Техническая термодинамика. Методические указания и контрольные задания

Министерство образования Российской Федерации Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра «Теплогазоснабжения, вентиляции и теплотехники»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников специальности «Тепловые электрические станции»

Составители: Батуев Б.Б. Матханова В.Э. Аюрова О.Б.

Улан-Удэ,2003

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ВВЕДЕНИЕ Предмет «Техническая термодинамика» и следующий за ним предмет «Тепломассообмен» являются теоретическим фундаментом теплотехники. На базе дисциплин осуществляются расчеты и проектирование тепловых двигателей , компрессоров , сушильных и холодильных установок, теплогенераторов, теплообменников и др. Знание материала этих дисциплин позволяет технически грамотно эксплуатировать указанное оборудование и осуществлять мероприятия по повышению его экономических показателей. При изучении указанных предметов рекомендуется обратить внимание на основные направления развития теплоэнергетики в .нашей стране и за рубежом, на вклад отечественных ученых и инженерно-технических работников в формирование технической термодинамики и теории тепло- и массообмена. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА Техническая термодинамика рассматривает вопросы взаимного превращения тепловой и механической энергии, 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 качестве рабочего тела в технической термодинамике выступает вещество в газообразном и парообразном состоянии. Следует разобраться в понятиях – идеальный газ и реальный газ.

Основные параметры состояния рабочего тела (абсолютное удельное давление (р), удельный объем (V) и абсолютная температура (Т) связаны уравнением состояния. 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. Примером уравнения состояния реального газа является уравнение Ван-дер-Ваальса. Уравнение состояния рабочего тела, кроме основных его параметров, включает также газовую постоянную. Различают газовую постоянную 1 кг вещества (R) и газовую постоянную киломоля вещества – универсальную газовую постоянную (μR) . Необходимо знать физический смысл R и μR, 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 анализе термодинамических процессов (изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного и обобщенного политропного процессов) прежде всего выясняют закономерности изменения основных параметров состояния рабочего тела (р, V и Т), а также количество тепла (q), подведенное к рабочему телу ( или отведенное от него) в ходе процесса, работу (l ) расширения (или сжатия) рабочего тела, изменение внутренней энергии рабочего тела (ΔU=U2 –

U1) в процессе, изменение энтальпии (Δh = h2 – h1) и изменение энтропии (ΔS = S2- S1) в ходе процесса. Для определения количества тепла, участвующего в процессе, важно правильно использовать теплоемкость рабочего тела. Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются массовой (с), объемной (с′) и мольной (μс) теплоемкостями. Необходимо понять зависимость теплоемкости рабочего тела от физической природы вещества, от температуры и от характера термодинамического процесса, в котором рабочее тело участвует. Необходимо научиться пользоваться таблицами теплоемкостей газов, а также владеть приемом выбора теплоемкости как величины, независимой от температуры. Следует освоить формулы для расчета теплоемкости рабочего тела в политропном процессе и формулы определения теплоемкостей газовых смесей. В курсе дан вывод формулы для определения работы, выполняемой рабочим телом при расширении или затрачиваемой на его сжатие. Следует обратить внимание, что при изображении термодинамического процесса в координатах p-V площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение работы 1 кг рабочего тела в этом процессе – работы расширения (если V2 > V1) и работы сжатия (если V2 < V1). При изображении термодинамического процесса в координатах T-S площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение тепла, участвующего в этом процессе, в расчете на 1 кг рабочего тела – тепла, подводимого к рабочему телу (если S2 > S1 ), или тепла, отводимого от рабочего тела (если S2 < S1). При изучении курса необходимо понять физический смысл энтальпии и энтропии, которые также как P, V, Т и U являются параметрами состояния рабочего тела, и освоить их использование в расчетах термодинамических процессов. Введение этих па-

раметрических величин в курс дало возможность применить для анализа термодинамических процессов диаграмму h-S, которая нашла широкое признание в инженерной практике (прежде всего для расчета процессов изменения состояния водяного пара). Курс технической термодинамики базируется на двух принципиальных положениях – первом и втором законах термодинамики. Первый закон термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическому процессу. Он устанавливает эквивалентность при взаимных превращениях механической и тепловой энергии и количественное соотношение при переходе одного вида энергии в другой. Согласно первому закону термодинамики, нельзя построить «вечный двигатель 1-го рода» , т.е. тепловую машину , которая бы совершала работу, не расходуя на это никакой энергии. Необходимо освоить и другие формулировки первого закона термодинамики , которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины. Уравнение первого закона термодинамики является энергетическим балансом рабочего тела, участвующего в термодинамическом процессе. Оно может быть записано (как для 1 кг вещества, так и для произвольного его количества) в форме, где связаны между собой количество тепла, участвующее в процессе, работа, совершаемая рабочим телом против внешних сил, и изменение внутренней энергии в процессе, а также в форме , где связаны между собой количество тепла, изменение энтальпии и располагаемая работа. Второй закон термодинамики определяет направление, в котором протекают термодинамические процессы, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет максимальное значение

работы, которая может быть произведена тепловым двигателем. Согласно второму закону термодинамики нельзя создать «вечный двигатель 2-го рода», т.е. тепловую машину, которая бы в течении длительного времени совершала непрерывную работу при условии перехода в «получаемую» механическую энергию всего количества тепловой энергии, подводимой для этой цели к рабочему телу. Необходимо освоить и другие трактовки второго закона термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины. Следует также знать аналитическое выражение второго закона термодинамики. Специальный раздел курса посвящен водяному пару. Изучение его свойств и связанных с ним расчетов тем более важно, что водяной пар используется как рабочее тело в теплосиловых установках, а также как теплоноситель в промышленной теплотехнике. Следует внимательно рассмотреть процесс парообразования в координатах р-V и понять основные состояния водяного пара – состояния влажного насыщенного пара, сухого насыщенного пара и перегретого пара. Нужно освоить понятие степени сухости пара (х). Для того, чтобы иметь возможность определять параметры состояния водяного пара, очень важно научиться пользоваться таблицами водяного пара – таблицами насыщенного пара и таблицами перегретого пара, которые обычно приводятся в учебных пособиях по технической термодинамике. Термодинамические процессы водяного пара, в т.ч. и связанные с изменением его агрегатного состояния, изучаются в диаграммах р-V и Т-S. Необходимо понять характер расположения на диаграммах, построенных для водяного пара, пограничных кривых Х=0 и Х=1, соответственно характеризующих состояние кипящей воды и сухого насы-

щенного пара, а также расположение точки критического состояния водяного пара, выше которой (в указанных диаграммах) существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Практические задачи, связанные с расчетом водяного пара, наглядно решаются в диаграмме h-S, на которой нанесена сетка изобар, изотерм, изохор и линий х=const, включая Х=1. Следует иметь в виду, что для воды и водяного пара начало расчета h и S принято от состояния вещества в тройной точке, а внутреннюю энергию определяют по формуле U=h-pV. Диаграмма h-S водяного пара широко используется в инженерной практике, поэтому освоение ее при изучении курса нужно считать обязательным. В теплотехнике многие расчеты связаны с влажным воздухом, который представляет собой механическую смесь сухого воздуха и водяного пара. В начале изучения свойств влажного воздуха полезно рассмотреть возможные состояния водяного пара в воздухе в координатах р-V. Необходимо понять, почему влажный воздух, несмотря на присутствие в нем водяного пара, рассчитывается как идеальный газ. Следует разобраться в понятиях влагосодержание воздуха (d), абсолютная влажность воздуха и относительная влажность воздуха (ϕ). Важно понять, почему абсолютная влажность воздуха выражается плотностью водяного пара, содержащегося в нем. Основные процессы изменения состояния влажного воздуха, встречающиеся на практике, связаны с подводом или отводом тепла при р=const, а также с повышением или понижением его влагосодержания. Расчеты процессов изменения состояния влажного воздуха обычно осуществляют, пользуясь диаграммой H-d. По диаграмме H-d для любого состояния влажного воздуха легко определить основные параметры, а также парциальное давление водяного па-

ра и значение температуры, при которой начинается конденсация из воздуха излишней влаги (точку росы). Диаграмма H-d влажного воздуха широко используется в инженерной практике, поэтому освоение ее при изучении курса следует считать обязательным. В разделе курса, связанным с термодинамическими преобразованиями в потоке газообразного рабочего тела, рассматриваются вопросы истечения газов и паров из сопловых устройств, а также вопросы дросселирования. При изучении процесса истечения газа (пара) следует разобрать обоснование и методику определения скорости истечения, расхода газа (пара) через сопло и размера расчетного сечения соплового устройства. Следует понять характер истечения газа (пара) из простых (цилиндрических или сужающихся) насадок, а также из комбинированного соплового устройства (сопла Лаваля). Необходимо понять условия, при которых скорость истечения газа (пара) из сопла и его расход ограничиваются пределом, равным скорости распределения звука в данной среде. При рассмотрении процесса дросселирования (мятия) газообразного рабочего тела следует усвоить, почему итоговым результатом этого процесса можно считать условие h-const. Полезно обратить внимание на примеры явления дросселирования, встречающиеся в инженерной практике. Необходимо уметь выполнять расчеты истечения и дросселирования водяного пара с помощью диаграммы h-S. 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, по адиабате и политропный процесс сжатия. Необходимо разобрать процессы, связанные с работой компрессора, в индикаторной диаграмме (диаграмме в координатах рV) и понять причины, вызывающие необходимость созда-

ния многоступенчатых компрессоров. Необходимо освоить методику определения мощности привода компрессора. Следует познакомиться с особенностями работы центробежного и осевого компрессоров. Курс технической термодинамики показывает, что непрерывная работа тепловых машин должна осуществляться на основе циклов, или круговых процессов, при осуществлении которых параметры рабочего тела изменяются от максимального значения до минимального, возвращаясь в каждом цикле к первоначальному значению. Циклы включают процессы расширения и сжатия рабочего тела, процессы с подводом тепла и процессы с отводом тепла. 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). Необходимо освоить графическое изображение прямых и обратных циклов в координатах р-V и Т-S; 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 тепла при р=const, с подводом тепла при V=const и при комбинированном способе подвода тепла, циклы газотурбинных установок (ГТУ) при разных условиях подвода тепла, цикл холодильной установки и теплового насоса.

Следует понять значение и способ определения термического КПД цикла теплового двигателя (ηt). Необходимо знать формулу для определения ηt цикла Карно. Следует детально разобрать теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, в т.ч. графическое изображение его в координатах р-V и T-S, а также изображение теоретического процесса расширения водяного пара в паровой турбине в диаграмме h-S. 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. Следует рассмотреть основные способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина. Существенное значение при освоении этого материала имеет рассмотрение принципиальных схем и тепловых балансов конденсационной теплоэлектростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Необходимо также понять основные принципы теплофикации. При разборе цикла холодильной установки следует освоить понятие холодильного коэффициента. При разборе цикла теплового насоса следует освоить понятие отопительного коэффициента. Литература :[1], [2], [3], [6], [7]. КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ При изучении курса «Техническая термодинамика» студент должен выполнить две контрольные работы и ответить письменно на четыре теоретических вопроса. Условия задач и номера теоретических вопросов выбираются в соответствии с двумя последними цифрами учебного шифра студента. Первая контрольная работа состоит из шести задач, содержание которых отражает материал важнейших разде-

лов курса; вторая контрольная работа посвящена расчету термодинамических процессов водяного пара. Предложенные задачи рекомендуется решать по мере проработки соответствующих разделов курса. При решении задач для всех исходных и итоговых величин, кроме относительных (безразмерных) величин, должны быть указаны единицы измерения. Для проверки усвоенного материала после решения задач необходимо письменно ответить на все поставленные вопросы. Контрольные работы должны быть аккуратно оформлены в отдельной тетради, на обложке которой следует указать фамилию и инициалы студента, а также его учебный шифр; на каждой странице тетради необходимо оставить поля для пометок преподавателя. Прием контрольных работ производится преподавателем, ведущим данную дисциплину, после собеседования со студентом по основным вопросам курса, связанным с выполнением решенных задач. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ №1 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

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 18 28 38

9 19 29 39

ВОПРОСЫ 1. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы термодинамический процесс был обратимым ? Что является причиной необратимости реальных термодинамических процессов? 2. Почему внутреннюю энергию, энтальпию и энтропию рабочего тела называют параметрами или функциями состояния, а теплоту и работу функциями процесса? 3. В чем сущность 1-го закона термодинамики? Напишите уравнение первого закона термодинамики, объясните входящие в него величины. 4. В чем сущность второго закона термодинамики? 5. 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. 6. Покажите, что изохорный , изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса. 7. Пользуясь уравнениями первого закона термодинамики для потока и для закрытой системы, покажите за счет чего совершаются все виды работы рабочего тела в потоке. 8. Для чего применяется сопло Лаваля? Изобразите схематически это сопло. Как меняются давление и скорость газа вдоль сопла? 9. Изобразите тепловой процесс в сопле Лаваля в hS – диаграмме. Приведите уравнение для определения теоретической и действительной скоростей истечения. 10. Почему в сходящемся канале нельзя достичь скорости большей, чем местная скорость звука?

11. Приведите определение удельной массовой, объемной и мольной теплоемкостей. Истинная и средняя теплоемкости. Напишите уравнение количества теплоты через среднюю теплоемкость 12. Приведите уравнение работы в произвольном процессе и покажите, что работа является функцией процесса. 13. Приведите определение идеального и реального газа. Основные законы идеальных газов. 14. Приведите определение удельной газовой постоянной и универсальной газовой постоянной, в каких единицах они выражаются и физический смысл газовой постоянной. 15. Что такое теплоемкость при постоянном давлении и теплоемкость при постоянном объеме? Почему теплоемкость газа при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме? 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 характерны критическая и тройная точки? Каковы значения их параметров для воды? 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 нагревания 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. Отчего зависит к.п.д. этого цикла? 25. Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, изобразите этот цикл в координатах РV, TS и hS. 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 идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом тепла в РV и TS диаграммах. Отчего зависит к.п.д. этого цикла. 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. Принцип работы теплового насоса. 33. Первый закон термодинамики для потока. 34. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном объеме. 35. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении. 36. Сравнение циклов газотурбинных установок. 37. Сравнение циклов двигателей внутреннего сгорания. 38. Бинарный парогазовый цикл теплоэнергетической установки. 39. Воздушная компрессионная холодильная установка. 40. Абсорбционная холодильная установка. Задача №1. Расчет газовой смеси. Газовая смесь состоит из нескольких компонентов, содержание которых в смеси задано в процентах по объему (табл.2). 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.3). Таблица 2 Последняя Компоненты смеси, % по объему цифра СО2 О2 N2 СО шифра 1 2 3 4 5 1 20 15 65 2 18 14 68 3 14 13 73 4 10 12 78 -

1 5 6 7 8 9 0 Показатели

2 18 12 10 24 20 32

1

2

3 -

4 72 74 60 50 52 50

5 10 14 30 26 28 18 Таблица 3

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8

Температура смеси началь ная t1,oC

100

30 500

800

Конечная t2,oC

500

90 1400 1200

200

400

1100 800

600

900

9

0

700

800

1300 1500 1600 1800

Значения средних мольных теплоемкостей компонентов газовой смеси при постоянном давлении в пределах температур от 00С до toC – см. Приложение (табл.3). Ответить письменно на следующий вопрос: Классификация теплоемкостей в зависимости от количественной единицы, температурного диапазона и термодинамического процесса. Литература: [1,c.17-23]; [2, c.27-32, 62-73]; [3, c.12-23]; [4, c.30-38, 39-56]; [5, c.20-21]

Задача №2. Расчет политропного процесса сжатия идеального газа. Рабочее тело – азот (N2). Первоначальный объем, занимаемый рабочим телом – V1 (табл.4). Начальные параметры состояния рабочего тела: давление р1 = 0,1 МПа, температура t1 =27оС. Показатель политропы – n (табл.4). Температура рабочего тела в конце сжатия t2 = 227оС. Определить : 1) массу газа; 2) удельные объемы газа в начале и конце сжатия; 3) полный объем, занимаемый газом в конце процесса; 4) давление в конце процесса; 5) работу , затрачиваемую в процессе сжатия газа; 6) изменение внутренней энергии рабочего тела в процессе; 7) массовую теплоемкость газа в данном процессе; 8) количество теплоты в процессе; 9) изменение энтропии в процессе. Построить в масштабе рассмотренный процесс в координатах p-V и T-S. При решении задачи теплоемкость рабочего тела считать постоянной, не зависимой от изменения температуры. Приближенные значения мольных теплоемкостей идеальных газов при V=const и p=const - см Приложение (табл. 2 ) Таблица 4 ПокаПоследняя цифра шифра зате1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 ли Объем газа V1, м3 Показатель политропы, n

5

10

15

20

1,1

1,25

1,2

1,16

25

30

1,28 1,18

35

40

45

50

1,15

1,27

1,17

1,3

Ответить письменно на следующий вопрос: Как выглядит уравнение первого закона термодинамики применительно к рассмотренному в задаче процессу? Литература: [1,c.210-215]; [2, c.56-57, 88-94]; [3, c.3949]; [4, c.57-61, 102-110]; [5, c.21-40] Задача №3. Расчет цикла Карно применительно к тепловому двигателю. Рабочее тело – 1 кг сухого воздуха. Предельные температуры рабочего тела в цикле: наибольшая t1 , наименьшая t3 (табл. 5). Предельные давления рабочего тела в цикле: наибольшее p1 , наименьшее p3 (табл.6) . Определить: 1) основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла; 2) количество тепла , подведенное в цикле; 3) количество тепла, отведенное в цикле; 4) полезную работу , совершенную рабочим телом за цикл; 5) термический КПД цикла; 6) изменения энтропии в изотермических процессах цикла. Построить цикл (в масштабе) в координатах p-V и T-S. Таблица 5 ПокаПредпоследняя цифра шифра затели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Температура воздуха, о С t1 t3

200

300 230

205

270

310

260

310

330

270

ние, Мпа Р1 Р3

0,16

18

20

17

21

25

23

19

25

1

Давле-

2

2 2,8

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8 3

2,5

4

4,2

3,5

2,5

9 4,8

0,12

0,12

0,1

0,11

0,13

0,14

0,17

ки. Паротурбинная установка работает по циклу Ренкина с начальным давлением пара Р1 и температурой t1 (табл.7). Давление пара в конденсаторе Р2 (табл.8). Определить: 1) параметры пара на входе и выходе из турбины; 2) степень сухости пара на входе в конденсатор; 3) удельный расход пара; 4) термический КПД цикла; 5) изобразите цикл в РV-, TS- и hS – диаграммах. Таблица 7 ПокаПредпоследняя цифра шифра зате1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 ли 2,0

2,2

2,4

2,6

3,0

3,2

3,4

3,6

4,0

4.2

300

310

320

330

350

500

510

520

550

600

Таблица 8

16

0

Показатели

3

Р2, МПа

Таблица 6 Показатели

0,15

Задача №4. Расчет цикла паротурбинной установ-

Р1, МПа t1, оС 15

0,1

Ответить письменно на следующий вопрос: В каких диаграммах и какой площадью можно проиллюстрировать полезную работу, совершенную рабочим телом в цикле, и количество полезной теплоты? Литература: [1,c.51-60]; [2, c.99-101]; [3, с. 53-56]; [4, c.136, 149-152]; [5, c.40-46]

1 0,04

2

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8

0,05 0,06

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

9

0

0,6

0,7

Ответить на следующий вопрос: Почему в паротурбинных установках не применяется цикл Карно? Литература: [1,c.329-369]; [2, c.259-277]; [3, c.87-97]; [4, c.179-217]; [5, c.62-67] Задача 5. Расчет процесса дросселирования водяного пара. Водяной пар, имеющий начальное давление р1 и температуру t1 или степень сухости х1 (табл.9), дросселируется в трубопроводе до давления р2 (табл.10). Построить в диаграмме h-S условный процесс дросселирования водяного пара. Схему построения процесса дросселирования привести в тетради. Определить температуру, энтальпию и энтропию пара в конце процесса дросселирования . Таблица 9 ПокаПредпоследняя цифра шифра затели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Начальные параметры пара: давление р1, МПа Температура, о С t1 Степень сухости х1

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

-

-

-

-

-

0,93

1,0

0,9

0,91 0,92

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

220 240

250

260

280

-

-

-

-

-

Таблица 10 Показатели Конечное давление, Мпа Р2

1 0,06

2

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 7 8

0,08 0,09

0,1

0,12

0,16

0,18

0,2

9

0

0,24

0,3

Ответить письменно на следующий вопрос: Как изменяется температура идеального и реального газов при их дросселировании? Литература: [1,c.216-226]; [2, c.98-205]; [3, с. 116-121]; [4, c.224-225, 236-238]; [5, c.110-112] Задача №6. Расчет термодинамических процессов сжатия в компрессоре. 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 11.

Таблица 11 Последняя цифра шифра 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

ε

t1 C

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

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

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

Ответить письменно на вопрос: Какой термодинамический процесс сжатия газа в компрессоре является экономически более целесообразным и почему? Литература: [1,c.235-246]; [2, c.222-232]; [4, c.142-148] Задание на контрольную работу №2 Задача. Расчет термодинамических процессов водяного пара. Из точки 1 , заданной начальными параметрами, приведенными в табл.12, совершаются следующие процессы: 1-2 – изохорный (V1=V2); 1-3 – изобарный (P1=P3) 1-4 – изотермический (t1=t4) 1-5 – адиабатный (S1=S5) P

5 3 1

2

4 V

Рис.1. Пример термодинамических процессов в рабочей диаграмме Параметры в точках 2, 3, 4 и 5 выбрать из табл. 12 согласно заданному варианту. В качестве примера на рис.1 представлен один из вариантов происходящих процессов в рабочей диаграмме Р-V. Требуется : 1. Определить для точек 1, 2, 3, 4 и 5 параметры Р, V, t, h, S, u, x, используя таблицы водяного пара. 2. Определить для каждого процесса изменение внутренней энергии (Δu), энтальпии (Δh), энтропии (ΔS), произведенную работу (ℓ) и количество сообщенного или отведенного тепла (q). 3. Расчет адиабатного (или изотермического) процесса произвести также по h-S диаграмме водяного пара и определить относительную ошибку для каждой найденной величины по сравнению с табличными. 4. Изобразить процессы в масштабе в P-V, T-S, h-S диаграммах. Параметры приведенные в табл.12, имеют следующие размерности: Р- бар; t-оС; V- м3/кг; h- кДж/кг; S- кДж/кг⋅К. Ответить письменно на следующие вопросы: 1. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. 2. Фазовая (р-Т) диаграмма для воды. 3. Приведите примеры практического применения изобарного и адиабатного процессов водяного пара в теплоэнергетических установках. Литература: [1,c.188-192, 195-216]; [2, c.161-173]; [4, c.179-199]

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1986 2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1975 3. Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат , 1985 4. Рабинович С.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1969 5. Афанасьев В.Н., Исаев С.И., Кожинов И.А. и др. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена /под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого. – М.: Высшая школа, 1986 Дополнительная 6. Алексеев Г.А. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. 7. Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. – М.: Высшая школа , 1983 8. Чертов А.Г. Единицы физических величин. – М.: Высшая школа , 1987.

Таблица 1 Характеристики некоторых газов Молеку- Удельная Химичегазовая поская фор- лярная мула масса μ, стоянная R, кг/кмоль Дж/(кг⋅К) Воздух 28.96 286.4 Кислород О2 32.00 259.8 Азот N2 28.02 296.7 Водород H2 2.016 4124.0 Оксид угCO 28.00 297.0 лерода Диоксид CO2 44.00 189.0 углерода Газ

Плотность ρ, Кг/м3 1.298 1.429 1.251 0.0899 1.250 1.977 Таблица 2

Значения мольных теплоемкостей газов по данным молекулярно-кинетической теории Атомность газов μСр, μСv, кДж/(кмоль⋅К) кДж/(кмоль⋅К) Одноатомный 12,6 20,9 Двухатомный 20,8 29,1 Трех- и много29,3 37,7 атомный

t,oC 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Таблица 3 Средние мольные теплоемкости газов при постоянном давлении μСрm, кДж/(кмоль⋅К) O2 N2 CO CO2 воздух 29,278 29,022 29,127 35,865 29,077 29,542 29,052 29,181 38,117 29,156 29,935 29,135 29,307 40,065 29,303 30,404 29,290 29,521 41,760 29,525 30,882 29,504 29,793 43,255 29,793 31,338 29,768 30,163 44,579 30,099 31,765 30,048 30,429 45,759 30,408 32,155 30,346 30,756 46,819 30,727 32,506 30,639 31,074 47,769 31,032 32,829 30,928 31,380 48,624 31,325 33,122 31,200 31,669 49,398 31,602 33,390 31,459 31,941 50,106 31,866 33,637 31,711 32,196 50,747 32,113 33,867 31,945 32,431 51,329 32,347 34,081 32,167 32,657 51,865 32,569 34,286 32,376 32,862 52,355 32,778 34,479 32,569 33,055 52,807 32,971 34,663 32,753 33,235 53,226 33,155 34,839 32,921 33,407 53,611 33,323 35,010 33,084 33,566 53,967 33,486 35,174 33,235 33,712 54,298 33,645