Тематические задачи технической термодинамики


О.С. Ануфриенко






                ТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ




Учебно-методическое пособие



3-е издание, стереотипное













Москва Издательство «ФЛИНТА» 2018

УДК 536.7
ББК 22.317
     А73


Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой металлургических технологий Новотроицкого филиала ГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”» Е.В. Братковский;
кандидат технических наук, доцент, инженер-технолог участка конденсатоочистки и химводоочистки, цеха парогазовоздухоснабжения ПАО «Орскнефтеоргсинтез» А.Н. Бушуев

Научный редактор:

кандидат технических наук, заместитель начальника цеха парогазовоздухоснабжения ПАО «Орскнефтеоргсинтез» А.Ю. Кулагин


      Ануфриенко О.С.
А73       Тематические задачи технической термодинамики : учебно     методическое пособие / О.С. Ануфриенко. — 3-е изд., стер. — Москва : ФЛИНТА, 2018. — 208 с. — ISBN 978-5-9765-3932-7. — Текст : электронный.

         Настоящее пособие составлено на основании программы курса «Техническая термодинамика», читаемого в Орском гуманитарнотехнологическом институте (филиале) ОГУ студентам механикотехнологического факультета.
         Предназначено для использования на практических занятиях и при выполнении курсовой работы по дисциплине.

УДК 536.7
ББК 22.317





ISBN 978-5-9765-3932-7

© Ануфриенко О.С., 2018
© Издательство «ФЛИНТА», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................... 5
1 Параметры состояния тела .................................. 7
1.1 Примеры решения задач ................................... 7
1.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 10
2 Идеальные газы и основные газовые законы................... 14
2.1 Примеры решения задач ................................... 14
2.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 16
3 Газовые смеси ............................................. 20
3.1 Примеры решения задач ................................... 20
3.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 22
4 Теплоемкость газов ........................................ 24
4.1 Примеры решения задач ................................... 24
4.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 29
5 Первый закон термодинамики ................................ 31
5.1 Примеры решения задач ................................... 31
5.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 35
6 Основные газовые процессы ................................. 38
6.1 Изохорный процесс ....................................... 38
6.1.1 Примеры решения задач ................................. 38
6.1.2 Задачи для самостоятельного решения ................... 40
6.2 Изобарный процесс ....................................... 43
6.2.1 Примеры решения задач ................................. 43
6.2.2 Задачи для самостоятельного решения ................... 46
6.3 Изотермический процесс .................................. 47
6.3.1 Примеры решения задач ................................. 47
6.3.2 Задачи для самостоятельного решения ................... 49
6.4 Адиабатный процесс ...................................... 51
6.4.1 Примеры решения задач ................................. 51
6.4.2 Задачи для самостоятельного решения ................... 53
6.5 Политропный процесс ..................................... 55
6.5.1 Примеры решения задач ................................. 55
6.5.2 Задачи для самостоятельного решения ................... 61
7 Второй закон термодинамики ................................ 63
7.1 Примеры решения задач ................................... 63
7.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 69
8 Круговые процессы ......................................... 72
8.1 Примеры решения задач ................................... 72
8.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 80
9 Водяной пар................................................ 84
9.1 Примеры решения задач ................................... 84
9.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 96

Истечение газов и паров.................................... 103
10.1 Примеры решения задач ................................... 103
10.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 110
11 Циклы паросиловых установок................................ 113
11.1 Примеры решения задач ................................... 113
11.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 120
12 Циклы холодильных установок................................ 124
12.1 Примеры решения задач ................................... 124
12.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 129
13 Влажный воздух............................................. 132
13.1 Примеры решения задач ................................... 132
13.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 135
14 Термодинамика химических процессов......................... 137
14.1 Примеры решения задач ................................... 137
14.2 Задачи для самостоятельного решения ..................... 143
15 Прикладные задачи исследований............................. 147
15.1 Приборы для измерения температуры и давления............. 147
15.1.1 Измерение температуры.................................. 147
15.1.2 Измерение давления..................................... 152
15.2 Задача графического определения параметров влажного воздуха. 154
15.3 Определение зависимости температуры от давления насыщенного пара методом кипения.......................................... 160
15.4 Измерение скорости воздушного потока анемометрами........ 165
15.5 Исследование работы сушильной установки.................. 167
15.6 Зависимость между температурой и давлением газа в изохорном процессе.......................................... 175
15.7 Задача определения изобарной теплоёмкости воздуха........ 177
15.8 Испытание поршневого компрессора......................... 181
15.9 Задача определения теплоты парообразования............... 188
16 . Задачи теплотехнических расчётов курсовой работы по дисциплине «Техническая термодинамика»..................... 196
Библиографический список...................................... 206

        ВВЕДЕНИЕ


     Дисциплина «Техническая термодинамика» является фундаментальной наукой, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также изучения термодинамических явлений и процессов, происходящих как в природе, так и в сфере деятельности современного человечества и продуктах его труда. Эта дисциплина изучает протекание физико-химических процессов и явлений в природе и пространстве, а также в различных механизмах и устройствах, тепло и парогенераторах, тепловых машинах и аппаратах.
     Для установления наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок, умелого комбинирования этих процессов и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима глубокая разработка теоретических основ теплотехники. Без этого невозможно создание мощных паро- и газотурбинных установок с высокими начальными параметрами пара и газа, реактивных двигателей, межконтинентальных баллистических ракет и других видов сложных тепловых установок. Необходимо различать два принципиально различных направления использования теплоты - энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу. При технологическом (непосредственном) использовании теплота служит для направленного изменения свойств различных тел: например, изменяя тепловое состояние тел, можно добиться их расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, химических, физических свойств и т. д.
     Современная энергетика основана главным образом на трансформации теплоты в механическую работу, с помощью которой в генераторах создаётся электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Необходимую для этих целей теплоту получают путём сжигания топлива в топках паровых котлов или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.

5

     В теоретических разделах «Технической термодинамики» исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии, и процессы распространения теплоты.
     Методические рекомендации окажут помощь студентам специальности 13.03.01 «Энергообеспечение предприятий» при подготовке и проведении исследовательских работ по курсу «Техническая термодинамика».
     В практикуме материалы по решению задач по теоретическим основам теплотехники предлагаются к изучению первой части одноименного курса, читаемого для студентов теплоэнергетических специальностей в Орском гуманитарно-технологическом институте (филиале) ОГУ.
     Структурно практикум составлен с целью использования на практических занятиях и организации самостоятельной работы студентов, изучающих первый и второй закон термодинамики, идеальные и реальные газы и основные газовые законы, циклы паросиловых и холодильных установок.
     В практикуме предлагается разбор и подробный анализ классических задач теплотехники с целью освоения методики расчета процессов, происходящих в тепломассообменном оборудовании и двигателях внутреннего сгорания. Успешное освоение предлагаемых подходов демонстрируется при самостоятельном решении студентом подобных задач по тем же темам.

6

ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ТЕЛА


        1.1 Примеры решения задач

     1.1.    Определить абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает р = 1,3 бар, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В = 680 мм при t = 25°С.

Решение
     По формуле:
рабс рман + В.

     Показание барометра получено при температуре ртути t = 25°С. Это показание необходимо привести к 0°С.

В = 680 - (4,31 *680) /1000 = 680 - 2,93 = 677,07 мм рт. ст.

     Тот же результат будем иметь, если воспользуемся уравнением:

В0 = В (1 - 0,000172 t) = 680 * 0,9957 = 677,08 мм рт. ст.

     Абсолютное давление пара в котле:


рабс = 1,3 + 677,07/ 750 = 1,3 + 0,9 = 2,2 бар.


Таблица 1.1 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.1

   №     Р, бар В, мм t ,°С рабс, бар 
варианта                              
   1       2      3     4       5     
   1      1,4    700   23   Рассчитать
   2      1,5    690   22   Рассчитать
   3      1,6    740   20   Рассчитать
   4      1,7    721   18   Рассчитать
   5      1,8    730   19   Рассчитать

7

Окончание таблицы 1.1

1   2    3  4  5         
6  1,9  712 22 Рассчитать
7  1,10 682 24 Рассчитать
8  1,11 685 28 Рассчитать
9  1,12 710 25 Рассчитать
10 1,13 715 21 Рассчитать

     1.2.     Ртутный вакуумметр, присоединенный к сосуду (рис. 1.1), показывает разрежение h = 420 мм при температуре ртути в вакуумметре ti = 20°С. Давление атмосферы по ртутному барометру В = 768 мм при температуре t2 = 18°С.Определить абсолютное давление в сосуде.

Рис. 1.1

Решение


Таблица 1.2 - Поправка на 1000 мм температуры столба ртути

Температура столба ртути в °С  0    5    10   15   20   25   30 
     Поправка на 1000 мм      0,00 0,87 1,73 2,59 3,45 4,31 5,17

     Пользуясь данными таблицы 1.2, приводим показания вакуумметра и барометра к температуре ртути 0°С.
     Тогда разрежение в сосуде, приведенное к нулю,


h = 420 - 3, 45 * 0,420 = 418, 5 мм рт. ст.


8

а барометрическое давление, приведенное к нулю,

В = 768 - [(2,59 + (3,45 - 2,59)3/ 5)] * 0,768 = 768 - 2,4 = 765,6 мм рт. ст.

     Абсолютное давление в сосуде:

р абс = (765,6 — 418,5)/ 750 = 347,1/ 750 = 0,46 бар = 46*103 н/м³.


Таблица 1.3 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.2

   №     h, мм В, мм 11°С 1 ,°С рабс, н/м3
варианта                                  
   1      480  700    25   23   Рассчитать
   2      470  690    24   22   Рассчитать
   3      460  740    22   20   Рассчитать
   4      450  721    23   18   Рассчитать
   5      480  730    21   19   Рассчитать
   6      485  712    24   22   Рассчитать
   7      489  682    26   24   Рассчитать
   8      475  685    25   28   Рассчитать
   9      483  710    28   25   Рассчитать
   10     490  715    24   21   Рассчитать

     1.3.    На высоте Н = 2000 м над уровнем моря давление воздуха р1 = 0,79 бар, на высоте 5000 м давление р2 = 0,54 бар и на высоте 10 000 м давление р3 = 0,29 бар. По этим данным, а также принимая, что на уровне моря давление воздуха р0 = 1,013 бар, составить приближенное интерполяционное уравнение вида:
р = а + ЬН + сН² + d Н³, дающее зависимость давления воздуха от высоты над уровнем моря.
Решение
     Составление интерполяционного уравнения вида р = а + ЬН + сН² + d Н³ сводится к нахождению постоянных а, Ь, с, d. Последние могут быть найдены на основании заданных четырех точек. Для этого составляем четыре уравнения:


9

     Для H = 0           1,013 = а;
     H = 2 км 0,79 = а + 2b + 4с + 8d;
     Н = 5 км 0,54 = а + 5b + 25с + 125d;
     Н = 10 км 0,29 = а + 10b + 100с + 1000d.
     Решая эту систему уравнений, получаем:
а = 1,013; b = - 0,1243; с = 0,0067; d = - 0,000147.
     Следовательно, приближенное уравнение, выражающее зависимость давления воздуха от высоты над уровнем моря, найденное на основании четырех заданных точек, имеет следующий вид:
р = 1,013 - 0,1243H + 0.0067H² - 0,000147H³.
     Значения Н в данном уравнении выражены в км.


Таблица 1.4 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.3

   №     Н, м р1, бар р0. бар р =        '
варианта                                  
   1     2010  0,81   1,013    Рассчитать 
   2     2200  0,82   1,013    Рассчитать 
   3     2300  0,83   1,013    Рассчитать 
   4     2400  0,84   1,013    Рассчитать 
   5     2500  0,85   1,013    Рассчитать 
   6     2600  0,86   1,013    Рассчитать 
   7     2700  0,87   1,013    Рассчитать 
   8     2800  0,88   1,013    Рассчитать 
   9     2900  0,89   1,013    Рассчитать 
   10    3000  0,90   1,013    Рассчитать 

        1.2 Задачи для самостоятельного решения

     1.4. В сосуде объемом 0,9 м³ находится 1,5 кг окиси углерода.
     Определить удельный объем и плотность окиси углерода при указанных условиях.
     Отв. v = 0,6 м³/кг; р = 1,67 кг/м³.

10

Таблица 1.5 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.4

   №     V, м3 m, кг  v, м3/кг   р, кг/м3 
варианта                                  
1         0,9  1,81  Рассчитать Рассчитать
2          1   1,82  Рассчитать Рассчитать
3         1,2  1,83  Рассчитать Рассчитать
4         1,3  1,84  Рассчитать Рассчитать
5        1,25  1,85  Рассчитать Рассчитать
6        0,95  1,86  Рассчитать Рассчитать
7        0,99  1,87  Рассчитать Рассчитать
8        0,88  1,88  Рассчитать Рассчитать
9        0,85  1,89  Рассчитать Рассчитать
   10    0,15  1,90  Рассчитать Рассчитать

     1.5.    Разрежение в газоходе парового котла измеряется тягомером с наклонной трубкой (рис. 1.2). Угол наклона трубки а = 30°. Длина столба воды, отсчитанная по шкале, l = 160 мм. Определить абсолютное давление газов, если показание ртутного барометра В = 740 мм (приведено к 0°С).

Рис. 1.2

      Отв. р = 734,1 мм рт. ст.


Таблица 1.6 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.5

   №     а, ° 1,мм В, мм р, мм рт. ст.
варианта                              
1         2    3     4         5      
1         10  180   740   Рассчитать  
2         20  190   744   Рассчитать  
3         30  200   748   Рассчитать  

11

Окончание таблицы 1.6

1  2   3   4      5     
4  24 168 749 Рассчитать
5  25 182 742 Рассчитать
6  26 170 741 Рассчитать
7  27 179 738 Рассчитать
8  28 186 734 Рассчитать
9  29 200 749 Рассчитать
10 30 210 745 Рассчитать

     1.6.     В трубке вакуумметра высота столбика ртути составляет 570 мм при температуре ртути 20°С. Над ртутью находится столбик воды высотой 37 мм. Барометрическое давление воздуха 728 мм рт. ст. при 15°С. Определить абсолютное давление в сосуде.
     Отв. р абс = 155,4 мм рт. ст.


Таблица 1.7 - Индивидуальные задания по вариантам к задаче 1.6

   №     Н, м t1 ,°С h, мм В, мм мм t2 ,°С р абс, мм рт.
варианта                    рт. ст              ст.     
   1     570    23    37    1,013     15   Рассчитать   
   2     575    23    47    1,013     16   Рассчитать   
   3     580    22    46    1,013     17   Рассчитать   
   4     585    20    45    1,013     18   Рассчитать   
   5     590    18    48    1,013     19   Рассчитать   
   6     595    19   48,5   1,013     12   Рассчитать   
   7     600    22   48,9   1,013     18   Рассчитать   
   8     605    24   47,5   1,013     17   Рассчитать   
   9     620    28   48,3   1,013     15   Рассчитать   
   10    578    25   49,0   1,013     17   Рассчитать   

     1.7.      Пользуясь формулой р = 1,013 - 0,1243H + 0.0067H² -0,000147H³, определить давление воздуха на высоте 7000 м над уровнем моря.
     Отв. p абс = 0, 42 бар.


12