ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Н.П.Толкачева

В.Я.Толкачев

Л.Д.Ахрямкина

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Утверждено редакционно-издательским советом

СибГТУ в качестве сборника задач и заданий на расчетно-

графические работы с примерами решений для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 250401, 220301, 250403, 150405, 280101, 240406, 240100, 240701, 240702, 240403, 240502, 240401, 240801, 260601

Красноярск 2011

УДК: 621.1

Т382

Толкачева Н.П.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА: сборник задач и заданий на расчетно-графические работы с примерами решений для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 250401, 220301, 250403, 150405, 280101, 240406, 240100, 240701, 240702, 240403, 240502, 240401, 240801, 260601/ Н.П.Толкачева, В.Я.Толкачев, Л.Д.Ахрямкина. – Красноярск: СибГТУ, 2010. – 89 с.

Рецензенты: проф. Ю.В.Видин (СФУ); доц. Н.А. Романова (научно-методический совет СибГТУ).

© Н.П.Толкачева

В.Я.Толкачев

Л.Д.Ахрямкина

©ГОУ ВПО «Сибирский государственный

технологический университет», 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Основные параметры состояния 5

2. Идеальные газы и основные газовые законы 10

3. Теплоемкость газов 15

4. Первый закон термодинамики 17

5. Политропные процессы 22

6. Второй закон термодинамики 27

7. Расчет термодинамического газового цикла 31

8. Расчет работы теоретического поршневого компрессора 41

9. Водяной пар 43

10.Термодинамический расчет парового цикла 54

11.Библиографический список 62

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А (справочное) 63

Теплоемкость газов по С.Л.Ривкину

Приложение Б (справочное) 67

Термодинамические свойства воды и водяного пара

на линии насыщения (по давлению)

Приложение В (справочное) 69

Термодинамические свойства воды и водяного пара

на линии насыщения (по температурам)

Приложение Г (справочное) 71

Физические свойства сухого воздуха

Приложение Д (обязательное) 72

Пример расчета термодинамического газового цикла

Приложение Е (обязательное) 80

Пример расчета цикла паросиловой установки

Приложение Ж (обязательное) 88

h-s диаграмма водяного пара

Перечень ключевых слов 89

ВВЕДЕНИЕ

Данное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов при изучении дисциплины «Теплотехника», которая является для всех специальностей Сибирского государственного технологического университета общеинженерной.

По программе учебного плана курса предусмотрены практические занятия, на которых студенты решают задачи, работают с диаграммами и выполняют самостоятельно расчётно-графические работ. Темы, на которые выдаются задания, зависят от специальности и времени, отводимого на изучение предмета в учебном стандарте, и предлагаются следующие:

1. Расчёт термодинамического газового цикла.

2. Расчёт работы поршневого компрессора.

3. Расчёт термодинамического парового цикла.

В пособии по каждой работе включены:

а) исходные данные (100 вариантов);

б) условия задания;

в) перечень тем, которые необходимо проработать для выполнения задания;

г) справочные материалы приведены в приложении для выполнения расчетов.

Выполнение заданий поможет студентам глубже освоить теоретический материал и его практическое применение.

Каждую работу рекомендуется начать с изучения теоретического материала по предлагаемому тематическому плану, используя библиографический список учебной литературы по дисциплине. Выполненная работа должна быть защищена. Защищая, студент обязан обратить внимание не только на правильность решения поставленной задачи, но и на глубину проработки теоретического материала, качество оформления работы по СТП 3.4.204 -01.

Все расчёты проводятся с использованием международной системы единиц - СИ.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Величины, характеризующие тело в данном состоянии, называ­ются параметрами состояния. Состояние тела определяется следующими параметрами: удельным объемом, давлением и температурой.

1. Удельный объем (v) представляет собой объем единицы массы. В технической термодинамике за единицу массы принимается килограмм (кг), за единицу объема - кубический метр (м³). Следо­вательно, удельный объем равен объему в кубических метрах одного килограмма вещества.

Если V - объем в м³, занимаемая телом масса в G кг, то удельный объем

, м³/кг. (1.1)

Величина, обратная удельному объему, носит название плотности,

, кг/м³. (1.2)

Из уравнения (1.2) следует, что

,

а также

м³ , кг.

2. Давление (р) измеряют силой, приходящейся на единицу площади. Так как в технической термодинамике за единицу площади принимают квадратный метр, то давление измеряется в (Н/м²). Во всех термодинамических уравнениях пользуются этой единицей, и поэтому в применяемые формулы следует подставлять числовое зна­чение давления в Н/м². Для практического пользования эта единица очень мала, и ею пользуются только при измерении незначительных давлений. Чаще всего в практике давление измеряют в килограммах на квадратный сантиметр (кг/см²). Эта единица измерения носит название технической атмосферы или просто атмосферы (ат).

Давление можно также измерять высотой столба жидкости (обыч­но ртути или воды). Техническая атмосфера соответствует 735,6 мм рт. ст. при температуре ртути 0 °С или 10 м вод.ст. Так называемая физическая атмосфера (атм) соответствует 760 мм рт.ст. при температуре ртути 0 °С или 10,332 м вод.ст.

Таким образом, 1 ат = 1 кг/см² = 10000 кг/м² = 735,6 мм рт.ст. = 10000 мм вод. ст. = 10³ H/м².

I атм. = 1,0332 кг/см² = 10332 кг/м² = 760 мм рт.ст. = 10332 мм вод.ст. = 101325 Н/м².

Манометры служат для измерения давления выше атмосферного. Их показания дают избыток давления измеряемой среды над атмос­ферным давлением - манометрическое, или избыточное давление.

Для получения истинного, или абсолютного, давления необхо­димо к манометрическому давлению прибавить барометрическое дав­ление:

Р_абс = Р_ман + В, (1.3)

где В - барометрическое давление (давление окружающей среды).

Если давление измерено в атмосферах, то применяют следующие обозначения: ата - для абсолютного давления и ати - для избыточ­ного давления.

Вакуумметры служат для измерения давления ниже атмосферного. По их показаниям судят, насколько давление рассматриваемой среды меньше атмосферного (вакуум, разрежение). Абсолютное давление в этом случае определяется из равенства

Р_абс = В - Р_вак. (1.4)

3. Третьей основной величиной, характерной для состояния тела, является температура. Она измеряется в технике градусами международной стоградусной шкалы (^оС), у которой температура таяния льда и температура кипения воды при давлении 760 мм рт.ст. обозначены соответственно О ^оС и 100 ^оС.

В термодинамических исследованиях большие удобства представ­ляет так называемая абсолютная шкала, у которой за начало отсче­та температур принята температура абсолютного нуля. Абсолютный нуль ниже О ^оС на 273.16^о. На существование абсолютного нуля тем­пературной шкалы впервые было указано великим русским ученым М.В.Ломоносовым еще в 1747 г. в его знаменитой работе "Размыш­ление о причине теплоты и холода".

Температуру, отсчитываемую по абсолютной шкале, называют абсолютной температурой и выражают ее в градусах абсолютной шка­лы (^оК, или ^оабс).

Температура по стоградусной шкале, отсчитываемая от О ^оС, обозначается через t. Температура по абсолютной шкале, отсчи­тываемая от температуры абсолютного нуля, обозначается через Т.

Из сделанных определений вытекает зависимость Т^оК = t ^оС + 273,16, или приближенно Т^oК = t ^oС + 273.

ЗАДАЧИ

1.1 В цилиндре при некотором давлении и температуре воздух содержится в объеме 0,6 м³ массой 0,72 кг. Найти его плотность.

Ответ: 1,2 кг/м³.

1.2 Найти массу газа объемом 0,5 м³, если известно, что плотность его равна 1,05 кг/м³.

Ответ: 0,525 кг.

1.3 Найти объем газа, если масса его 3 кг, а плотность 0,95 кг/м³.

Ответ: 3,16 м³.

1.4 Диаметр днища коллектора водотрубного котла d = 1,2 м. Давление пара в котле Р = 2,5 МПа. Найти силу, действующую на дни­ще коллектора котла изнутри.

Решение. Площадь днища коллектора котла

м²

Сила, действующая на днище коллектора котла изнутри,

МН.

1.5 Выразить в единицах СИ давления 367,7 и 882,6 мм рт. ст. и 300 мм рт. ст.

Решение. 367,7 мм рт.ст. = 133 Па = 48,9 кПа = 48,9 Па.

882,6 мм рт.ст. = 882,6 Па = 118 кПа = 0,118 МПа.

300 мм рт.ст. = 300 Па = 2,94 кПа.

1.6 В цилиндре дизеля при сгорании топлива давление увели­чивается до 5,0 МПа. Найти силу, действующую при этом на крышку цилиндра изнутри, если внутренний диаметр цилиндра равен 375 мм. Ответ: 550 кН.

1.7 Выразить давление, равное 100 кПа, в миллиметрах ртут­ного столба и в метрах водяного столба.

Ответ: 750 мм рт. ст.; 10,2 м вод. ст.

1.8 Манометр, установленный на паровом котле, показывает давление 1,8 МПа. Найти давление пара в котле, если атмосферное давление 99 кПа (0.099 МПа).

Ответ: 1,9 МПа.

1.9 Вакуумметр показывает разряжение 80 кПа. Каково должно быть давление в сосуде, если атмосферное давление по барометру составляет 100 кПа?

Ответ: 20 кПа.

1.10 Манометр, установленный на паровом котле, показывает давление 0,4 МПа. Чему равно давление пара в котле, если барометр показывает 94,4 кПа?

Ответ: 0,494 МПa.

1.11 Какое давление испытывает водолаз на глубине 30 м ни­же уровня моря, если плотность морской воды равна 1080 кг/м³, а давление атмосферного воздуха - 0,1 МПа?

Ответ: 0,418 МПа.

1.12 Давление в конденсаторе паровой турбины 12 кПа. Дав­ление атмосферного воздуха - 98,4 кПа. Чему равно давление (раз­режение) в конденсаторе паровой турбины?

Ответ: 86,4 кПа.

1.13 Ртутный вакуумметр, присоединенный к конденсатору, показывает 620 мм рт.ст. Показания ртутного барометра - 770 мм рт.ст. Найти давление в конденсаторе.

Ответ: 19,95 кПа.

1.14 В цилиндрическом резервуаре диаметром d = 1 м и вы­сотой = 5,1 м находится 5,016 кг азота. Определить плотность и удельный объем азота при этих условиях.

Ответ: r = 1,25 кг/м³; v = 0,8 м³/кг.

1.15 Давление в паровом отопительном котле составляет Ра = 2,5 кгс/см², при барометрическом давлении B₀ = 720 мм рт.ст. На сколько процентов изменится абсолютное давление в котле, если по­казание манометра останется неизменным, а показание барометра дойдет до В₀ = 790 мм рт.ст.

Ответ: 2,76 %.

1.16 Высота уровня спирта, хранящегося в вертикальной ци­линдрической цистерне, составляет h = 4 м (от дна). В днище цистерны имеется круглый лаз диаметром d = 400 мм, прикреплен­ный болтами. Определить усилие, приходящееся на болты. Плотность спирта принять равной r = 816 кг/м³.

Ответ: 410 кг.

1.17 Определить, каково будет показание манометра, стоящего на сборнике сжатого воздуха, если абсолютное давление воздуха сос­тавляет Ра = 10 кгс/см², а барометрическое давление В = 750 мм рт. ст. при температуре t = 25 ^oС.

Ответ: Ри = 0,898 МПа.

1.18 U - образный тягомер, поставленный на газоходе це­ментной вращающейся печи, показывает разрежение W = 30 мм. В тя­гомере залит керосин (r= 790 кг/м³). Определить разрежение, мм рт.ст. и абсолютное давление в газоходе, если атмосферное дав­ление В = 755 мм рт.ст.

Ответ: Ра = 1,02 Па;

= 1,74 мм рт.ст.

1.19 В осушительной башне сернокислотного завода подключен тягомер с наклонной трубкой. Угол наклона трубки a = 30^o. Жид­кость в трубке - спирт с плотностью равной 810 кг/м³. Отсчет дли­ны столба спирта по шкале составляет I = 200 мм. Каково давление в дымоходе, если aтмосферное давление В = 755 мм рт.ст.

Ответ: Ра = 749 мм рт.ст.

1.20 Вакуумметр, присоединенный к паропроводу, идущему от вакуумаппарата к конденсатору, показывает разрежение W= 480 мм рт.ст. (при 0 ^oС). Над столбиком ртути находится столбик воды вы­сотой h = 300 мм. Показание барометра В = 750 мм рт.ст. Опреде­лить истинное давление в паропроводе, Па.

Ответ: Ра = 248 мм рт.ст. = 3370 кгс/см².

1.21. По трубопроводу диаметром d = 50 мм, присоединенно­му к газгольдеру, подается газ, удельный объем которого v = 0,5 м³/кг. За какое время газ наполнит газгольдер, если его объем V = 5 м³, средняя по сечению скорость газа в трубопрово­де w = 2,55 м/с, а плотность газа, заполнившего газгольдер r= 0,00127 г/см³?

Ответ: t =10 м, 35 с.

1.22 В паросборнике находится водяной пар в количестве 300 кг. Определить объем паросборника, если удельный объем составляет 20,2 см³/г.

Ответ: V= 6,06 м³.

1.23 Температура перегретого пара в паропроводе, отсчитан­ная по азотно-ртутному термометру t₁= 400 ^oС столбик ртути выс­тупает на 150 ^оС, температура окружающего воздуха t_o= 25 ^oС. Определить истинную температуру перегретого пара.

Ответ: t = 408,9 ^oС.

1.24 На трубопроводе холодильного рассола установлен термо­метр, показывающий ^oС, при этом столбик ртути высту­пает наружу от температуры t = - 27,5 ^oС. Температура помещения t = 25 ⁰С. Определить истинную температуру рассола.

Ответ: t = - 7,6 ^oС.

1.25. В цилиндрическом резервуаре диаметром d = 1 м и высо­той h = 5,1 м находится 5,016 кг азота. Определить плотность и удельный объем азота при этих условиях.

Ответ: r = 1,25 кг/м³;

v = 0,8 м³/кг.

1.26. Давление в паровом отопительном котле составляет Р = 2,5 кгс/см² при барометрическом давлении В_o = 720 мм рт.ст. На сколько процентов изменится абсолютное давление в котле, если по­казание манометра останется неизменным а показание барометра дойдет до В_o = 790 мм рт.ст.?

Ответ: 2,76 %,

1.27 В трубопроводе, заполненном жидкостью, стоит манометр, показывающий давление Р = 0,2 кгс/см². На какую высоту над точкой присоединения манометра поднимется в открытом пьезометре жидкость, находящаяся в трубопроводе, если эта жидкость: а) вода; б) нефть (r = 850 кг/м³); в) четыреххлористый углерод (r = 1633 кг/м³).

Ответ: h_в = 2 м; = 2,35 м; h_H = 2,35м.

1.28 Определить давление воздуха, подаваемого в манжету, для подъема 60-процентной серной кислоты (плотность r = 1498 кг/м³) на высоту h = 30 м.

Ответ: Р = 4,5 кгс/см².

1.29 U - образный тягомер, поставленный на газоходе цемент­ной вращающейся печи, показывает разрежение W = 30 мм. В тягомере залит керосин (r = 790 кг/м³). Определить разрежение, Н/м² и абсолютное давление в газоходе, если атмосферное давление В_о = 755 мм рт.ст.

Ответ: Ра = 753,2 мм рт.ст. = 1,02 ат.

1.30 К осушительной башне сернокислотного завода подключен тягомер с наклонной трубкой. Жидкость в трубке - спирт с плотностью r = 610 кг/м³. Отсчет длины столба спирта по шкале составляет h = 200 мм. Каково давление в дымоходе, если атмосферное давле­ние В_o = 755 мм рт.ст.

Ответ: Р_абс = 749 мм рт.ст.= 99,84 кПа.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: