СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

Общие методические указания

На практических занятиях решаются задачи по основным разделам курса. Наибольшее внимание уделяется усвоению законов термодинамики и тепломассообмена, методам расчета с использованием таблиц, диаграмм и другого справочного материала и методам термодинамического анализа процессов и циклов энергетических установок.

На практических занятиях каждый студент работает самостоятельно, выполняя индивидуальные расчеты согласно своего варианта.

В ходе выполнения лабораторных работ студенты получают практические навыки по работе с приборами и установками, по измерениям электрических и тепловых характеристик, по обработке экспериментальных данных в том числе с применением ЭВМ.

• По каждой работе составляется отчет с указанием цели работы, приводится схема установки и ее описание, таблицы измерений, расчет и обработка результатов опыта, вывод.  

Тематика практических занятий

1. Расчет термических и калорических параметров идеального газа.

2. Расчет процессов идеального газа.

3. Расчет параметров воды и водяного пара.

4. Расчет процессов воды и водяного пара.

5. Расчет истечения газов и паров. Дросселирование.

6. Процессы компрессоров.

7. Расчет циклов газовых двигателей (ГТД и ГТУ, ДВС).

8. Расчет циклов паротурбинных установок.

9. Расчет циклов холодильных машин.

10.Расчет стационарной теплопроводности.

11.Расчет теплопередачи, в том числе со сложным теплообменом.

12.Теплопередача оребренных поверхностей.

13.Расчет теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции.

14.Расчет теплообмена при конденсации и кипении.

15.Расчет теплообмена излучением в диатермичной и поглощающей среде

16. Расчет теплообменных аппаратов.

Перечень лабораторных работ

1. Определение изобарной теплоемкости воздуха.

2. Оценка необратимости течения воздуха.

3. Изохорное нагревание воды и водяного пара.

4. Определение абсолютной и относительной влажности воздуха.

5. Исследование процессов во влажном воздухе.

Для изучения дисциплины и решения контрольных работ надо обязательно иметь два учебника [1, 4] и таблицы воды и водяного  пара [3].

Перед решением контрольной работы следует внимательно ознакомиться с материалом учебников содержится теория (необходимые понятия и формулы), примеры расчета, рекомендации к решению задач, ссылки на материал в учебнике, затем познакомиться с данной темой по учебнику. После этого можно приступать к решению задач и ответам на контрольные вопросы. При этом необходимо выполнять следующие требования:

1. Приводить полностью условие задачи с исходными данными.

2. Решение задачи сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулы и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника или были определены выше и т.д.).

3. Вычисления производить в единицах СИ, анализировать размерность величин, в формулы подставлять численные значения, всех величин, после этого записывать полученной результат, указывать его размерность.

4. После решения задачи выделить ответы, дать краткий анализ полученных результатов.

5. Отвечать на контрольные вопросы следует по существу и кратко.

6. Контрольные работы выполняются в тетради, для заметок рецензента оставляются поля.,

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

ЗАДАНИЕ № 1

Расчет параметров и процессов изменения состояния идеального газа

Задача

Для процесса изменения состояния идеального газа 1 - 2 рассчитать:

• термические параметры р, v, Т в начальном и конечном состояниях;

• изменение калорических параметров ∆u, ∆h, ∆s;

• теплоту (q) и работу процесса (w,l).

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1 по вариантам.

Для двух-, трех- и многоатомных газов молярную теплоемкость принять постоянной: для воздуха и азота (N₂) μc_v=20,8 кДж/(кмоль К), для углекислого газа (СО₂) и метана (СН₄) μc_v=29,l кДж/(кмоль К).

Результаты расчета представить в виде табл. 2 и 3. Показать процессы в р-v- и T-s-диаграммах.

                                                           Таблица 1

                                                          Таблица 2

                                                   Таблица 3

ЗАДАНИЕ № 2

Расчет параметров и процессов изменения состояния водяного пара

Задача

Для процесса изменения состояния водяного пара 1-2 (исходные данные приведены в табл. 4 по вариантам) рассчитать:

• параметры р, v, t, u, h, s, х в начальном иконечном состояниях;

• изменение калорических параметров ∆v, ∆h, ∆s;

• теплоту (q) и paбoтy(w,) процесса.

Для решения задачи использовать таблицы воды и водяного пара [3].

Результаты расчета представить в виде табл. 5 и 6. Процесс показать в p-v, T-s, и h-s- диаграммах.

                                                            Таблица 4

                                                             Таблица 5

                                                             Таблица 6

ЗАДАНИЕ № 3

Истечение газов и паров из сопел. Дросселирование.

Влажный воздух

Задание № 3 содержит 5 задач для 25 вариантов. Каждый студент решает одну задачу в соответствии со своим вариантом.

Задача№ 1

Из суживающегося сопла вытекает газ, находящийся в резервуаре, давление и температура в котором постоянны и равны р₁,t₁. Давление среды, в которую происходит истечение, р_ср=30 бар. Скорость на входе в сопло близка к 0. Газ, а также параметры p₁ и t₁ даны в табл.1 по вариантам.

Определить скорость истечения газа (с₂), температуру газа на выходе из сопла (Т₂ ,К) и расход газа (G,кг/с), если площадь выходного сечения сопла f=20мм ².

Теплоемкость газа принять постоянной, потерями на трение пренебречь. Представить процесс истечения газа в р-v и T-s- диаграммах.

Таблица 7

Задача № 2

Из сопла Лаваля вытекает водяной пар. Давление пара на входе в сопло Р₁=30 бар, температура (t₁), степень сухости (х₁) на входе в сопло даны в табл.8 по вариантам. Давление на выходе из сопла р₂=1 бар. Расход пара G=0,8 т/ч.

Определить скорость пара на выходе из сопла (с₂) и площадь выходного сечения (f₂, мм²), скорость в минимальном сечении сопла (с) и площадь минимального сечения (f_min, мм²).

При решении задачи воспользоваться таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара [3].

Показать процесс истечения в h-s- диаграмме.

Таблица 8

Задача № 3

Водяной пар с давлением p₁=20 бар, и степенью сухости x₁ дросселируется до состояния сухого насыщенного пара (х₂=1). Значения x₁ даны в табл.9.

Определить давление пара (р₂) и уменьшение температуры при дросселировании (t₁ - t₂), пользуясь таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара [3].

Представить процесс дросселирования водяного пара в h-s- диаграмме.

Таблица 9

Задача № 4

Влажный воздух с температурой t₁, относительной влажностью φ₁ нагревается при постоянном давлении р=2 бар до температуры t₂=80 °C. Расход влажного воздуха G=5 кг/c. Значения t₁ и φ₁ даны в табл.10 по вариантам.

Определить подводимую теплоту (Q, кДж/с) и относительную влажность нагретого воздуха (φ₂).

Показать процесс нагрева влажного воздуха в h-d- диаграмме.

Таблица 10

Задача №5  

Воздух с параметрами t₁ и φ₁ охлаждают при постоянном давлении р=2 бар до температуры t₂. Температура t₂ меньше температуры точки росы (t₂<tp). Значения t₁, φ₁ и t₂ даны в табл. 11 по вариантам.

Определить уменьшение влагосодержания воздуха (d₁-d₂) и температуру точки росы (t_p), а также отводимую теплоту в процессе охлаждения (q, кДж/кг с.в.).

Показать процесс охлаждения и изотерму t_p в h-d-диаграмме.

Таблица 11

ЗАДАНИЕ №  4

Процессы компрессоров

Задача

В компрессоре сжимается газ с начальными параметрами p₁=l бap, t₁=20 °C до давления р₂. Газ,процесс сжатия, число ступеней компрессора, конечное давление, показатель политропы n даны в табл. 12 по вариантам. При двух- и трехступенчатом сжатии охлаждение газа в промежуточных охладителях осуществляется до начальной температуры t₁

Рассчитать температуру газа на выходе из компрессора (Т₂), работу, затрачиваемую на сжатие (кДж/кг), и отводимую теплоту (q_отв, кДж/кг).

Теплоемкость газа принять постоянной.

Представить процесс сжатия в р-v и T-s- диаграммах. Задание: назовите типы компрессоров и укажите характер сжатия для каждого типа (объемное или динамическое, с отводом тепла или без него).

Таблица 12

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сравните массы воздуха в неотапливаемом помещении зимой и летом. Объем помещения V=5 · 10 · 3 м³, атмосферное давление р=740мм рт.ст., температура: зимой t₁=-20 °С, летом t₂=25 °C,

2. Сравните плотность атмосферного воздуха при р=760 мм рт.ст. и температурах t₁=-20 °C и t₂=30 °C?

3. Объем баллона с углекислым газом V=0,5 м³, давление газа р=10 бар, температура t=20 °C. Какова масса газа в баллоне?

4. Какой объем занимают 10 киломолей азота (N₂) при нормальных физических условиях: р=760 мм рт. ст., t=0 °С?

5. Какова мольная масса газовой смеси СО₂ и СО, если массовая доля g_co2 =0,45? Какова объемная доля г_со2?

6. Какова газовая постоянная смеси азота (N₂) с водородом (Н₂), если давление смеси р=3 бар, парциальное давление азота р_N2=2 бар?

7. Какова газовая постоянная смеси водорода (Н₂) и окиси углерода (СО), если массовая доля водорода g_Н2 =0,667?

8. Газовая смесь содержит 10 кг кислорода (О₂) и 15кг азота (N₂). Определить газовую постоянную смеси (R) и плотность р при нормальных физических условиях: р=760 мм рт. ст., t=0 °C?

9. Объемный состав воздуха: г_О2=0,21, r_N2=0,79. Каков массовый состав воздуха (g_o2 g_N2)?

10. Сколько кг воздуха находится в комнате размерами 4 · 6 · 2,5 м³ при атмосферном давлении р=745 мм рт. ст. и температуре 20 °С?

11. Какова плотность воздуха при нормальных физических условиях: р=760мм рт. ст., t=0 ^оC?

12. Какова плотность метана (CH₄) при нормальных физических условиях: р=760 мм рт.ст., t=0 °С? Сравните с плотностью воздуха при тех. же условиях.

13. Каков объем киломоля воздуха при р=700 мм рт. ст., t=30 °С?

14. Массовая производительность компрессора G=500 кг/ч. Параметры сжатого воздуха р=20 бар, t=130 °C. Какова объемная производительность (V, м³/с)? Сравните с объемной производительностью при нормальных физических условиях (р=760 мм рт. ст., t=0 °C).

15. Во сколько раз масса аэростата, заполненного гелием, меньше массы аэростата, заполненного воздухом, если давление газа р=750 мм рт. ст., t=20 ^оС, объем аэростата V=4000 m³, масса оболочки аэростата М_о=700 кг, мольные массы гелия и воздуха равны соответственно 4 кг/кмоль и 29 кг/кмоль.

16. Если на одну чашку весов в условиях вакуума поставить килограммовую гирю, то какой объем воздуха уравновесит весы? Давление воздуха р=750 мм рт.ст., температура воздуха 25 °С.

17. Во сколько раз отличайся плотность воздуха при атмосферном давлении р=745 мм рт.ст. и температурах t₁=-20 °C и t₂=30 °С?

18. Объемный состав продуктов сгорания:r_СО2=°0,12, r_О2=0,07, r_СО=0,005, r_N2=0,705, r_H2O= 0,1 давление р=10 бар, температура t=1000 °C. Какова плотность продуктов сгорания?

19. Газовая смесь состоит из двух киломолей углекислого газа (СО₂) и трех киломолей гелия (Не). Какова масса газовой смеси (М, кг) и газовая постоянная R, Дж/(кг·К)? Мольная масса гелия μ=4 кг/кмоль.

20. В смеси содержится 5кг углекислого газа (СО₂) и 2кг окиси углерода (СО). Давление смеси р=2 бар. Какова газовая постоянная смеси R, Дж/(кг·К) и парциальное давление p_CO2?

21. Газовая смесь состоит из четырех киломолей аммиака (NH₃) и одного киломоля азота (N₂). Какова газовая постоянная смеси R, Дж/(кг·К)?

22. .В газовой смеси содержится метан (СН₄) и азот (N₂). Массы компонентов одинаковы. Чему равна газовая постоянная смеси (R, Дж/кг·К)?

23. В газовой смеси содержатся аммиак (NНз) и азот (N₂), парциальные объемы компонентов одинаковы. Чему равна газовая постоянная смеси (R, Дж/кг·К)?

24. Газовая смесь состоит из углекислоты (СО₂) и двуокиси серы (SO₂). Число киломолей компонентов одинаково. Чему равна мольная масса газовой смеси?

25. Для воздуха и углекислого газа (CO₂) оцените отклонение в % мольных теплоемкостей μс_vпри температурах 100 ^оС и 1000 °С от постоянных значений μс_v, (20,8 кДж/кмоль·К для двухатомных газов и 29,1 – для трех- и многоатомных газов).

26. При нагреве воздуха от t₁=50 °C до .t₂⁼250 °C определите изменение внутренней энергии (∆u) тремя способами: используя табличные значения u, используя средне-арифметическое значение теплоемкости Cv для данного интервала температур, приняв теплоемкость постоянной, согласно молекулярно-кинетической теории газов.

27. Выполните задание вопроса № 16 для углекислого газа (СО₂).

28. Определите изменение энтальпии (∆h) при нагреве воздуха от t₁=100 °C до 800 °С тремя способами:

        используя табличные значения h,

        используя средне-арифметическое значение теплоемкости Ср для данного интервала температур,

        приняв теплоемкость постоянной, согласно молекулярно-кинетической теории газов.

29. Определите изменение энтропии (∆s) при нагреве воздуха в изобарном (p=const) процессе от t₁=0 °C до t₂=500 °C тремя способами:

используя табличные значения s°,

       используя средне-арифметическое значение теплоемкости Ср для данного интервала температур,

      приняв теплоемкость постоянной, согласно молекулярно-кинетической теории газов.

30. Для воздуха в интервале температур 100-600 °С найдите среднюю изобарную теплоемкость C_p, кДж/(кг·К) тремя способами:

используя истинные значения теплоемкостей μСр при данных температурах (средне-арифметическое значение),

используя табличные значения энтальпий h,

используя постоянное значение теплоемкости для двухатомных газов μс_у=20,8 кДж/(кмоль·К).

31. Рассчитайте изохорную теплоемкость Ср, кДж/кг-К смеси газов СО₂ и N₂ npи t=500 °C, если r_со2=0,28. Рассчитайте изохорную теплоемкость с_v, кДж/кг-К смеси газов СО₂ и N₂ при t=500 ^оС, если g_N2=0,46.

32. Определите энтропию газовой смеси СО₂ и N₂ при t=300 °C, р=5бар, если g_co2=0,35. 10 кг воды с температурой t₁=10 °C нагревается при давлении р=1бар до температуры кипения (t_s). Сколько тепла (Q, кДж) требуется для нагрева? Покажите процесс нагрева воды в T-s- диаграмме.

33. Сколько тепла необходимо сообщить, чтобы испарить 2кг кипящей воды при давлении 5 бар? Покажите процесс испарения воды в р-и и T-s- диаграммах.

34. Чему равна плотность (р, кг/м³) и внутренняя энергия (u, кДж/кг) мокрого пара с давлением р=5 бар и степенью сухости х=0,8? Как изменится плотность, если пар станет сухим насыщенным при р=5 бар? Покажите оба состояния в h-s- диаграмме.

35. Как изменяется теплота парообразования (r, кДж/кг) с увеличением давления пара? При каком давлении теплота парообразования равна 0? Какой площадью характеризуется теплота парообразования в T-s- диаграмме?

36. Объем мокрого пара с параметрами р=2 бар, х=0,725 равен V=2 м³.Чему равна масса мокрого пара? Покажите состояние мокрого пара в p-v и T-s-диаграммах.

37. Приведите значения параметров критического состояния для воды и водяного пара: р_кр, v_кр , t_кр , h_кр , s_кр .Определите параметры (х, h, v) для состояния при р=1 бар и s=s_кр. Покажите в диаграмме T-s это состояние.

38. Определите, в каком состоянии находится Н₂О при давлении р=80 бар и температуре t=320 °С. Рассчитайте внутреннюю энергию (u, кДж/кг). Покажите состояние в T-s- диаграмме.

39. Сколько теплоты надо затратить, чтобы нагреть и испарить 1кг воды с температурой t=10 °C при постоянном давлении р=5 бар? Покажите процесс в р-v и T-s- диаграммах.

40. При каком давлении (р) изохора v=0,37481 м³/кг пересекает нижнюю пограничную кривую? Рассчитайте внутреннюю энергию в этом состоянии (u, кДж/кг). Покажите изохору и состояние в р-v -диаграмме.

41. При каком давлении (р) изохора v=0,37481м³/кг пересекает верхнюю пограничную кривую? Определите параметры в этом состоянии (h, u, s) Покажите изохору и состояние в р-v - диаграмме.

42. При каком давлении (р) адиабата s=5,8878 кДж/кг-К пересекает верхнюю пограничную кривую? Определите параметры в этом состоянии (h, t, u). Покажите адиабату и состояние в T-s-диаграмме.

43. При какой температуре (t) адиабата s= 1,4185кДж/(кг·К) пересекает нижнюю пограничную кривую? Определите параметры в этом состоянии (р, u). Покажите адиабату и состояние в T-s- диаграмме.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2

ЗАДАНИЕ № 1