Методические указания к выполнению контрольной работы

Контрольная работа выполняется по вариантам. Каждый вариант содержит два теоретических вопроса и пять задач. Студент, выполняет тот вариант, который соответствует последним двум цифрам его шифра, а данные выбирает по последней цифре шифра.

При выполнении контрольной работы должны быть выполнены следующие требования:

1. Контрольная работа выполняется после изучения всего теоретического материала

2. Ответы на теоретические вопросы и решение каждой задачи нужно начать с новой страницы

3. Если в данных для решения задач размерность не в единицах СИ, то в условии необходимо сделать их соответствующий пересчет

4. Отчет на теоретические вопросы рекомендуется выполнять кратко, полностью переписывая лишь точные формулировки и законы

5. Если к задаче прилагается схема или рисунок, их необходимо выполнять аккуратно карандашом с нанесением необходимых размеров и данных

6. В конце контрольной работы дается список использованной литературы

7. После списка литературы следует оставлять 1-2 страницы чистыми для написания рецензии.

8. Если студент выполняет не свой вариант, работа возвращается без проверки

Методические указания к решению задач

К задаче 1 Для расчета используйте следующую таблицу( формулы для расчета массовой и мольной концентрации компонентов):

Задание состава смеси	Перевод из одного состава в другой	Плотность, удельный объем смеси	Кажущая молекулярная масса смеси	Газовая постоянная смеси	Парциальное давление
Массовые доли	mi ri = μi n mi ∑ μi i	υСМ = n mi ∑ ρi i   ρСМ = 1____ n mi ∑ ρi i	μСМ = n ∑ riμi i	RСМ= n ∑ miRi i	Рi=mi Ri *Р RСМ

где -m_i - массовая доля компонентов смеси;

r_i - объемная доля компонентов смеси;

μ_i – молекулярная масса компонента;

ρ_i – плотность компонента, кг/м³;

R_i – газовая постоянная компонента Дж/кгК

Р- давление смеси, Па;

С_Сmi – средняя массовая изобарная теплоемкость, кДж/кгК;

Т – температура смеси, К.

К задаче 2Для расчета воспользуйтесь формулами для определения работы для разных процессов сжатия.

1. W_1-2 = Р₁V₁ℓn Р₁ = mRТℓn Р₁ – для изотермического сжатия (1)

Р₂ Р₂

2. W_1-2 = k Р₁V₁ [( Р₂/Р₁)^К-1/К – 1 ] = k * mRТ [( Р₂/Р₁)^К-1/К ]- для

k -1 k -1 адиабатного

сжатия (2)

3. W = n Р₁V₁ [ ( Р₂/Р₁)^n-1/n – 1 ] = n * mRТ [ (Р₂/Р₁)^{n -1/n} ]- для

n -1 n -1 политропного

сжатия (3)

Используя уравнения газового состояния РV= mRТ. Далее определите мощность N, исходя из определения мощности.

Проверкой правильности решения является то, что:

W_{ИЗОТЕРМ} < W_ПОЛИТР < W_{АДИАБАТН}

где Р- давление, Па

V – удельный объем, М³/кг

R – удельная газовая постоянная Дж/кгК

Т – абсолютная температура, К

m– масса вещества, кг

k – показатель адиабаты

n – показатель политропы

К задаче 3 При решении используйте диаграмму водяного пара h-s,

( Приложение 1).

Для определения термического КПД цикла η_t и удельного расхода пара d_о, необходимо определить совершенную работу и количество подведенной теплоты q_i.

Исходя из первого начала термодинамики, совершенная работа расширения в турбине равна:

W_1-2 = h₁ – h₂ (4)

где h₁- удельная энтальпия в начале распределения, на входе в турбину,

кДж/кг;

h₂ – удельная энтальпия в конце распределения, на выходе из

турбины, кДж/кг;

h₁ – определяется по диаграмме h-s в точке пересечения изобары Р₁ и

изотермы t, h₂, в точке пересечения адиабаты и изобары Р₂.

Подведенная теплота:

q₁= h₁- h_К (5)

где h_К – энтальпия кипящего конденсата, которую необходимо

определить как h, используя диаграмму водяного пара h-s

( Приложение 1), по известному давлению, кДж/кг

Для изменившихся параметров порядок расчета тот же.

К задаче 4 Для определения температур поверхности стенки воспользуйтесь законом Ньютона –Рихмана:

q = α ( t₁- t₂), Вт/м^{2 0}С (6)

где t₁ – температура источника тепла ( стенки окружающей среды), ⁰С;

t₂ – температура приемника тепла (стенки или окружающей среды),

⁰С;

α_1,2 - коэффициенты теплоотдачи от здания в помещении к стенке и

от стенки к наружному воздуху соответственно, Вт/м^{2 0}С.

К задаче 5 Для решения воспользуйтесь формулой:

N_С = Р_еV_hn * 2 Z

10³* 60 i (7)

где Р_е – среднее эффективное давление, МПа;

V_h – рабочий объем цилиндра, м³;

n – частота вращения коленчатого вала, об/мин;

i - число тактов;

Z – число цилиндров.

Примеры решения задач

Пример 1

Атмосферный воздух имеет примерно следующий массовый состав:

m_О2 = 23,2%, m_N2 = 6,8%. Определите объемный состав воздуха, его газовую постоянную, молекулярную массу, давление кислорода, плотность смеси.

Решение:

1. Объемный состав:

m_о223,2

r_о2= μ_о2 32________ = 0,21

n m_i = 23,2 + 76,8

∑ μ_i 32 28,02

i

m_N276,8

r_N2= μ_N2 = 28,02________ = 0,79

n m_i23,2 + 76,8

∑ μ_i 32 28,02

I

2. Газовая постоянная смеси:

R_СМ = = n

∑ m_i R_i = m_о2 R_о2 + m_N2 R_N2 = 0,232* 260 + 0,768* 295 = 287 кДж/кг⁰С

I

3. Молекулярная масса смеси:

μ_СМ = n

∑ r_i μ_i = r_о2μ_о2 +r_N2μ_N2 = 0,4*32 + 0,79* 28,02 = 28,9

i

4. Давление кислорода:

Р_i = r_i Р_Х

Р_о2 = r_о2 Р_ВОЗД = 0,21* 101325 = 21278 Па

5. Плотность смеси:

ρ_СМ = n

∑ ρ_i r_i = ρ_о2 r_о2 + ρ_N2 r_N2 = 1,429*0,21 + 1,251* 0,79 = 0,3 + 0,988=1,288кг/м³

Пример 2

Компрессор, всасывает 100 м³/ч воздуха при давлении Р₁= 0,1 МПа и температуре t₁= 27⁰С. Конечное давление воздуха составляет 0,8 МПа.

Найдите теоретическую мощность двигателя для привода компрессора. Расчет произвести для изотермического, адиабатного и политропного сжатия. Показатель политропы равен 1,2.

Решение:

1. Изотермическое сжатие:

а) Работа:

W_1-2 = Р₁V₁ℓn Р₂ = 0,1* 10⁶*100ℓn8 = 20,8 МДж

Р₁

б) Теоретическая мощность двигателя:

N_ИЗ = W______ = 20,8*10⁶ = 5,8 кВТ

1000*3600 1000*3600

в) Объем воздуха в конце сжатия:

Р₁ = V₂ => V_2ИЗ = Р₁V₁ = 0,1*10⁶*100 = 1,25 м³

Р₂ V₁ Р₂ 0,8*10⁶

2. Адиабатное сжатие:

а) Работа:

W_1-2 = k Р₁V₁ [( Р₂/Р₁)^К-1/К – 1 ] = 1,4 *0,1*10⁶*100( 8^0,4/1,4 -1) = 28,4 МДж

k -1 0,4

б) Теоретическая мощность двигателя:

N_ИЗ = W_1-2______ = 28,4*10⁶ = 7,9 кВТ

1000*3600 1000*3600

в) Объем воздуха в конце сжатия:

Р₂/Р₁ = (V₁/V₂)^К => V_2АД = Р₁V₁^К = 0,1*10⁶*100^1,4 = 78,86 м³

Р₂ 0,8*10⁶

3. Политропное сжатие:

а) Работа:

W = n Р₁V₁ [ ( Р₂/Р₁)^n-1/n – 1 ] = 1,2 *0,1*10⁶*100( 81^0,2/1,2 -1) = 24,8 МДж

n -1 0,2

б) Теоретическая мощность двигателя:

N_ПОЛ = W_1-2______ = 24,8*10⁶ = 6,9 кВТ

1000*3600 1000*3600

в) Объем воздуха в конце сжатия:

Р₂/Р₁ = (V₁/V₂)ⁿ => V_2ПОЛ = Р₁V₁ⁿ = 0,1*10⁶*100^1,2 = 31,4 м³

Р₂ 0,8*10⁶

2 2¹¹

Пример 3

Паросиловая установка состоит из турбины мощностью N=10000 кВт, работающей при начальных параметрах Р₁ =88_АТМ и t₁= 480⁰С. Давление в конденсаторе составляет Р₂= 0,04 _АТМ. Определите удельный КПД = η_t.

Решение:

1. Удельный расход пара:

d_О = 3600

h₁-h₂, кг/кВт*ч

d_О = 3600_______ = 3600 = 23,9 кг/кВт*ч

360,34 – 2100 150,34

По диаграмме h- s находим значения энтальпий в начале и конце расширения в турбине h₁ и h₂: h₁= 3603,4 кДж/кг; h₂= 2100 кДж/кг;

2. Термический КПД:

η_t = h₁ – h₂

h_t – h_К

где h_К - энтальпия кипящего конденсата, определяемая по таблице насыщения паров ( по давлениям), h_К = 317,7 кДж /кг

η_t = 3603,4 – 2100 = 0,45

3603,4 – 317,7

Пример 4

Наружная стенка здания сделана из простого кирпича с коэффициентом теплопроводности λ = 0,8 Вт/м ⁰С, толщина стенки в = 800 мм, температура воздуха в помещении t₁ = 14⁰С, наружного t₂ = - 30⁰С.

Определите, пренебрегая лучистым теплообменом, коэффициент теплопередачи К, удельную потерю тепла через стенку q и температуру обеих поверхностей стенки t_СТ1 и t_СТ2 по заданным коэффициентам теплоотдачи с обеих сторон α₁ и α₂, α₁ = 6 Вт/м^{2 0}С; α₂ = 21 Вт/м^{2 0}С;

Решение:

1. Коэффициент теплоотдачи:

К = _____1_____ = ____1_______ = 0,823 Вт/м^{2 0}С

1 + δ + 11 + 0,8 + 1

α₁ λ α₂ 6 0,8 21

2. Удельная потеря тепла через стенку:

q = к (t₁ – t₂) = 0,823(14- (-30)) = 36,214 Вт/м²

3. Температура стенки изнутри t_СТ1:

q = α₁ (t₁ – t_СТ1) => t_СТ1 = t₁ – q = 14 – 36,214 = 7,96 ⁰С

α₁ 6

4. Температура стенки снаружи t_СТ2:

q = α₂ (t_СТ2 – t₂) => t_СТ2 = t₂ + q = 36,214 + (-30) = - 28,28 ⁰С

α₂ 21

Пример 5

Определите эффективную мощность N_ЭФ 4-хтактного ДВС по его конструктивным характеристикам, среднему индикаторному давлению Р_i и механическому КПД η_М.

D= 86 мм

S = 80 мм

n = 2200 об/мин

z = 8

Р_i = 7*10⁵ Па

η_М = 0,78

Решение:

1. Определяем рабочий объем цилиндра:

V_h = π D² S = 3,14 (0,086)² *0,08 = 5,8*10^-3 м³

4 4

2. Вычисляем среднюю скорость движения поршня:

С_m = Sn = 0,08* 2200 = 5,87 м/с

30 30

3. Находим приближенное значение среднего давления механических

потерь:

Р_М = 0,105 + 0,012 С_m = 0,105 + 0,015*5,87 = 0,175 МПа

4. Среднее эффективное давление:

Р_е = Р_i – Р_М = 0,7 – 0,175 = 0,525 МП

5. Эффективная мощность:

N = __Р_еV_hn * 2 * Z = _0,525*10⁶ *5,8 *10^-3 *2200 * 2 *8 = 446,6кВт

10³* 60 i 10³* 60 4

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Вариант 1

1. Дайте определение рабочего тела, какие величины относятся к параметрам его состояния?

2. Покажите кратко последовательность теплового расчета теплообменного аппарата

Вариант 2

1. В чем состоит качественное различие понятий «теплота» и «работа»?

2. Каков элементарный состав твердого топлива?

Вариант 3

1. Какая система называется термодинамической? Какие существуют термодинамические системы? В чем их различие?

2. На основе каких уравнений производится тепловой расчет рекуперативного ТА?

Вариант 4

1.Перечислите основные параметры состояния термодинамической

системы. Какова их размерность? Какой из них может изменяться

самопроизвольно? Почему?

2. Какова природа теплопроводности? Запишите закон Фурье для плоской

многослойной стенки?

Вариант 5

1. Какие термодинамические процессы называются обратимыми и необратимыми? Возможна ли в реальных условиях обратимость термодинамического процесса? Почему?

2. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? От каких факторов может зависеть его величина? Каковы его значения для газов, жидкостей, твердых тел и металлов?

Вариант 6

1. В чем состоят различия между внешней термодинамической работой и

потенциальной (внутренней) термодинамической работой? От чего

зависят их величины?

2. Каковы условия замены расчета теплопроводности цилиндрической стенки расчетом теплопроводности плоской стенки?

Вариант 7

1. Опишите диаграмму изменения фазового состояния тела. Чем характеризуется тройная и критическая точки?

2. Какой процесс переноса теплоты называется конвективным теплообменом? Запишите закон Ньютона –Рихмана. В чем заключается смысл коэффициента теплоотдачи α, и от каких факторов он зависит?

Вариант 8

1. Какой газ называется идеальным? Сформулируйте и запишите законы идеальных газов и уравнение газового состояния для единичного количества вещества. В чем заключается физический смысл газовой постоянной R?

2. Какие числа называются критическими? Как они определяются и для чего они используются?

Вариант 9

1. Дайте определение газовой смеси. Каким образом задается состав смеси? Что определяет закон Дальтона?

2. Какие режимы кипения жидкости и конденсации пара существуют? Опишите их. Как при этом определяется коэффициент теплоотдачи?

Вариант 10

1. Какое давление называется парциальным и как его определить? По каким формулам определяются средняя молекулярная масса смеси?

2. Сформулируйте и запишите законы лучистого теплообмена Стефана-Больцмана, Ламберта, Кирхгофа, Вина, Планка.

Вариант 11

1. Перечислите все существующие виды теплоемкости. Чем отличаются между собой изобарная и изохорная теплоемкости? Почему?

2. Какие тела называются абсолютно белыми и абсолютно черными? Что такое степень черноты тела? Какое тело называется серым?

Вариант 12

1. Перечислите все внешние факторы, от которых зависит теплоемкость? По какой причине теплоемкость реального газа зависит от давления, а идеального не зависит?

2. Опишите последовательность теплового расчета рекуперативного прямоточного теплообменного аппарата? Что называется средним температурным напором и как он определяется?

Вариант 13

1. Что устанавливает первое начало термодинамики? Приведите его математическое выражение. Что такое энтальпия и как определяется ее изменение в тепловом процессе идеального газа?

2. Элементарный состав топлива по рабочей сухой, горючей и органической массе? Как пересчитывается состав топлива с одной массы на другую?

Вариант 14

1. Какова классификация основных термодинамических процессов? В каком соотношении находятся параметры состояния в этих процессах?

2. Опишите процесс горения топлива. Как определяется для этого процесса действительный и теоретический расходы воздуха, коэффициент избытка воздуха α, энтальпия продуктов сгорания топлива?

Вариант 15

1. Почему в изохорном и изобарном процессах с подводом теплоты,

температура повышается, а при отводе – понижается?

2. Что называется котельной установкой? Перечислите основные и

вспомогательные элементы котельной установки?.

Вариант 16

1. В каком тепловом процессе внешняя и внутренняя работы равны? Объясните почему?

2. Дайте характеристику слоевых и камерных стенок? Как определяется их КПД?

Вариант 17

1. В каких политропных процессах теплоемкость газа отрицательна и

почему?

2. Какими преимуществами обладает циклонные топки по сравнению с

другими типами топок?

Вариант 18

1. Почему при адиабатном расширении температура тела падает?

2. Какие парогенераторы называются парогенераторами с естественной и принудительной циркуляцией? Какие парогенераторы называются прямоточными?

Вариант 19

1. При каких показателях политропа при подводе теплоты температура тела падает и почему?

2. Каково назначение экономайзеров и воздухонагревателей? Каких типов они бывают, и в чем их отличия?

Вариант 20

1. Что устанавливает второе начало термодинамики? Каковы основные положения этого закона?

2. Как осуществляется подготовка питательной воды для парогенераторов? Как определяется его КПД?

Вариант 21

1. Как определяется изменение энтропии в простейших термодинамических процессах? В чем заключаются принципы существования и возрастания энтропии?

2. Для каких целей применяются водогрейные котлы и как они классифицируются?

Вариант 22

1. Каковы основные параметры водяного пара и Р-υ диаграмма парообразования?

2. Объяснить устройство и принцип работы газотурбинных установок.

Вариант 23

1. Каковы процессы изменения состояния водяного пара? Дайте их характеристику.

2. Как и по каким признакам классифицируются ДВС?

Вариант 24

1. Скорость и расход при истечении. Какое истечение называется критическим? Как определяются при критическом истечении температура, давление, скорость и расход газа, критическое отношение давлений?

2. Опишите рабочий процесс 4-хтактного ДВС?

Вариант 25

1. Чем характеризуется процесс дросселирования? В чем заключается эффект Джоуля-Томпсона?

2. Опишите рабочий процесс 2-хтактного ДВС?

Вариант 26

1. Изобразите схему паросиловой установки. Опишите цикл Ренкина. Каковы его основные характеристики? Изобразите его в координатах Р-υ и Т-s.

2. Укажите показатели, характеризующие работу ДВС.

Вариант 27

1. Опишите способы повышения экономичности ПСУ.

2. Дайте краткое описание основных конструкционных узлов ДВС.

Вариант 28

1. Каковы основные процессы и характеристики одноступенчатого поршневого компрессора?

2. Что представляет из себя тепловой баланс ДВС?

Вариант 29

1. В чем заключаются преимущества многоступенчатого сжатия в компрессоре?

2. Каковы технологические схемы и особенности рабочего процесса теплосиловых установок в нефтяной и газовой промышленности?

3.

Вариант 30

1. Дайте сравнительный анализ теоретических циклов ДВС.

2. Каковы технико-экономические показатели теплосиловых установок, применяемых в НГП?

Задача №1

По известному массовому составу продуктов сгорания и их параметрам – давлению Р₁ и температуре t₁, определите:

1. Среднюю молекулярную массу и газовую постоянную смеси.

2. Плотность и удельный объем при заданных и нормальных условиях.

3. Парциальное давление СО₂.

Последняя цифра шифра	Массовые доли компонентов для смеси, %	Предпоследняя цифра шифра	t1, 0С	Р, атм
СО2	Н2О	N2	О2	СО
				-	-			1,05
	15,5	8,9	71,4	-	4,2			1,1
	9,9		70,7	-	9,4			1,15
	2,9	11,3	69,9	-	15,9
		7,2	72,8		-			0,98
		6,4	73,6		-			0,95
		5,6	72,4		-			1,08
		4,8	77,2		-			1,03
	14,5		66,6	-	3,9			1,12
	18,8	13,6	67,6	-	-			1,1

Задача №2

Сжатие воздуха в компрессоре происходит: а) по изотерме; б) по адиабате; в) по политропе с показателем n. Масса сжимаемого воздуха m. Начальное давление Р₁ = 0,1 МПа, начальная температура t₁, степень повышения давления Х.

Определите величину теоретической работы и мощности компрессора, а также изменение внутренней энергии и энтропии при сжатии для всех вариантов процессов.

Теплоемкость воздуха считать 0,723 кДж/кгК – постоянной.

Постройте диаграмму процессов сжатия в координатах Р-υ (на одном графике).

Последняя цифра шифра	n	m,кг	Предпоследняя цифра шифра	Х	t, 0С
	1,1
	1,15			5,5
	1,2
	1,25			6.5
	1,3
	1,35			7,5
	1,22
	1,18			4,5
	1,28			5,5
	1,26

Задача №3

Покажите сравнительным расчетом целесообразность одновременного понижения начальных параметров и снижения конечного давления пара для паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, определив термический КПД цикла и теоретический удельный расход пара для двух различных значений начальных параметров – (давления Р₁ и температуры t₁), конечного давления Р₂. Определите степени сухости пара Х₂ в конце расширения в обоих случаях.

Последняя цифра	Р1, атм	t1, 0С	Р2, атм	Предпоследняя цифра шифра	Р11, атм	t11, 0С	Р12, атм
			0,2				0,03
			0,25				0,04
			0,3				0,04
			0,35				0,04
			0,4				0,05
			0,2				0,03
			0,25				0,04
			0,3				0,04
			0,35				0,05
			0,4				0,05

Покажите сравнительный анализ на диаграмме пара в координатах h- s

Задача №4

Наружная стена здания сделана из красного кирпича с коэффициентом

теплопроводности λ=0,8 Вт/м^{2 0}С, толщина стены в. Температура воздуха

в помещении t₁, наружного – t₂.

Определите, пренебрегая лучистым теплообменом, коэффициент теплопередачи, удельную потерю тепла через стенку и температуру обеих поверхностей стенки по заданным коэффициентам теплоотдачи с обеих сторон α₁ и α₂.

Последняя цифра шифра	в, мм	t1, 0С	t2, 0С	Предпоследняя цифра шифра	α1, Вт/м2 0С	α2, Вт/м2 0С
			-40
			-35
			-32
			-25
			-20
			-15
			-10
			-5

Задача №5

Определите эффективную мощность 4-хтактного двигателя внутреннего сгорания N_ЭФ по его конструктивным характеристикам, среднему индикаторному давлению Р₁ и механическому КПД η_М.

Какова (теоретически) будет мощность 2-хтактного двигателя с теми же параметрами?

Последняя цифра шифра	D, мм	S, мм	n, об/мин	Предпоследняя цифра шифра	Z	Р1, атм	ηМ
						6,5	0,85
						6,8	0,87
							0,8
						7,2	0,77
						7,5	0,79
						7,8	0,81
							0,83
						8,2	0,8
						8,4	0,82
						8,6	0,84

Приложение 1

Диаграмма водяного пара в координатах h-s