Методические указания. Для студентов заочной формы обучения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Для студентов заочной формы обучения

Специальностей

Содержит основы теории и задачи по основным разделам курса «Теплотехника», «Техническая термодинамика» и «Основы теплопередачи». Условия задач составлены с расчетом на индивидуальную работу студентов.

Выполнению контрольных работ должно предшествовать тщательное изучение соответствующего раздела курса. При их выполнении студент должен сначала письменно ответить на контрольные вопросы, а затем решить соответствующие задачи (контрольные вопросы и условия задач должны быть переписаны в пояснительную записку).

При подготовке к экзамену или зачету студенту рекомендуется проработать все контрольные вопросы и задачи, предложенные в заданиях.

Ответы на контрольные вопросы должны быть краткими. Их необходимо сопровождать формулами, графиками, схемами и эскизами. При решении задач студент указывает, по какой формуле и в каких единицах измерения определяются величины, из какого источника информации взяты подставленные в формулу значения (если они не содержатся в условиях задачи). При использовании таблиц, диаграмм, эмпирических формул и других справочных материалов необходимо сделать ссылку на литературный источник.

В приложении к заданиям (часть II) приведены справочные таблицы средних изобарных теплоемкостей некоторых газов, термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения, физических свойств сухого воздуха и воды на лини насыщения.

Вычисления всех величин приводятся в развернутом виде. Если подставляемая в формулу величина определяется по какой-либо зависимости, это промежуточное вычисление необходимо подробно записать. Обозначения величин и терминология в пояснительной записке к контрольной работе должны соответствовать принятым в учебной литературе.

Решения задач желательно дополнить схемами и графиками, тщательно выполненными и подклеенными к пояснительной записке в соответствующих местах. Пояснительная записка должна иметь поля для заметок рецензента. На графиках необходимо показать все нужные числовые данные (значения давления, температуры и пр.), при решении задач числовые расчеты нужно выполнять в единицах системы СИ.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теплотехника: учебник для вузов / под ред. В. Н. Луканина.- 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2009. - 671 с.: ил.. - Прил.: с. 661-669. - Библиогр.: с. 670-671с.

2. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. пособие для неэнерг. спец. вузов / В.В. Нащокин.- 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. - 469 с.

3. Теплотехника: Учебник для втузов / Под общ. ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.- 712 с.

4. Теплотехника / Под ред. А.П. Баскакова.- М.: Энергоатомиздат, 1982.-259 с.

5. Лариков, Н.Н. Теплотехника.- М.: Стройиздат, 1985.-432 с.

6. Сборник задач по технической термодинамике / Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов.- М.: Энергоиздат, 1981.- 240 с.

7. Сборник задач по технической термодинамике и теории тепломассообмена / Под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого- М.: Высшая школа, 1986.- 383 с.

8. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. Изд. 5-е. М., «Машиностроение», 1973.- 344 с.

9. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. М., «Энергия», 1980. -288 с.

10.Панкратов, Г. П. Сборник задач по теплотехнике [Текст]: учеб. пособие / Г. П. Панкратов.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1995. - 238 с.: ил.

11.Сборник задач по технической термодинамике [Текст]: учеб. пособие для теплоэнергет. спец. вузов / Т. Н. Андрианова [и др.].- 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 240 с.: ил.. - Библиогр.: с. 240.

12.Болгарский А. В. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче / А. В. Болгарский, Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. – М.: Высш. школа, 1972. – 304 с.

13.Ривкин С. Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. – М.: Энергия, 1980. – 424 с.

14.Термодинамика. Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин: Сборник определений. Вып. 103 / Комитет научно- технической терминологии АН СССР. – М.: Наука, 1984. – 40 с,

ЗАДАНИЕ №1

Раздел «Техническая термодинамика»

Студент выбирает контрольные вопросы и задачи из таблицы № 1 по номеру последней цифры зачетной книжки, а численные значения к задачам по номеру последней цифр зачетной книжки – из соответствующих таблиц каждой задачи, которые приведены в конце задания.

Таблица № 1 – Варианты контрольных вопросов и задач

Контрольные вопросы

1. Почему теплоемкость при постоянном давлении больше, чем теплоемкость при постоянном объеме? На какую величину массовая теплоемкость с_р больше теплоемкости с ? Чему равно отношение этих величин?

2. Напишите выражения, по которым определяются изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии идеального газа в термодинамическом процессе. Почему эти величины являются параметрами состояния?

3. Докажите, что в изобарном процессе изменения состояния рабочего тела подведенная теплота равна изменению его энтальпии.

4. В каком процессе изменения состояния идеального газа вся подведенная теплота расходуется на совершение работы расширения?

5. Как изменяется температура идеального газа при изобарном и адиабатном расширении? Ответ проиллюстрируйте графиками процессов в pv- и тs- диаграммах.

6. Какая величина служит для оценки эффективности прямого обратимого цикла?

7. Почему у обратимого прямого цикла Карно в заданном интервале температур термический КПД имеет максимальное значение?

8. Докажите, что в цикле Карно идеального газа работа адиабатного сжатия равна работе адиабатного расширения.

9. Какой процесс сжатия газа в поршневом компрессоре является энергетически наиболее выгодным? Ответ проиллюстрируйте изображением -диаграммы рабочего процесса идеального компрессора.

10. Какой из теоретических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания при одинаковых максимальных температурах и давлениях имеет наибольшее значение термического КПД? Сравнение циклов произведите в Тs – диаграмме.

11. Что называется теплотой парообразования? На какие части можно разделить ее величину? Как изменяется величина теплоты парообразования с ростом давления и температуры пара?

12. Почему для повышения термического КПД цикла Ренкина наряду с повышением начальной температуры целесообразно одновременно повышать и начальное давление пара? Ответ проиллюстрируйте в is-диаграмме.

13. Укажите способы повышения термического КПД основного паросилового цикла.

14. Покажите с помощью is-диаграммы, как изменяется влажность пара в конце адиабатного процесса расширения пара Ренкина при повышении начального давления, если давление и начальная температура остаются без изменения?

15. Как изменяется состояние перегретого и влажного насыщенного пара в процессе дросселирования? Ответ проиллюстрируйте проведением условной линии этого процесса на диаграмме.

16. Покажите на диаграмме, что процесс дросселирования уменьшает располагаемую работу пара при истечении.

17. Почему в суживающем сопле скорость истечения газа не может достигнуть сверхзвуковой величины?

18. Как связано изменение поперечного сечения вдоль сопла с изменением удельного объема и скорости потока газа или пара?

19. Почему идеальный процесс сушки материала в сушильной камере протекает при неизменной энтальпии? Изобразите этот процесс на диаграмме влажного воздуха.

20. Покажите, как по диаграмме можно определить количество влаги, испаренной в сушильной камере, на 1 кг сухого воздуха.

ЗАДАЧИ

Задача №1

Задан массовый состав (в процентах) смеси идеального газов. Определить газовую постоянную смеси и количество теплоты в процессе охлаждения при постоянном давлении для 5 кг смеси от температуры t_х до 0^° С.

Задача №2

Для газовой смеси массового состава, приведенного в задаче №1, определить объемный состав, среднюю молекулярную массу, газовую постоянную R, среднюю объемную теплоемкость c_v при постоянном объеме для интервала температур от t₁ до t₂.

Задача №3

Заданы массовый состав (в %) смеси идеальных газов (см. задачу №1), начальное абсолютное давление 1 МПа, температура t₁= 0 ⁰С и объем, занимаемый смесью V=4 м³. Определить газовую постоянную смеси, массу смеси, парциальное давление компонентов и затрату теплоты на нагревание заданного количества смеси при постоянном объеме до температуры t₂.

Задача №4

Смесь идеальных газов, имея массовый состав, приведенный в задаче №1, с начальным абсолютным давлением p₁ и температурой t₁= 27 ⁰С, расширяется в политропном процессе до объема в -раз больше первоначального объема V₁=1 м³. Показатель политропы n=1,3. Определить газовую постоянную и массу смеси, параметры смеси в конце расширения, а также изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Теплоемкости компонентов смеси принять не зависящими от температуры.

Задача №5

Смесь идеальных газов задана объемным составом в процентах. Определить массовый состав, среднюю молекулярную массу и газовую постоянную смеси. Определить работу в процессе политропного сжатия 1 кг смеси, если давление в процессе повышается в -раз. Начальная температура смеси t₁=27 ⁰С. Показатель политропы принять n=1,2.

Задача №6

4 м³ продуктов сгорания заданного объемного состава (см. задачу №5) имеют начальное абсолютное давление р₁ и температуру t₁. Определить среднюю молекулярную массу, газовую постоянную и массу смеси. Какое количество теплоты нужно подвести к смеси газов, чтобы в изотермическом процессе давление ее снизилось в -раз? Определить также конечный объем и изменение энтропии в процессе.

Задача №7

1 кг смеси идеальных газов объемного состава (см. задачу №5) имеет начальные параметры р₁=0,1 МПа и t₁. В процессе адиабатного сжатия температура смеси повышается до значения t₂. Определить среднюю молекулярную массу, газовую постоянную смеси, мольные теплоемкости смеси газов при постоянном давлении и объеме, давление и удельный объем в конце процесса сжатия, а также изменение внутренней энергии и работу процесса сжатия.

Задача №8

Определить состояние и параметры пара (энтальпию, энтропию, удельный объем и внутреннюю энергию) перед пароперегревателем котельного агрегата, если известно, что в пароперегревателе за счет подведенной к 1 кг пара теплоты q температура его повысится до значения t. Давление пара р в процессе считать постоянным. Решение задачи проиллюстрировать в диаграмме.

Задача №9

1 кг водяного пара, имея начальное абсолютное давление р₁ и степень х, изотермически расширяется, при этом к нему подводится теплота q. Определить изменение удельной энтропии пара и его параметры (абсолютное давление, удельный объем, энтальпию) в конце процесса. Определить также изменение внутренней энергии и работу в процессе расширения пара. Решение задачи проиллюстрировать в диаграмме.

Задача №10

В процессе адиабатного расширения пара абсолютное давление его понизилось от значения р₁ до р₂=0,1 МПа. Определить состояние пара в конце расширения, его конечные параметры, работу 1 кг пара в процессе расширения и изменение удельной энтальпии. Начальная температура пара t₁. Решение задачи проиллюстрировать в диаграмме.

Задача №11

1 кг водяного пара, имея абсолютное давление р₁ и удельный объем , адиабатно сжимается до давления р₂. Определить удельный объем и температуру пара в конце процесса, а также изменение энтальпии в процессе и работу сжатия. Решение задачи проиллюстрировать в диаграмме.

Задача №12

1 кг водяного пара, имея начальное абсолютное давление р₁ и температуру t₁ вначале дросселируются до давления р₂, а затем расширяется в процессе без теплообмена до состояния, когда его энтальпия становится равной t₂=2500 кДж/кг. Определить изменение энтальпии пара в процессе дросселирования, состояние пара, удельный объем и температуру в конце процесса расширения, а также изменение энтальпии и работу в процессе расширения пара. Решение задачи проиллюстрировать в диаграмме.

Задача №13

10 кг. Водяного пара, имея начальный объем V₁, изотермически расширяется до объема V₂. определить температуру процесса, а также количество подведенной теплоты, изменение внутренней энергии и работу в процессе расширения. Начальное абсолютное давление пара р ₁. Решение задачи проиллюстрировать в is -программе.

Задача №14

1 кг влажного насыщенного пара от начального значения энтропии s ₁ и начальной степени сухости х сжимается в процессе без теплообмена, при этом удельный объем пара уменьшается в раз. Определить абсолютное давление, температуру и энтальпию пара в конце процесса сжатия, а также работу процесса. Решение задачи проиллюстрировать в is -программе.

Задача №15

Водяной пар при абсолютном давлении р и влажности 5% поступает в пароперегреватель, где перегревается до температуры t при постоянном давлении. Определить удельный объем, энтропию, энтальпию и внутреннюю энергию пара до и после пароперегревателя, а также количество теплоты, израсходованное отдельно на подсушку 1 кг пара. Решение задачи проиллюстрировать в is -программе.

Задача №16

1 кг воздуха при барометрическом давлении 745 мм.рт.ст. и относительной влажности охлаждается от начальной температуры t₁ до температуры t₂.

Определить количество выделившейся воды и отведенной теплоты в этом процессе. Решение задачи проиллюстрировать в id -диаграмме.

Задача №17

Действительная подача компрессора составляет V_вс воздуха при параметрах на всасывание: абсолютном давлении 750 мм.рт.ст., температуре t и относительной влажности . Какое количество воды в кг поступает в цилиндр компрессора с воздухом в один час?

Задача №18

Через суживающееся сопло форсунки в цилиндр компрессорного дизеля подается воздух для распыла топлива. Начальные параметры воздуха р₁ и t₁. Определить скорость истечения, а также удельный объем и температуру воздуха на выходе из сопла, если абсолютное давление воздуха на выходе из сопла р₂. Потерями на трение, теплообменом в сопле и скоростью воздуха на входе в сопло пренебречь.

Задача №19

Сухой воздух с начальными параметрами р₁ и t₁ вытекает в количестве 0,2 кг/с в атмосферу (В=750 мм рт. ст.). Определить тип сопла, скорость истечения и его выходной диаметр. Истечение считать адиабатным. Скорость на входе в сопло пренебречь.

Задача №20

К соплам газовой турбины подводятся продукты сгорания топлива с молекулярной массой =30 кг/ кмоль при начальном абсолютном давлении р₁ и температуре t₁. Давление за соплами р₂=0,12 МПа. Определить скорость истечения и диаметр в минимальном сечении сопла и на выходе из него, если из сопла вытекает 0,5 кг/с продуктов сгорания. Истечение адиабатное с показателем адиабаты k=1,35. Скоростью на входе в сопло пренебречь.

Задача №21

Перегретый абсолютный пар с абсолютным давлением р₁=10 МПа и температура t₁ перед поступлением в сопло Лаваля турбины дросселируется до давления р₂. В соплах пар расширяется без потерь на трение и без теплообмена до давления р₃. Определить скорость истечения пара в минимальном и выходном сечениях сопел, а также площадь выходного сечения одного сопла, если через него проходит 1,2 кг/с пара. Начальной скоростью истечения пара пренебречь. Решение задачи проиллюстрировать в is -диаграмме.

Задача №22

Определить скорость адиабатного истечения 0,1 кг/с пара и основные размеры сопла Лаваля, если начальное абсолютное давление пара р₁ и температура t₁. Давление за соплом р₂. Коэффициент скорости =0,95. Угол конусности расширяющейся части сопла принять равным 5^о. Скорость пара на входе в сопло пренебречь.

Задача №23

Идеальный двухступенчатый компрессор всасывает воздух в количестве 10 м³/мин при давлении р₁=750 мм.рт.ст. и температуре t₁=17^оС, а затем сжимает до абсолютного давления р₂. Чему равна теоретическая мощность, кВт, каждой ступени, если сжатие в каждой ступени осуществляется по политропам с показателем n =1,3? Степень повышения давления в каждой ступени принять одинаковое. Определить также конечную температуру сжатого воздуха, если температура воздуха, охлажденного в промежуточном охладителе, равна температуре воздуха в процессе всасывания. Представить pV - и Ts - диаграммы рабочего процесса компрессора.

Задача №24

В цилиндр поршневого одноступенчатого компрессора всасывается воздух при абсолютном давлении 0,1 МПа и температуре 17^оС. Диметр цилиндра 0,23 м, ход поршня 0,17 м. частота вращения вала компрессора 12 об/с. Определить теоретическую мощность привода компрессора при изотермическом и политропном (со средним показателем политропы n =1,3) сжатие воздуха до абсолютного давления р₂. Представить pV - и Ts - диаграммы рабочего процесса компрессора.

Задача №25

Сухой воздух (1 кг) совершает теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты. В начале сжатия цикла абсолютное давление р₁=0,1 МПа, а температура t₁=47^оС. Степень сжатия . В цикле отводиться теплота q₂. Вычертить схему цикла и Ts -диаграммах с указанием переходных точек. Определить в этих точках основные параметры рабочего тела. Определить также термический КПД, подведенную теплоту и полезную работу в цикле. Теплоемкость воздуха считать не зависящей от температуры.

Задача №26

Определить термический КПД теоретического цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты, полезную работу и отведенную теплоту, если известно, что из общего количества подведенной теплоты q₁ х% подводится по изохоре. Температура рабочего тела в конце сжатия t₂, степень сжатия . Считать, что теплоемкость рабочего тела, обладающего свойствами сухого воздуха, не зависит от температуры.

Задача №27

Двигатель внутреннего сгорания работает по теоретическому циклу с изобарным подводом теплоты. Для цикла степень сжатия , а степень предварительного расширения =1,50. Определить давление и температуру в переходных точках цикла, полный объем цилиндра, работу расширения и работу сжатия, полезную работу, полезный КПД, подведенную и отведенную теплоту, если диаметр цилиндра D, ход поршня S, давление в начале сжатия р₁=0,1 МПа и температура t₁=47^оС. Показатель адиабат расширения и сжатия принять равным 1,4. Цикл вычертить в , Ts -диаграммах.

Задача №28

Определить основные параметры переходных точек цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты, если известны абсолютное давление и температура в начале сжатия р₁=0,1 МПа, t₁=27^°С, степень повышения давления при адиабатном сжатии и степень расширения газа в процессе подвода теплоты . Определить также полезную работу и термический КПД цикла. Рабочим телом считать 1 кг сухого воздуха, теплоемкость которого в данном случае не зависит от температуры.

Задача №29

В паросиловой установке, работающей по циклу Ренкина, используется сухой насыщенный пар с абсолютным давлением 2 МПа. Давление в конденсаторе 5 кПа. Как увеличится термический КПД и степень сухости пара на выходе его из парового двигателя при введении перегрева пара до температуры t₁? Решение задачи проиллюстрировать в is -диаграмме.

Задача №30

Паросиловая установка работает по циклу с промежуточным (вторичным) перегревом пара с начальным абсолютным давлением р₁ и температурой t₁. После расширения пара в ступенях высокого давления до р₂ он направляется на вторичный перегрев, где его температура повышается до t₂ при том же давлении р₂. затем пар расширяется в ступени низкого давления в конденсаторе 5 кПа. Определить термический КПД цикла без промежуточного перегрева пара и с промежуточным перегревом, а также изменение конечной влажности пара вследствие промежуточного перегрева. Выполнить необходимый анализ полученных результатов. Решение задачи проиллюстрировать в is -диаграмме.

Таблица 2 - Числовые данные к задачам контрольной работы №1

Номер задачи	Вели чины	Предпоследняя цифра шифра
	mсо2,% mО2,% mN2,% t,0С
	t1,0С t2,0С
	t2,0С
	p1,МПа	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0
	rсо2,% rО2,% rN2,% rco,%	7,5 0,5	9,6 0,4	11,7 0,3	11,8 0,2	9,7 0,3	7,6 0,4	7,5 0,5	7,4 0,6	9,3 0,7	6,2 0,8
	р1,МПа t1,0С		2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5
	t1,0С t2,0С
	q, t,0С р,МПа
	р1,МПа х q,	1,0 0,90	1,55 0,91	1,9 0,92	2,1 0,93	2,3 0,94	2,55 0,95	2,8 0,96	3,1 0,97	3,4 0,98	4,0 0,99
	р1,МПа t1,0С
	р1,МПа ,м3/кг р2, МПа	0,05	1,8 0,1	0,9 0,2	0,2	0,35 0,5	0,07	0,08 1,8	0,13	0,19 4,5	0,5 0,25
	р1,МПа t1,0С р2, МПа						0,8	0,6	0,4	0,2	0,1
	V1, м3 V2, м3 р1, МПа	0,5 3,5	0,6 1,5 3,5	0,7 3,0	0,8 2,2	0,9 2,0	1,0 1,8	1,2 1,5	1,4 1,4	1,6 1,2	0,9
	s, x	6,0 0,81	6,1 0,93	6,2 0,88	6,3 0,93	6,4 0,84	6,5 0,92	6,6 0,93	6,7 0,97	6,8 0,91	6,9 0,95
	р, МПа t1,0С	0,9	1,0 0,93	6,2 0,88	6,3 0,93	6,4 0,84	6,5 0,92	6,6 0,93	6,7 0,97	6,8 0,91	6,9 0,95
	, % t1,0С t2,0С
	Vвс, м3/ч t,0С , %
	Vвс, м3/ч t1,0С р2, МПа	6,0 3,4	6,2 3,5	6,4 3,6	6,6 3,7	6,8 3,8	7,0 3,9	7,2 4,0	7,4 4,1	7,6 4,2	7,8 4,3
	р1, МПа t1,0С	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
	р1, МПа t1,0С	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9
	t1,0С р2, МПа р3, МПа = 1,5	6,0	5,5	5,0	4,5	4,0	3,5	3,0	4,5	7,0	7,5
	р2, МПа		3,8	3,6	3,4	3,2	3,0	2,8	2,6	2,5	2,2
	р2, МПа	0,8	0,75	0,7	0,65	0,6	0,55	0,50	0,45	0,4	0,35
	q2,		5,2	5,4	5,6	5,8	6,0	6,2	6,4	6,6	6,8
	q1, х, % t2,0С
	D, мм S, мм
		4,6 2,3	4,7 2,25	4,8 2,15	4,9 2,1	5,0 2,0	5,1 2,2	5,2 2,1	5,3 2,0	5,4 1,95	5,5 1,9
	t1,0С
	р1, МПа t1,0С р2, МПа t2,0С	2.0	1.7	1.3	1.2	1.0	2.0	2.0	1.5	3.5	3.0

Методические указания

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: