МУ по ЛЗ (Транс Энерг)


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автомобильного транспорта
С.В. Ляхов
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Методические указания к лабораторным занятиям для студентов:
Направление 190700.01.62 «Технологии транспортных процессов»
Профиль «Организация перевозок и управление на транспорте (автомобильный транспорт)»
Дисциплина «Транспортная энергетика»
Екатеринбург
2013
Печатается по рекомендации методической комиссии ЛМФ
Протокол № …. от ……..2012 г.
Рецензент доцент, к.т.н. Д.В. Демидов
Редактор
Компьютерная верстка _______________________________________________________________
Подписано в печать Поз.
Плоская печать Формат 60х84 1/16 Тираж 100 экз.
Заказ Печ. л. 3,25 Цена …. руб…. коп. _______________________________________________________________
Редакционно-издательский отдел УГЛТУ
Отдел оперативной полиграфии УГЛТУ

Лабораторная работа №1.
Решение задач для изучения параметров в системе СИ
Термодинамическая система характеризуется определенными значениями ее свойств. Эти свойства термодинамического тела (системы) называются параметрами состояния.
Параметр состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состояниями тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния при переходе тела из первого состояния во второе.
Все термодинамические параметры введены человеком для удобства изучения окружающего мира. Однако не все параметры поддаются измерению приборами. Ряд параметров, не поддающихся измерению, человек ввел для удобства расчета термодинамических процессов. Эти параметры получаются расчетным путем и имеют в размерности величину работы (энергии) джоуль или калория. Например, к ним относятся энтальпия и энтропия. Такие параметры получили название энергетических или калорических параметров, или функций состояния. Параметры, которые возможно измерить приборами, называются термическими. К основным термическим параметрам состояния относятся: удельный объем, давление и температура.
Задачи
Пример решения задачи:
1.1. Манометр газового баллона показывает давление 0,9 МПа, столбик ртути в барометре имеет высоту 730 мм при температуре в помещении 30 °С. Определить абсолютное давление газа в баллоне в мегапаскалях.
Решение
Показание барометра получено при температуре ртути 30 °С. Барометрическое давление, приведенное к 0 °С, составит
,
и, следовательно, атмосферное давление в Па будет определяться соотношением 1 бар = 105 Па = 750 мм рт. ст.

Абсолютное давление газа в баллоне

1.2. В сосуде вместимостью 0,4 м3 находится 0,8 кг газа. Определить его удельный объем, плотность и удельный вес в СИ.
Ответ: v=0,5 м3/кг, =2 кг/м3 , =19,62 Н/м3 .
1.3. Манометр парового котла показывает давление 15 кгс/см2 . Показания ртутного барометра при температуре в котельной 25 °С составляют 750 мм рт.ст. Определить абсолютное давление в котле в технических атмосферах, в барах и в паскалях.
Ответ: р=16,01 кгс/см2 =15,7 бар =15,7∙105 Па .
1.4. Пневматический пресс с диаметром поршня 0,4 м действует с силой 635000 Н. Определить абсолютное давление воздуха в цилиндре пресса в атмосферах, в барах и в паскалях, если барометрическое давление Во=745 мм рт. ст.
Ответ: р=52,6 кгс/см2 =51,55 бар =51,55∙105 Па .
1.5. Разрежение в газоходе котла измеряется при помощи тягомера с наклонной трубкой (рис. 1). Угол наклона трубки =30 о. В качестве измерительной жидкости залит керосин с плотностью 0,8 г/см3.
Определить абсолютное давление в газоходе котла в барах, паскалях, в технических атмосферах при отсчете по наклонной шкале трубки прибора ℓ=220 мм и барометрическом давлении в котельной (приведенном к 0 оС) Во=740 мм рт.ст.
Ответ: р=0,978 бар = 97800 Па = 0,997 кгс/см2.


В
р
Рис. 1. Измерение разрежения тягомером

Рис. 2. Измерение давления U- образным фнометром
U- образным манометром
В
H1
р
H2

1.6. Для определения давления газа к сосуду подключен U- образный ртутный манометр (рис.2). Высота столба ртути H1=500 мм. Над ртутью в правом колене находится вода. Высота водяного столба H2=200 мм. Барометрическое давление Во=742 мм рт.ст. Определить абсолютное давление газа в сосуде в миллиметрах ртутного столба и в барах.
Ответ: р=1256,7 мм. рт. ст. =1,675 бар.
1.7. В конденсаторе паровой турбины поддерживается абсолютное давление р=0,04 бар. Каковы будут показания вакуумметров, проградуированных в килопаскалях и в миллиметрах ртутного столба, если в одном случае показание барометра (приведенного к 0 оС) составляет 735 мм рт. ст., а в другом 764 мм рт.ст.?
Ответ: 1) рв=94,0 кПа =705 мм рт.ст.;
2) рв=97,87 кПа =734 мм рт.ст.
1.8. Манометр, установленный в открытой кабине самолета, находящегося на земле, и измеряющий давление масла в двигателе, показывает 6 кгс/см2 при показаниях барометра 752 мм рт.ст.
1) Каково абсолютное давление масла, выраженное в бар, кгс/см2, мм рт.ст., мм вод. ст.?
2) Каковы будут показания манометра в этих же единицах после подъема самолета на некоторую высоту, где атмосферное давление составляет 442,5 мм рт.ст., если абсолютное давление масла в двигателе остается неизменным? Ускорение свободного падения считать нормальным (g=9,81 м/с2), не зависящим от высоты подъема самолета. Плотность ртути и воды принять соответственно при 0 и 4 оС Нg=13595 кг/м3, Н2О=1000 кг/м3.
Ответ: 1) р=6,89 бар =7,0223 кгс/см2 =5165 мм рт. ст.=
=7,022∙104 мм вод. ст.;
2) рм=6,297∙бар =6,421 кгс/см2 =4723 мм рт. ст.= =6,421∙104 мм вод. ст.
1.9. Определить абсолютное давление в воздухопроводе (рис.3), если измерение давления ведется микроманометром. Длина трубки микроманометра, заполненная жидкостью, ℓ = 180 мм. Трубка наклонена под углом = 30о, а рабочая жидкость спирт с плотностью 0,8 г/см3. Показания барометра 0,1020 МПа. Давление определить в мегапаскалях, миллиметрах ртутного столба и в кгс/см2.


В
Р
Рис. 3. Измерение давления микроманометром
Ответ: р=0,1027 МПа =770 мм рт.ст.=1,047 кгс/см2 .
Контрольные вопросы
1. Что называют параметром состояния?
2. Назовите основные термические параметры состояния.
3. Какую размерность имеют удельный объем и плотность вещества в системе СИ?
4. Что понимают под температурой газа в технической термодинамике?
5. Какие температурные шкалы используются в технической термодинамике и на чем они основаны?
6. Что понимается под давлением газа в технической термодинамике?
7. Являются ли манометрическое и вакуумметрическое давления параметрами состояния?
8. Какие термодинамические свойства тел и систем используются для измерения температур и разностей температур в различных термометрических приборах?

Лабораторная работа №2.
Решение задач по ДВС
Циклы двигателей внутреннего сгорания
В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) в качестве рабочего тела используются продукты сгорания органического топлива. Цилиндры этих двигателей выполняют функции камеры сгорания и устройств для сжатия и расширения рабочего тела. В качестве холодного источника теплоты в ДВС используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания в атмосферу).
Для упрощения термодинамического анализа циклов ДВС принимается ряд допущений.
1. Количество рабочего тела в цикле ДВС будем считать неизменным и равным расходу воздуха. Это допущение объясняется малым процентным массовым расходом топлива по отношению к расходу воздуха.
2. Свойства рабочего тела будем считать соответствующими свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянными изобарными и изохорными теплоемкостями.
3. Процессы выхлопа отработавших газов и процесс забора новой порции воздуха взаимно компенсируют друг друга (их нет). Это возможно, т.к. оба эти процесса идут практически при постоянном давлении окружающей среды в противоположных направлениях.
4. Процесс отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду заменяется изохорным процессом охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды. То есть условно считается цикл замкнутым, а охлаждение рабочего тела осуществляется прямо в цилиндре при закрытых клапанах до температуры окружающей среды.
5. Процессы расширения и сжатия рабочего дела соответствуют адиабатным процессам. Эти процессы быстротечны, поэтому можно считать их адиабатными.
6. Процессы подвода теплоты к рабочему телу считаются в зависимости от типа двигателя изохорными или изобарными.
Цикл ДВС с подводом теплоты к рабочему телу
при постоянном объеме
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме соответствует карбюраторному двигателю. В этом двигателе в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, которая сжимается и за счет искры в электрической свече воспламеняется. Процесс горения топлива быстротечен и происходит практически при постоянном объеме.
Исходя из принятых допущений идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме можно показать в T,s - диаграмме в виде рис.1.
Для термодинамического анализа экономичности таких циклов ДВС используются следующие отношения объемов и давлений рабочего тела:
– степень адиабатного сжатия;
– степень повышения давления.
Эти относительные величины позволяют по известным параметрам рабочего тела в точке 1 (состояние равновесия с внешней средой) определить все термические параметры в характерных точках цикла ДВС.
Т
s
4
3
2
1
v2=const
v1=const
q1
q2
Тос
2’
4’

Рис. 13.1. Идеальный 1234 и реальный 12’34’ циклы ДВС с подводом теплоты при V=const в Т,s- диаграмме
Используя данные соотношения, определяются основные величины, характеризующие экономичность цикла:
количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу,
; (1)
количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела,
; (2)
удельная работа цикла
; (3)
термический КПД цикла
. (4)

Цикл ДВС с подводом теплоты к рабочему телу
при постоянном давлении
Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия), поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями. Цикл дизельного ДВС показан в T,s - диаграмме на рис. 2.
Т
s
4
3
2
1
р2=const
v1=const
q1
q2
Тос
4’
2’

Рис. 13.2. Цикл ДВС с подводом теплоты при р=const в Т,s- диаграмме: 1234 – идеальный; 12’34’ – реальный
Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия и степень предварительного расширения . Используя эти характеристики и параметры первой точки, можно определить остальные параметры цикла в характерных точках.
Термический КПД цикла
, (5)
где – коэффициент Пуассона.
Выразив температуры в выражении (5) через Т1 и характеристики цикла , , термический КПД ДВС
. (6)
Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу
В таком двигателе процесс сжигания топлива состоит из двух стадий: 1 – частичное сгорание топлива в форкамере при постоянном объеме; 2 – окончательное сгорание топлива при постоянном давлении в основном цилиндре.
Условный идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу в T,s - диаграмме показан на рис. 3.
Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения .
Термический КПД такого цикла ДВС можно представить уравнением

. (7)

Т
s
5'
4
2
1
v2=const
v1=const
q1
q2
Тос
3

р3=const
2'
5

Рис. 3. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты к рабочему телу в Т,s- диаграмме: 12345 – идеальный; 12’345’ - реальный
Задачи
Пример решения задачи:
1. Определить термический и внутренний абсолютный КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 1), для которого задано: р1=1 бар, t1=20 оС, степень адиабатного сжатия =7, температура в начале процесса адиабатного расширения t3=1200 оС, коэффициенты адиабатного расширения и сжатия газа в цилиндре одинаковы (р=сж=0,85). Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с постоянными теплоемкостями сv и ср.
Решение
Для идеального цикла ДВС КПД определяется только величиной степени адиабатного сжатия :
.
Для необратимого цикла ДВС находят температуры в конце необратимых адиабатных процессов сжатия и расширения рабочего тела, используя адиабатные коэффициенты этих процессов и температуры в конце обратимых адиабатных процессов:
К,
К,
К,
К.
Внутренний абсолютный КПД ДВС
.
Ответ: t=0,541, i=0,35.
2. Определить термический КПД и удельную работу идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис.1), для которого задано: р1=1 бар, t1=20 оС, давление и температура газа в начале процесса адиабатного расширения р3=27 бар, t3=1100 оС. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: t=0,504, t=283 кДж/кг.
3. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рис.1), для которого задано: р1=1 бар, t1=20 оС, температура газа в начале процесса адиабатного расширения t3=1000 оС, температура в конце адиабатного расширения t4=400 оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: t=0,471, Wt=242 кВт.
4. Определить термический КПД и удельную работу идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (рис.2), для которого задано: р1=1 бар, t1=40 оС, t2=800 °С, t4=600 оС. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: t=0,655, t=763 кДж/кг.
5. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (рис.2), для которого задано: р1=1 бар, t1=20 оС, температура газа в начале процесса адиабатного расширения t3=1200 оС, температура в конце адиабатного расширения t4=400 оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: t=0,588, Wt=388 кВт.
6. Определить термический и внутренний абсолютный КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении, для которого задано: р1=1 бар, t1=20 оС, степень адиабатного сжатия , температура газа в начале процесса адиабатного расширения t3=1200 оС, коэффициенты адиабатного расширения и сжатия в цилиндре одинаковы и равны р=сж=0,85. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4.
Ответ: t=0,631, i=0,354.
7. Определить максимальное давление рmax, температуру t3 и термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р1=1 бар, t1=17 оС. Удельная теплота, подведенная к рабочему телу при v=const q1’=200 кДж/кг, равна теплоте q1”, подведенной при р=const. Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с =28,96 кг/кмоль и к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: рmax=53,7 бар, t3=214 оС, t=0,646.
8. Определить термический КПД и мощность идеального цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р1=1 бар, t1=80 оС, степень адиабатного сжатия , р3=р4=60 бар, температура газа в конце адиабатного расширения t5=400 оС. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: t=0,652, Wt=428 кВт.
9. Определить внутренний абсолютный КПД и мощность цикла ДВС со смешанным подводом теплоты (рис. 3), для которого задано: р1=1 бар, t1=30 оС, степень адиабатного сжатия , степень повышения давления , температура газа в начале процесса адиабатного расширения t4=1500 оС. Коэффициенты адиабатного расширения и сжатия в цилиндре одинаковы и равны р=сж=0,85. Расход рабочего тела 1 кг/с, оно обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4. Цикл изобразить в Т,s- и p,v- диаграммах.
Ответ: i=0,426, Wi=256 кВт.
10. Сравнить термические КПД, максимальные температуры Тmax и давления рmax газов в цилиндрах трех идеальных циклов ДВС с одинаковыми q1=500 кДж/кг и р1=1 бар, t1=20 °С:
1) с подводом теплоты при постоянном объеме, ;
2) с подводом теплоты при постоянном давлении, ;
3) со смешанным подводом теплоты, и .
Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4.
Циклы изобразить в Т,s- диаграмме.
Т
s
5
4
2
1
q2
3
6
7
8
9
10
11
р max
q1
Ответ: 1) t=0,602, Тmax=Т3=1093 К, рmax=р3=37,4 бар ;
2) t=0,626, Тmax=Т3=1366 К, рmax=р3=44,3 бар ;
3) t=0,656, Тmax=Т4=1365 К, рmax=57,6 бар .
Рис. 4. Циклы ДВС с одинаковыми q1 и рmax в Т,s- диаграмме
11. Сравнить термические КПД и максимальные температуры трех идеальных циклов ДВС с одинаковыми q1=500 кДж/кг, максимальным давлением рmax=60 бар, и р1=1 бар, t1=20 °С (рис. 4):
1) ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме и t3=1200 °С;
2) ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении;
3) ДВС со смешанным подводом теплоты и .
Рабочее тело обладает свойствами идеального воздуха с к=1,4.
Циклы изобразить в Т,s- диаграмме.
Ответ: 1) t=0,629, Тmax= Т3 = 1473 К ;
2) t=0,660, Тmax= Т3 = 1444 К ;
3) t=0,633, Тmax= Т4 = 1450 К.
Контрольные вопросы
1. Какие основные преимущества у ДВС по сравнению с турбинными двигателями и поршневыми паровыми машинами?
2. Перечислите основные величины, характеризующие мощность четырехтактного ДВС.
3. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл карбюраторного (с подводом теплоты при v=const) ДВС.
4. Какие величины характеризуют термический КПД карбюраторного ДВС и какие ограничения существуют в технической реализации его увеличения?
5. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл дизельного ДВС (с подводом теплоты при р=const).
6. Какие величины характеризуют термический КПД дизельного ДВС?
7. Какие основные недостатки имеют дизельные ДВС ?
8. Изобразите в Т,s- диаграмме идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (с подводом теплоты при v=const и р=const).
9. Какие величины характеризуют термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты?
10. Какие основные преимущества имеют ДВС со смешанным подводом теплоты по сравнению с дизельными ДВС?
Лабораторная работа №3. Решение задач по воде, водяному пару
Термодинамические свойства воды и водяного пара не могут быть описаны удобными для использования универсальными уравнениями, аналогичными уравнениям для идеальных газов. В инженерной практике широкое распространение получили таблицы термодинамических свойств веществ и построенные на их базе диаграммы зависимостей параметров состояния. В этих таблицах зависимость термических параметров состояния, как правило, определяется экспериментально. На базе этих зависимостей с использованием дифференциальных уравнений термодинамики и ряда опытных величин (q, cp и т.п.) рассчитывают значения энергетических параметров (функций состояния) h, u, s.
к
р
2
3
t =0 оС
рtн
vО'
v
х=0
t<tкр
х=1
A
1
4





е
х=const

t=tкр
t >tкр
s=const
v'
v”
vx
L
Для иллюстрации процессов изменения состояния воды и водяного пара и паровых циклов широко используются р,v-, T,s- и h,s- диаграммы (рис. 6.1, 6.2, 6.3). Они дают большой объем информации, позволяют наглядно судить о фазовых состояниях воды, особенностях ее процессов и упрощают определение параметров воды в этих процессах.
Рис. 1. Основные процессы воды и водяного пара в р,v - диаграмме
основные процессы для жидкой и паровой фаз воды:
– между вертикальной изотермой 0 оС в области жидкости и линией состояния насыщения жидкости х=0 находится область жидкой фазы воды;
– выше линии состояния сухого насыщенного пара х=1 находится область перегретого пара;
– между линиями х=0 и х=1 находится область влажного насыщенного пара;
– докритическая изотерма 1-2-3-4, в области жидкости (1-2) близка к вертикальной прямой с незначительным смещением влево, в области влажного пара (2-3) совпадает с изобарой насыщения, в области перегретого пара (3-4) представляет кривую выпуклостью вниз;
– критическая изотерма tкр имеет точку перегиба в критической точке;
– сверхкритическая изотерма t > tкр также имеет точку перегиба, которая при больших значениях температуры пропадает;
– линии постоянных энтропий (s=const) представляют собой кривые выпуклостью вниз, причем линии s<sкр пересекают только линию x=0, а линии s>sкр пересекают только линию x=1;
– линии x=const соответствуют соотношению отрезков:
.
Удельный объем жидкости сильно отличается от удельного объема сухого насыщенного пара, поэтому линия x=0 более крутая, чем линия x=1.
Задачи
Пример решения задачи:
1. Пользуясь таблицами теплофизических свойств воды и водяного пара [13], определить фазовое состояние воды, ее температуру и удельные энергетические параметры: энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию, если р=5 бар, v=0,2 м3/кг.
Решение
Первоначально определяют фазовое состояние H2O:
по табл. 2 [13] при р=5 бар находят удельные объемы для жидкости в состоянии насыщения v’=0,0010928 м3/кг и для сухого насыщенного пара v”=0,37482 м3/кг, а затем их сравнивают с заданным объемом v=0,2 м3/кг. Поскольку v’<v<v” , то это состояние влажного насыщенного пара, для которого температура пара равна температуре насыщения tн=151,85 оС.
Остальные параметры определяют с использованием степени сухости, которую рассчитывают по заданному удельному объему:
;
, кДж/кг ;
, кДж/(кг∙К).
Для определения удельной внутренней энергии в ее расчетное выражение давление подставляют в кПа, а удельную энтальпию – в кДж/кг:
кДж/кг.
2. Давление насыщенного водяного пара рн=7,5 кПа. Определить параметры сухого насыщенного пара и воды в состоянии насыщения (кипения) по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара (t, v, h, v, s, u).
Ответ:
для воды: t=40,32 oC, v=0,0010079 м3/кг,
h=168,77 кДж/кг, s=0,5763 кДж/(кг∙К), u=168,76 кДж/кг;
для пара: t=40,32 oC, v=19,241 м3/кг,
h=2574,5 кДж/кг, s=8,2517 кДж/(кг∙К), u=2430,2 кДж/кг.
3. Определить температуру, давление и удельную внутреннюю энергию жидкой фазы воды в состоянии насыщения при h=500 кДж/кг.
Ответ: t=119 oC, р=1,9233 бар, u=499 кДж/кг.
4. Определить удельную внутреннюю энергию сухого насыщенного водяного пара при давлении 100 бар.
Ответ: u=2544,4 кДж/кг.
5. Определить температуру и значения удельных величин: объема, энтропии и внутренней энергии водяного пара при давлении р=10 бар и степени сухости х=0,9.
Ответ: t=179,88 oC, v=0,176 м3/кг, s=6,14 кДж/(кг∙К), u=2400 кДж/кг.
6. Водяной пар при температуре 200 °С имеет удельную энтальпию 1200 кДж/кг. Определить давление, удельные объем и энтропию пара.
Ответ: р=15,55 бар; v=0,0237 м3/кг, s=3,07 кДж/(кг∙К).
7. Определить по таблицам [13] фазовое состояние и параметры H2O (v, t, h, s) при давлении 10 бар и удельной внутренней энергии u=2000 кДж/кг.
Ответ: влажный насыщенный пар,
t=179,88 oC, v=0,132 м3/кг, h=2132 кДж/кг, s=5,16 кДж/(кг∙К).
8. По заданным удельным энтальпии и энтропии: h=2538 кДж/кг, s=6,325 кДж/(кг∙К), определите по таблицам [13] фазовое состояние Н2О, его давление и температуру. Объясните метод рационального поиска параметров р и t.
Ответ: влажный насыщенный пар, р=5 бар, t=151,85 оC.
9. В 1 м3 Н2О при давлении 5 бар 1/20 часть объема занята жидкостью в состоянии насыщения, а 19/20 объема – сухим насыщенным паром. Определить массу сухого насыщенного пара, и жидкости в этой смеси и внутреннюю энергию 1 м3 этого влажного насыщенного пара.
Ответ: mж.с.н.= 45,75 кг, mс.н.п.=2,51 кг, U=35747 кДж.
10. В сосуде вместимостью 5 м3 находится влажный насыщенный водяной пар при давлении 150 бар и степени сухости 0,3.
Определить массу влажного пара в сосуде и объем, занимаемый насыщенной жидкостью и сухим насыщенным паром.
Ответ: m=1,17 т, V’=1,36 м3, V"=3,64 м3.

Лабораторная работа №4. Решение задач по разделу «Теплопроводность, конвективный теплообмен и теплопередача»
Теплота дымовых газов передается через стенку котла к кипящей воде. Принимая температуру газов tж1=950℃, воды tж2=160℃, коэффициент теплоотдачи от газов к стенке α1=70 Вт/(м2К) и от стенки к воде α2=2000 Вт/(м2К), считая стенку плоской, требуется:
Подсчитать термические сопротивления R, коэффициенты теплопередачи k, эквивалентные коэффициенты теплопроводности λэкв, а также количества передаваемого тепла от газов к воде через 1 м2 стенки за 1 с (т.е. плотности потока тепла q) для четырех случаев:
а) стенка стальная, чистая, толщиной δ2=14 мм, теплопроводность стали λ2= 50 Вт/(м*К);
б) стенка медная, чистая, толщиной δ2=14 мм, теплопроводность меди λ2= 350 Вт/(м*К);
в) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи δ3= 9 мм, теплопроводность накипи λ3= 2 Вт/(м*К);
г) то же, что и в случае в), но поверх накипи имеется слой масла толщиной δ4=2мм, теплопроводность масла λ4= 0,1 Вт/(м*К);
д) то же, что и в случае г), но со стороны газов стенка покрыта слоем сажи толщиной δ1=1мм, теплопроводность сажи λ1=0,2 Вт/(м*К)
2. Приняв плотность потока тепла для случая а) за 100%, подсчитать плотности потоков тепла для остальных случаев.
3. Определить аналитически (расчетным путем) температуры всех поверхностей слоев стенки для случая д).
4. Проверить расчетные температуры графически.
5. Построить для случая д) линию падения температуры в стенке.
Решение.
1.а) стенка стальная, чистая, толщиной δ2=14 мм, теплопроводность стали λ2= 50 Вт/(м*К).
Находим коэффициент теплопередачи стальной стенки k:
k=11α1+δстλст+1α2=1170+0,01450+12000=66,7 Вт/(м2К)Термическое сопротивление стали R=δλ=2,8*10-4м*КВтПлотность теплового потока в стальной стенке:
q=ktж1-tж2=66,7950-160=52693 ВтВеличина теплового потока Q численно равна плотности теплового потока q, т.к. площадь поверхности F =1 и время Δt=1.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности λэкв в данном случае равен теплопроводности стали λ2= 50 Вт/(м*К), т.к. стенка однослойная.
1. б) стенка медная, чистая, толщиной δ2=14 мм, теплопроводность меди λ2= 350 Вт/(м*К);
k=11α1+δλ+1α2=1170+0,014350+12000=67,4 Вт/(м2К) Rмеди=0,014350=4*10-5м*КВтq=ktж1-tж2=67,4950-160=53270 Втλэкв=λмеди=350Втм*К1.в) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи δ3= 9 мм, теплопроводность накипи λ3= 2 Вт/(м*К);
k=11α1+δ2λ2+δ3λ3+1α2=1170+0,01450+0,0092+12000=51,09 Вт/(м2К)Rнакипи=0,0092=4,5*10-3м*КВтq=ktж1-tж2=51,09950-160=40368 Втλэкв=i=1nδii=1nδiλi=0,014+0,0090,01450+0,0092=4,81Втм*К1. г) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи δ3= 9 мм, теплопроводность накипи λ3= 2 Вт/(м*К), поверх накипи имеется слой масла толщиной δ4=2мм, теплопроводность масла λ4= 0,1 Вт/(м*К);
k=11α1+δ2λ2+δ3λ3+δ4λ4+1α2=1170+0,01450+0,0092+0,0020,1+12000=25,27 Вт/(м2К)Rмасла=0,0020,1=0,02 м*КВтq=ktж1-tж2=25,27950-160=19964,6 Втλэкв=i=1nδii=1nδiλi=0,014+0,009+0,0020,01450+0,0092+0,0020,1=1,009Втм*К1.д) то же, что и в случае г), но со стороны газов стенка покрыта слоем сажи толщиной δ1=1мм, теплопроводность сажи λ1=0,2 Вт/(м*К).
Коэффициент теплопередачи в такой многослойной стенке
k=11α1+δ2λ2+δ3λ3+δ4λ4+δ1λ1+1α2=1170+0,01450+0,0092+0,0020,1+0,0010,2+12000=22,44 Вт/(м2К)Rсажи=0,0010,2=5*10-3 м*КВтq=ktж1-tж2=22,44950-160=17729 Вт λэкв=i=1nδii=1nδiλi=0,014+0,009+0,002+0,0010,01450+0,0092+0,0020,1+0,0010,2=0,873Втм*КПримем плотность потока тепла для случая а) за 100%, подсчитаем плотности потоков тепла для остальных случаев:
qа=52693=100%,qб=53270=101,1%,qв=40368=76,6%,qг=19964,6=37,9%,qд=17729=33,6%.3. Определим расчетным путем температуры всех поверхностей слоев стенки для случая д), для этого используем следующее уравнение:
tсi+1=tж1-q1α1+i=1iδiλiа) температура на поверхности стенки со стороны газов
tс1=tж1-q1α1=950-17729170=696,7℃б) температура на границе между слоем сажи и сталью
tс2=950-17729170+0,0010,2=608,08℃ в) температура на границе между стальной стенкой и слоем накипи
tс3=950-17729170+0,0010,2+0,01450=603,1℃ г) температура на границе между слоем накипи и слоем масла
tс4=950-17729170+0,0010,2+0,01450+0,0092=523,3℃ д) температура на поверхности стенки со стороны воды
tс5=tж2+q1α2=160+1772912000=168,9℃ 4. Проверим расчетные температуры графически.
Получили tс1=697,8℃; tс2=609℃; tс3=604℃; tс4=524℃; tс5=168,9℃.5. Построим для случая д) линию падения температуры в стенке.
Задание 2. Конвективный теплообмен и теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку.
По горизонтальному стальному трубопроводу (рис.1), с внутренним и наружным диаметром соответственно D1 = 25мм и D2 = 32мм движется вода со средней скоростью wж1 = 0,03м/с. Средняя температура воды tж1 = 140℃. Трубопровод изолирован асбестом и охлаждается посредством естественной конвекции сухим воздухом с температурой tж2 = 22℃. Определить наружный диаметр изоляции, при котором на внешней поверхности изоляции устанавливается температура tст3 = 44℃. Определить линейный коэффициент теплопередачи от воды к воздуху k1 (Вт/м2К), потери теплоты с одного погонного метра трубопровода ql (Вт/м), а также температуру наружной поверхности стального трубопровода tст2.
Рассчитать, целесообразно или нет применять в качестве теплоизоляционного материала асбест? Приводит ли асбестовая изоляция к уменьшению теплового потока с поверхности трубопровода?
Применять следующие упрощающие предположения:
- течение воды в трубопроводе термически стабилизированное;
- между наружной поверхностью стального трубопровода и внутренней поверхностью изоляции существует идеальный тепловой контакт;
- считать, что теплопроводность стали λ1=50 Вт/м*К и асбеста λ2= 0,12 Вт/м*К не зависит от температуры.
Наружный диаметр изоляции должен быть рассчитан с такой точностью, чтобы температура на наружной поверхности изоляции отличалась от заданной не более чем на 0,1℃.Решение.
Определим режим течения жидкости
Reж1=w*Dν=0,03*0,0250,169*10-6=4437,9Режим переходный.
Найдем коэффициент теплоотдачи α1, для этого сначала рассчитаем число Нуссельта
Nuж1=0,116Reж123-125Prж113μж1μст10,14=0,1164437,923-1251,2613200,9*10-6359*10-60,14=16,755Т.к. температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значением
tc1=0,5tж1+tж2=0,5140+22=81℃, при этой температуре μст1=2,184
Отсюда α1=Nuж1λж1D1=16,7550,6850,025=459,1Втм2КНайдем α2:Первое приближение; теплообмен между наружной поверхностью изоляции и воздухом – это свободная конвекция. Для этого случая критериальное уравнение такое:
Nuж2=0,54(Grж2*Prж2)0,25
а) определяющая температура здесь-это средняя величина между температурой воздуха и температурой поверхности изоляции:
t=0,522+44=33℃б) труба расположена горизонтально и при свободной конвекции обтекается воздухом поперечно. При таком обтекании характерный размер – наружный диаметр изоляции, который пока неизвестен, поэтому в первом приближении будем считать l=2D2.
Grж2=gl3ν2β∆t=9,8*0,064315,25*10-62*0,00328*22=797118,4Nuж2=0,54(797118,4*0,702)0,25=14,77
α2=Nuж2λж2l=14,770,02590,064=6Втм2КНайдем наружный диаметр изоляции D3.
D3=q1πα2tст3-tж2=27086,93,14*6*22=65,4 ммq1=α1tc-tж2=459,181-22=27086,9 Вт/м2Определим линейный коэффициент теплопередачи от воды к воздуху:
kl=11α1D1+12λ1lnD2D1+12λ2lnD3D2+1α2D3=11459,1*0,025+12*50ln0,0320,025+12*0,12ln0,06540,032+16*0,0654=0,178Втм2КОпределим потери теплоты с одного погонного метра трубопровода:
ql=klπtж1-tж2=0,178*3,14140-22=66ВтмОпределим температуру наружной поверхности стального трубопровода:
tст2=tст1-qlπR1=140-663,140,00247=139,9℃R1=12λ1lnD2D1=12*50ln0,0320,025=0,00247 (м*К)/ВтРассчитаем эффективность асбестовой изоляции. Для этого найдем потери теплоты с неизолированного стального трубопровода:
ql=π(tж1-tж2)R=3,14(140-22)0,00247=150008,1 Вт/ми сравним его с найденной ранее величиной потерь с изолированного трубопровода. Очевидно, что изоляция асбестом в данном случае весьма эффективна.

Список рекомендуемой литературы
1. Транспортная энергетика: Учебник /Котиков Ю.Г., Ложкин В.Н. М.: Академия. – 2006 - 272 с.
2. Теплотехника: Учеб. для вузов /В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камодер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. – 4-е изд., испр.. – М.: Высшая шк.. 2003 – 671 с.: ил.
Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодинамике. Учебник для ВУЗов. – М.: «Машиностроение», 1973 – 348 с.

Приложенные файлы

  • docx 797331
    Размер файла: 164 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий