Методические указания к выполнению контрольной работы
Министерство образования и науки российской федерации Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ государственный НЕФТЕГАЗОВЫЙ университет» Филиал ТюмГНГУ в г.Нижневартовске
Кафедра «Естественно-научных дисциплин»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ По дисциплине «Термодинамика и теплопередача» Для студентов заочной формы обучения направление/профиль специальных дисциплин: 131000.62 Нефтегазовое дело/ «Бурение нефтяных и газовых скважин» «Эксплуатация и обслуживание Технологических объектов Нефтегазового производства» «Экплуатация и обслуживание объектов Добычи нефти» квалификация бакалавр форма обучения: /заочная/заочная сокращенная курс 3/3/2 семестр: 5/5/3
Нижневартовск 2013
Настоящие методические указания предназначены для самостоятельного изучения курса «Термодинамика и теплопередача» студентами – заочниками специальности 131000.62 Нефтегазовое дело для получение навыков в решении задач теоретического и прикладного характера. Указания содержат контрольное задание и необходимые рекомендации в помощь студентам при выполнении контрольных работ.
Методические указания к выполнению контрольной работы Задача 1. Составлена по следующим разделам технической термодинамики: уравнение состояния идеального газа, смесь идеальных газов, теплоёмкость, первый и второй законы термодинамики и основные термодинамические процессы. При решении задачи могут быть использованы следующие формулы и выражения: Уравнения состояния идеального газа: Pv = RT (для 1кг газа) или Pv = mRT (для m кг газа), где – газовая постоянная, Дж/кг·°С; m – молекулярная масса газа, кг/кмоль. Для газовых смесей значения Rсм и mсм находятся через массовые ( ) или объемные доли ( ) газов, входящих в состав смеси. или , где: или Уравнение состояния для смеси Pсмvсм = RсмT. Характер процессов цикла и численные значения некоторых параметров состояния смеси по Вашему варианту дают возможность рассчитать недостающие параметры состояния (P,v,T) в каждой характерной точке цикла. Решение этой задачи позволяет определить показатель политропы «n» в каждом процессе цикла и количества теплоты, подведенные (+q) или отведенные (-q) в каждом процессе. Например: в процессе 1-2 P1v1n1-2 = P2v2n1-2, откуда . Аналогично определяем показатель политропы n4-5 в процессе (4-5). Количество теплоты в процессе: , кДж/кг при Cn = const; где: ,кДж/кг·°С – удельная массовая теплоемкость смеси в политропном процессе; в изобарном процессе (n = 0) – Cn = Cp;в изохорном процессе (n = ±∞) – Cn = Cv. Отношение Cp/Cv = k – показатель адиабаты, разность Cp - Cv = R – удельная газовая постоянная смеси (уравнение Роберта Майера). Теплоемкость газа зависит от его температуры. В приближенных расчетах часто пренебрегают этой зависимостью и рассчитывают её по молекулярно-кинетической теории газов через число степеней свободы Ni i-го компонента смеси: ; . где: Ri = 8314/μi - газовая постоянная i-го компонента; Ni = 3 для одноатомного газа; Ni = 5 – для двухатомного газа (в том числе для воздуха); Ni = 7 – для трехатомного газа. Теплоемкость смеси: , кДж/кг·°С; кДж/кг·°С. Коэффициент полезного действия цикла: , где qподв – суммарное количество теплоты, подведенное в цикле (+q); qотв – суммарное количество теплоты, отведенное в цикле (-q). Примечание: в изотермическом процессе n = 1, Сn = ±¥, поэтому q = l = R·T·ln ,кДж/кг. Коэффициент полезного действия цикла Карно в интервале температур цикла: , где Tmax – максимальная температура рабочего тела в цикле, Tmin – минимальная температура рабочего тела в цикле. Примечание: При построении цикла в T-s координатах рекомендуется за начальное состояние рабочего тела (состояние 1) принять точку с координатами (s1=0;T1). Для построения остальных характерных и промежуточных точек цикла используются значения температур в конкретных состояниях (Tнач, Ткон) и расчетные значения изменения энтропии Ds = Cn·ln(Ткон/Тнач) (с учетом знака Ds). Задача 2. Решается при помощи h-s диаграммы водяного пара, практическая часть которой состоит из двух областей. Ниже пограничной кривой сухого насыщенного пара (степень сухости Х=1) будет область влажного насыщенного пар (0<X<1), выше - область перегретого пара. Поэтому, когда в задаче требуется определить состояние пара, то нужно показать, в какой области диаграммы находится точка данного состояния пара. В h-s диаграмме в области влажного пара соответствующие изобара и изотерма совпадают и изображаются одной линией, т.к. в этой области определенному давлению соответствует определенная температура насыщения. В области перегретого пара изотермы отклоняются от изобар вправо, асимптотически приближаясь к горизонтальной линии. Внимание! При изображении процессов водяного пара в диаграмме обязательно наносить пограничную кривую, иначе правильно изобразить процесс просто нельзя. Например, изобарный 1-2′ и изотермический 1-2″ процессы в p-v и h-S диаграммах изображаются следующим образом (в области насыщенного пара изобара и изотерма совпадают).
Удельная внутренняя энергия пара u = h – P·v (здесь необходимо обратить внимание на соответствие размерности всех величин). Удельная теплота в изотермическом процессе ,кДж/кг. Удельная теплота в изобарном процессе равна изменению энтальпии в этом процессе, т.е. q1-2 = h2 - h1. Задача 3. Необходимо помнить, что между работой сжатия lсж (работа изменения объема) и технической работой, затрачиваемой на привод компрессора lпр, существует различие: Дж/кг Дж/кг. Характеристическую газовую постоянную можно определить при известной молекулярной массе газа через универсальную газовую постоянную R=8314/m, Дж/(кг·К). Тогда мощность привода компрессора Nпр = Gпр·lпр·10-3, кВт, где Gпр, кг/с – массовый расход газа через компрессор, определяемый из уравнения состояния P1·V1=Gпр·R·T1. Задача 4. Тепловой расчет рекуперативных теплообменников основывается на использовании уравнений теплового баланса Q=G1Cр1(t1`-t1``)=G2Cр2(t2``-t2`) и теплопередачи Q = kFDtср, где G1 и G2 – расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с; Cр1 и Cр2 – средние массовые теплоемкости теплоносителей; t1′ и t2′ – температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в теплообменник; t1″ и t2″ – температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из теплообменника; K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; F – площадь теплообменной поверхности, м2; Dtср – средний температурный напор. При прямотоке и противотоке Dtср= , где Dtmax и Dtmin – соответственно, наибольшая и наименьшая разности температур в теплообменнике. Если (Dtmax / Dtmin) < 1,7 , то с достаточной для практических расчетов точностью Dtср=0,5·(Dtmax+Dtmin).
Задача 5. При определении КПД паротурбинной установки и использовании их для вычисления других величин необходимо четко представлять, что относительный электрический КПД, представляющий собой отношение электрической мощности к теоретической hоэ=Nэ/Nо , учитывает тепловые потери из-за необратимости процесса расширения пара в турбине, механические потери и потери в генераторе, а абсолютный электрический КПД, представляющий собой отношение электрической мощности к подведенному теплу в единицу времени hэ=Nэ/D·q1 , в дополнение к перечисленным, учитывает еще термодинамические потери цикла, обусловленные вторым законом термодинамики. Поэтому hоэ = hоihмhr, а hэ = hthоihмhr Теоретическая мощность турбины No=D(h1-h2), а электрическая, т.е. мощность на клеммах (шинах) генератора, Nэ= D(h1-h2)hоэ, где D – расход пара, кг/с. При ответе на последний вопрос необходимо учитывать, что наличие в потоке влажного пара, движущегося с большой скоростью через проточную часть турбины, капелек воды приводит к большим гидродинамическим потерям и эрозии (истиранию) лопаток. Поэтому величина степени влажности в последних ступенях турбины ограничена. Задача 6. При решении задачи необходимо помнить, что в области влажного насыщенного пара (0<X<1) численное значение конкретного параметра состояния находится по значениям этого параметра на линии насыщения (Х = 0 и Х = 1) и с учетом степени сухости Х. Например, sx = s′ + X·(s″ – s′) или vx = v′ + X·(v″ – v′) и т.д.
Выбор вариантов контрольных работ Контрольные задачи составлены в 100 вариантах каждая. Нужный вариант выбирается студентом строго в соответствии с численным значением последних двух цифр зачетной книжки. К решению задач следует приступить только после изучения соответствующего раздела курса. При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие условия: 1) работу выполнять чернилами в тетради с полями для замечаний рецензента; 2) условие задачи и исходные данные выписывать без сокращений; 3) решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина и по какой формуле (с указанием источника формул и значений подставляемых величин) определяется; 4) вычисления проводить в единицах СИ, показать ход решения; 5) при исходных и вычисленных величинах проставлять единицы измерения (размерность); 6) вычисления проводить с точностью до 1%; 7) после решения задачи дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы. Задача 1 Газовая трехкомпонентная смесь, имеющая состав m1, m2, m3 (в кг), совершает в тепловом двигателе круговой процесс (цикл) по преобразованию теплоты в механическую работу. Ряд значений параметров состояния смеси в отдельных точках цикла задан таблично (табл. 1, 2).
Таблица 1
Таблица 2
В цикле предполагается, что: 1) процессы (2→3) и (5→1) – изохорные, (3→4) изобарный, (1→2) и (4→5) – политропные; 2) если по условиям варианта P2 = P3 или P5 = P1,то в цикле отсутствуют, соответственно, процессы (2→3) и (5→1); 3) при T = const политропный процесс превращается в изотермический (n = 1); 4) если по результатам расчетов n = k (показатель политропы равен показателю адиабаты), то политропный процесс рассчитывается как адиабатный (dq = 0). Требуется 1) Определить удельную газовую постоянную смеси и её «кажущуюся» молекулярную массу. 2) Определить коэффициент полезного действия цикла. 3) Определить коэффициент полезного действия цикла Карно в интервале температур цикла (от T max до T min). 4) Построить цикл в P-v и T-s диаграммах (с расчетом 2х - 3х промежуточных точек в каждом процессе). Контрольные вопросы
Задача 2 1кг водяного пара с начальным давлением P1 и степенью сухости X1 изотермически расширяется; при этом к нему подводится тепло q. Определить, пользуясь h-s диаграммой, параметры конечного состояния пара, работу расширения, изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Решить задачу, если расширение происходит изобарно. Изобразить процессы в P-v, T-s и h-s диаграммах. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы.
Контрольные вопросы
Задача 3 Расход газа в поршневом одноступенчатом компрессоре составляет v1 при давлении P1 = 0,1 МПа и температуре t1. При сжатии температура газа повышается на 200°C.Сжатие происходит по политропе с показателем n. Определить конечное давление, работу сжатия и работу привода компрессора, количество отведенного тепла (в киловаттах), а также теоретическую мощность привода компрессора. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы.
Указание: при расчете принять k = Cp/Cv = const Контрольные вопросы
Задача 4 Определить потребную поверхность рекуперативного теплообменника, в котором вода нагревается горячими газами. Расчёт произвести для прямоточной и противоточной схемы. Привести графики изменения температур для обеих схем движения. Значение температур газа t′1 и t″1, воды t′2 и t″2, расходов воды G и коэффициента теплопередачи K из таблицы.
Контрольные вопросы 1. В каком случае изменение температуры греющего теплоносителя в теплообменнике больше, чем нагреваемого, и в каком меньше? 2. На каких основных уравнениях базируется тепловой расчет теплообменных аппаратов? В чем сущность проектного и поверочного тепловых расчетов? Задача 5 Определить часовой расход пара D (килограммов в час) и удельный расход пара d (килограммов на киловатт-час) на конденсационную паровую турбину, работающую без регенерации тепла, по заданной электрической мощности турбогенератора Nэл, давлению P1 и температуре t1 перегретого пара перед турбиной и относительному внутреннему кпд турбины hoi. Давление пара в конденсаторе принять P2 = 4 КПа. Механический КПД турбины hm и КПД электрогенератора hr принять равными hm = hr = 0,99. Определить также степень сухости пара в конце теоретического и действительного процессов расширения (изобразив процессы в h-s диаграмме) и абсолютный электрический КПД турбогенератора. Мощностью привода питательного насоса пренебречь. Исходные данные для решения задачи выбрать из таблицы.
Контрольные вопросы 1. Изобразить схему паросиловой установки и дать её краткое описание. 2. Как влияют начальные и конечные параметры пара на работу и кпд цикла Ренкина, а также на степень сухости пара в конце расширения (X2)? Указать, каковы минимально допустимые значения X2 и почему? Задача 6 Паровая компрессорная установка с дроссельным вентилем использует пары низкокипящих жидкостей. Компрессор всасывает влажный насыщенный пар степенью сухости X1 и сжимает его адиабатно, превращая в сухой насыщенный пар при давлении, соответствующем температуре насыщения (конденсации) t2 = t3. Из компрессора пар хладагента поступает в конденсатор, где он превращается в жидкость, которая затем проходит через дроссельный вентиль, вследствие чего жидкость частично испаряется, а температура понижается до t4 = t1. При этой температуре хладагент поступает в охлаждаемое помещение (рефрижератор), где воспринимает тепло, испаряется, образуя влажный насыщенный пар со степенью сухости X1, и снова направляется в компрессор. Определить 1. Удельную холодопроизводительность q хол (кДж/кг). 2. Часовой расход хладагента G (кг/с) 3. Теоретическую мощность компрессора Nk (kBt). 4. Тепло, отданное в конденсаторе, q (кДж/кг). 5. Холодильный коэффициент ε. 6. Холодильный коэффициент цикла Карно в интервале температур данного цикла, εк. Значение величин t1 ,t3 ,Qхол и наименование хладагента выбрать из таблиц 1, 2 по заданному шифру.
Таблица 1
Таблица 2
Результаты расчетов представить в таблице 3.
Таблица 3
Контрольные вопросы 1. Назовите типы существующих холодильных установок и способы передачи в них теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий температурный уровень. 2. Почему в газокомпрессорной холодильной установке нецелесообразна замена детандера дросселем?
Термодинамические свойства жидкости и насыщенного пара хладагентов представлены в таблицах 4, 5, 6. Таблица 4 Термодинамические свойства насыщенного пара и жидкости фреона 12
Таблица 5 Термодинамические свойства насыщенного пара и жидкости аммиака (NН3)
Таблица 6 Термодинамические свойства насыщенного пара и жидкости углекислоты (СО2)
Рекомендуемая литература: Основная: 1. Бахмат Г.В., Кабес Е.Н. Теплотехника. Учебное пособие. 2001 г. Размещено в полнотекстовой базе данных ТюмГНГУ http://elib.tsogu.ru/ Дополнительная. 1. Иванова Т.Е. Физическая химия. Ч.1. Химическая термодинамика. Учебное пособие. 2012 г. Размещено в полнотекстовой базе данных ТюмГНГУ http://elib.tsogu.ru/ 2. Александров В.И., Шорников В.В. Термодинамика и теплопередача. Учебное пособие для вузов. – С-Пб: СПГГИ (ТУ), 2008.
Популярное: Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (409)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |