К вполнению практических работ по дисциплине

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

«ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

по специальностям:

131018 – «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

131016 – «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»

2013 г.

РАССМОТРЕНО на заседании П(Ц)К Нефтепромысловых дисциплин (наименование ПЦК) Председатель П(Ц)К Ситникова О.Н. ______ (ФИО председателя) Протокол №_______ от«___» ________20__ г.

"УТВЕРЖДАЮ" Зам. директора по УР   ______________________Фазлыева Ф.А.. "___"___________ 20____ г.

Организация-разработчик:

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Октябрьский нефтяной колледж им. С.И. Кувыкина» (ГБОУ СПО «ОНК»)

Разработчик: Мастерова О.Ю.

(ФИО)

ВВЕДЕНИЕ

Изучение дисциплины «Основы термодинамики и теплотехники» студентами специальностей 131018, 131003, 131016, предусматривает проведение определённого количества практических работ. В предложенном методическом указании представлены описания практических работ и даны указание для их выполнения, каждая из практических работ содержит общие сведения, исходные данные к выполнению работ, поясняется ход решения задач и предоставляются контрольные вопросы.

Целью данных указаний является оказание помощи студентам в усвоении программного материала по дисциплине «Основы термодинамики и теплотехники» через решение задач. В методических указаниях приводится материал к 8 практическим занятиям. Темы практических занятий соответствуют рабочей программе дисциплины.

Самостоятельное решение задач является необходимым условием успешного изучения курса. Решение задач помогает успешно освоить теоретический материал, понять смысл законов, закрепляет в памяти математические соотношения законов, прививает навыки и формирует умения практического использования теоретических знаний, без которых невозможно ориентироваться в потоке современной научной и технической информации в области разработки и совершенствования компрессоров и двигателей различных конструкций.

Основными целями дисциплины являются:

- изучение термодинамического подхода к рассмотрению реальных процессов;

- выработки навыков анализа реальных тепловых процессов;

В методических указаниях приводятся условия задач по основным разделам рабочей программы, включающей в себя следующие темы: уравнения состояния идеального и реального газов, основы термодинамики, работа одноступенчатого и многоступенчатого компрессоров, тепловые двигатели, основы теплопередачи.

После выполнения задач по разделам, необходимо ответить на предложенные вопросы. При решении задач особое внимание необходимо обращать на единицы измерения величин. Проверка полученной размерности поможет вскрыть допущенные ошибки. Студентам необходимо усвоить основные понятия и определения, уяснить физическую сущность явлений и процессов знать их математическую интерпретацию.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 3

Работа №1 5

« Состав смесей, жидкостей, паров и газов»

« Идеальные газы и основные газовые законы»

Работа №2 13

« Теплоемкость вещества»

Работа №3 17

«Расчет термодинамических процессов изменения

состояния»

Работа №4 21

«Расчет процессов парообразования»

Работа №5 25

«Термодинамические процессы компрессорных машин.

Определение производительности поршневых компрес-

соров, расхода охлаждающей воды и теоретической мощности»

Работа №6 29

« Расчет теоретических циклов ДВС»

Работа №7 33

« Расчет теплообменных аппаратов»

Работа №8 38

« Расчет топлива и процесса его горения»

Перечень рекомендуемых учебных изданий 42

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

ТЕМА: СОСТАВ СМЕСЕЙ, ЖИДКОСТЕЙ, ПАРОВ И ГАЗОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Приобрести навыки в соответствии с ПК 2.1-2.5; ОК1- ОК9.

2. Научить определять массовую концентрацию компонентов,

молярную массу смеси, удельную газовую постоянную.

3. Научить определять мольную концентрацию компонентов,

молярную массу смеси, удельную газовую постоянную.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Одна из важнейших характеристик смеси – ее состав. Состав смеси определяют посредством нахождения массовой или мольной концентрации компонентов, входящих в смесь. Если смесь состоит из массы G₁ кг первого компонента, массы G₂ кг второго компонента, массы G₃ кг третьего компонента и так далее, то массовой концентрацией i -го

компонента называется отношение массы данного компонента G_i к массе всей смеси многокомпонентной термодинамической системы G:

m_i = G_i / G

i=n

G= G₁+ G₂ +G₃ + …..+ G_n = ∑ G_i

I= 1

где i – символ данного компонента

G_i – количество вещества этого компонента в смеси

Сумма всех массовых концентраций компонентов, составляющих смесь, равна единице:

i = n

∑ m_i =1

i = 1

_ _

Если смесь состоит из G₁ молей первого компонента, G₂ молей второго компонента, и т.д., то мольной концентрациейназывается отношение числа

_ _

молей данного компонента G_i к общему числу молей смеси G.

_ _

r_i = G_i / G

_ _ _ _ _ i= n _

G = G₁ + G₂ + G₃ + ….+ G_n = ∑ G_i

i= 1

_

где G_i – количество молей данного i- го компонента

Сумма всех мольных концентраций компонентов, составляющих смесь, равна единице: i = n

∑ r_i =1

i = 1

Отношение массы данного компонента G_i к количеству молей этого

_

компонента G_i характеризует его молярную массу μ_i, а отношение массы

_

всей смеси G к количеству молей смеси G характеризует среднюю молярную массу смеси μ_m .

Расчетные соотношения молярной массы μ_m в зависимости от молярных масс μ_i и концентраций r_i , m_i компонентов

i= n __1___

μ_m = ∑ r_i μ_i = i=n m_i

∑ μ_i

i= 1

Зная среднюю молярную массу смеси μ_m можно определить газовую постояннуюсмеси:

_

R_СМ = R = 8314 Дж/кгК

μ_m μ_m

В условиях невысокого давления газовая смесь и компоненты этой смеси рассматриваются как идеальные газы, подчиняющиеся уравнению Клапейрона. Считается, что такая смесь подчиняется закону диффузного равновесия или закону Дальтона – каждый компонент газовой смеси распространен во всем объеме смеси V и развивает в этом объеме такое парциальное( то есть свое) давление Р_i, какое он развивал бы в нем при температуре смеси Т, без участия других компонентов.

Р_i = r_i / Р_m – парциальное давление Р_i компонента i в равновесной смеси равно произведению мольной концентрации этого компонента i на полное давление смеси Р_m.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ

Работа состоит из двух задач, заданных по 10 вариантам

ЗАДАЧА №1

При сгорании 1 кг природного газа образуются продукты следующего состава, кг. Найти массовые концентрации компонентов газов, составляющих эту смесь, молярную массу смечи и ее удельную газовую постоянную.

Вариант
Продукты сгорания СО2	3,5	1,06	1,4	12,1	6,9	4,9	5,9	2,5	1,9	2,7
СО	2,8	4,8	4,1	17,2	2,4	3,6	8,0	11,9	12,6	7,4
О2	17,5	19,2	4,9	3,8	2,7	1,7	9,1	8,2	7,3	6,4
N2	1,9	2,8	3,7	12,5	15,4	4,6	5,6	6,0	7,8	5,7

3.1 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

1. Смесь состоит из четырех газов и масса каждого из них - G_СО2, G_СО, G_О2 , G_N2.

Доли каждого из газов m₁, m₂, m₃, m₄, определяющие относительный массовый состав ( массовую концентрацию) определяются по формуле:

m_i = G_i / G

где G= G₁+ G₂ +G₃ + G₄ – масса всей смеси, кг

G_i – масса каждого компонента, кг

2. Сумма всех массовых концентраций компонентов, составляющих смесь, равна единице:

i = n

∑ m_i =1

i = 1

3. Определяется молярная масса всей смеси:

__1___

μ_m = i=n m_i

∑ μ_i

i= 1

4. Зная среднюю молярную массу смеси μ_m можно определить газовую постоянную смеси:

_

R_СМ = R = 8314 Дж/кгК

μ_m μ

ЗАДАЧА №2

Определить удельную газовую постоянную смеси, состоящей из азота с приведенным объемом м³ и кислорода с приведенным объемом м³, а также парциальные давления компонентов смеси, если давление смеси в целом равно 0,1 МПа.

Вариант
N2	0,36	0,2	1.4	2,5	0,1	0,8	1,7	1,6	0,4	0,3
О2	1,8	1,6	1,7	0,7	0,6	0,5	0,4	1,4	2,5	2,9

3.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

1. Если смесь состоит из G₁ молей первого компонента, G₂ молей второго компонента, и т.д., то мольной концентрациейназывается отношением числа молей данного компонента G_i к общему числу молей смеси G.

_ _

r_i = G_i / G

_ _ _

где G = G₁ + G₂ – мольный объем смеси

_

G_i – количество молей каждого компонента

2. Сумма всех мольных концентраций компонентов, составляющих смесь, равна единице: i = n

∑ r_i =1

i = 1

3. Определяется мольная масса всей смеси

i= n

μ_m = ∑ r_i μ_i

i= 1

4. Зная среднюю молярную массу смеси μ_m можно определить газовую постоянную смеси:

_

R_СМ = R = 8314 Дж/кгК

μ_m μ

5. Считается, что такая смесь подчиняется закону диффузного равновесия

или закону Дальтона – каждый компонент газовой смеси распространен во всем объеме смеси V и развивает в этом объеме такое парциальное

( то есть свое) давление Р_i, какое он развивал бы в нем при температуре смеси Т, без участия других компонентов:

Р_i = r_i * Р_m

где Р_i – парциальное давление каждого компонента смеси, Па

r_i – мольная концентрация каждого компонента

Р_m – полное давление смеси, Па

6. Оформить отчет о выполнении работы. Отчет должен содержать цель

работы, порядок выполнения работы, выводы, перечень

контрольных вопросов.

7. Ответить на контрольные вопросы, предложенные в методическом указании.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как определяются массовая, мольная концентрации вещества?

2. Что называется чистым веществом?

3. Что называется смесью?

4. Каким уравнением определяется средняя молярная масса вещества?

5. Как определяется молярная масса смеси массовой концентрации?

6. Что такое закон Дальтона? Как определяется парциальное давление компонента смеси?

7. В чем различие схемы смешения в условиях V = const от схемы смешения в условиях Р = const.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Тема: ИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Приобрести навыки в соответствии с ПК 2.1- 2.5; ОК.1-ОК.9.

2.Научить определять любые параметры при любом состоянии

газа и их изменение при изменении этого состояния.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Под идеальным газом понимают газ, молекулы которого не обладают объемом и не взаимодействуют друг с другом. При высоких температурах и низких давлениях реальные газы по свойствам приближаются к идеальным.

Существуют 4 закона, которым подчиняются идеальные газы:

Закон Бойля – Мариотта

при Т = const, pυ = const, где

Т – температура газа в данном состоянии,С⁰

Р – давление газа, Па

υ – удельный объем газа, м³/кг

2. Закон Гей – Люссака

при Р = const, υ/Т = const

Закон Шарля

при υ = const, Р/Т = const

Закон Авогадро

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул.

_

μυ = υ = cons, где

μ – молярная масса газа,

_

υ – мольный объем, постоянная величина для всех газов, равная 22,4

м³/кмоль.

Используя газовые законы, было выведено уравнение газового состояния:

Pυ = mRТ,

где

R – газовая постоянная, Дж/кгК

m – масса газа, кг

или _ _

Рυ = RТ, где

_

R – универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/кмольК

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из трех задач, заданных по 10 вариантам

3.1. ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Вначале необходимо уяснить, какой из параметров газа не изменяется. В зависимости от этого выбирается газовый закон, который имеет место, и записываются соотношения между изменяющимися параметрами. Из этих соотношений определяются неизвестные параметры.

Задача №1

Зная показания барометрического давления, необходимо определить абсолютное давление в сосуде при разных показаниях манометра:

Р_АБС = Р_АТМ + Р_М

Также можно определить изменение плотности газа:

ρ₂= ρ₁ * Р₂Т_2/Р₁Т₁, Т₂/ Т₁= const = > ρ₂ = ρ₁ * Р₂ / Р₁

Задача №2

Определяем высоту, на которую установлен поршень до и после нагревания (h₁ и h₂): V = Sh, где S – площадь поршня S = πd²

Зная высоту подъема поршня после нагревания воздуха, определяем значение V₂ : V₂ = Sh₂

Определяем температуру, до которой должен нагреться воздух по закону Гей – Люссака

Задача №3

Используя уравнение газового состояния Pυ = mRТ, определяем массу кислорода до и после отбора из баллона (m₁ и m₂) = > определяем массу израсходованного кислорода: ∆m = m₁ - m₂

4.ЗАДАНИЯ ПО ВАРИАНТАМ

ЗАДАЧА №1

Во сколько раз изменится плотность газа в сосуде, если при постоянной температуре показания манометра изменится от Р₁ до Р₂.

Барометрическое давление принять 0,1 МПа.

Вариант
Р1, МПа	1.8	1.5	2.0	2.4	3.0	0.6	0.4	0.5	1.5	0.2
Р2, МПа	0.3	0.5	0.5	0.4	0.6	3.0	2.0	3.5	4.5	1.8

ЗАДАЧА №2

В цилиндре диаметром d содержится Vм³ воздуха при давлении Р и t₁. До какой температуры должен нагреваться воздух при постоянном давлении, чтобы движущийся без трения поршень поднялся на h метров?

Вариант
d, м	0.6	0.5	0.4	0.35	0.3	0.25	0.75	0.65	0.55	0.2
V,м3	0.41	0.35	0.32	0.3	0.3	0.4	0.8	0.45	0.35	0.25
Р, МПа	0.25	0.22	0.2	0.2	0.18	0.15	0.3	0.32	0.35	0.4
t1, 0С
h,м	0.4	0.5	0.6	0.6	0.5	0.4	0.2	0.4	0.35	0.4

ЗАДАЧА №3

Баллон с кислородом емкостью V (л) находится под давлением Р₁ и температурой t₁. После израсходования части кислорода давление понизилось до Р₂, а температура упала до t_2. Определить массу израсходованного кислорода?

Вариант
V, л
Р1,МПа	0.2	0.3	0.25	0.15	0.18	0.14	0.18	0.12	0.2	0.14
t1,0С
Р2,МПа	0,15	0,22	0,19	0,11	0,16	0,09	0,096	0,1	0,13	0,1
t2,0С

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется рабочим телом в термодинамике?

2. Каковые основные параметры газового состояния?

3. Какова размерность основных параметров газового состояния?

4. Как определяется абсолютная температура газа?

5. Как определяется абсолютное давление газа?

6. Сформулируйте законы идеальных газов?

7. Каково численное значение и размерность универсальной газовой постоянной?

8. При каких условиях реальный газ приближается по своим свойствам к идеальному?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

Тема: ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Приобрести навыки в соответствии с ПК 2.1- 2.5; ОК.1-ОК.9.

2. Научить пользоваться таблицами теплоемкостей

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо сообщить телу, чтобы повысить его температуру а один градус.

В расчетах чаще используют удельную теплоемкость. Это количество теплоты, необходимое для нагревания единицы количества вещества на один градус. Единицей количества вещества может быть 1 кг, 1 кмоль, 1м³. Поэтому теплоемкость может быть:

- массовой (С),

- мольной (μС)

- объемной (С¹)

Единицы измерения каждого из видов удельной теплоемкости следующие:

С – кДж/кгК

μС- кДж/кмольК

С¹ – кДж/м³К

Теплоемкость реального газа зависит от давления и температуры, теплоемкость идеального – только от температуры. По этому признаку различают истинную и среднюю теплоемкости.

Теплоемкость, соответствующая определенной температуре, называется истиной.Средняя теплоемкость берется в рассматриваемом интервале температур. В записи эти теплоемкости имеют разницу:

- средняя теплоемкость обозначается буквой С с индексом m - С_m

Теплоемкость зависит от характера процесса. Особое значение имеют теплоемкости газа при постоянном давлении (С_Р – изобарная) и постоянном объеме ( С_υ – изохорная).

Изобарная теплоемкость больше изохорной, так как в изохорном процессе теплота затрачивается только на повышение температуры, а в изобарном – на повышение температуры и совершение внешней термодинамической работы:

С_Р - С_υ = R – удельная газовая постоянная, кДж/кгК

_

μС_Р - μС_υ = R – универсальная газовая постоянная

_

R = 8314 Дж/кмольК

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из 3-х задач, заданных по 10 вариантам

4.ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАЧА №1

Определить массовую и объемную теплоемкости для газа при постоянном объеме и постоянном давлении, считая С =const.

Вариант
Газ	О2	N2	СО	Н2	СО2	Н2О	SО2	воздух	О2	СО2

4.1 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Необходимо обратить внимание на заданную в задаче зависимость теплоемкости от температуры:

Теплоемкость в процессе постоянная С = const. При решении задачи пользуемся (Приложением 1), где указаны мольные изохорные и изобарные теплоемкости для различных газов. Используя соотношение, находим массовую и объемную теплоемкости:

С = μС = 22,4; С¹= μС

μ 22,4

где

С – массовая теплоемкость

μС – мольная теплоемкость

С¹ –объемная теплоемкость, находят необходимую теплоемкость для

решения задачи.

ЗАДАЧА №2

Определить среднюю массовую и среднюю мольную теплоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме в пределах температур от t₁ до t₂, считая ее зависимость от температуры нелинейной.

Вариант
Газ	О2	N2	СО	Н2	СО2	Н2О	SО2	воздух	О2	СО2
t10С
t20С

4.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ - см. п. В.

ЗАДАЧА №3

Вещество в количестве V м³ при давлении Р и температуре t₁,⁰С нагревается при постоянном давлении до t₂,⁰С.

Определить количество подведенной к веществу теплоты, считая зависимость теплоемкости от температуры линейной.

Вариант
Газ	О2	N2	СО	воздух	пар	SО2	Н2	СО2	N2	О2
V, м3
t1,0С
t2,0С
Р, МПа	0,3	0,8	0,7	0,5	0,6	0,9	0,4	0,3	0,7	0,2

4.3 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Зависимость теплоемкости от температуры по условию задачи -линейная. При решении задачи пользуемся таблицей (Приложение 3) для определения различных видов теплоемкостей. В каждой из этих формул t - есть сумма начальной и конечной температур в процессе.

Если необходимо определить количество теплоты в процессе, используют формулу:

С_Р(υ) = М* С_Р(υ) *(t₂ – t₁), где

С_Р(υ) – изобарная (изохорная) массовая теплоемкость для процесса

При решении задач также используют уравнение газового состояния:

Р₁V₁ = МRТ_1,

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие теплоемкости называются массовыми, объемными и

мольными? Как они определяются?

2. От какого параметра зависит теплоемкость идеального газа?

3. Каково различие между истинной и средней теплоемкостями тела?

4. Как определить теплоемкость смеси?

5. Почему изобарная теплоемкость больше, чем изохорная?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

ТЕМА: РАСЧЕТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ

СОСТОЯНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Приобрести навыки в соответствии с ПК 2.1- 2.5; ОК.1-ОК.9.

2. Научить рассчитывать начальные и конечные параметры любого

термодинамического процесса.

3. Научить строить диаграммы процессов в координатах Р – υ.

4. Научить определять количество подведенной и отведенной теплоты,

изменение внутренней энергии, совершенную работу.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Вопросы о том, как изменяются параметры газа в процессе, какое количество тепла к нему подводится, сколько работы совершает газ при этом, являются основными при рассмотрении преобразования тепла в работу.

Ряд задач в теплотехнике очень легко решаются графически, поэтому кроме аналитического изучения процессов следует исследовать их в применяемых в термодинамике диаграммах.

Изучение процессов изменения состояния газа начинают с частных случаев изменения состояния. Среди частных процессов:

1. процесс, происходящий при постоянном давлении - изохорный

2. процесс, происходящий при постоянном давлении - изобарный

3. процесс, происходящий при постоянной температуре - изотер-

мический

4. процесс, происходящий без внешнего теплообмена - адиа-

батный

5. обобщающий процесс - политропный, по отношению к которому все

четыре предыдущих процесса являются частными случаями.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из 4-х задач, заданных по 10 вариантам

3.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Для задачи №1:

- постоянный объем

- начальные давления и температура

- конечная температура

Для задачи №2:

- конечный объем

- количество подведенной теплоты

Для задачи №3:

-начальное давление

- постоянная температура

- совершенная работа

Для задачи №4:

- начальные удельный объем и давление

- степень расширения

Определить все параметры, подведенную или отведенную теплоту в процессе, совершенную работу, изменение внутренней энергии

3.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Решение задач заключается в расчете термодинамических процессов - изохорного ( V = const), изобарного (P = const), изотермического (T = const) и адиабатного (q = const).

Зависимость между начальными и конечными параметрами в этих процессах выражается:

1. Р₁/ Р₂ = Т₁/ Т₂ – для изохорного процесса

2. υ₁/ Т₁ = υ₂/ Т₂ – для изобарного процесса

3. Р₁/Р₂ = υ₂/ υ₁ - для изотермического процесса

4. Р₂/Р₁ = ( υ₁/ υ₂)^К

Т₂/ Т₁ = ( υ₁/υ₂)^К-1

Т₂/ Т₁ = (Р₂/Р₁)^К-1/К – для адиабатного процесса, где К – показатель адиабаты

Определение неизвестных параметров, массы газа m (кг), количества теплоты Q, изменения внутренней энергии ∆U, совершенной газом работы L, определяются по следующим формулам:

1. Q_V = ∆U= q_V* m = mС_Vm( t₂ – t₁), для V = const, где

С_Vm – средняя изохорная теплоемкость ( табл. 3,4,5, стр. 38, 40,41, табл. Х111 стр. 318 – 323(2)

2. Q_Р = m С_Рm( t₂ – t₁)

L = mR( t₂ – t₁), для Р = const, где

С_Рm – средняя изобарная теплоемкость

3. Q = L, так как ∆U =0

L = Р₁υ₁*ln υ₂/υ₁ =Р₁υ₁* ln Р₁/Р₂ = RТ*ln υ₂/υ₁ = 2,3 RT*lg Р₁/Р₂ – для изотермического процесса

4. ∆U = - L, так как Q =0 для адиабатного процесса

L = 1 (Р₁υ₁ – Р₂υ₂)

К – 1

L = Р₁υ₁ [1 – [ υ₁]^К-1 ]

К- 1 υ₂

L = Р₁υ₁[ 1 - [ Р₂]^К-1/К

К -1 Р₁

L = mR (Т₁ – Т₂), где К – показатель адиабаты, для воздуха К= 1,4

4.ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАЧА №1

Сосуд объемом V заполнен кислородом при давлении Р₁. Определить конечное давление кислорода и количество сообщенной ему теплоты, если начальная температура кислорода t₁, а конечная – t₂. Теплоемкость кислорода считать постоянной.

Вариант
V, л
Р1, МПа	12,5	13,0		8,5	0,8	0,7	0,4	0,2	0,6	0,55
t1, 0С
t2, 0С

ЗАДАЧА №2

Начальный объем воздуха V₁ с начальной температурой t₁ расширяется при постоянном давлении до объема V₂ вследствие сообщения ему теплоты Q.

Определить конечную температуру t₂, давление газа Р в процессе и работу расширения L.

Вариант
V1, м3			0,12	0,05				2,5		1,5
t1, 0С
V2, м3		1,5	0,87	0,10		4,5	7,0	5,0	6,0	3,0
Q, кДж

ЗАДАЧА №3

Для осуществления изотермического сжатия m кг воздуха при давлении Р₁ и температуре t ⁰С затрачена работа L кДж. Найти давление Р₂ сжатого воздуха и количество теплоты Q, которое необходимо при этом отвести от газа.

Вариант
m, кг	0,8	0,5	1,2	1,5	2,0	3,5	0,5	1,0	0,05	0,1
Р1, МПа	0,1	0,3	0,5	0,6	0,65	0,5	0,5	0,1	1,0	1,2
t, 0С
L, кДж

ЗАДАЧА №4

1 кг воздуха, занимающий объем V₁ при давлении Р₁ расширяется в n раз. Определить конечное давление Р₂ и работу L, совершенную воздухом в адиабатном процессе.

Вариант
υ1, м3/кг	0,08	0,18	0,8	0,34	0,5	0,37	0,48	0,85	0,09	0,01
Р1, МПа	1,0	0,8	0,7	0,09	0,1	0,095	0,15	0,5	1,1	0,1
n

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные термодинамические процессы.

2. При каких условиях происходят основные термодинамические процессы?

3. В каком соотношении находятся параметры состояния в основных термодинамических процессах?

4. Как изображаются графически в координатах Р- υ основные термодинамические процессы?

5. Почему в изохорном и изобарном процессах с подводом теплоты температура повышается, а с отводом – понижается?

6. В каком термодинамическом процессе внешняя и внутренняя работы равны?

7. Какой термодинамический процесс называют политропным?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4

ТЕМА: РАСЧЕТ ПРОЦЕСОВ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Так же, как для газов, существуют основные процессы изменения состояния водяного пара – изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, диаграммы которых изображаются в координатах Р – υ,Т- s, h- s.

В процессе парообразования пар пребывает в различных состояниях в зависимости от давления и температуры:

1. влажный насыщенный пар, то есть, часть влаги и часть пара, содержание которого определяется степенью сухости Х, при температуре насыщения ( кипения) t_S

2. сухой насыщенный пар, то есть 100% пара при t_S

3. перегретый пар, то есть пар при температуре выше температуры насыщения (кипения) t_S

Состояние влажного насыщенного пара определяется его давлением, температурой и степенью сухости Х. Значение Х = 0 соответствует воде в состоянии кипения, а Х =1- сухому насыщенному пару.

Удельный объем влажного пара зависит от давления и степени сухости и определяется из уравнения:

υх = υх¹¹ + ( 1- х)υ¹, откуда х = υх – υ¹/υ¹¹ – υ¹

Состояние сухого пара определяется его давлением и температурой.

Параметры состояния пара можно определить, пользуясь таблицами Х11, Х1V и ХV (2), стр. 324 – 336. Кроме того, для определения параметров состояния водяного пара пользуются диаграммой в координатах h – s, имеющей большую ценность при решении практических задач.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научить:

1. При помощи диаграммы h – s определять параметры пара, их изменение при изменении состояния пара

2. Определять для процессов парообразования количество затраченной теплоты, изменение внутренней энергии, совершенную работу

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из трех задач, заданных по 10 вариантам

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

- начальные и конечные параметры состояния пара

- степень сухости пара

Определить неизвестные параметры состояния пара ( в зависимости от условия задачи), количество подведенной или отведенной в процессе теплоты, изменение внутренней энергии, совершенную работу.

3.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Процесс перехода насыщенного пара в перегретый, осуществляется при постоянном давлении. Начальная точка процесса 1 образуется пересечением изобары со значением Р на диаграмме в координатах h – s и линии постоянной степени сухости Х. Проектируя полученную точку на ось ординат, находим значение энтальпии h₁ в кДж/кг. Затем, перемещаясь по изобаре со значением Р до пересечения с изотермой значения t₂, находим конечную точку процесса 2.

Проектируя эту точку на ось ординат, находим энтальпию конечной точки процесса h₂.

Аналогично находим удельные объемы начального и конечного состояний, т. е. проводим изохоры через найденные точки процесса ( более пологие линии). Их значения нанесены на диаграмму h – s в ее верхней части.

Количество подведенного тепла q, определяем:

q = h₂ – h₁, кДж/кг,

Изменение внутренней энергии ∆U, определяем:

∆U = U₂ – U₁ = ( h₂ – Рυ₂) – ( h₁ – Рυ₁), кДж/кг

Задача 2. По заданным параметрам находим точку1, т.е. ищем точку пересечения изобары Р₁ и степени сухости Х. Проектируя ее на ось ординат, находим значение энтальпии h₁. По изохоре, проходящей через начальную точку, находим υ₁, поднимаясь по ней до ее значения. Чтобы найти конечную точку 2, надо переместиться по изохоре со значением υ₁, до заданной конечной температуры t₂. Значения температур нанесены на правой стороне диаграммы. Проектируя полученную точку на ось ординат, получим ось h₂. Значение Р₂ находим по пересекающей точку 2 изобаре.

Количество подведенного тепла для изохорного процесса:

q = ∆U = ( h₂ – Р₂υ2) – ( h₁ – Р₁υ₁), кДж/кг

Работа в процессе L = 0

Задача 3. По начальным параметрам находим точку 1, полученную в результате пересечения изобары со значением Р₁ и изотермы со значением t₁.

Проектируя ее на ось ординат, находим значение h₁. Изохора, проходящая через найденную точку, соответствует объему υ₁. Так как изменение энтропии в h – s координатах адиабата изображается вертикалй прямой. Поэтому из точки 1 проводим вертикальную линию до пересечения с изобарой Р₂. далее находим в этой точке значения энтальпии h₂, степени сухости Х₂, объем пара υ₂, конечную температуру t₂.

4.ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАЧА №1

Пар из котла при абсолютном давлении Р и степени сухости Х поступает в пароперегреватель, в котором ему сообщается дополнительное тепло при неизменном давлении, а температура пара повышается до значения t₂. Определить количество тепла, сообщенное 1 кг пара, и изменение внутренней энергии при помощи диаграммы h – s.

Вариант
Р,МПа	1,6	1,5	1,0	1,2	1,3	0,9	1,4	1,1	1,7	0,8
Х	0,97	0,95	0,9	1,0	0,9	0,87	0,95	0,85	0,85	0,88
t2, 0С

ЗАДАЧА №2

Начальное состояние пара характеризуется параметрами Р₁ и Х. Какое количество тепла необходимо подвести к пару при постоянном объеме, чтобы температура газа возросла до t₂.

Вариант
Р1, МПА	1,0	0,8	0,9	1.1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7
Х	0,85	0,9	0,97	0,95	0,87	0,95	0,85	0,88	0,98	0,8
t2, 0С

ЗАДАЧА №3

Перегретый пар давлением Р₁ и температурой t₁ адиабатно расширяется до давления Р₂. Определить начальный и конечный удельные объемы υ₁ и υ₂, начальную и конечную энтальпии h₁ и h₂, степень сухости пара в конце процесса Х₂, работу L и изменение внутренней энергии ∆U.

Вариант
Р1,Мпа	3,2	3,0	3,4	4,0	4,2	2,8	2,6	2,4	2,2	2,0
Р2, МПа	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	0,1	0,15	0,2	0,3	0,5
t1,0С

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В каких состояниях может находиться водяной пар?

2. Как изменится температура насыщенного водяного пара при изменении давления?

3. Как изменяется теплота парообразования при повышении давления?

4. Чем характеризуется критическое состояние воды?

5. При каких состояниях водяной пар по свойствам приближается к идеальному газу?

6. Какие параметры приводятся в таблицах насыщенного и перегретого пара?

7. Как изображаются основные термодинамические процессы пара в координатах h – s?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5

ТЕМА: ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ, РАСХОДА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В промышленности широко используется энергия сжатого газа. Для сжатия газов и паров используются компрессорные машины.

По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные( поршневые и винтовые), лопаточные (центробежные и осевые) и ротационные.

При расчете термодинамических процессов компрессоров бывает необходимо определить производительность компрессора, параметры газа (давление и температуру) на выходе из компрессора, работу и мощность, расходуемые на сжатие газа.

Производительность компрессоров объемного типа зависит от рабочих полостей и периодичности их заполнения и опорожнения. Производительность лопаточных компрессоров определяется размерами рабочих колес и частотой вращения ротора. Давление, развиваемое поршневым компрессором, может быть сколько угодно высоким, но оно ограничивается температурой газа в конце сжатия. Поэтому для получения высоких давлений в конце сжатия используются многоступенчатые компрессоры. Максимальное значение ступеней сжатия может достигать шести.

Полезная мощность, развиваемая компрессором, определяется работой, затраченной на сжатие единицы массы газа и его производительностью.

В теоретическом процессе компрессорных машин осуществляется или изотермическое, или адиабатное, или политропное сжатие.

Работа компрессора при изотермическом сжатии минимальна.

В практической работе предлагается произвести расчет одно- и многоступенчатого компрессоров.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научить:

1. Определять рабочие параметры компрессора

2. Работу и мощность, расходуемую на сжатие

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из двух задач, заданных по 10 вариантам

3.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

- производительность компрессора

- начальные и конечные параметры предела сжатия

- вид термодинамического процесса сжатия

Определить:

- неизвестные конечные параметры сжатия

- объем сжатого воздуха

- работу и мощность, расходуемую на сжатие

3.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Неизвестные параметры процесса сжатия в компрессоре (давление, температура) определяются, исходя из тех соотношений между изменяющимися параметрами, которые используются для различных термодинамических процессов и в зависимости от того процесса, по которому происходит сжатие газа – изотермическому, адиабатному, политропному.

Работа компрессорапри:

- изотермическом сжатии – L = Р₁υ₁* ln Р₂/Р₁, МДж/ч

- адиабатном сжатии – L = К * Р₁υ₁ [ (Р₂) ^К-1/К - 1], МДж/ч

К-1 Р₁

- политропном сжатии – L = n * Р₁υ₁ [ (Р₂)^{n – 1/n} - 1], МДж/ч

n – 1 Р₁

υ₁ – объем всасываемого газа, м³/ч

Р₁ и Р₂ – давление газа до и после сжатия, Па

Теоретическая мощностьопределяется по формуле:

N = L , кВт

1000* 3600

Теплота, отводимая с охлаждающей водой, определяется:

- при изотермическом сжатии Q = L, МДж/ч

- при политропном сжатии Q = m С_υm к – n (t₂ – t₁), кДж/ч, где

n – 1

m – масса газа, определяемая из уравнения газового состояния

Расход охлаждающей воды. определяется:

М = Q/ С_ВОДЫ * ∆t, кг/ч, где

С_ВОДЫ – теплоемкость воды, равна 4,19 кДж/кг

Для многоступенчатого компрессора при определении давлений в конце сжатия в каждой ступени, сначала определяется степень повышения давления Х:

Х = m______

√ Р_К/ Р₁ , где

Р_К – конечное давление газа в компрессоре, Па

Р₁ - давление в начале сжатия в компрессоре, Па

m – количество ступеней

Работа многоступенчатого компрессора определяется:

L_m = m* L, где m – количество ступеней

4.ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАЧА №1

Компрессор всасывает υ₁ м³/ч воздуха при давлении Р₁ и температуре t₁⁰С и сжимает его до Р₂.

Определить:

- температуру сжатого воздуха при выходе из компрессора t₂

- объем сжатого воздуха υ₂

- работу и мощность, расходуемые на сжатие воздуха, L и N

Расчет произвести для изотермического, адиабатного и политропного сжатия. Показатель политропы принять n = 1,3

Вариант
υ1, м3/ч
Р1,МПа	0,1	0,09	0,1	0,09	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,09
t1, 0С
Р2,МПа	1,2	0,8	0,8	0,6	0,8	0,7	0,9	2,4	1,4	2,2

ЗАДАЧА №2

Трехступенчатый компрессор всасывает υ₁ м³/ч воздуха при Р₁ и t₁, и сжимает его адиабатно до Р₂. Определить производительность компрессора по сжатому воздуху υ_СЖ и работу, затраченную на сжатие L.

Вариант
υ1, м3/ч
Р1,МПа	0,08	0,09	0,1	0,09	0,1	0,08	0,1	0,08	0,1	0,1
t1, 0С
Р2,МПа						6,5	4,2			8,5

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие процессы и в какой последовательности совершаются в поршневом компрессоре?

2. Что такое коэффициент подачи компрессора, и от каких параметров он зависит?

3. Как определить теоретическую мощность компрессора?

4. В каких случаях применяются многоступенчатые компрессоры?

5. Как определить степень повышения давления в компрессоре?

6. Как работают центробежные и осевые компрессоры?

7. Как определяется относительный КПД компрессора?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6

ТЕМА: РАСЧЕТ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ДВС

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Двигателями внутреннего сгорания называются поршневые тепловые машины, предназначенные для преобразования тепловой энергии топлива, сгорающего внутри рабочего цилиндра, в механическую энергию. ДВС широко применяются в нефтеперерабатывающей промышленности. Под теоретическим циклом ДВС понимают замкнутый процесс изменения состояния рабочего тела, в результате которого происходит превращение тепловой энергии в механическую. Для термодинамического анализа циклов ДВС в качестве рабочего тела применяют идеальный газ, количество которого в любой момент остается постоянным, а все процессы цикла – являются обратимыми. Циклы ДВС различают по характерному признаку процесса, в течении которого к рабочему телу подводится теплота:

- цикл с подводом тепла при постоянном объеме;

- цикл с подводом тепла при постоянном давлении;

- цикл со смешанным подводом тепла;

В работе необходимо проанализировать цикл, рассчитав параметры рабочего тела в характерных точках цикла и термический КПД.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научить:

1. Определять параметры рабочего тела в характерных точках цикла

2. Определять термический КПД цикла

3. Строить диаграммы циклов ДВС в координатах Р – υ, Т –s.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Работа состоит из трех задач, заданных по 10 вариантам

3.1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

- начальные и промежуточные параметры циклов

- степени сжатия, предварительного расширения, повышения

давления

- размеры цилиндра двигателя

Определить:

- неизвестные параметры цикла

- термический КПД цикла

Построить:

- диаграммы циклов в координатах Р – υ, Т –s

3.2 ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

В решении задачи №1 анализу подвергается цикл Отто – цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме. Он состоит из двух адиабат и двух изохор.

Характеристиками цикла являются:

ε = υ₁/υ₂ – степень сжатия

λ = Р₃/Р₂ – степень повышения давления

q₁ = С_υ(Т₃ – Т₂) – количество подведенной теплоты, кДж/кг

q₂ = С_υ(Т₄ – Т₁) – количество отведенной теплоты, кДж/кг

L = q₁ – q₂ – работа цикла, кДж/кг

η_t = 1 – 1 - термический КПД цикла

ε^К-1

Задача №2 анализу подвергается цикл Дизеля - цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Он состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры.

Характеристиками цикла являются:

ε = υ₁/υ₂ – степень сжатия

ρ = υ₃/υ₂ – степень предварительного расширения

q₁ = С_Р(Т₃ – Т₂) – количество подведенной теплоты, кДж/кг

q₂ = С_υ(Т₄ – Т₁) – количество отведенной теплоты, кДж/кг

L = q₁ – q₂ – работа цикла, кДж/кг

η_t = 1 – 1 * ρ^К-1 - термический КПД цикла

ε^К-1 к( ρ -1)

Задача №3 анализу подвергается смешанный цикл – цикл Тринклера, который состоит из двух адиабат, двух изохор и одной изобары.

Характеристиками цикла являются:

ε = υ₁/υ₂ – степень сжатия

λ = Р₃/Р₂ – степень повышения давления

ρ = υ₄/υ₃ – степень предварительного расширения

q₁ = С_υ(Т₃ – Т₂) + С_Р(Т₄ – Т₃) – количество подведенной теплоты, кДж/кг

q₂ = С_υ(Т₅ – Т₁) – количество отведенной теплоты, кДж/кг

L = q₁ – q₂ – работа цикла, кДж/кг

η_t = 1 – 1 * λρ^К -1 - термический КПД цикла

ε^К-1 λ -1 – Кλ(ρ – 1)

Зависимость теплоемкости от температуры принять постоянной. В