Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 «Теплотехника»

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 629879.01.99
Является руководством по закреплению знаний теоретического курса по учебной дисциплине «Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 «Теплотехника»», являющейся составной частью дисциплин федерального компонента федерального государственного образовательного стандарта по направлению подготовки 180100.62 «Кораблестроение, океанотехника и cистемотехника объектов морской инфраструктуры». Основная задача методических рекомендаций — детальное знакомство студентов с методами проведения и анализа эксперимента. Методические рекомендации предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 180100.62 «Кораблестроение, океанотехника и cистемотехника объектов морской инфраструктуры», профили — «Судовые энергетические установки», «Кораблестроение».
Епифанов, В. С. Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 «Теплотехника» : практикум / В. С. Епифанов. - Москва : Альтаир МГАВТ, 2015. - 40 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/537872 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Епифанов В.С., Степанов А.М.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

РАЗДЕЛ 1 «ТЕПЛОТЕХНИКА» 

Практикум

Альтаир–МГАВТ

Москва

2015

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Епифанов В.С., Степанов А.М.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

РАЗДЕЛ 1 «ТЕПЛОТЕХНИКА» 

Практикум

Альтаир–МГАВТ

Москва

2015

УДК 62721: 656.615

Епифанов В.С., Степанов А.М. Теплофизические основы судовой 

энергетики. Раздел 1 «Теплотехника». Практикум,— М.: Альтаир МГАВТ, 
2015,— 40 с., ил. 13, табл. 4.

Является руководством по закреплению знаний теоретического курса по 

учебной дисциплине «Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 
«Теплотехника»»,  являющейся составной частью дисциплин федерального 
компонента федерального государственного образовательного стандарта по 
направлению подготовки 180100.62
«Кораблестроение, океанотехника
и 

cистемотехника объектов морской инфраструктуры».

Основная задача методических рекомендаций — детальное знакомство 

студентов с методами проведения и анализа эксперимента.

Методические 
рекомендации
предназначены
для
студентов, 

обучающихся по направлению
подготовки 180100.62 «Кораблестроение, 

океанотехника и cистемотехника объектов морской инфраструктуры», профили
— «Судовые энергетические установки», «Кораблестроение».

Рецензент — к.т.н., проф. Кафедры СЭУиА Мокеров Л.Ф., к.т.н. доцент 

кафедры СЭУиА Зябров В.А.

Рекомендовано к изданию Учебно-методическим советом МГАВТ

Рассмотрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе на 

заседании кафедры Судовых энергетических установок и аквтоматизации
(Протокол №6 от 20 февраля 2015).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы

©   МГАВТ, 2015

© Епифанов В.С., 2015

© Степанов А.М., 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Условные обозначения и сокращения………………………………………..
4

Предисловие……………………………………………………………………
5

Практическое занятие № 1 Исследование термодинамических свойств 
атмосферного воздуха…………………………………………………………
6

Практическое занятие № 2 Измерение относительной влажности воздуха
13

Практическое занятие № 3 Изучение работы холодильника и 
определение его характеристик………………………………………………
16

Практическое занятие № 4 Измерение удельной теплоты плавления льда.
19

Практическое занятие № 5 Изучение спектральных характеристик 
излучения газов………………………………………………………………….
21

Практическое занятие № 6 Закон Кирхгофа. Наблюдение сплошного и 
линейчатых спектров………………………………………………………….
25

Практическое занятие № 7 Закон трения Ньютона. Определение 
коэффициента динамической вязкости………………………………………
28

Практическое занятие № 8 Термоэлектрические измерители температуры 
(термопары)……………………………………………………………………
30

Практическое занятие № 9. Термометры сопротивления…………………..
36

Список литературы……………………………………………………………
39

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

R
— универсальная газовая постоянная,
К
кмоль

Дж
;

R
— удельная газовая постоянная,
К
кг
Дж ;

М
— молярная масса газа, кмоль

кг
;

V
— объем газа, 
3
м ;

v
— удельный объем,
кг
м3
;

Т
— температура газа, K ;

p
— давление, Па ;

m
— масса газа, кг ;
— относительная влажность;

F=mg
— вес, кН ;

V
— объем,
3
м ;

р
с
— удельная массовая изобарная теплоемкость,
К
кг
Дж ;

с
— удельная массовая изохорная теплоемкость,
К
кг
Дж ;

р
с~
— удельная молярная изобарная теплоемкость,
К
кмоль

Дж
;

с~
— удельная молярная изохорная теплоемкость,
К
кмоль

Дж
;

— плотность,
3
м

кг ;

— температурный коэффициент объемного расширения, К

1 ;

dS
— изменение энтропии,
К
Дж ;

t
— разность температур (температурный напор),
C
o
;

L
— работа, Дж;

U
— изменение внутренней энергии, Дж;

Q
— теплота, Дж.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Практикум по дисциплине  является промежуточным этапом обучения 

студентов в изучении курса  и направлен:

– на закрепление и расширение теоретических знаний по дисциплине, и 

применение этих знаний на практике;

– на овладение методиками расчета и эксперимента при решении 

теплотехнических задач;

– на развитие у студентов навыков самостоятельной работы в реальных 

условиях.

Тематика практических занятий разработана кафедрой СЭУ и А. 
Темы практических занятий носят комплексный характер, в них 

предусматривается решение технических вопросов и разработаны на примере 
решения конкретных задач для СЭУ. 

Отчет должен содержать краткую теоретическую часть работы, 

выполненную в процессе самостоятельной работы, методику расчета, описание 
эксперимента, результаты расчета, выводы и ответы на контрольные вопросы. 
Все результаты исследования должны сопровождаться схемами, эскизами, 
графиками и диаграммами, полученными в результате расчета и эксперимента. 

В 
список 
использованной 
литературы
включаются 
источники, 

рекомендованные студенту и использованные им в процессе подготовки к 
занятию, с указанием автора, наименования, издательства, года издания, 
количества страниц. Все формулы, помещаемые в отчет, должны иметь 
сквозные порядковые номера и расшифровку входящих в них символов.
Данные, на которых основываются расчеты, объяснения, должны иметь ссылки 
на источник, оформленные в квадратных скобках.

Руководство 
практическими 
занятиями
заключается 
в 
контроле 

безопасности 
и 
обеспечении 
надлежащей 
организации 
проведения 

практических занятий.

Сроки периодического отчета студентов по выполнению практических 

занятий устанавливаются преподавателем. 

Преподаватель 
выдает 
задание, 
руководит 
порядком 
проведения 

практических занятий. Кроме того, он проводит систематические, беседы со 
студентом и дает ему дополнительные консультации, проверяет отчет и дает 
оценку знаниям студента. 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1

Тема: «Исследование термодинамических свойств атмосферного воздуха»

Продолжительность 2 часа

1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы

Термодинамическими 
параметрами 
называются 
величины, 

характеризующие физическое состояние рабочего  тела — газа или пара, легко 
изменяющего свой объем, посредством которого происходит взаимное 
преобразование теплоты и работы. К ним относят интенсивные параметры (не 
связанные с количеством), удельные (отнесенные к единице массы), объемные 
(отнесенные к единице объема) и молярные (отнесенные к молю количества 
вещества) величины. Это температура, давление, удельный объем, плотность; 
удельная внутренняя энергия, удельная энтальпия, удельная энтропия, 
молярный объем, и др.

Параметрами состояния, которые можно непосредственно измерить, 

являются: температура, давление, плотность, удельный объем. Их иногда 
называют термическими параметрами.

Термическими параметрами, определяющими равновесное состояние 

рабочего тела, являются: термодинамическая (абсолютная) температураТ , K ; 
абсолютное давление p , отсчитанное от нуля (от полного, абсолютного 
вакуума) и удельный объем, v
(или плотность, 
). Только их можно 

подставлять в термодинамические уравнения.

Температура Т характеризует тепловое состояние тела и для газа зависит 

в основном от среднего значения кинетической энергии хаотического движения 
молекул. Температура является одной из основных единиц международной 
системы СИ и единственной функцией состояния, определяющей направление 
самопроизвольного теплообмена между телами, который возможен только при 
разности их температур, т.е. при отсутствии теплового равновесия между 
рассматриваемыми телами. Теплота самопроизвольно может переходить только 
от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Термодинамическая температурная шкала предусматривает в основном 

применение температуры Кельвина, обозначаемой буквой K и выражаемой в 
Кельвинах. Кроме температуры Кельвина, в технике применяется температура 

Цельсия, обозначаемая t и выражаемая в градусах Цельсия, 
C
o
. По размеру 

градус Цельсия равен кельвину.

Между температурами Кельвина и Цельсия существует зависимость 

t =Т 0
Т , где 
0
Т = 273,15 K .

Интервал или разность температур Кельвина выражают в Кельвинах ( K ), 

Интервал или разность температур Цельсия можно выражать как в Кельвинах, 

так и в градусах Цельсия ( C
o
).

Давление p представляет собой физическую величину, равную отношению 

нормальной составляющей силы к площади, на которую действует эта сила. В газах 

сила давления, действующая на площадь, создается ударами бесчисленного 
количества молекул о поверхность, ограничивающую объем газа.

Единицей измерения давления в СИ служит Паскаль (1 Па =1
2
м

Н ). В 

технике применяют обычно кратные величины - мегаПаскаль

(1МПа=1
2
м

МН =
6
10 Па ), 
килоПаскаль 
(1кПа =
3
10 Па ), 
гектопаскаль 

(1гПа =
2
10 Па ) и др. Кроме этого в технике используют и еще длительное 

время будут применять для измерения давления такие величины, как
2
см

кгс
, 

мм вод. ст., мм рт. ст., бар.
Между 
этими единицами 
и единицами 
СИ существуют следующие 

соотношения:

1 
2
см

кгс
= 98066,5 Па ≈ 100 кПа = 0,1МПа;

760 мм рт.ст. = 101 325 Па ≈ 0,1013МПа;

I мм рт.ст. = 133,322 Па ≈ 133 Па ;

I бар = 
5
10 Па = 0,1 МПа = 750 мм рт.ст;

I мм вод.ст. = 
2
см

кгс
= 9,80665 Па ≈ 10 Па .

Абсолютное давление, отсчитываемое от нуля (абсолютного вакуума) 

измеряется барометрами, которые показывают давление окружающей среды 
(атмосферного воздуха)
0
р . Для измерения давления в цилиндрах двигателей, 

баллонах сжатого воздуха и внутри других аппаратов и механизмов, 
разобщенных от окружающей среды (атмосферы) используют манометры и 
вакууметры.

Манометры показывают избыточное (над атмосферным) давление
и
р ,а 

вакууметры — разность 
в
р
между давлением окружающей среды и рабочего 

тела. Чтобы, исходя из показаний манометров и вакууметров, вычислить 
абсолютные значения давлений, являющихся параметрами состояния и которые 
можно подставлять в расчетные термодинамические зависимости пользуются 
следующими соотношениями: p = 
и
р +
0
р ; p =
0
р в
р .

При измерении избыточного давления 
и
р
или разрежения жидкостными 

U-образными манометрами или вакууметрами пользуются следующими 
расчетными зависимостями: 
и
р =
g
м
h ; 
в
р =
в
h ,

где 
и
р
— избыточное давление, 
в
р — разрежение (разность между давлениями 

окружающей среды и рабочего тела), 
— плотность рабочей жидкости 

манометра или вакууметра, g — ускорение свободного падения, 
м
h , 
вh
—

соответственно разность уровней рабочей жидкости в манометре и вакууметре. 

Если
м
h , 
вh
выражены в м , 
в
3
м

кг , g в
2
с

м , то давления 
и
р
и 
в
р

получаются в Па .

Т.к. атмосферное давление 
0
р
величина не постоянная, то в технике 

часто используют так называемое нормальное атмосферное давление (или 
просто нормальное давление), равное 
0
р
= 0,101325 МПа = 760 мм рт. ст. = 

=1,03323
2
см

кгс
.

Если в технических расчетах не требуется особой точности и можно 

пренебречь незначительным изменением атмосферного давления, то в формулы 
для подсчета абсолютных значений давления рабочего тела можно подставлять 
величину 
0
р
=0,1МПа. В этом случае при всех значениях 
0
р
≥ 0,1 МПа

относительная погрешность будет меньше 0,7 %.

Удельный объем представляет собой отношение объема газа к его массе 

v = V

m

измеряется в
кг
м3
. Величиной, обратной удельному объему, является 

плотность  
= m

V

,
3
м

кг . В технической термодинамике наиболее часто 

используют понятие удельного объема, а не плотности, т.к. его изменение 
связано с совершением работы, между удельным объемом и плотностью 

существует соотношение v = 1 .

Уравнение, связывающее термодинамические параметры рабочего тела 

(или термодинамической системы), находящегося в равновесном состоянии, 
называется уравнением состояния.

Равновесным (внутренне равновесным) считается такое состояние, при 

котором температура, давление, удельный объем (плотность) и другие 
параметры во всем объеме рабочего тела одинаковы и неизменны во времени. 
Т.е. в теле отсутствуют потоки вещества и теплоты.

В общем виде уравнение состояния, связывающее три попарно 

независимых параметра, записывается как 
( , , )
F p v T

или p =
( , )
f v T ; v= 
( ,
)
f p T ; Т =
v
p
f
,
.

Для одного килограмма газа, обладающего свойствами идеального газа, 

находящегося 
в 
равновесном 
состоянии, 
связь 
между 
термическими 

параметрами устанавливается уравнением состояния Клапейрона: pv =R Т или 
p = R Т ,

где R — удельная газовая постоянная,
К
кг
Дж .

Для всей массы газа уравнение Клапейрона принимает вид: 
(
)
m
pv = mRT или 

pV = mRT , где m — масса газа, кг; V — объем всего газа,
3
м .

В курсе физики наиболее часто встречается понятие универсальной 

(молярной) газовой постоянной 
R ,  которая оценивает постоянство 

соотношения между абсолютными значениями температуры, давления и 
молярным объемом и одинакова для всех газов, обладающих идеальными 

свойствами, R = 8,314
К
кмоль

кДж
, независимо от химического состава газа.

В технической термодинамике чаще всего приходится оперировать 

удельной газовой постоянной R (отнесенной к одному килограмму газа). Она 
является характеристикой конкретного газа и связана с его физикохимическими свойствами. Для каждого газа R имеет свое значение. Например, 

для воздуха R = 287,1
К
кг
Дж .

Идеальным (обладающим идеализированными свойствами) называется 

газ, равновесное состояние которого определяется уравнением Клапейрона.

Исходя 
из 
классической 
кинетической 
теории 
газов, 
молекулы 

идеального газа представляют собой материальные точки, лишенные объема и 
между ними отсутствуют какие-либо силовые взаимодействия. Т.е. в реальных 
условиях идеальным может считаться газ, у которого v→ ∞, p → 0.

Если взять газ при данных физических условиях и в каком-то другом 

физическом состоянии, например, в «нормальном» физическом состоянии 
0
p = 

0,101325МПа, 
0
Т =273,15 K , 
0=1,293
3
м

кг , то для идеального газа соотношения 

параметров должны сохранить свое значение: 

pv
T

= 
0 0

0

p v
T
=R или p

T = 
0

0 0

p
T
=R.

Воздух при обычных атмосферных условиях можно считать идеальным 

газом. Это можно доказать, измерив параметры в данном состоянии и сравнив 
их соотношение, вычисленное для нормальных физических условий, взятых из 
справочных данных. Если в результате вычислений получаются одни и те же 
значения, то этим доказывается идеальность свойств газа при данных 
физических условиях.

2. Перечень (образцы) раздаточного материала,  используемого на занятии

Для 
выполнения 
работы 
используется 
минимальное 
количество 

приборов: барометр-анероид и термометр.

При измерении температуры необходимо помнить следующее:

1. термометр измеряет свою собственную температуру, которая равна 

температуре окружающей его среды, поэтому показания термометра 
можно снимать только в том случае, если они стабилизировались;

2. измерения надо проводить быстро, чтобы лучистая энергия от 

наблюдателя не успела существенно изменить показания прибора. 

Учитывая эту особенность, сначала замечают десятые доли градуса, а 
затем целые значения градусов;

3. показания ртутного термометра отсчитывают по верхнему (выпуклому) 

мениску, у спиртового термометра показания снимают по нижней части 
мениска;

4. при необходимости особо точных измерений температуры должны 

учитываться особенности сечения капиллярной трубки и ее тепловой 
режим.

3. Практические задачи, задания, упражнения

После измерения атмосферного давления и температуры воздуха в 

помещении (или в заданном объеме) подсчитывается плотность и масса воздуха 
в заданном объеме. Объем определяется геометрическими измерениями.

Доказательство идеальности свойств газа проводится путем численного 

сопоставления соотношений параметров состояния по уравнению Клапейрона, 
составленному для замеренных в опыте параметров и для параметров при 
нормальных физических условиях, т.е. доказать, что 

pv
T

= 
0 0

0

p v
T
=R или p

T = 
0

0 0

p
T
=R.

С целью закрепления знаний учебного материала, после выполнения 

лабораторной работы студентам выдаются для самостоятельного решения 
индивидуальные задачи на параметры и уравнение состояния идеального газа.

4. Задания студентам для самостоятельной работы

4.1. Масса воздуха, заключенного в баллоне 11,44кг . 

Определить емкость баллона, если при некотором давлении и температуре 

плотность воздуха в нем 28,6 
3
м
кг .

Ответ: 400 л.

4.2. Максимальное давление в цилиндре дизеля 6ЧНСП 18/22 равно 12,0 МПа. 
Давление воздуха в машинном помещении 750 мм рт. ст.

Определить силу давления газов, действующую на поршень.

Ответ: Сила давления газов, действующая на поршень, равна 305,4 кН.

4.3. Определить максимальное давление в цилиндре дизеля 6ЧСП 15/18, если 
сила давления газов, действующая на поршень, равна 212 кН. Давление воздуха 
в машинном помещении 770 мм рт. ст.

Ответ: Максимальное давление в цилиндре равно 12 МПа.

4.4. При пуске дизеля сжатым воздухом из баллона вместимостью 400 литров 
расходуется 5 кг воздуха при начальном давлении 3,0 МПа. Определить 
конечное давление, если воздух в баллоне находится в термическом равновесии 
с окружающей средой. Температура воздуха в машинном помещении 37 С
о
.

Ответ: Конечное давление равно 1,89 МПа.

4.5. Баллоны автогазозаправщика емкостью V, с природным газом при давлении 
p =30 МПа и температуре T=293 К, взвешиваются. Их вес равен F=mg =3000
кН. Затем заправляют газом баллоны судна-газохода. Давление во всех