Задачи для текущего контроля

1. Термометр, установленный на баллоне с азотом, емкостью 18 л, показывает 20 ⁰С, а манометр – 8 атм. Найти массу азота, если барометрическое давление составляет 745 мм рт. ст.

2. Найти давление, под которым находится 2 кг воздуха при температуре 145 ⁰С и объеме 0,24 м³.

3. Воздух имеет следующий состав в массовых долях: азота – 77%, кислорода – 23%. Определить газовую постоянную воздуха, молекулярную массу, удельный объем, плотность при нормальных условиях и парциальные давления азота и кислорода.

4. Определить количество теплоты, необходимое для нагрева 10 кг воздуха от 100 до 400 ⁰С при постоянном давлении.

5. В процессе политропного расширения воздуху сообщается 10 кДж теплоты, в результате чего его объем увеличивается в 6 раз, а давление в 10 раз. Определить изменение внутренней энергии и работу расширения.

6. Газы, полученные при сжигании 1 кг бензина, совершают цикл Карно. Определить термический КПД цикла и работу, если начальная температура газов равна 2000 ⁰С, окружающей среды 17 ⁰С. Теплоту сгорания бензина принять 44∙10³ кДж/кг.

7. Определить параметры влажного пара при давлении 5 кПа, степень сухости 0,94.

8. Определить потерю теплоты через квадратный метр электрической печи, выполненной из огнеупорного кирпича толщиной 250 мм с коэффициентом теплопроводности 0,92 Вт/(м∙К) и красного кирпича толщиной 250 мм с коэффициент теплопроводности 0,7 Вт/(м∙К). Температура газов в печи 1200 ⁰С, температура воздуха в помещении 30 ⁰С. Коэффициент теплоотдачи к обмуровке печи 90 Вт/(м²∙К), а от стенки печи к воздуху 12 Вт/(м²∙К).

9. Нагреватель, выполненный из трубки диаметром 25 мм и длиной 0,5 м, погружен вертикально в бак с водой, имеющей температуру 20 ⁰С. Определить количество теплоты, передаваемое нагревателем в единицу времени, считая температуру его поверхности постоянной по длине и равной 55 ⁰С. Определить удельный тепловой поток между двумя одинаковыми параллельно расположенными пластинами, имеющими температуры 127 ⁰С и 50 ⁰С, степени черноты 0,8 и 0,6.

10. В теплообменнике нагревается 2 кг/c воды от 20 ⁰С до 210 ⁰С. При этом, горячие газы охлаждаются от температуры 410 ⁰С до 250 ⁰С. Определить поверхность теплообменника при работе его по противоточной схеме, если коэффициент теплопередачи составляет 32 Вт/( м²∙К).

11. Определить КПД Цикла Карно, если t₂ = 30°C, t₁ = 200°C.

12. Определить термический КПД цикла Дизеля и отведенное количество тепла в цикле, считая, что рабочим телом является воздух с начальной температурой 20°C; температура после сжатия 600°C, температура после подвода тепла 1100°C, температура после расширения 470°C. Изохорная теплоемкость воздуха 720 Дж/кг·К, изобарная теплоемкость воздуха 1010 Дж/кг·К.

13. Определить КПД идеальной газотурбинной установки и температуру после компрессора, если давление воздуха перед компрессором 1,1 МПа, а температура 25°C давление после компрессора 12 МПа. Показатель адиабаты 1,41.

14. Определить термический КПД паротурбинной установки. Энтальпия пара перед и после турбины 3520 кДж/кг и 2015 кДж/кг, энтальпия воды 165 кДж/кг.

15. Определить термический КПД цикла Отто и подведенное количество тепла в цикле, считая, что рабочим телом является воздух с начальной температурой 15°C; температура после сжатия 590°C, температура после подвода тепла 1000°C, температура после расширения 265°C. Изохорная теплоемкость воздуха 720 Дж/кг·К, изобарная теплоемкость воздуха 1010 Дж/кг·К.

16. В воздухоподогревателе котельной установки воздух нагревается от t₁ = 20 ºС до 200 ºС при постоянном давлении р = 10⁵ Па. Определить удельную работу расширения воздуха и расходов теплоты на нагревание 1 кг воздуха, не учитывая зависимости теплоемкости от температуры, найти изменение внутренней энергии.

17. Определить термический КПД цикла теплового двигателя, отведенное тепло Q₂, если подводимое в цикле тепло Q₁ = 280 кДж, а полезная работа L = 120 кДж.

18. В цикле Карно подвод теплоты происходит при t₁ = 1200 ºС. Полезная работа, получаемая в цикле, L = 265 кДж. Определить термический КПД цикла, подведенную и отведенную теплоту и температуру отвода теплоты t₂, если рабочее тело – 1 кг воздуха, а относительное изменение объемов в изотермических процессах равно трем.

19. Температура воды, поступающей в котел, t_в = 250 ºС, абсолютное давление в котле 10 МПа. Определить теплоту, подводимую в котле для получения 1 кг пара с температурой t = 500 ºС.

20. Определить коэффициент теплопередачи и тепловой поток на 1 м² при передаче теплоты через стенку от горячего теплоносителя к холодному. Толщина стенки 10 мм, теплопроводность 50 Вт/м·К. Принять: t_Ж1 = 200 ^оС, t_Ж2 = 100 ^оС, α₁ =1200 Вт/м²·К, α₂ = 700 Вт/м²·К.

21. Пар с начальным давлением р₁ = 1 МПа адиабатно расширяется до давления р₂ = 0,003 МПа. Определить конечное состояние и полезную работу расширения пара.

22. В машине, вследствие плохой смазки, происходит нагревание 50 кг стали на 40 °С в течение 10 минут. Определить вызванную этим потерю мощности машины. Теплоемкость стали С_Р = 0,46 кДж/кг·К.

23. Определить поверхность нагрева трубчатого теплообменного аппарата, омываемого дымовыми газами при прямоточном и противоточном движении газов и воздуха в нем. Температуру воздуха, поступающего в теплообменник, принять равной 20 °С. Количество подогреваемого воздуха V₀ = 3 м³/сек и коэффициент теплопередачи К = 18 Вт/м²·К. Температура воздуха за теплообменником t_B = 200 °C, температура газов на входе в теплообменник t'_Г = 520 °C, на выходе из него t"_Г = 300 °C.

24. Определить толщину изоляции из асбеста (λ = 0,2 Вт/м·К), которую нужно наложить на плоскую железную стенку (λ = 50 Вт/м·К) толщиной 12 мм, чтобы теплопотери через нее уменьшились в 2 раза, если коэффициент теплоотдачи с одной стороны стенки α₁ = 50 Вт/м²·К, а с другой α₂ = l000 Вт/м²·К.

25. В теплообменнике охлаждается мазут от 270 °С до 70 °С, а сырая нефть при этом нагревается от 20 °С до 150 °С. Определить средний температурный напор в этом теплообменнике, если его запроектировать по схеме противотока. Определить также экономию в поверхности нагрева, которую дает схема противотока по сравнению со схемой прямотока, если в обоих случаях коэффициенты теплопередачи и количество передаваемого тепла одинаковы.

26. Определить часовую потерю теплоты Q через стенку из красного кирпича длиной l = 5 м, высотой h = 4 м и толщиной δ = 250 мм, если температуры на поверхностях стенки поддерживаются t₁ = 110 °С и t₂ = 40 °C. Коэффициент теплопроводности красного кирпича λ = 0,67 Вт/м·К. Потерями теплоты через торцы стенки можно пренебречь.

27. Кирпичная стенка имеет высоту 3 м, длину 7 м и толщину 0,5м. Температура одной ее поверхности 20 °С, другой (-20 °С). Коэффициент теплопроводности кирпича 0,7 Вт/м·К. Вычислить расход теплоты через стенку.

28. Из-за недостаточной смазки в двигателе происходит нагревание 80 кг металла на 40 °С в течение 10 мин. Определить потерю мощности двигателя, если теплоемкость металла 0,5 кДж/(кг·К).

29. Масло марки МС поступает в маслоохладитель с температурой 70 °С и охлаждается до температуры 30°С. Температура охлаждающей воды на входе 20 °С. Определить температуру воды на выходе из маслоохладителя, если расходы масла и воды равны соответственно 10⁴ кг/ч и 2,04·10⁴ кг/ч. Потерями теплоты в окружающую среду пренебречь.

30. Определить коэффициент теплопередачи и тепловой поток на 1 м² при передаче теплоты через стенку от горячего теплоносителя к холодному. Толщина стенки 10 мм, теплопроводность 50 Вт/м·К. Принять: t_Ж1 = 80 °С, t_Ж2 = 50 °С, α₁ = 2400 Вт/м²·К, α₂ = 1300 Вт/м²·К.

31. Определить кратность охлаждения для конденсатора паровой турбины, если пар поступает в конденсатор при давлении 3,5 кПа со степенью сухости 0,92. Повышение температуры охлаждающей воды в конденсаторе 9,5 ºС.

32. В цикл паротурбинной установки (ПТУ) начальные параметры пара 1,6 МПа и 400 ºС, давление в конденсаторе 0,11 МПа. Определить термический КПД и работу 1 кг пара.

33. В цикле ПТУ с промежуточным перегревом пара начальные параметры р₁ = 0,9 МПа и t₁ = 500 ºС. Давление в конденсаторе р₂ = 4 кПа. Промежуточный перегрев пара производится при р_п.п. = 1 МПа до начальной температуры. Определить термический КПД цикла.

34. Сравнить термические КПД циклов ПТУ с двумя регенеративными подогревателями и без регенерации, если начальные параметры обоих циклов р₁ = 3,5 МПа и t₁ = 435 ºС, конечное давление р₂ = 3,5 кПа. Давление отборов р_I = 1 МПа и р_II = 0,12 МПа.

35. По условиям предыдущей задачи определить, как изменится полезная работа с регенерацией по сравнению с работой цикла без регенерации.

36. Теплоэлектроцентраль израсходовала В_ТЭЦ = 94 · 10⁶ кг/год каменного угля с низшей теплотой сгорания Q = 24700 кДж/кг, выработав при этом электроэнергии Э^выр = 61 · 10¹⁰ кДж/год и отпустив тепла внешним потребителям Q^отп = 4,4 · 10¹¹ кДж/год. Определить КПД ТЭЦ брутто по выработке электроэнергии и тепла, если расход топлива на выработку отпущенного тепла составляет В_Q = 23 · 10⁶ кг/год.

37. Теплоэлектроцентраль израсходовала В_ТЭЦ = 72 · 10⁶ кг/год каменного угля с низшей теплотой сгорания Q = 25500 кДж/кг, выработав при этом электроэнергии Э^выр = 48 · 10¹⁰ кДж/кг и отпустив тепла внешним потребителям Q^отп = 3,1 · 10¹¹ кг/год. Определить КПД ТЭЦ брутто по выработке электроэнергии и тепла, если КПД котельной установки .

38. Конденсационная электростанция работает при начальных параметрах пара перед турбинами р₁ = 16 МПа, t₁ = 610 °С и давлением в конденсаторе р_к = 4 · 10³ Па. Определить удельный расход условного топлива на выработку 1 МДж электроэнергии, если КПД котельной установки , КПД теплового потока = 0,965, относительный внутренний КПД турбины = 0,835, механический КПД турбины = 0,98 и электрический КПД генератора = 0,98.

39. Теплоэлектроцентраль израсходовала В_ТЭЦ = 86 · 10⁶ кг/год каменного угля с низшей теплотой сгорания Q = 28300 кДж/кг, выработав при этом электрической энергии Э^выр = 184 · 10⁶ кВт·ч/год. Определить удельные расходы условного топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии и 1 МДж тепла, если расход топлива на выработку отпущенного тепла В_Q = 21,5 · 10⁶ кг/год и КПД ТЭЦ брутто по выработке тепла

40. Определить удельные расходы условного топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии для конденсационной электростанции с двумя турбогенераторами мощностью N= 75 · 10³ кВт каждый и с коэффициентом использования установочной мощности k_и = 0,65, если станция израсходовала В = 576 · 10⁶ кг/год бурого угля с низшей теплотой сгорания Q = 15200 кДж/кг.

41. Конденсационная станция израсходовала В = 720 · 10⁶ кг/год каменного угля с низшей теплотой сгорания Q = 20500 кДж/кг и выработала электроэнергии Э^выр = 184 · 10⁶ кВт·ч/год, израсходовав при этом на собственные нужды 5 % от выработанной электроэнергии. Определить КПД брутто и КПД нетто станции.

42. Теплоэлектроцентраль израсходовала В_ТЭЦ = 92 · 10⁶ кг/год каменного угля с низшей теплотой сгорания Q = 27500 кДж/кг, выработав при этом электроэнергии Э^выр = 64 · 10¹⁰ кДж/год и отпустив тепла внешним потребителям Q^отп = 4,55 · 10¹¹ кг/год. Определить КПД ТЭЦ брутто и нетто по выработке электроэнергии и тепла, если расход электроэнергии на собственные нужды 6 % от выработанной энергии, КПД котельной установки и расход топлива на выработку электроэнергии для собственных нужд В_с.н = 4,5 · 10⁶ кг/год.

43. Конденсационная электростанция работает при начальных параметрах пара перед турбинами р₁ = 8,8 МПа, t₁ = 535 °С и давлением пара в конденсаторе р_к = 4 · 10³ Па. Определить, на сколько повысится КПД станции брутто без учета работы питательных насосов с увеличением начальных параметров пара до 10 МПа и ^оС, если известны КПД котельной установки , КПД трубопроводов = 0,97, относительный внутренний КПД турбины = 0,84, механический КПД турбины = 0,98 и электрический КПД генератора = 0,98.

44. Определить КПД ТЭЦ брутто по выработке электроэнергии и тепла, если удельный расход условного топлива на выработку 1 МДж электроэнергии = 0,108 кг/МДж и удельный расход условного топлива на выработку 1 МДж тепла = 0,042 кг/МДж.

45. Теплоэлектроцентраль израсходовала В_ТЭЦ = 82 · 10⁶ кг/год бурого угля с низшей теплотой сгорания Q = 15800 кДж/кг, выработав при этом электроэнергии Э^выр = 38 · 10¹⁰ кДж/год и отпустив тепла внешним потребителям Q^отп = 3,2 · 10¹¹ кг/год. Определить КПД ТЭЦ нетто по отпуску электроэнергии и тепла, если расход электроэнергии на собственные нужды 8 % от выработанной энергии, расход топлива на выработку электроэнергии для собственных нужд В_с.н = 4,6 · 10⁶ кг/год .

46. В топке котла сжигается топливо, его состав: С^Г = 66%, Н^Г = 5,2%, О^Г = 20,8%, S^Г = 6,9%, А^С = 39%, W^Р = 40%. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,2. Определить состав рабочей массы топлива, высшую и низшую теплоту сгорания, теоретический и действительный объемы воздуха, необходимые для сгорания 1 кг топлива.

47. Определить расход натурального и условного топлива котлом паропроизводительностью 500 кг/c при давлении перегретого пара 14 МПа и температуре перегретого пара 560 ⁰С. Температура питательной воды 215 ⁰С. КПД парогенератора 0,92. Котел работает на каменном угле, теплота сгорания которого 27,4 МДж/кг.

48. Паровая турбина работает с начальным давлением пара 13 МПа, начальной температурой 540 ⁰С, давлением в конденсаторе 4 кПа. Определить эффективную мощность турбины и удельный эффективный расход пара, если расход пара на турбину 187 кг/c, относительный эффективный КПД 0,72.

49. ТЭЦ выработала за год 180 млн. кВт∙ч электроэнергии и отпустила внешним потребителям 4,5 ∙10¹¹ кДж теплоты, израсходовав при этом 90 тыс. т каменного угля с низшей теплотой сгорания 27∙10³ кДж/кг. Определить КПД по выработке электроэнергии и теплоты, приняв КПД котельной установки 0,87.

ПЕРЕЧНЬ ПРИМЕРНЫХ ВОПРОСОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ

ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

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, изотермический и адиабатные 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 h,S-диаграмме. Приведите уравнение для определения теоретической и действительной скоростей исте-

чения.

10. Почему в сходящемся канале нельзя достичь скорости большей, чем местная скорость звука?

11. Что называется абсолютной и относительной влажностью воздуха? Какую температуру называют температурой точки росы? Что такое влагосодержание воздуха и как оно определяется?

12. В чем состоит различие между процессами испарения и кипения?

13. Какой пар называется перегретым и что такое степень перегрева?

14. 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 координатах p,v и T,S 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

p-v, T-S и h-S обратимый адиабатный процесс расширения перегретого пара до состояния сухого насыщенного пара. Дайте необходимые пояснения.

20. Изобразите на диаграммах p-v, T-S и h-S 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 p-v и T-S диаграммах. Отчего зависит к. п.д. этого цикла?

24. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом тепла в p-v и T-S диаграммах. Дайте необходимые пояснения.

25. Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и изобразите цикл работы в координатах p-v и T-S.

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 p-v и T-S 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.

25. Изобразите схему двухконтурной атомной теплоэнергетической установки и объясните принцип ее действия. В чем принципиальные отличия этой установки от обычных паросиловых установок?

31. 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?

32. Как рассчитывается теплопроводность однослойной и многослойной плоской стенки при стационарном режиме? Покажите распределение температур в многослойной плоской стенке.

33. Как рассчитывается теплопроводность однослойной и многослойной цилиндрической стенки? Покажите распределение температур в многослойной цилиндрической стенке.

34. Поясните механизм конвективного теплообмена. Запишите основное уравнение конвективного теплообмена.

35. Дайте определение коэффициенту теплоотдачи. Каковы трудности в его определении?

36. Изложите кратко сущность теории подобия физических процессов. Объясните значение этой теории.

37. Каков общий вид критериальных уравнений конвективного теплообмена? Поясните физический смысл критериев Re, Nu, Pe, Pr, Gr.

38. Опишите процесс теплопередачи через плоскую стенку.

39. В чем различие излучения газов от излучения твердых тел? Возможно ли с помощью одного экрана уменьшить теплообмен в несколько раз?

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ