебник, вывести соответствующую формулу. Следует иметь в виду, что математические приемы, применяемые в курсе, должны помогать глубокому пониманию разбираемых явлений и процессов, но ни в коем случае не заслонять собой их физической сущности. При изучении теоретического материала, как и при решении задач, необходимо обращать внимание на единицы размерностей величин измерения, с которыми производятся математические операции. Следует помнить, что проверка размерностей в процессе математических выкладок помогает выявить ошибки, допущенные в ходе математических операций. Надо учитывать, что единица размерности всякой величины, как правило, отражает ее физический смысл. После изучения теоретического материала темы необходимо разобраться с методикой решения задач, приведенных в учебнике и задачниках, а также ответить на вопросы для самопроверки. Умение решать задачи и дать

правильные ответы на вопросы для самопроверки является критерием усвоения данной темы. Для лучшего усвоения материала курса рекомендуется составлять конспект по каждой теме. Конспект может составляться либо при первоначальном изучении учебника, либо после решения задач и ответов на вопросы для самопроверки. В последнем случае при работе над составлением конспекта желательно обходиться без учебника. Решать задачи и отвечать на вопросы необходимо, строго придерживаясь своего варианта. Условия задач и формулировки контрольных вопросов должны быть переписаны полностью. Решение задач сопровождать краткими пояснениями и подробными вычислениями. При вычислении какой-либо величины нужно словами указать, какая величина определяется и по какой формуле. Необходимо указывать размерность величин как заданных в условиях задач, так и полученных в результате решения. Ответы на контрольные вопросы должны быть краткими и исчерпывающими. Не следует списывать ответы из учебника. При решении задач и в ответах на вопросы применять только международную систему единиц (СИ). В конце выполненной контрольной работы студент ставит свою подпись и приводит список использованной литературы. На обложке тетради указывать номер контрольной работы, название предмета, фамилию, инициалы, шифр, специальность и домашний адрес. Обязательный элемент изучения курса «Общая энергетика» – выполнение студентом лабораторнопрактических заданий под руководством преподавателей. Цель лабораторно-практических занятий – более прочное и глубокое усвоение студентами теоретических

положений курса, а также приобретение ими расчетных и экспериментальных навыков. Качество усвоения курса «Общая энергетика» студентом проверяется путем сдачи им устного зачета. К сдаче зачета допускают студентов, успешно выполнивших контрольную работу и требуемый объем лабораторных работ.

4. 5.

6. Задание на контрольную работу №1 7.

Ответить письменно на вопросы, указанные в таблице 1 Последняя цифра 0 шифра Номера вопросов 10 20 Номера вопросов 30 по предпоследней 40 цифре шифра 1.

2.

3.

1

2

3

4

5

6

Таблица 1 7 8 9

1 11 21 31

2 12 22 32

3 13 23 33

4 14 24 34

5 15 25 35

6 16 26 36

7 17 27 37

8. 8 18 28 38

9 19 29 39

ВОПРОСЫ Какие условия необходимо соблюдать, чтобы термодинамический процесс был обратимым ? Что является причиной необратимости реальных термодинамических процессов? Почему внутреннюю энергию, энтальпию и энтропию рабочего тела называют параметрами или функциями состояния, а теплоту и работу функциями процесса? В чем сущность 1-го закона термодинамики? Напишите уравнение первого закона термодинамики, объясните входящие в него величины.

9.

10. 11.

12. 13. 14.

В чем сущность второго закона термодинамики? Приведите основные формулировки второго закона термодинамики и дайте его аналитическое выражение для обратимых и необратимых процессов. Покажите, что цикл Карно является наивыгоднейшим в заданном интервале температуры. Покажите, что изохорный , изотермический и адиабатные процессы являются частными случаями политропного процесса. Пользуясь уравнениями первого закона термодинамики для потока и для закрытой системы, покажите за счет чего совершаются все виды работы рабочего тела в потоке. Для чего применяется сопло Лаваля? Изобразите схематически это сопло. Как меняются давление и скорость газа вдоль сопла? Изобразите тепловой процесс в сопле Лаваля в hS – диаграмме. Приведите уравнение для определения теоретической и действительной скоростей истечения. Почему в сходящемся канале нельзя достичь скорости большей, чем местная скорость звука? Что называется абсолютной и относительной влажностью воздуха? Какую температуру называют температурой точки росы? Что такое влагосодержание воздуха и как оно определяется ? В чем состоит различие между процессами испарения и кипения ? Какой пар называется перегретым и что такое степень перегрева? Какой пар называется влажным насыщенным и что такое степень сухости?

15. Чем характерна критическая точка? Какие значения параметров водяного пара в критической точке? 16. Изобразите в диаграммах РV и TS процесс парообразования для водяного пара и объясните характерные области, линии и точки, нанесенные на них. 17. Какие величины связывает между собой уравнение Клапейрона – Клаузиуса? 18. Чем характерна тройная точка? Каковы значения ее параметров? 19. Какой пар называется сухим насыщенным? Изобразите на диаграммах РV, TS и hS обратимый адиабатный процесс расширения перегретого пара до состояния сухого насыщенного пара. Дайте необходимые пояснения. 20. Изобразите на диаграммах РV, TS и hS изобарный процесс превращения влажного насыщенного водяного пара до состояния перегретого пара. Дайте необходимые пояснения . 21. Как изменяется теплота парообразования с увеличением давления? Как посчитать теплоту парообразования? 22. Изобразите теоретическую индикаторную диаграмму поршневого компрессора для случая изотермического и адиабатного сжатия. Покажите на ней площади, которыми изображаются работы наполнения, сжатия и выталкивания. Для чего применяется охлаждение компрессора ? 23. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с изобарным подводом тепла в РV и TS диаграммах. Отчего зависит к.п.д. этого цикла? 24. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом тепла в РV и TS диаграммах. Дайте необходимые пояснения .

25. Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и изобразите цикл работы в координатах РV и TS. 26. Как влияют начальные и конечные параметры на термический КПД цикла Ренкина ? 27. Что такое промежуточный перегрев пара и для чего он применяется? Приведите принципиальную схему этой установки. Дайте необходимые пояснения. 28. Изобразите идельный цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом тепла в РV и TS диаграммах. 29. Что называется теплофикацией? В чем ее преимущества перед раздельной выработкой тепловой и электрической энергии? Каким параметром оценивают экономичность теплоэлектроцентрали? 30. Приведите принципиальную схему регенеративного цикла паротурбинной установки. Дайте необходимые пояснения . 31. Изобразите схему двухконтурной атомной теплоэнергетической установки и объясните принцип ее действия. В чем принципиальные отличия этой установки от обычных паросиловых установок ? 32. Сформулируйте основной закон теплопроводности (закон Фурье) и приведите его математическое выражение. Объясните физический смысл знака “минус” в законе Фурье. Что такое тепловой поток и поверхностная плотность теплового потока? 33. Как рассчитывается теплопроводность однослойной и многослойной плоской стенки при стационарном режиме? Покажите распределение температур в многослойной плоской стенке.

34. Как рассчитывается теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки? Покажите распределение температур в многослойной цилиндрической стенке. 35. Поясните механизм конвективного теплообмена. Запишите основное уравнение конвективного теплообмена . 36. Дайте определение коэффициенту теплоотдачи. Каковы трудности в его определении? 37. Изложите кратко сущность теории подобия физических процессов. Объясните значение этой теории. 38. Каков общий вид критериальных уравнений конвективного теплообмена? Поясните физический смысл критериев Re, Nu, Pe, Pr, Gr. 39. Опишите процесс теплопередачи через плоскую стенку. 40. В чем различие излучения газов от излучения твердых тел? Возможно ли с помощью одного экрана уменьшить теплообмен в несколько раз? Задача 1 Показать сравнительным расчетом целесообразность применения пара высоких параметров на примере паротурбинной установки, работающей по циклу Ренкина, определив для двух значений начального давления Р1 и начальной температуры t1 (при одинаковом конечном давлении Р2 = 4 кПа) , термический КПД цикла и теоретический удельный расход пара. Схему решения представить в hS – диаграмме . Изобразите схему ПТУ, дайте ее краткое описание. Для второго варианта

определить также внутреннюю энергию пара перед конденсатором. Значения параметров принять по таблице 2. На основе расчета проанализировать характер зависимости термического КПД паротурбинной установки от изменения начальных параметров пара. Объяснить, чем ограничены выбор параметров перегретого пара и давления в конденсаторе . Задачу решить с помощью hS – диаграммы. Послед няя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 вариант Параметры пара Р1 ,МПа t10C 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

250 280 300 320 340 360 380 400 420 440

Предпо следняя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Таблица 2 2 вариант Параметры пара Р1 ,МПа t10C 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 18,0

480 500 520 540 560 540 560 540 560 560

Задача 2 Сжатие воздуха в компрессоре происходит : а) по изотерме , б) по адиабате . Расход воздуха G , начальное давление Р1 = 100 кПа, начальная температура t1, степень сжатия ε.

Определить для обоих вариантов величину теоретической работы сжатия , мощности компрессора , а также изменения внутренней энергии и энтропии при сжатии. Теплоемкость воздуха Сv = f(t) считать const. Данные для решения задачи принять по таблице 3.

Последняя цифра шифра

ε

t10C

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4 4,5 4,8 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8

5 10 15 20 25 0 30 18 23 27

Предпослед няя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Таблица 3 G, кг/мин 20 23 25 27 30 32 35 38 40 45

Задача 3 Водяной пар , имеющий начальное давление Р1 и х1 (табл.4) температуру t1 или степень сухости дросселируется в трубопроводе до давления Р2 (табл.5). Построить в диаграмме hS условный процесс дросселирования водяного пара. Схему построения процесса дросселирования привести в тетради.

Определить температуру, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию пара в конце процесса дросселирования . Таблица 4 Показатели

1

2

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8

9

0

1,8

1,9

Началь 1,0 ные парамет ры пара давление Р1, МПа

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

0,9

0,9

0,9

0,9

1,0

220 240 250 260 280 -

t10С х1

1,6

1,7

Таблица 5 Показатели

1

Конеч- 0,06 ное давление Р2,МПа

2 0,08

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8 0,09

0,1

0,12

0,16

0,18

0,20

9

0

0,24

0,30

Задача 4 Вычислить допустимую силу тока для провода диаметром d, покрытого изоляцией толщиной δ, при условии, что максимальная температура изоляции не должна быть выше 600С, а на внешней поверхности изоляции 400С. Коэффициент теплопроводности материала изоляции λ. Электрическое сопротивление провода R. Данные принять по таблице 6 .

Послед няя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

d мм

δ мм

1,5 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 2,0 1,3 1,7 1,1 0,9

Предпо следняя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

λ Вт/м⋅К 0,3 0,2 0,17 0,28 0,19 0,22 0,25 0,3 0,35 015

Таблица 6 R Ом/м 0,003 0,005 0,007 0,009 0,006 0,004 0,0025 0,0045 0,01 0,15

Задача 5 Вычислить температуры на поверхностях стенки и тепловой поток через 1 м2 чистой поверхности парогенератора , если заданы следующие величины : температура газов tг, температура кипящей воды tв, коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке α1, от стенки к кипящей воде α2, коэффициент теплопроводности материала стенки λ = 50 Вт/м ⋅К и толщина стенки δ = 10 мм. Решить задачу при условии, что в процессе эксплуатации поверхность нагрева парового котла со стороны дымовых газов покрылась слоем сажи толщиной δс и со стороны воды слоем накипи толщиной δн (соответственно , коэффициенты теплопроводности сажи λс=0,08 Вт/м К и накипи λн= 0,6 Вт/м К).

Сравнить результаты расчетов для обоих случаев и определить уменьшение тепловой нагрузки в процентах. Построить график распределения температур. Данные для решения принять по табл. 7 Таблица 7 После tг tв Предпо α1 α2 δс δн дняя Вт Вт следняя 0 0 цифра С С мм мм м 2 ⋅ К м 2 ⋅ К цифра шифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

900 950 1000 1100 1200 1250 1300 1350 1400 1450

180 190 200 220 250 280 300 320 350 400

85 90 95 100 120 130 140 150 160 170

4000 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800 4900 5000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1,2 0,8 1,0 1,5 1,8 1,6 2,4 2,2 2,0 2,6

0,5 0,8 1,6 1,8 1,0 2,0 1,5 1,2 1,1 0,9