ЗАДАНИЕ ТЕРМОДИНАМИКА №1

Методические указания по выполнению

Контрольных работ

по дисциплине «Теплотехника».

для студентов механико-технологического факультета

направление подготовки бакалавров 190600 « Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Брянск 2013

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра энергетики и автоматизации производственных процессов

Утверждена научно-методическим

советом БГИТА

Протокол №6 от 01.072013__ г.

Методические указания по выполнению

Контрольных работ.

по дисциплине «Теплотехника».

для студентов механико-

технологического факультета направление подготовки

бакалавров 190600 «Эксплуатация транспортно- технологических

машин и комплексов»

Брянск 2013

УДК 621.1(072)

Составитель: Шилин Б.И.

доцент кафедры энергетики и автоматизации производственных процессов Брянской государственной инженерно- технологической академии

Указания включают техническое и методическое обеспечение, содержание работы. Устанавливают методику и порядок выполнения КР, требования к выполнению и оформлению.

Рецензент : УльяновА.А.

доцент кафедры энергетики и автоматизации производственных процессов Брянской государственной инженерно- технологической академии

Рекомендовано учебно-методической комиссией МТФ

Протокол№ 10 от 27 апреля 2013 г.

Контрольные работы нацелены на повышение эффективности и практической направленности обучения студентов. Выполнение контрольных работ содержит элементы исследования и способствует выработке навыков в принятии обоснованных инженерно-технических решений.

Студенты выполняют работы, которые содержат по два контрольных вопроса четыре задачи по следующим разделам:

Раздел № 1 «Термодинамика», объемом до 5 часов;

Раздел № 2 «Теплотехника», объемом до 5 часов.

К каждому разделу даются методические указания к решению задач.

Выполнению контрольных работ должно предшествовать изучение теоретических основ соответствующего раздела курса с использованием рекомендуемой литературы.

При выполнении контрольных работ необходимо соблю­дать следующие условия:

Страницы рукописи должны быть пронумерованы.

Текст условия задачи следует приводить полностью.

Работу следует писать от руки чернилами или печатать на одной стороне листа.

Решения должны быть краткими, но исчерпывающими.

Решение задач вести поэтапно, с пояснением каждого хода решения.

Перед вычислением искомых величин нужно вначале написать расчетную формулу в буквенном выражении, за­тем подставить численные значения всех входящих в него параметров и привести окончательный ответ.

В приводимых расчетных формулах поясняют все вхо­дящие в них параметры.

Обозначения величин и терминология должны соответствовать принятым в учебниках.

У всех размерных величин должна быть проставлена размерность.

При решении задач следует строго следить за соблюде­нием единства размерностей величин, входящих в ту или иную расчетную зависимость.

Значение всех коэффициентов следует обосновать ссылкой на литературу с указанием автора, названия источника и номера страницы.

При оформлении ответов и решении задач обязательно выполнение необходимого иллюстрационного материала.

Чертежи к работе, как правило, следует выполнять на миллиметровой бумаге и вклеивать или вшивать в работу.

При построении расчетных графиков нужно указать величины, откладываемые по осям графика, с обозначением их размерностей.

В конце работы привести список литературы, которой пользовался студент в процессе выполнения работы, с указанием автора, названия, места и года издания.

Все отмеченные рецензентом ошибки должны быть исправлены, а сделанные указания выполнены. Исправлять ошибки следует отдельно по каждой задаче на чистой сто­роне листа.

К экзамену студент допускается только после получения зачета как по контрольным рабо­там, так и по лабораторным работам.

Каждый раздел включает два вопроса и четыре

задачи. Студент выбирает контрольные вопросы задачи по

таблице вариантов –Таблица 1 соответственно последней цифре

своего учебного шифра. Числовые данные к задачам берутся по

предпоследней цифре своего учебного шифра – из соответствующих таблиц, приведенных в конце каждого задания.

Варианты заданий

Таблица 1.

Задания на контрольную работу №1 и №2	Последняя цифра учебного шифра
Номера Контрольных Вопросов
Номера Контрольных Задач

ЗАДАНИЕ ТЕРМОДИНАМИКА №1

Контрольные вопросы

1.Напишите уравнение состояния идеального газа. Поясните физи­ческий смысл газовой постоянной. Как определяют ее значение для га­зов?

2.Какова связь междумассовой, мольной и объемной теплоемкостями газа? Что такое истинная и средняя теплоемкости?

3.Дайте определение внутренней энергии реального и идеального газов. Как найти изменение внутренней энергии идеального газа?

4.Покажите, как определяется работа в обратимых термодинамиче­ских процессах аналитически и графически в PV-диаграмме.

5.Приведите формулировку Первого закона термодинамики. Напи­шите аналитическое выражение этого закона для основных термодинамических процессов.

6.Как изменяется температура газа при изобарном и адиабатном расширении? Ответ проиллюстрируйте графиками процессов в pv- и Ts-диаграммах.

7. Что такое энтальпия газа и как определяется изменение энтальпии идеального газа в каком-либо термодинамическом процессе?

8. Что называется энтропией рабочего тела? Как определяется изме­нение энтропии идеального газа в термодинамическом процессе?

9. Изобразите в pv- и Ts-координатах идеальный прямой цикл Карно. Дайте необходимые пояснения.

10.В чем состоит содержание Второго закона термодинамики? При­ведите основные формулировки этого закона (достаточно привести две формулировки).

11. Опишите процесс парообразования в pv- и Ts-диаграммах.

12.Изобразите процесс адиабатного расширения и (условно) адиа­батного дросселирования пара в is-диаграмме.

13.Дайте определение процесса истечения газов и паров. По каким формулам подсчитываются скорость и массовый расход рабочего тела при адиабатном истечении?

14.В чем сущность процесса дросселирования и как практически осуществляется этот процесс? Как условно изображается процесс дроссе­лирования в is-диаграмме?

15.Что называется влажным воздухом? Дайте определение влагосо-держания, относительной влажности воздуха и температуры точки росы.

16.Опишите Id-диаграмму влажного воздуха. Каковы простейшие случаи ее применения?

18.Назовите теоретические циклы поршневых двигателей внутрен­него сгорания. Изобразите их pv- и Ts-диаграммах. Дайте необходимые пояснения.

19.От каких величин зависит термический КПД теоретического цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении? Изобразите этот цикл в pv- к Ts-диаграммах.

20.Каково влияние начальных и конечных параметров пара на тер­мический КПД основного цикла паросиловых установок (цикла Ренкина)? Ответ иллюстрируйте в is-диаграмме.

З А Д А Ч И

1 . В цилиндре 1 кг воздуха сжимается в одном случае по изо­терме, а в другом — по политропе со средним показателем n = 1,2 так, что объем уменьшается в ε раз. Определить конечные значе­ния температуры, давления и плотности воздуха, а также работу, изменение энтропии в процессах сжатия. Начальные параметры: р₁= 750 мм рт. ст. и t₁ . Теплоемкость воздуха считать не завися­щей от температуры.

2. Смесь идеальных газов заданного массового состава зани­мает объем V при постоянном абсолютном давлении р и темпера­туре t. Требуется определить газовую постоянную смеси, среднюю молекулярную массу, массу смеси, объемный состав смеси, а так­же среднюю мольную, объемную и массовую теплоемкости смеси (при р = const) для интервала температур 0- t.

3. Смесь идеальных газов заданного массового состава (см. задачу №2) расширяется при постоянной температуре t = 127° так, что отношение конечного объема к начальному равно ε. Опреде­лить газовую постоянную, конечные параметры смеси р₂ и V₂, ра­боту расширения, количество теплоты и изменение удельной эн­тропии в процессе. Для смеси заданы масса G и начальное абсо­лютное давление р₁. Процесс изобразить в pv- и Ts-диаграммах.

4. Найти объемный состав смеси идеальных газов, заданный
массовый долями (см. задачу №2). Определить также парциаль­ные давления компонентов смеси, если абсолютное давление сме­си р.

5. В процессе политропного сжатия воздуха G, кг/с, в одноступенчатом поршневом компрессоре отводится теплота в количе­стве Q, кДж/с. При сжатии от начального абсолютного давления 0,1 МПа температура воздуха возрастает от 15 °С до t₂ .Определить показатель политропы процесса сжатия, конечное давление, удельную работу сжатия и техническую работу на получение сжатого воздуха, Дж/кг. Какова теоретически потребная мощность привода компрессора, кВт.

6. Определить показатель политропы сжатия воздуха в одно­ступенчатом поршневом компрессоре, если давление в процессе возрастает в b раз. а температура газа изменяется от t₁ = 20°C до t₂. Определить также теплоту процесса, работу процесса, измене­ние внутренней энергии и энтропии 1 кг газа.

7. Определить количество теплоты, отдаваемое каждым кило­граммом отработавших газов дизеля в утилизационном котле, где газы при постоянном давлении охлаждаются от температуры t₁до температуры t₂ . Объемный состав отработавших газов:

r_CO2 = 0,08; r_H20 = 0,06; r₀₂ = 0,10; r_N2 = 0,76.

8. Диаметр цилиндров тепловозного дизеля D = 318 мм, ход поршней s = 330 мм, степень сжатия e = 12. Определить теоретическую работу политропного сжатия воз­духа в одном цилиндре, изменения удельных значений внутренней энергии и энтропии в процессе. Абсолютное давление воздуха в начале сжатия р₁= 95 кПа, температура t₁ = 127°C. Показатель политропы процесса сжатия п. теплоемкость воздуха считать не зависящей от температуры.

9. Воздух, имея начальную температуру t₁= 27°C и абсолют­ное давление р₁, изотермически расширяется до давления р₂ = 0.1 МПа, а затем нагревается в изохорном процессе до тех пор, пока давление вновь не станет равным р₁. Требуется определить удельный объем воздуха в конце изотермического расширения и температуру в конце изохорного подвода теплоты, а также изме­нения удельных значений внутренней энергии, энтальпии и эн­тропии в изохорном процессе. Теплоемкость воздуха считать не зависящей от температуры. Изобразить процессы в pv- и Ts-диаграммах.

10. 1 кг азота, имея начальную температуру t₁ = 0°С. расши­ряется при постоянном давлении р, при этом удельный объем его увеличивается в e раз. Определить удельный объем и температуру азота в конце процесса, работу в процессе, изменения внутренней энергии и энтропии, а также подведенную теплоту. Средняя мас­совая теплоемкость азота имеет линейную зависимость от темпе­ратуры, с_pm = 1,0258 + 0,00008382 t кДж/кг.

11. Определить параметры состояния 1 кг воздуха в конце его адиабатного расширения от давления р₁до p₂ = 0,1 МПа. Опреде­лить также работу процесса и изменение внутренней энергии воз­духа. Начальная температура t₁ = 27°С.

12. В установке по приготовлению дистиллированной воды для заправки системы охлаждения тепловозного дизеля насыщен­ный пар, имея абсолютное давление р₁и степень сухости х = 0.95, конденсируется и охлаждается до температуры t = 80°С проточной водой. Какое количество воды требуется для приготовления дистиллята в сутки в количестве G. если температурный перепад про­точной воды в теплообменнике установки составляет Dt_w? Тепло­обменом рабочих тел установки с окружающей средой пренеб­речь.

13. В закрытом сосуде объемом 10 m³ находится влажный на­сыщенный водяной пар с абсолютным давлением р. В объеме па­ра содержится 30 кг жидкости. Определить массу парообразной фазы в сосуде и степень сухости пара.

14. Влажный насыщенный водяной пар со степенью сухо­сти х перегревается при постоянном абсолютном давлении р до температуры t. На сколько градусов перегрет пар? Какое количе­ство теплоты затрачивается на подсушку и перегрев пара?

15. 1 кг перегретого водяного пара, имея температуру t₁и эн­тропию S₁, охлаждается в процессе постоянного объема до состоя­ния, когда энтальпия пара становится равной 2500 кДж/кг. Опре­делить, состояние пара и его параметры в конце процесса, а также количество отведенной теплоты. Решение задачи иллюстрировать на is - диаграмме.

16. Влажный насыщенный водяной пар, имея начальные па­раметры t₁= 139°C и х = 0,94, сжимается в процессе без теплооб­мена с окружающей средой. При этом объем пара уменьшается в e раз. Определить состояние и параметры пара в конце процесса сжатия, а также изменение удельной энтальпии и работу 1 кг пара в процессе, изобразить процесс в is - диаграмме.

17. Какой должна быть площадь сечения отверстия предо­хранительного клапана парового котла, чтобы при внезапном прекращении отбора сухого насыщенного пара из него в количе­стве G абсолютное давление не превысило 1,4 МПа? Атмосферное давление В = 750 мм рт. ст. Потерей давления на мятие пара, теп­лообменом при прохождении отверстия и скоростью пара на вхо­де в отверстие клапана пренебречь.

18. Определить основные размеры сопла Лаваля, через кото­рое вытекает воздух в количестве 0,5 кг/с в среду с давлением 0,1 МПа. Начальные параметры газа: абсолютное давление р₁и температура t₁. Истечение считать адиабатным. Потерями энергии на трение пренебречь. Изобразить в масштабе разрез сопла, при­няв при этом угол конусности расширяющейся части равным 10°.

19. В дроссельном клапане парового двигателя водяной пар с начальными параметрами р₁и t₁ дросселируется до давления 1 МПа, а затем адиабатно расширяется в цилиндре двигателя до давления 0,1 МПа. Определить потерю располагаемой работы па­ра вследствие дросселирования. Решение задачи проиллюстриро­вать в is-диаграмме.

20. Влажный насыщенный пар с абсолютным давлением р₁поступает в дроссельный калориметр для определения его влаж­ности. После дросселирования до давления р₂ ⁼ 0.1 МПа темпера­тура пара становится равной t₂- Какова влажность пара до дроссе­лирования? Как возрастает удельная энтропия пара в дроссельном калориметре? Решение задачи проиллюстрировать в is-диаграмме.

21. В цилиндры двигателя внутреннего сгорания всасывается 200 кг атмосферного воздуха в час при давле­нии В = 745 мм рт. ст., температуре t и относительной влажно­сти φ. Какое количество воды всасывается двигателем в час?

22. Какое количество воздуха необходимо пропустить через сушильную камеру, чтобы от материала, помещенного в нее, от­вести 1 т воды? Наружный воздух при барометрическом давле­нии В = 745 мм рт. ст., имея температуру t₁ = 10°С и относитель­ную влажность φ₁ = 50%, в калорифере подогревается до темпера­туры t₂, а затем воздух поступает в сушильную камеру и выходит

из нее при относительной влажности φ₂=90%. Решение задачи проиллюстрировать в ld-диаграмме.

23. 1 кг сухого воздуха в прямом обратимом цикле Карно со­вершает полезную работу l₀. Максимальное абсолютное давление воздуха 10 МПа и соответствующая абсолютная температура 1200 К. В цикле к газу подводится теплота q₁. Минимальное дав­ление в цикле 0,1 МПа. Определить термический КПД и _основные параметры во всех переходных точках цикла. Изобразить цикл в pv и Ts-координатах.

24. Для идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме определить степень сжатия, основные параметры рабочего тела в переходных точках цикла, термический КПД, полезную работу, подведенную и отведенную теплоту, если повышение давления в процессе сжа­тия β и понижение температуры в процессе отвода теплоты со­ставляет Δt. Рабочее тело (1 кг сухого воздуха) в начальной точке цикла имеет давление 0,1 МПа и температуру 67°С. Изобразить цикл в pv и Ts-координатах.

25. Поршневой двигатель внутреннего сгорания работает по идеальному циклу с подводом q\ теплоты при постоянном давле­нии. Определить основные параметры рабочего тела в переходных точках цикла, его термический КПД и полезную работу, если на­чальное абсолютное давление 0,1 МПа, начальная температура 80°С и степень сжатия б. Теплоемкость воздуха считать не зави­сящей от температуры. Рабочее тело 1 кг сухого воздуха. Изобра­зить цикл в pv и Ts-координатах.

26. Определить основные параметры рабочего тела в пере­ходных точках идеального цикла поршневого двигателя внутрен­него сгорания со смешанным подводом теплоты, а также степень сжатия, термический КПД и полезную работу, если заданы харак­теристики цикла λ и р. В начальной точке цикла p₁ = 0.1 МПа и t₁= 67°С. Температура в конце адиабатного процесса сжатия ра­бочего тела равна 600°С. Рабочее тело— 1 кг сухого воздуха. Изобразить цикл в pv и Ts-координатах.

27. Степень повышения давления в компрессоре газотурбин­ной установки (ГТУ) равна λ, температура рабочего тела (для ķ= перед соплами турбины равна 800°С. В идеальном цикле ГТУ теплота подводится при постоянном давлении. Опре­делить основные параметры рабочего тела в переходных точках цикла, термический КПД, удельную полезную работу цикла, а также изменение удельной энтропии в процессе подвода теплоты, приняв теплоемкость рабочего тела не зависящей от температуры. Начальные параметры цикла р₁ = 0.1 МПа и t₁ = 27°C. Цикл пред­ставить в pv и Ts-координатах.

28. Теоретический одноступенчатый поршневой компрессор (без объема вредного пространства) имеет подачу воздуха V₁ при давлении 0,1 МПа и температуре 17°С. Определить температуру и объем воздуха в конце политропного (п=1,3) процесса сжатия до абсолютного давления/^- Определить также теоретическую мощ­ность привода компрессора и сравнить ее с мощностью изотерми­ческого сжатия.

29. Вычислить и показать графически зависимость термиче­ского КПД Ренкина паросиловой установки от начальной темпе­ратуры пара, приняв ее равной 400, 450, 500, 550 и 600°С при одинаковых значениях начального абсолютного р₁ и конечно­го p₂ = 5 кПа давления. Показать также влияние повышения на­чальной температуры пара в цикле на изменение степени влажно­сти пара, выходящего из парового двигателя. Решение задачи проиллюстрировать на is-диаграмме.

30. Определить, как при понижении начального давления пу­тем дросселирования изменятся располагаемый теплоперепад и термический КПД цикла Ренкина паросиловой установки, если начальное абсолютное давление пара p₁, температура t₁, а давле­ние в конденсаторе установки 5 кПа. Давление, до которого дрос­селируется пар. равно р₂. Решение задачи проиллюстрировать на is -диаграмме.

Таблица 2

Числовые данные к разделу №1

Задача	Величина	Предпоследняя цифра учебного шифра
		I
				!0
	t, C
	Массовый cостав смеси, %
	CO2
	H2O
	N2
	O2
	V, м3
	р, Мпа	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,6	0,7.	0,8	1,0
	t, C
	G, кг
	р, МПа	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
	__р, МПа	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	103G,кг/с
	Q, кДж/с	1,25	1,3	1,35	1.4	1,45	1,5	1,55	1,6	1,65	1,7
	t2,C			ПО
б			3,5		4,5		5,5		6,5		7,5
	t2, C
	t1,0с t2, 0с
	n p1, МПа	1,22 0,5	1,24 0,6	1,26 0,7	1,28 0,8	1,3 0,9	1,29	1,27 1,1	1,25 1,2	1,23 1,3	1,2 1,4
	р.Мпа		2,2	2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	0,8 2,9	0,6 3,0	0,5 3,1
	р1, МПа	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,1	1,2	1,3	1,5
	р, МПа G, т/сут tw , K .K	0,22 0,5	0,24 .12	0,25 1,5	0,26	0,28 2,5	0,3	0,32 3,5	0,34	0,35 4,5	0,4
	р, МПа		1,2	1,4	1,6	1,8		2,2	2,4	2,6	2,8
	x р, МПа t,0с	0,91	0,9 1,5	0,92	0,94	0,96	0,98	0,96	0,94	0,92	0,9
15.	.t1,0 с s1 , , кДж/(кг-К)	7,7	8,2	7,4	7,5	7,7		7,3.	7,5	6,7	7,3
	G, кг/с	0,7	1,1	1,8	2,8	5,5	0,6	1,0	1,7	2,5
I8	p1, МПа t1 , 0с	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7		1,1	1,2
	p1, МПа t1,0 с					3,5	3,5

Окончание табл 2.

Задача	Величина	Предпоследняя цифра учебного шифра
	р1 , МПа t2, С	1,6	1,2	1,3	1,4	2,0	1,5	1,0	0,8	0,7	0,6
	t2, ,C , C
	T2,0С
	q1, кДж/кг l1,кДж/кг					24
	Β ∆t,K		12,5	1 3 3 2 0	13,5		14,5	1,5	15,5		16,5
	Q1 , кДж / к г ε   G		12,5		13,5		14,5		15,5		16,5
	λ ρ	2,2 1,2	2,1 1,25	2,0 1,3	1,9 1,35	1,8 1,4	1,7 1,45	1,6 1,5	1,5 1,5	1,4 1,5	1,3 1,5
	λ		6,2	6,4	6,6	6,8		7,2	7,4	7,6	7,8
	V1,м3/мин р2,бар		3,5 6.5		4,5 5,.5		5,5 4,8	4,6	6,5 4,4'	4,2	7,5
	Р1 бар
	p1,,бар t1, C p2,бар