Инструкционные карты к практическим работам по термодинамике

ЛОБКО И.Н.

ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ОСНОВАМ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для студентов специальности 0805000 «Транспортировка и хранение нефти и газа»

2020

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

«ПАВЛОДАР МҰНАЙГАЗ КОЛЛЕДЖІ» МЕКЕМЕСІ

УЧРЕЖДЕНИЕ «ПАВЛОДАРСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Келісіді Согласовано Әдіскер Методист ______________ Лобко И.Н. «__» ____________ 2020 ж./г.

Бекiтемiн Утверждаю ПМГК директоры Директор колледжа _________ Кайдарова С.К. «__» ____________2020 ж./г.

0805000 «МҰНАЙ МЕН ГАЗДЫ ТАСЫМАЛДАУ ЖӘНЕ САҚТАУ»

МАМАНДЫҒЫНЫҢ СТУДЕНТТЕРІНЕ АРНАЛҒАН

«ТЕРМОДИНАМИКА ЖӘНЕ ЖЫЛУТЕХНИКА НЕГІЗДЕРІ» пәнінен

ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫСТАРДЫ орындау бойынша

ӘДІСТЕМЕЛІК нұсқаулАР

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

0805000«ТРАНСПОРТИРОВКА И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА»

Оқытушы құрастырды: И.Н. Лобко

Разработала преподаватель: Лобко И.Н.

Пәндiк (циклдiк) комиссиясында мақұлданды Одобрено предметной (цикловой) комиссией «____»_____________________ 2020 ж./г. Хаттама № / Протокол №_______ Комисия төрағасы / Председатель комиссии________________ Самойлова Н.А.

Содержание

Практическая работа №1 Решение задач на законы идеальных газов. Практическая работа №2 Решение задач по расчету теплоемкости газов и их смесей. Практическая работа №3 Решение задач на изменение состояния газов. Расчет термодинамических процессов. Практическая работа №4 Определение параметров, теплоты и работы в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам водяных паров. Практическая работа №5 Определение КПД паросиловой установки и эффекта от повышения начальных параметров состояния пара и уменьшения конечных, от введения промежуточного перегрева пара. Практическая работа №6 Определение параметров компрессорных установок. Практическая работа №7 Решение задач на теплообмен теплопроводностью. Практическая работа №8 Решение задач на теплообмен конвекцией. Практическая работа №9 Решение задач на теплообмен излучением. Практическая работа №10 Решение задач на теплообмен между двумя теплоносителями через стенку (на теплопередачу). Практическая работа №11 Тепловые расчеты теплообменных аппаратов. Практическая работа №12 Определение теплоты сгорания топлива, теоретического и действительного расхода воздуха, массы и теплоемкости газообразных продуктов сгорания Лабораторная работа №1 Изучение устройства, принципа действия элементов котельной установки, методов ее испытания и определение КПД котельного агрегата. Лабораторная работа №2 Изучение методов испытания поршневых ДВС со снятием индикаторной диаграммы. Определение показателей рабочего процесса в индикаторном и рабочем процессе. Список использованной литературы

4 8 12 15 19 24 31 35 40 44 47 57 60 66 69

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №1

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.1 «Основные определения и законы идеальных газов»

Практическая работа №1

Тема: «Решение задач на законы идеальных газов»

Цель: Закрепить навыки практического применения законов идеальных газов.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 47-54

2. С. Квон, М.Альжанов Основы термодинамики и теплотехники, учебник- М: «Фолиант», 2010, стр. 6-10

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

1. Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.

При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.

График изохорического процесса на РV-диаграмме называется изохорой. Уравнение изохоры:

Рисунок 1.1 – Графики изохорического процесса

1. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.

При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

График изобарического процесса на VT-диаграмме называется изобарой.

Рисунок 1.2 – Графики изобарического процесса

Уравнение изобары:

.

1. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.

       При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

       График изотермического процесса на РV-диаграмме называется изотермой.

Рисунок 1.3 – Графики изотермического процесса

      

Уравнение изотермы:

1. Адиабатный процесс (изоэнтропийный) – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0). В соответствии с первым законом термодинамики dq=c_v·dT+p·dv= c·dT, где с – теплоёмкость термодинамического процесса. В адиабатном процессе dq=0, то есть c·dT=0. Поэтому c=0. Значит в адиабатном процессе .

Эту величину принято обозначать буквой k и называть показателем адиабаты. Поэтому в p-v координатах адиабатный процесс изображается неравнобокой гиперболой v^k·p=const (рис.) Так как k1, то адиабата проходит круче гиперболы. Адиабатный процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).

Рисунок 1.4 – График адиабатного процесса

1. Политропный процесс - процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропный процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов. В политропном процессе dq=c_п·dT.

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем р₁·v₁⁰=р₂·v₂⁰, то есть изобарный процесс (p₁=p₂).

При n=1 имеем р₁·v₁= р₂·v₂, то есть изотермический процесс.

При n=∞ имеем n₁ = n₂, то есть изохорный процесс.

1. Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона).

В соответствии с законами Бойля – Мариотта и Гей-Люссака можно сделать заключение, что для данной массы газа

1. Уравнение состояния идеального газа (Уравнение Клапейрона или уравнение Менделеева-Клапейрона) – формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объемом и абсолютной температурой идеального газа

,

где p -давление,

V_M - молярный объём,

R - универсальная газовая постоянная,

T - абсолютная температура, К.

В таблице 1.1 приведены значения газовой постоянной и молекулярные массы некоторых газов, необходимые при решении задач.

Таблица 1. 1

Газ	Химическая формула	Газовая постоянная Дж/кг К	Молекулярная масса
Кислород	O2	259,8	32
Водород	H2	4124	2
Азот	N2	296,8	28
Окись углерода	CO	296,8	28
Воздух	-	287	28,9
Углекислый газ	CO2	189	44
Водяной пар	H2O	461,6	18,01
Аммиак	NH3	488	17,03

Давление больше атмосферного называется избыточным (p_изб) или манометрическим давлением (p_ман) и определяется соотношением

 p_изб= p_ман = p_абс - p_ат (при p_абс p_ат)

Давление меньше атмосферного называют разрежением или вакуумметрическим давлением (p_вак). За величину вакуума принимают недостаток давления до атмосферного

p_вак= p_ат - p_абс (при p_абс p_ат)

1. Задание: Используя изученные законы идеальных газов, решите следующие задачи:

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номер задачи	1,2,3,4	1,2,3,4,5	1,2,3,4,5,6

1. Какой объем занимает (1 кг + 0,1*вариант) азота при температуре (70⁰С + вариант) и давлении (0,2 + 0,01*вариант) МПа?

2. Во сколько раз объем определенной массы газа при температуре (-20 + вариант)⁰С меньше, чем при температуре (+20 + вариант)⁰С, если давление в обоих случаях одинаково?

3. Определить массу кислорода, содержащегося в баллоне емкостью (60 + вариант) л, если давление кислорода по манометру равно (1,08 + 0,01*вариант) МПа, а показания ртутного барометра при температуре (25 + 0,1*вариант)⁰С равно 680 мм рт.ст.

4. Дымовые газы, образовавшиеся в топке парового котла, охлаждаются с (1200 + вариант)⁰С до (250+ вариант)⁰С. Во сколько раз уменьшается их объем, если давление постоянно?

5. Масса газа составляет (2,3+ 0,1*вариант) кг, он занимает объем (600 + вариант) литров. Определить его плотность и удельный объем при данных условиях.

6. Компрессор подает сжатый воздух в резервуар. Причем за время работы компрессора давление в резервуаре повышается от атмосферного до (0,7 + 0,01*вариант) МПа, а температура от (20+ 0,01*вариант)⁰С до (25+ 0,01*вариант) ⁰С. Объем резервуара V=(56 + 0,1*вариант) м³. Атмосферное давление при н.у. равно 100 кПа. Определить массу воздуха, поданного компрессором в резервуар.

1. Примеры решения задач

1. Дымовые газы, образовавшиеся в топке парового котла, охлаждаются с 1200⁰С до 250⁰С. Во сколько раз уменьшается их объем, если давление постоянно?

Решение:

Уравнение изобарного процесса

Ответ: объем уменьшится в 4,8 раза

1. Определить массу углекислого газа в сосуде объемом 4м³ при температуре 80⁰С. Давление газа по манометру составляет 0,04 МПа. Барометрическое давление р_а= 103990 Па.

Решение:

Абсолютное давление определяется как сумма барометрического и манометрического давлений

= 103990 + 40000 = 143990 Па

Массу газа определим из уравнения Менделеева-Клапейрона PV = mRT:

Ответ: m_г = 8,63 кг

1. Компрессор подает сжатый воздух в резервуар. Причем за время работы компрессора давление в резервуаре повышается от атмосферного до 0,7 МПа, а температура от 20⁰С до 25 ⁰С. Объем резервуара V=56м³. Атмосферное давление при н.у. равно 100 кПа. Определить массу воздуха, поданного компрессором в резервуар.

Решение:

По уравнению Менделеева-Клапейрона PV = mRT

Определим массу воздуха в начале и конце процесса

Dm = m₂ - m₁ = 458,34 – 66,59 = 391,75 кг

Ответ: Dm = 391,75 кг

1. Контрольные вопросы

1. Какие процессы называют изопроцессами?

2. Какой процесс называют изотермическим?

3. Какой процесс называют изохорным?

4. Какой процесс называют изобарным?

5. Какой процесс называют политропным?

6. Какой процесс называют адиабатным?

7. Закон Шарля?

8. Закон Гей-Люссака?

9. Закон Бойля-Мариотта?

10. Объединенный газовый закон.

11. Уравнение состояния идеального газа.

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №2

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.3 «Теплоемкость вещества»

Практическая работа №2

Тема: «Решение задач по расчету теплоемкости газов и их смесей»

Цель: Сформировать навыки практического расчета теплоемкости газов и их смесей.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 47-54

2. С. Квон, М.Альжанов Основы термодинамики и теплотехники, учебник- М: «Фолиант», 2010, стр. 10-15

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

 

1. Общие сведения

При расчетах тепловых устройств очень важным моментом является определение количества теплоты, участвующего в процессах. Точное его определение обеспечивает правильную оценку работы аппарата с технической и экономической точки зрения.

Сообщение телу теплоты вызывает изменение его состояния и в общем случае сопровождается изменением температуры. Было замечено, что для нагрева до одной и той же температуры двух различных тел одинаковой массы и в одинаковых условиях требуется различное количество теплоты. Следовательно, существует какое-то свойство тела, определяющее изменение его температуры в процессе подвода или отвода теплоты. Это свойство называют теплоемкостью тела. Таким образом, теплоемкость тела – это величина, характеризующая способность тела изменять свою температуру с подводом или отводом теплоты. Она равна количеству теплоты, которое надо подвести к телу, чтобы изменить его температуру на 1 К:

, Дж / К,

в дифференциальной форме, т. е. при подводе элементарного количества тепла:

(1)

Теплоемкость тела в общем случае не является характеристикой вещества (материала), из которого тело состоит. Она, в частности, будет зависеть от размеров тела. В зависимости от того, в каких единицах измеряется количество вещества – в килограммах, кубометрах, киломолях, различают:

- массовую (удельную) теплоемкость:

 

,

т.е. теплоемкость одного килограмма вещества;

- объемную теплоемкость:

 

,

т.е. теплоемкость одного кубометра вещества;

- мольную теплоемкость:

 

,

т.е. теплоемкость одного киломоля вещества.

Очевидная связь между этими величинами имеет вид: 

. 

Например, массовую теплоемкость через объемную можно определить следующим образом:

. 

Однако и эти величины еще не являются характеристиками вещества. Процесс нагревания или охлаждения может происходить в различных условиях: р = const, V = const, T = const, а также многих других. Значения теплоемкостей одного и того же вещества в разных процессах также будут различными. В частности, в соответствии с формулой (1) теплоемкость в процессе при постоянной температуре оказывается бесконечно большой. В связи с этим теплоемкость называют функцией процесса.

Чтобы теплоемкость являлась физической характеристикой того или иного вещества, ее измерение необходимо проводить в одних и тех же условиях. Обычно экспериментальные измерения теплоемкостей проводят при р=const, V=const и определяют соответственно изобарную с_р и изохорную с_v теплоемкости. Разность между этими теплоемкостями для идеального газа, в соответствии с известной из физики формулой Майера, равна:

 

,

 

а отношение теплоемкостей

называется показателем адиабаты. Из молекулярно-кинетической теории идеальных газов известны численные значения показателя адиабаты, они зависят от числа атомов в молекуле газа:

- одноатомный газ k = 1,67;

- двухатомный газ k = 1,4;

- трех- и многоатомный газ k = 1,33.

1. Задание: Используя полученные знания по определению теплоемкости вещества, решите следующие задачи:

	На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить массовую и объемную теплоемкости воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме, считая ее независящей от температуры (2-27, В.Г. Ерохин).

2. Определить массовую теплоемкость генераторного газа при температуре 0⁰ С, если его объемный состав r_H2= (18 + 0,1*вариант)%, r_CO= (24 – 0,1*вариант)%, r_CO2=(6 + 0,1*вариант)%, r_N2= 52 – 0,1*вариант)%. Зависимость теплоемкости от температуры не учитывать(2-32, В.Г. Ерохин ).

3. Смешиваются два потока воздуха с различными температурами: t₁ =(320 + вариант)⁰ С, t ₂ = (- 20 + вариант)⁰С. Определить температуру воздуха после смешения, если расход нагретого воздуха 0,1 кг/с и холодного 0,3 кг/с. Зависимость теплоемкости от температуры учитывать(2-36, В.Г. Ерохин).

4. Трехатомный газ под давлением P = (240 + вариант) кПа и температуре T = (20 + вариант) °C занимает объем V = (10 + 0,1*вариант) л. Определить теплоемкость Ср этого газа при постоянном давлении.

5. Одноатомный газ при нормальных условиях занимает объем V = (5 + 0,1*вариант) литров. Вычислить теплоемкость Сv этого газа при постоянном объеме.

1. Контрольные вопросы:

1. Что называют теплоемкостью тела?

2. Чему равна теплоемкость тела?

3. Что называют массовой теплоемкостью?

4. Что называют объемной теплоемкостью?

5. Что называют мольной теплоемкостью?

6. Формула Майера.

7. Как определить показатель адиабаты?

8. Чему равен показатель адиабаты для одноатомного газа?

9. Чему равен показатель адиабаты для двухатомного газа?

10. Чему равен показатель адиабаты для трех- и многоатомного газа?

11. По какой формуле определяется изобарная с_р теплоемкость?

12. По какой формуле определяется изохорная с_v теплоемкость?

Приложение 2.1 Примеры решения задач

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №3

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.5 «Термодинамические процессы изменения состояния рабочего тела»

Практическая работа №3

Тема: «Решение задач на изменение состояния газов. Расчет термодинамических процессов»

Цель: Сформировать навыки решения задач на изменение состояния газов, расчета термодинамических процессов.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 54-59

2. С. Квон, М.Альжанов Основы термодинамики и теплотехники, учебник- М: «Фолиант», 2010

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

При исследовании термодинамических процессов используются уравнение состояния идеальных газов и математическое выраже­ние первого закона термодинамики.

При изучении термодинамических процессов идеальных газов требуется:

1) определить уравнение кривой процесса в pv-диаграмме;

2) установить связь между термодинамическими параметрами;

3) определить изменение внутренней энергии рабочего тела по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(1.5.1)

4) определить величину внешней (термодинамической) удельной работы по формуле

(1.5.2)

5) определить количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе, по формуле

(1.5.3)

где c_x – теплоёмкость процесса;

6) определить изменение энтальпии в термодинамическом процессе по формуле

(1.5.4)

7) определить изменение энтропии в термодинамическом процессе по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа,

(1.5.5)

В общем случае любые два термодинамических параметра из трех могут изменяться произвольно. Изучение работы тепловых машин показывает, что наибольший интерес для практики представляют следующие основные процессы: при постоянном объеме (V=const); при постоянном давлении (р=const); при постоянной температуре (Т=const); при dq=0 (процесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с окружающей средой); политропный процесс, который при определенных условиях можно рассматривать в качестве обобщающего по отношению ко всем основным процессам.

Чтобы получить обобщенные и простые формулы, уравнения первого закона термодинамики рассматриваются для 1 кг идеального газа.

Изохорный процесс (v = const)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику.

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа , так как dv=0.

Изменение энтальпии

Энтропия 

Изобарный процесс (p=const)

Приращение внутренней энергии газа 

Работа газа  

Энтропия газа

Изотермический процесс (T=const)

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа

Теплота, подводимая в процессе

Изменение энтальпии газа Δi=Δu+Δ(p·v)=0.

Изменение энтропии газа

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0).

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа в адиабатном процессе выполняется за счёт его внутренней энергии. Так как в адиабатном процессе отсутствует обмен теплотой с окружающей средой, то в соответствии с первым законом термодинамики имеем l+Δu=0 или l=-Δu. Поэтому

Изменение энтальпии газа в адиабатном процессе

Газы	cv кДж/кмоль К	cр кДж/кмоль К
Одноатомные	12,56	20,93
Двухатомные	20,93	29,31
Трех- и многоатомные	28,31	37,68

1. Задание: Используя изученные законы, решите по своему варианту следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. В процессе расширения с подводом q=(120 + вар.) кДж теплоты 1 кг воздуха совершает работу, равную l = (90 + вар.) кДж. Определить изменение температуры воздуха в процессе, пренебрегая зависимостью теплоемкости от температуры и считая, что воздух является двухатомным газом.

Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики:

для одного килограмма рабочего тела

q = u + l, где u =c_v*t,c_v =c_v / 

1. В процессе расширения к 1 кг кислорода подводится q=(200 + вар.) кДж теплоты. Какую работу lсовершит при этом газ, если в результате процесса температура его понизится на (95 + 0,1*вар.)⁰С? Зависимость теплоемкости от температуры не учитывать.

Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики:

для 1 кг рабочего тела

q = u + l, где u =c_v*t,c_v =c_v / 

1. Определить изменение температуры (10 + 0,1*вар.) кг нефтяного масла при его нагревании и перемешивании, если известно, что количество подводимой теплоты Q=200 + вар. кДж и работа перемешивания L= (36 + вар.) кДж. Теплоемкость масла 2 кДж/кг К.

Задача решается в соответствии с первым началом термодинамики

Q = U + L, где U =m*c_v*t

1. Определить расход воздуха в системе охлаждения дизеля мощностью N = (38 + вар.) кВт, если отводимая теплота составляет (75 – вар.) % полезной мощности двигателя, а температура охлаждающего воздуха повышается на (15 + вар.)⁰С.

Теплота, отводимая в системе охлаждения определяется по формуле Q =η*N. Массовый расход воздуха определяется из уравнения теплового баланса m = Q / c_p*t

1. В резервуаре емкостью 1 м³ находится воздух при давлении 0,5 + 0,01*вар. МПа и температуре 20 + 0,1* вар ⁰С. Как изменится температура и давление воздуха, если к нему подвести 275 + вар. кДж теплоты?

Из основного уравнения термодинамики p*V = m*R*T необходимо определить массу воздуха. Затем определяется теплоемкость воздуха при постоянном объеме c_v =c_v / , считая, что воздух является двухатомным газом. Изменение температуры определяется из уравнения теплового баланса (смотри задачу 4). После этого можно определить конечную температуру. Из уравнения изохоры можно определить конечное давление.

1. Вопросы для самоконтроля

1. Какие показатели требуется определить при изучении термодинамических процессов?

2. Чему равно приращение внутренней энергии в изопроцессах?

3. Чему равна работа газов в изопроцессах?

4. Чему равно изменение энтальпии в изопроцессах?

5. Чему равно изменение энтропии в изопроцессах?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №4

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.7 Процессы парообразования и термодинамические свойства водяного пара

Практическая работа №4

Тема: «Определение параметров, теплоты и работы в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам водяных паров»

Цель: Приобретение навыков определения параметров, теплоты и работы в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам водяных паров.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979

1. Основные понятия и определения

Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипением называется бурное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты. При этом образовавшиеся у стенок сосуда и внутри жидкости пузырьки пара, увеличиваясь в объеме, поднимаются на поверхность жидкости.

Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения t_н и на протяжении всего процесса остается неизменной. Температура кипения, или температура насыщения, t_н зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления t_н увеличивается. Давление, соответствующее t_н называется давлением насыщения р_н.

Насыщенным паром называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью. Насыщенный пар по своему состоянию бывает сухим насыщенным и влажным насыщенным.

Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=t_н) при данном давлении.

Влажный насыщенный пар – это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара.

Отношение массы сухого насыщенного пара m_с.п. к массе влажного насыщенного пара m_в.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть

Очевидно, что для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1.

Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту, то его температура увеличится. Пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура насыщения (tt_н), называется перегретым. Другими словами говоря перегретый пар – это пар, находящийся при температуре, превышающей температуру кипения жидкости при давлении, равном давлению перегретого пара. Величина превышения температурой пара температуры кипения жидкости называется степенью перегрева пара.

Водяной пар является реальным рабочим телом и может находиться в трёх состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения и в перегретом состоянии.

Для технических нужд водяной пар получают в паровых котлах (парогенераторах), где специально поддерживается постоянное давление.

1. Задание:

На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
1,2,3,4	1,2,3,4,5	1,2,3,4,5,6

1. В каком состоянии находится водяной пар, если его давление (1 + 0,1*вариант) МПа и энтальпия (2700 + 10*вариант) кДж/кг?

Задача решается по диаграмме состояния водяного пара.

1. Определить по таблице давление, плотность, энтальпию и энтропию сухого насыщенного пара, имеющего температуру (200 + 10*вариант) ⁰С.

Задача решается по приложению 10 (по температуре). Данные берутся из таблицы при заданной температуре.

1. На сколько градусов перегрет водяной пар, если при давлении (1,5 + 0,1*вариант) МПа его температура (300 + 10*вариант)⁰С? Определить температуру перегрева, если энтальпия пара 3033 кДж/кг.

Задача решается по диаграмме состояния водяного пара.

1. Определить температуру, удельный объем и энтальпию кипящей воды при давлении (10 + вариант) МПа.

Задача решается по приложению 9 (по давлению). Данные берутся из таблицы при заданном давлении.

1. Определить теплоту, необходимую для перегрева водяного пара, имеющего параметры p = 1,6 МПа и степень сухости x = 0,98, если температура перегрева (450 + вариант)⁰С.

Задача решается по диаграмме состояния водяного пара, количество теплоты, участвующей в термодинамическом процессе, можно определить по формуле

1. Адиабатно расширяется 1 кг водяного пара, в результате чего давление понижается от 10,0 до 1,0 МПа. Начальная температура (470 + вариант)⁰С. Определить полезную внешнюю работу процесса и конечное состояние пара.

Задача решается по диаграмме состояния водяного пара. Конечная температура по диаграмме определяется при давлении 1,0 МПа. 1 МПа = 10 бар. Полезную работу можно определить по формуле

1. Контрольные вопросы

1. От чего зависит температура насыщения?

2. Как называют давление, соответствующее температуре насыщения?

3. Как называют пар, который образовался в процессе кипения и находится в динамическом равновесии с жидкостью?

4. Как называют пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=_tн) при данном давлении?

5. Как называют равновесную смесь, состоящую из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара?

6. Как называют отношение массы сухого насыщенного пара m_с.п. к массе влажного насыщенногопара m_в.п.?

7. Чему равна степень сухости для сухого насыщенного пара?

8. Как называется пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура насыщения (tt_н) ?

9. В каких установках получают водяной пар для технических нужд?

Вывод: В ходе выполнения практической работы приобрели навыки …..

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №5

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.9 Циклы паросиловых и холодильных установок

Практическая работа №5

Тема: «Определение КПД паросиловой установки и эффекта от повышения начальных параметров состояния пара и уменьшения конечных, от введения промежуточного перегрева пара»

Цель: Приобретение практических навыков определения КПД паросиловой установки и эффекта от повышения начальных параметров состояния пара и уменьшения конечных, от введения промежуточного перегрева пара.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, стр. 75-77

1. Общие сведения

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки за счет подвода теплоты Q₁, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р₁. В пароперегревателе он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р₁ с получением полезной работы L₁. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор, где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р₂. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор.

Рисунок 1 - Схема паросиловой установки: 1 – паровой котел; 2 – паровая турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 - пароперегреватель

В основе работы паросиловой установки лежит идеальный цикл Ренкина. Он был предложен в 50-х гг. ХХв. почти одновременно шотландским инженером и физиком У.Ренкиным и выдающимся немецким физиком Р.Клаузиусом. Обычно его называют циклом Ренкина. Он состоит из следующих процессов:

- нагревания воды в котле до кипения;

- испарения воды в парообразных трубах котла;

- расширения пара в турбине с совершением полезной внешней работы;

- конденсации отработавшего пара в конденсаторе с отводом теплоты охлаждающей воды;

- сжатия конденсата питательным насосом до первоначального давления воды, поступающей в котел.

В этом цикле нет потерь на трение, нет потерь тепла в котле, турби­не и трубопроводах, все процессы протекают обратимо, в частности про­цесс расширения пара в турбине происходит без теплообмена с внешней средой (т. е. адиабатно). На диаграмме p-v и T-S этот цикл представлен на рисунках 2 и 3 соответственно.

Рисунок 2 – Цикл Ренкина ( p-v) Рисунок 3 – Цикл Ренкина (T-S)

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине до давления в конденсаторе p₂;

2-2^' – конденсация пара в конденсаторе, отвод тепла при p₂ = const.

В результате отвода тепла отработавший пар полностью конденсируется, а образовавшийся конденсат водяным насосом подается в котел. Т.к. при давлениях, применяемых обычно в теплотехнике, изменением объема воды при её сжатии можно пренебречь, то процесс адиабатического сжатия воды в насосе происходит практически при постоянном объеме воды и может быть представлен изохорой 2^'-3.

3-4 – процесс нагревания воды в котле при p₁ = const до температуры кипения;

4-5 – парообразование;

5-1 – перегрев пара в пароперегревателе.

Процессы нагревания воды до кипения и парообразование происходят при постоянном давлении (P = const, T = const) .

Поскольку процессы подвода и отвода теплоты в рассмотренном цикле осуществляется по изобарам, а в изобарном процессе количество подведенной (отведенной) теплоты = разности энтальпий рабочего тела в начале и конце процесса:

где h₁ – энтальпия перегретого пара на выходе из котла;

h₄ – энтальпия воды на входе в котел;

h₂ – энтальпия влажного пара на выходе из турбины;

h₃ – энтальпия конденсата на выходе из конденсатора.

Термический КПД цикла:

где h₁-h₂ – располагаемый перепад энтальпий, превращенный в полезную работу в турбине;

h₄-h₃ – техническая работа насоса.

Термический КПД цикла Ренкина удобно определять, пользуясь h-s диаграммой. На пересечении изобары p₁ и изотермы t₁ находят точку 1, соответствующую состоянию пара перед входом в тур­бину. Энтальпию h₁ пара, состояние которого отображается этой точкой, определяют по шкале на оси ординат. Затем из точки 1 про­водят вертикальную прямую — адиабату до ее пересечения в точке 2 с изобарой p₂ и находят энтальпию h₂ пара, состояние которого отобра­жается точкой 2.

1. Задание. По заданному варианту решите следующие задачи

На оценку «3»	На оценку «4»	На оценку «5»
1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. В цикле паросиловой установки с турбиной Р-25-90/18 начальные параметры пара р₁= (8,82 + 0,1*вариант) МПа и t₁=(535 + вариант)⁰С. Давление в конце процесса расширения (1,76 + 0,1*вариант) МПа. Определить термический к.п.д. и работу 1 кг пара (задача решается как 2-125) [1].

Значения энтальпии водяного пара в начале и конце процесса определяются по диаграмме состояния водяного пара. 1 МПа = 10 бар.

2. Начальные параметры пара в цикле паросиловой установки р₁= (9,0 + 0,01*вариант) МПа, t₁=(530 + вариант)⁰С и в конце расширения р₂=(3,5 + 0,1*вариант) кПа. Определить термический к.п.д. Как изменится термический к.п.д. цикла, если расширение в турбине будет происходить до давления р₂= (0,2 + 0,1*вариант) МПа? (задача решается как 2-126) [1].

Значения энтальпии водяного пара в начале и конце процесса определяются по диаграмме состояния водяного пара.

3. Определить увеличение термического к.п.д. паросиловой установки при переходе от начальных параметров пара (3,5 + 0,1*вариант) МПа и (435 + 10*вариант)⁰С к параметрам (13,0 + 0,1*вариант) МПа и (565 + 10*вариант)⁰С. Давление в конденсаторе принять одинаковым и равным 4,0 кПа (задача решается как 2-127) [1].

Значения энтальпии водяного пара в начале и конце процесса определяются по диаграмме состояния водяного пара. Вначале определяется термический к.п.д. при первых начальных параметрах, а затем – при вторых. Полученные значения сравниваются.

4. Сравнить термический к.п.д. локомотивной и стационарной паросиловых установок при одинаковых начальных параметрах пара р₁=(1,6 + 0,1*вариант) МПа и , t₁=(380 + 10*вариант)⁰С, если давление конца расширения в локомотивной паровой машине 0,115 МПа, а в стационарной – 0,01 МПа(задача решается как 2-128) [1].

По начальным параметрам определяется значение энтальпии в начале процесса, а затем значения энтальпии в конце процесса при двух значениях давления р₂. Затем определяются термические к.п.д. установок и сравниваются полученные значения.

5. Определить изменение термического к.п.д. и полезной работы 1 кг пара в цикле паросиловой установки с введением вторичного перегрева пара. Начальные параметры пара в цикле р₁=3,5 МПа и , t₁=450⁰С и р₂=4,0 кПа. Вторичный перегрев пара производится при давлении 0,5 МПа до температуры 430⁰С. Работу насоса не учитывать (задача решается как 2-129) [1].

1. Контрольные вопросы

1. Из каких узлов и механизмов состоит паросиловая установка?

2. Из каких процессов состоит цикл Ренкина?

3. При каком процессе происходит совершение полезной внешней работы?

4. Чему равен термический к.п.д. цикла Ренкина?

5. Как можно определить термический к.п.д. и полезную внешнюю работу цикла Ренкина?

1. Пример решения задачи

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №6

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 1.11 Термодинамические процессы компрессорных машин

Практическая работа №6

Тема «Определение параметров компрессорных установок»

Цель: Сформировать навыки решения задач на определение параметров компрессорных установок и вентиляторов.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 109-118.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определите полное давление, развиваемое вентилятором, если его производительность (3000 + вариант) м³/ч, а потребляемая вентилятором мощность при кпд η_в = (0,52 + 0,01вариант) равна (1,8 + 0,01 вариант) кВт (Задача составлена по задаче 4-18, Ерохин В.Г., стр. 117).

Для решения задачи следует воспользоваться формулой 4-16, преобразовав её для определения Н_п. Все единицы измерения необходимо привести в систему СИ.

1 кВт = 1000 Вт = 1000 Дж/с

1м³/ч =

1. Компрессор всасывает воздух при давлении (0,1 + 0,01 вариант) МПа и сжимает его до давления (0,6 + 0,01 вариант) МПа. Определить производительность компрессора, если при адиабатном сжатии теоретическая мощность (55 = 0,1 вариант) кВт (Задача составлена по задаче 4-2, Ерохин В.Г., стр. 113).

Для решения задачи необходимо определить отношение давлений в ступени = p₂/p₁. Зная, что воздух двухатомный газ и показатель адиабаты для него равен 1,4, можно определить производительность компрессора V₁ из формулы 4-8.

1. При адиабатном сжатии 1 м³ воздуха теоретическая работа сжатия (234,5 + 0,1 вариант) кДж. Определить конечное давление, если начальное (0,1 + 0,01 вариант) МПа (Задача составлена по задаче 4-3, Ерохин В.Г., стр. 113).

Теоретическая работа сжатия или теоретическая мощность для адиабатного сжатия определяется по формуле 4-8.Из неё можно определить = p₂/p₁, а затем p₂. Показатель адиабаты для воздуха равен 1,4.

1. Одноступенчатый поршневой компрессор всасывает (360 + вариант) м³/ч воздуха при давлении 0,1 МПа и температуре 17⁰С и сжимает его до 0,7 МПа. Определить теоретическую мощность привода компрессора и температуру воздуха в конце сжатия. Расчет произвести для изотермического адиабатного и политропного сжатия с показателем политропы 1,25. (Задача составлена по задаче 4-1, Ерохин В.Г., стр. 112)

1. Определить мощность привода вала вентилятора ЭВР №6, подающего (7000 + вариант) м³/ч воздуха плотностью =1,2 кг/м³ при статическом давлении Н_ст = (1100+ вариант) Н/м², если кпд вентилятора η_в = 0,56. Нагнетательное отверстие вентилятора имеет квадратное сечение площадью 0,1764 м² (Задача составлена по задаче 4-19, Ерохин В.Г., стр. 117).

1. Примеры решения задач

1. Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой объемный коэффициент ступени?

2. Чем отличается действительный рабочий процесс компрессора от теоретического?

3. Что называют коэффициентом подачи?

4. Как определяется теоретическая производительность цилиндра компрессора?

5. Как определить теоретическую работу сжатия 1 кг газа в компрессоре при изотермическом, адиабатном и политропном сжатии?

6. Как определить внутреннюю мощность компрессора?

7. Виды вентиляторов?

8. Как определить полное давление, развиваемое вентилятором?

9. Чему равна мощность привода вентилятора?

10. Чему равна мощность электродвигателя, приводящего в движение вентилятор?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №7

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 2.2 Теплообмен теплопроводностью

Практическая работа №7

Тема «Решение задач на теплообмен теплопроводностью»

Цель: Сформировать навыки решения задач на теплообмен теплопроводностью.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 90-93.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить коэффициент теплопроводности кирпичной стенки печи толщиной  = (340 + вариант) мм, если температура на внутренней поверхности стенки t₁ = (300 + вариант) ⁰С и на наружной t₂ = (60 + вариант) ⁰С. Потери теплоты через стенку q= (200 + вариант) Вт/м². (Ерохин 3-1, стр. 92).

Для решения задачи необходимо преобразовать формулу 3-1, приняв площадь поверхности равной 1.

1. Через плоскую металлическую стенку топки котла толщиной (14 + вариант) мм от газов к кипящей воде проходит удельный тепловой поток q=(25 000 + 100) вариант Вт/м². Коэффициент теплопроводности стали 50 Вт/ (м*К). Определить перепад температуры на поверхностях стенки (Ерохин 3-2, стр. 92).

Для решения задачи необходимо преобразовать формулу 3-1, приняв площадь поверхности равной 1.

1. Определить удельный тепловой поток через бетонную стенку толщиной (200 + вариант) мм, если температуры на внутренней и наружной поверхностях соответственно равны t₁= (20 + вариант) ⁰C и t₂= - 20⁰C. Коэффициент теплопроводности бетона равен 1,0 Вт/ (м*К) (Ерохин 3-3, стр. 92).

Для решения задачи необходимо преобразовать формулу 3-1, приняв площадь поверхности равной 1.

1. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стальной стенки парового котла, если стенка покроется слоем накипи 2 мм с коэффициентом теплопроводности 1,35 Вт/ м*К. Толщина стального листа (16 + 0,1 вариант) мм и коэффициент теплопроводности = 50 Вт/ (м*К) . Сравнить его с коэффициентом теплопроводности стали (Ерохин 3-4, стр. 92).

Для решения задачи необходимо использовать формулу 3-2 для _экв.

1. Определить тепловой поток через поверхность 1 м паропровода с внутренним диаметром (120+ вариант) мм и толщиной стенки 4 мм, изолированного двумя слоями тепловой изоляции (10 + 0,1 вариант) мм и (30 + 0,1 вариант) мм. Коэффициенты теплопроводности трубы и изоляции соответственно 55 Вт/м К, 0,037 Вт/м К, 0,14 Вт/м К. Температура на внутренней поверхности трубопровода (300 + вариант) ⁰С и наружной поверхности изоляции (50 + вариант) ⁰С (Ерохин 3-8, стр. 93).

Пример решения задачи приведен ниже.

1. Пример решения задачи

1. Контрольные вопросы:

1. Как определить количество теплоты, проходящей через плоскую однородную стенку в единицу времени?

2. Единица измерения для коэффициента теплопроводности материала стенки.

3. Как определить количество теплоты, проходящей через многослойную стенку в единицу времени?

4. Как определить эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной стенки?

5. Чему равна температура на поверхности слоев многослойной стенки?

6. Чему равна линейная плотность теплового потока для многослойной цилиндрической стенки?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №8

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 2.3 Теплообмен конвекцией

Практическая работа №8

Тема «Решение задач на теплообмен конвекцией»

Цель: Сформировать навыки решения задач на теплообмен конвекцией.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 93 - 98.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2	1,2,3	1,2,3,4

1. Температура поверхности вертикальной стенки высотой (3 + 0,1 вариант) метра равна (10 + 0,1 вариант)⁰С. Температура воздуха в помещении (20 + 0,1 вариант) ⁰С. Определить коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке. (Ерохин 3-11, стр. 96).

Пример решения задачи приведен ниже.

1. Вертикальный неизолированный трубопровод диаметром d = (76 + 0,1 вариант) мм и высотой (4 + 0,1 вариант) м омывается воздухом, средняя температура которого t_ж = (20 + вариант) ⁰С. Температура поверхности трубопровода t_с = (60 + вариант) ⁰С. Определить потерю теплоты трубопроводом. (Ерохин 3-12, стр. 96).

Первоначально задача решается аналогично задаче 1. Далее для решения задачи использовать формулу 3-5. Для определения площади поверхности использовать формулу для определения объема цилиндра F = l *  d²/4.

1. По трубопроводу с внутренним диаметром d = (70 + 0,1 вариант) мм проходит воздух, нагретый до температуры t_ж = (100 + вариант) ⁰С. Определить значение коэффициента теплоотдачи, если скорость воздуха в трубопроводе равна 4,5 м/с. Параметры воздуха определять по приложению 3. (Ерохин 3-16, стр. 97).

1. По трубопроводу с внутренним диаметром d = (50 + 0,1 вариант) мм протекает вода со скоростью 0,8 м/с при средней температуре t_ж = (50 + вариант) ⁰С. Температура стенки трубы t_с = (65 + вариант) ⁰С. Определить потерю теплоты с поверхности 1 м трубы. Параметры воды определять по приложению 8. (Ерохин 3-17, стр. 97).

1. Пример решения задачи

1. Контрольные вопросы:

1. Закон Ньютона-Рихмана?

2. Единица измерения для коэффициента теплоотдачи.

3. Как определить критерий Нуссельта для вынужденной конвекции?

4. Как определить критерий Нуссельта для свободной конвекции?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №9

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 2.4 Теплообмен излучением

Практическая работа №9

Тема «Решение задач на теплообмен излучением»

Цель: Сформировать навыки решения задач на теплообмен излучением.

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 100-105.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить теплоту излучения 1 м неизолированного трубопровода диаметром (25 + вариант) мм, если температура его поверхности (110 + вариант) ⁰С, а температура стен в помещении равна (16 + вариант) ⁰С, степень черноты трубопровода принять 0,8. (Ерохин 3-26, стр103).

Для решения задачи использовать формулу 3-12. Приведенную степень черноты системы принять равной ₁.

1. Определить, какую долю составляет тепловой поток излучения от общей теплоотдачи отопительного трубопровода с температурой поверхности (85 + вариант) ⁰С, если общий тепловой поток (560 + 10 вариант) Вт/м². Степень черноты теплоотдающей поверхности  = 0,85. Температуру стен помещения принять равной (20 + вариант) ⁰С.

Для решения задачи использовать формулу 3-12 для единицы площади поверхности трубопровода.

1. Определить теплообмен излучением между двумя параллельными кирпичными поверхностями, если температура поверхностей (200 + вариант) ⁰С и (50+ вариант) ⁰С. Степени черноты поверхностей соответственно 0,8 и 0,9. (Ерохин 3-28, стр. 103).

Для решения задачи использовать формулу 3-12 для единицы площади поверхности, определив приведенную степень черноты системы _пр.

1. По условию задачи 3 определите, как изменится теплообмен, если более нагретую поверхность покрыть алюминиевым листом. Степень черноты алюминия принять 0,06.

1. Трубопровод диаметром (120 + вариант) мм проложен в канале размером (400 + вариант) х (400 + вариант) мм². Определить потерю теплоты излучением 1 м трубопровода, если температура поверхности его изоляции (127 + вариант) ⁰С, а внутренней поверхности кирпичной кладки канала (27 + вариант) ⁰С. Степени черноты поверхностей принять одинаковыми и равными 0,93.

1. Пример решения задачи

1. Контрольные вопросы:

1. Закон Стефана-Больцмана?

2. Единица измерения для коэффициента излучения серого тела.

3. Чему равен коэффициент излучения абсолютно черного тела?

4. Как определить приведенную степень черноты системы?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №10

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 2.5 Теплопередача между теплоносителями через стенку

Практическая работа №10

Тема «Решение задач на теплообмен между двумя теплоносителями через стенку (на теплопередачу)»

Цель: Сформировать навыки решения задач на теплообмен между двумя теплоносителями через стенку (на теплопередачу).

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 105- 108.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить плотность теплового потока через плоскую стенку металлического водонагревателя и температуру на поверхностях стенки, если заданы: температура греющих газов (1200 + вариант) ⁰С, температура воды в баке (200 + вариант) ⁰С, коэффициенты теплоотдачи соответственно 45 Вт/(м²*К) и 6 000 Вт/(м²*К), толщина стенки (14 + вариант) мм и коэффициент теплопроводности материала стенки 58 Вт/(м*К) (Ерохин 3-33, стр. 106)

2. Плотность теплового потока через плоскую стенку бака при температуре газов (1 100 + вариант) ⁰C и температуре воды (180 + вариант) ⁰C составляет 50 000 Вт/(м²*К). Коэффициент теплоотдачи со стороны воды 5 700 Вт/(м²*К). Определить коэффициент теплопередачи, коэффициент теплоотдачи со стороны газов и температуры поверхностей стенки бака, если ее толщина (12 + вариант) мм и коэффициент теплопроводности металла 56 Вт/ (м*К) ( Ерохин 3-34, стр. 106).

3. Определить тепловой поток через кирпичную стенку толщиной (250 + вариант) мм, покрытую слоем штукатурки толщиной (50 + вариант) мм. Теплопроводность кирпича 0,93 Вт/ м*К, а штукатурки 0,093 Вт/ м*К. Температура воздуха внутри помещения (18 + вариант) ⁰С, снаружи - (25 + вариант) ⁰С. Коэффициенты теплоотдачи равны соответственно 8 Вт/ м²*К и 17,5 Вт/ м²*К. Определить также температуру стенки с внутренней стороны (Ерохин 3-35, стр. 107).

4. Определить потерю теплоты с поверхности 1 м неизолированного трубопровода горячего водоснабжения, если его внутренний диаметр (76 + вариант) мм, толщина стенки (3 + вариант) мм и коэффициент ее теплопроводности 50 Вт/ м*К. Температура воды 95⁰С, наружная температура 15⁰С. Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы 5000 Вт/(м²*К) и от трубы к воздуху 15 Вт/(м²*К) (Ерохин 3-36, стр. 107)

5. Определить температуру на внутренней поверхности паропровода d₁ = (200 + вариант) мм, изолированного слоем изоляции толщиной  = (100 + вариант) мм с коэффициентом теплопроводности 0,11 Вт/м*К. Толщина стенки паропровода (16 + вариант) мм. Температура пара t_ж1 = 250 + вариант ⁰С и наружного воздуха t_ж2 = (30 – вариант) ⁰С. Принять коэффициенты со стороны пара 100 Вт/ м²*К и со стороны воздуха 9,5 Вт/ м²*К. Определить также линейную плотность теплового потока. Термическим сопротивлением стенки трубы пренебречь.

1. Примеры решения задач

1. Контрольные вопросы:

1. Как определяется количество теплоты, передаваемой от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку?

2. Единица измерения для коэффициента теплопередачи.

3. По какой формуле определяется коэффициент теплопередачи через плоскую однородную стенку?

4. По какой формуле определяется коэффициент теплопередачи через многослойную стенку?

5. По какой формуле определяется коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку?

6. По какой формуле определяется коэффициент теплопередачи через ребристую стенку?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №11

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 2.6 «Основы теплового расчета теплообменных аппаратов»

Практическая работа №11

Тема: «Тепловые расчеты теплообменных аппаратов»

Цель: Приобрести практические навыки теплового расчета рекуперативного и регенеративного теплообменного аппарата.

Оборудование: Инструкционная карта, калькулятор.

Литература: В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, страница 136-139.

1. Общие сведения

1. Классификация теплообменных аппаратов

Рисунок 1 – Теплообменный аппарат

Теплообменные аппараты и установки предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой или от среды к нагреваемому (охлаждаемому) телу. Теплообменные аппараты и установки по некоторым характерным признакам можно объединить в определенные классификационные группы.

Прежде всего, по способу передачи теплоты от одной среды к другой (от одного теплоносителя к другому) теплообменники классифицируются на:

• рекуперативные;

• регенеративные;

• смесительные;

• с электрическим обогревом.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты осуществляется сквозь разделяющую теплоносители однослойную или многослойную стенку при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. К аппаратам с установившимся тепловым режимом относятся непрерывно действующие теплообменники, работающие при неизменных во времени расходах и параметрах теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Передача теплоты от одной среды к другой в рекуперативных аппаратах происходит при одновременном вынужденном движении сред без изменения фазового состояния или при фазовом переходе одного (обоих) теплоносителя.

Рисунок 2 - Рекуперативный теплообменник

В периодически действующих аппаратах в течение заданного времени может осуществляться последовательно нагрев, испарение, охлаждение определенного количества предварительно загруженной жидкости или нагрев, охлаждение сыпучих и твердых материалов. В процессе нагрева или охлаждения, естественно, происходит изменение во времени температуры нагреваемого вещества. В качестве греющей среды используются теплоносители, не изменяющие фазовое состояние (жидкости, газы), и конденсирующийся водяной пар или пар другой жидкости. Греющая (охлаждающая) среда, как правило, подается непрерывно с мало изменяющимися параметрами на входе и существенно переменной во времени температурой на выходе из аппарата, особенно у жидких и газообразных теплоносителей. Следовательно, аппараты такого типа относятся к теплообменникам с неустановившимся тепловым режимом.

В особые подгруппы можно выделить оросительные теплообменники и рекуперативные системы с потоками газовзвеси. В первой подгруппе передача теплоты сквозь стенку сопровождается процессами тепломассообмена на внешней орошаемой поверхности. Во второй в качестве одного из теплоносителей используется дисперсная среда со сравнительно небольшой объемной концентрацией твердых частиц, которые изменяют условия переноса тепла от этой системы к поверхности теплообмена и способствуют интенсификации теплообмена.

Непрерывно действующие рекуперативные теплообменники в большинстве случаев можно отнести к категории аппаратов, работающих с установившимся тепловым режимом. По конструктивному оформлению теплообменники непрерывного действия могут быть:

• змеевиковыми;

• секционными;

• кожухотрубчатыми;

• ребристыми;

• пластинчатыми;

• пластинчато-ребристыми;

• прокатно-сварными;

• сотовыми.

В регенеративных теплообменных аппаратах при передаче теплоты от одной среды к другой также используется поверхность теплообмена. Однако эта поверхность, или точнее насадка, образующая поверхность теплообмена, является промежуточным аккумулятором теплоты. Вначале, в течение какого-то отрезка времени, насадка через свою поверхность воспринимает определенное количество теплоты от греющей среды. Затем производится переключение потоков теплоносителей и по поверхности насадки пропускается нагреваемая среда. В этот период насадка охлаждается, передавая ранее воспринятую теплоту нагреваемой среде.

Рисунок 3 - Регенеративный теплообменник

Нагрев или охлаждение в регенераторах, особенно с неподвижной насадкой, относится к категории нестационарных, но синхронно повторяющихся тепловых процессов. Обычно в регенераторах нагреваются компоненты горения топлива для промышленных печей, МГД генераторов и парогенераторов.

Для теплообмена при смешении рабочих сред не требуется специальная поверхность.

Теплообмен в этом случае происходит на границе раздела фаз одного рода теплоносителей (однородных) или на границе раздела жидкой и газообразной сред и сопровождается массообменом, изменением энтальпии смеси или каждого из теплоносителей, изменением влагосодержания газообразной среды. Смесительные теплообменники могут быть полыми и с насадкой. Поверхность насадки во втором случае служит только для организации движения пленки жидкой фазы и не является поверхностью теплообмена.

В соответствии с назначением газожидкостные аппараты называются скрубберами, градирнями, оросительными камерами, смесительными подогревателями воды.

• в полом и насадочном скрубберах происходят охлаждение, осушка или увлажнение и очистка от пыли и других примесей всевозможных газов и воздуха;

• в оросительных камерах – охлаждение, осушка и увлажнение воздуха для систем кондиционирования;

• в градирнях – охлаждение охлаждающей воды из конденсаторов паровых турбин;

• в смесительных паро- и водо-водяных аппаратах – нагревание воды для систем горячего водоснабжения, конденсация отработавшего пара и так далее.

В теплообменных аппаратах с электрическим обогревом в качестве источника тепла используется электрическая энергия. Условия передачи теплоты от источника тепла к нагреваемой среде или нагреваемому телу в них отличаются от условий теплопередачи в теплообменниках с двумя или более теплоносителями.

Электрическая энергия превращается в тепловую в элементах сопротивления, в электродуговых установках прямого или косвенного нагрева, в установках индукционного и диэлектрического нагрева. Наибольшее распространение в промышленной теплотехнике получили электрические нагреватели сопротивления и индукционные нагреватели.

Каждая рассматриваемая группа теплообменников, кроме аппаратов с электрическим обогревом, классифицируется на подгруппы по роду теплоносителей:

• парожидкостные;

• жидкостно-жидкостные;

• газожидкостные;

• газо-газовые;

• парогазовые;

• с дисперсными теплоносителями.

Рисунок 4 - Спиральный теплообменник

Поверхность теплообмена может быть выполнена из гладких или оребренных разным способом труб, из гладких или профильных волнистых и оребренных пластин или в виде разнообразной по форме фасонной, блочной и кирпичной насадки. По компоновке поверхности теплообмена и соединению ее с корпусом гладкотрубчатые аппараты можно разделить на следующие группы:

• погруженные с прямыми трубами и змеевиковые;

• оросительные с водяным и воздушным охлаждением;

• секционные;

• кожухотрубчатые.

Секционные и кожухотрубчатые аппараты могут быть скомпонованы также и из ребристых труб.

Кожухотрубчатые и секционные теплообменники изготавливают в виде жесткой (то есть обе трубчатые решетки соединяются жестко с корпусом) и нежесткой конструкции: с U- и W-образными трубами, с «плавающей» камерой и с компенсаторами на корпусе или трубах.

Возможные варианты конструкций труб, применяемых в трубчатых теплообменниках, представлены на (рисунке 5).

Рисунок 5 – Трубы для теплообменников: а – с поперечными ребрами: 1 – ретандер; 2– игольчатые; 3 – плоскосплошные; 4 – прямоугольные; 5 – с накатным оребрением; 6 –круглые; 7, 8 – треугольные; 9 – спиральные; 10 – проволочные; б – с продольными ребрами: 11 – прямоугольные; 12 – V-образные; 13 – выдавленные; в – цилиндрические со вставками: 14 – с диафрагмой; 15 – кольцевые; 16 – дисковые; 17 – спиральные; 18 – гладкотрубные цилиндрические; г – пережатые; 19 – полукольцевыми вмятинами; 20 – кольцевыми вмятинами; 21 – спиральными вмятинами; д – нецилиндрические: 22 – овалообразные; 23 – каплеобразные; 24 – двуугольные; 25 – овальные; 26 – обтекаемые; 27, 28 – плавниковые

Аппараты из пластин разделяются на: рубашечные, спиральные, гладкопластинчатые разного профиля, пластинчатые ребристые и сотовые. Они могут быть разборными, полуразборными, сварными и прокатно-сварными.

Поверхность теплообмена пластинчатых аппаратов компонуется из разнообразных по конструктивным признакам стальных листов. К числу таких теплообменников относятся реакторы с рубашкой, спиральные конденсаторы и нагреватели для жидкостей, плоскопластинчатые нагреватели низкого давления для воздуха, воздухо- и газонагреватели из различных штампованных, ребристых и других профилей листов в системах газотурбинных и холодильных установок, компактные пакетные и сотовые теплообменники, применяемые на железнодорожном и других видах транспорта.

Рисунок 6 – Пластинчатый теплообменник

Конструкции пластин, применяемых при компоновке теплообменников подобного типа, представлены на (рисунке 7).

Рисунок 7 – Пластины для теплообменников: а – с ребрами: 1 – гладкими квадратными; 2 – гладкими прямоугольными; 3 – с другими формами гладких ребер; 4 – волнистыми; 5 – стерженьковыми; 6 – разрезными жалюзийными; 7 – разрезными пластинчатыми; б – пластинчатые: 8 – плоские; 9 – спиральные; в – с повышенной турбулентностью: 10 – со сфероидальными зигзагообразными каналами; 11, 12 – волнообразными и серповидными каналами

Аппараты с насадкой чаще всего бывают разборными. Насадка укладывается или насыпается на специальную решетку. Для высокотемпературных регенераторов фасонная огнеупорная насадка устанавливается на фундамент или на решетку из огнеупорного материала.

Теплообменные аппараты выполняют из огнеупорных материалов, графита, стекла, пластмасс. По конструктивным признакам они могут быть весьма разнообразными в зависимости от технологических условий нагрева или охлаждения, а также физико-химических свойств и температурного уровня рабочих сред.

По пространственному расположению теплообменные аппараты делятся на вертикальные, горизонтальные, наклонные; по числу ходов рабочих сред – на одно, двух, четырехходовые и т. д.; по взаимному направлению движения теплоносителей – на прямоточные, противоточные, прямоточно-противоточные и с разными вариантами перекрестного тока.

Рисунок 8 - Пластинчато-ребристый теплообменник

Рисунок 9 - Кожухотрубный теплообменник

1.2 Основные определения

Уравнение теплового баланса теплообменника представлено формулой (1):

Q = m₁c_p1(t^₁ - t^₁) = m₂c_p2( t^₂ - t^₂) , (1)

где m₁ и m₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/с;

c_p1 и c_p2 - средние массовые изобарные теплоемкости теплоносителей, Дж/кг К;

t^₁ и t^₁ , t^₂ и t^₂- температуры первого и второго теплоносителей соответственно на входе и выходе, ⁰С;

mc_p= W₂ - водяной эквивалент теплоносителя, Дж/К

Из уравнения теплового баланса следует:

Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя другому через разделяющую поверхность в единицу времени определяется по формуле (2):

Q=ktF, (2)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

t – средний температурный напор по поверхности аппарата, ⁰С;

F – расчетная поверхность теплообменного аппарата, м².

, (3)

где t_б – максимальная разность температур теплоносителей в теплообменном аппарате;

t_м – минимальная разность температур теплоносителей.

При прямоточном движении теплоносителей

t_б = t^₁ - t^₂; t_м= t^₁- t^₂.

При противотоке, если m₁c_p1 m₂c_p2,

t_б = t^₁ - t^₂; t_м= t^₁-t^₂.

Конечные температуры теплоносителей

t^₁= t^₁ - Q/W₁; t^₂ = t^₂ + Q/W₂.

Массовые расходы теплоносителей в теплообменниках без изменения агрегатного состояния теплоносителей определяются из равенства (1). В теплообменниках с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей, например при конденсации греющего пара, расход пара определяется по формуле (4):

(4)

где i₁ и i_k - соответственно энтальпия пара на входе в теплообменник и энтальпия конденсата на выходе из теплообменника, кДж/кг.

Расчет рекуперативных теплообменников ведется по средним температурам теплоносителя и среднему значению коэффициента теплоотдачи k_ц для цикла, состоящего из периода нагрева ₁ и периода охлаждения ₂ насадки. Длительность цикла  = ₁ + _2. Средняя величина расчетного коэффициента теплопередачи для цикла, Вт/(м² цикл К, приближенно может быть определена по формуле (5):

где ₁ и ₂– коэффициенты теплоотдачи соответственно для периода нагрева и периода охлаждения, Вт/(м²К);

₁ и ₂- длительность периодов цикла, с.

1. Задание. На основе приведенных примеров решения, решите следующие задачи:

1. В противоточном маслоохладителе двигателя внутреннего сгорания масло охлаждается от t^₁ = 65⁰С + 0,01*вар до t^₁ = 55⁰С + 0,01*вар. Температура охлаждающей воды на входе и выходе соответственно t^₂ =16⁰С + 0,01*вар и t^₂ = 25⁰С + 0,01*вар. Расход масла m₁ = 0,8 кг/с + 0,01вар. Определить необходимую поверхность теплопередачи охладителя F и расход воды m₂ , если коэффициент теплопередачи k = 280 Вт/(м²К) + 0,1*вар. Теплоемкость масла c_p1 = 2,45 кДж/(кгК) + 0,01*вар.

2. Определите поверхность нагрева регенеративного теплообменника промышленной печи, в котором воздух подогревается уходящими газами от t^_в = 20⁰С + 0,01*вариант до t^_в = 1000⁰С + 0,01*вариант. Температура газов на входе в регенератор t^_г =1450⁰С + 0,01*вариант. Длительность периодов движения газов и воздуха _г=_в= 0,5 ч + 0,01*вариант. Коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к насадке (с учетом излучения дымовых газов) и от насадки к воздуху соответственно равны _г= 65 Вт/(м²К) + 0,01*вариант и _в= 10 Вт/(м²К) + 0,01*вариант. Расход воздуха m_в = 1 кг/с + 0,01* вариант и газов m_г = 1,07 кг/с + 0,01* вариант. Теплоемкость газов и воздуха определять с учетом температуры по формулам для воздуха.

1. Примеры решения задач:

1. В противоточном маслоохладителе двигателя внутреннего сгорания масло охлаждается от t^₁ = 65⁰С до t^₁ = 55⁰С. Температура охлаждающей воды на входе и выходе соответственно t^₂ =16⁰С и t^₂ = 25⁰С. Расход масла m₁ = 0,8 кг/с. Определить необходимую поверхность теплопередачи охладителя F и расход воды m₂ , если коэффициент теплопередачи k = 280 Вт/(м²К). Теплоемкость масла c_p1 = 2,45 кДж/(кгК).

Решение:

Теплота, передаваемая за 1 секунду определяется по формуле (1):

Q = m₁c_p1(t^₁ - t^₁) = 0,8  2,45  (65-55) = 19,6 кВт

Температурный напор определим по формуле (3):

Необходимая поверхность охладителя определяется из формулы (2), где Q из киловатт переводим в ватты, т.е. значение, полученное по формуле (1) умножаем на 1000:

Расход охлаждающей воды определяем из формулы (1):

Ответ: m₂ = 0,52 кг/с

1. Определите поверхность нагрева регенеративного теплообменника промышленной печи, в котором воздух подогревается уходящими газами от t^_в = 20⁰С до t^_в = 1000⁰С. Температура газов на входе в регенератор t^_г =1450⁰С. Длительность периодов движения газов и воздуха _г=_в= 0,5 ч. Коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к насадке (с учетом излучения дымовых газов) и от насадки к воздуху соответственно равны _г= 65 Вт/(м²К) и _в= 10 Вт/(м²К). Расход воздуха 1 кг/с и газов 1,07 кг/с. Теплоемкость газов и воздуха определять с учетом температуры по формулам для воздуха.

Решение:

Теплота, получаемая воздухом в регенераторе

Q_в = m_в (c^_вt^_в- c^_в t^_в) = 1 (1,19*1000 – 1,0*20) = 1170 кДж/с

Теплоемкости воздуха и газа определяем по формуле истинной теплоемкости воздуха, приведенной в таблице 2-3.

С_р = 28,7558 + 0,005721t (кДж/кмоль К)

и переводим теплоемкость в кДж/кг К, разделив полученное число на 28,9 (молярную массу воздуха)

Теплота, вносимая газами в регенератор

Q^_г = m_гc^_г t^_г = 1,07*1,28*1450 = 1986 кДж/с.

Теплота газов, уходящих из регенератора

Q^_г = 0,85Q^_г - Q_в = 0,85*1985 – 1170 = 515 кДж/с

Определяем температуру газов на выходе из регенератора. Ориентировочно принимаем t^_г = 450⁰ С и определяем c^_г= 1,08 кДж/(кгК)

При этом

Средние температуры газов и воздуха

Средний арифметический температурный напор

t_ср = t_{г ср} – t_{в ср} = 947,8 – 510 = 437,8 ⁰С

Средний коэффициент теплопередачи за цикл определяем по формуле (5), переведя ₁ = ₂ в секунды, умножив на 3600:

Теплота, передаваемая в регенераторе

Q_p = Q_в + Q_пот = Q_в + 0,15*Q^_г = 1170 + 0,15*1986 = 1468 кДж/с

Расчетная поверхность регенератора

Ответ: F = 425,64 м²

1. Контрольные вопросы:

1. Для чего предназначены теплообменные аппараты и установки?

2. Как классифицируются теплообменники по способу передачи теплоты от одной среды к другой?

3. Как осуществляется передача теплоты в рекуперативных теплообменниках?

4. Как классифицируются теплообменники непрерывного действия по конструктивному оформлению?

5. Как осуществляется передача теплоты в  регенеративных теплообменных аппаратах? 

6. Как осуществляется передача теплоты в смесительных теплообменных аппаратах?

7.  Как осуществляется передача теплоты в теплообменных аппаратах с электрическим обогревом?

8. Как классифицируются теплообменники по роду теплоносителей?

9. Как классифицируются теплообменники по пространственному расположению?

10. Как классифицируются теплообменники по взаимному направлению движения теплоносителей?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №12

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 3.1 Топливо, воздух, продукты сгорания, их характеристика

Практическая работа №12

Тема «Определение теплоты сгорания топлива, теоретического и действительного расхода воздуха, массы и теплоемкости газообразных продуктов сгорания»

Цель: Сформировать навыки решения задач на определение теплоты сгорания топлива, теоретического и действительного расхода воздуха, массы и теплоемкости газообразных продуктов сгорания

Литература:

1. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько «Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники», М.: «Энергия», 1979, стр. 123 - 129.

Оборудование и принадлежности: инструкционная карта, калькулятор, справочные таблицы.

1. Общие сведения

1. Задание: Используя изученные формулы, решите следующие задачи:

	на оценку «3»	на оценку «4»	на оценку «5»
Номер задачи	1,2,3	1,2,3,4	1,2,3,4,5

1. Определить действительное количество воздуха для сгорания 1 м³ газа, если коэффициент избытка воздуха  = 1,1 + 0,01* вариант, а теоретически необходимое количество воздуха V_т = 9,51 + 0,1 *вариант м³/ кг (Ерохин 5-21, стр. 128).

Для решения задачи преобразуйте формулу 5-15.

1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива при нормальных условиях равно V_т = 9,35 + 0,1 вариант м³/ кг. Определить действительный объем воздуха при коэффициенте избытка воздуха  = 1,15 + 0,01 вариант и температуре t_в = 25 + вариант ⁰С (Ерохин 5-27, стр. 129).

Для решения задачи воспользуйтесь формулами 5-15, 5-27.

1. Определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива следующего элементарного состава: W^p = 13%, A^p = 10,4%, S^p =0,6%, C^p_л = 67,9 + 0,1* вариант %, H^p = 4,8 – 0,1 *вариант %, N^p = 1,9%, O^p = 1,4% (Ерохин 5-20, стр. 128).

Для решения задачи воспользуйтесь формулой 5-14.

1. Определить теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 м³ газа, состав которого: СО₂ = 0,1 + 0,01 *вариант %, СН₄ = 97,9 – 0,01* вариант %, С₂Н₆ = 0,5%, С₃Н₈ = 0,2%, С₄Н₁₀ = 0,1%, N₂ = 1,3% (Ерохин 5-18, стр. 127)

Для решения задачи воспользуйтесь формулой 5-16.

1. Определить теоретически необходимое и действительное количество воздуха для сгорания антрацита следующего элементарного состава: W^p = 5%, A^p = 13,3%, S^p =1,7%, C^p_л = 76,4%, H^p = 1,5%, N^p = 0,8%, O^p = 1,3% . Коэффициент избытка воздуха в топочной камере принять равным  = 1,1 + 0,01 вариант (Ерохин 5-19, стр. 127).

Для решения задачи воспользуйтесь формулами 5-14, 5-15.

1. Примеры решения задач

1. Контрольные вопросы:

1. Как определяется теоретическое количество воздуха кг, необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива?

2. Как определяется объемный расход воздуха для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива?

3. Как определяется действительное количество воздуха кг, необходимое для сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива?

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №13

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 3.3 Котельные агрегаты и вспомогательное оборудование, схема котельных установок.

Лабораторная работа №1

Тема: Изучение устройства, принципа действия элементов котельной установки, методов ее испытания и определение КПД котельного агрегата.

Цель:

1. Изучить устройство и принцип действия элементов котельной установки.

2. Приобретение практических навыков решения задач на определение КПД котельного агрегата.

Литература:

1. В.Е. Егорушкин, Б.И. Цеплович, Основы гидравлики и теплотехники, М.: Машиностроение, 1981, стр. 172-189

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, стр. 130-136

1. Общие сведения

Котельные установки состоят из котла и вспомогательного оборудования.

Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива, или теплоты, подводимой от посторонних источников (обычно с горячими газами), называют котельными агрегатами, которые подразделяются соответственно на котлы паровые и котлы водогрейные.

В состав котла входят: топка, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка.

К вспомогательному оборудованию относятся: тягодутьевые машины, устройства очистки поверхностей нагрева, оборудование золоудаления, газоочистительные устройства, газовоздухопроводы, трубопроводы воды, пара и топлива, арматура, автоматика, приборы и устройства контроля и защиты, водоподготовительное оборудование и дымовая труба.

Комплекс устройств, включающий в себя котельный агрегат и вспомогательное оборудование, называется котельной установкой.

В качестве источников теплоты для котельных установок используются природное и искусственное топливо (каменный уголь, жидкие и газообразные продукты нефтехимической переработки, природный и доменный газы и др.).

Котельный агрегат является энергетическим устройством с определенной производительностью по пару или воде D (т/ч) с заданными давлением р (МПа) и температурой t (°С).

Если в таком устройстве получают пар, то его называют парогенератором или паровым котлом.

Если конечным продуктом является горячая вода, используемая в промышленных технологических процессах и для отопления промышленных, общественных и жилых зданий, то такое устройство называют водогрейным котлом.

По характеру движения воды, пароводяной смеси и пара паровые котлы подразделяются:

- на барабанные с естественной циркуляцией;

- на барабанные с многократной принудительной циркуляцией;

- на прямоточные.

Паровой котельный агрегат (парогенератор) характеризуется паропроизводительностью (т/ч или кг/с), давлением (МПа или кПа), температурой производимого пара и температурой питательной воды.

По паропроизводительности различают котлы малой паропроизводительности (до 25 т/ч), средней паропроизводительности (от 35 до 220 т/ч) и большой паропроизводительности (от 220 т/ч и более).

По давлению производимого пара различают котлы: низкого давления (до 1,37 МПа), среднего (2,35 и 3,92 МПа), высокого (9,8 и 13,7 МПа) и критического давления (25,1 МПа).

Рисунок 1 - Схемы генерации пара в паровых котлах
а – естественная циркуляция; б – многократная принудительная циркуляция; в – прямоточная схема; 
Б – барабан; ИСП – испарительные поверхности; ПЕ – пароперегреватель; ЭК – водяной экономайзер; ПН – питательный насос; ЦН – циркуляционный насос; НК – нижний коллектор; Q – подвод тепла; ОП – опускные трубы; ПОД – подъемные трубы; Dп – расход пара; Dп.в – расход питательной воды

В котельных агрегатах производят либо насыщенный пар, либо пар, перегретый до различной температуры, величина которой зависит от его давления.

Водогрейные котлы характеризуют по их теплопроизводительности (кВт или МВт, или Гкал/ч), температуре и давлению подогретой воды, а также по роду металла, из которого изготовлен котел.

Основным типом паровых котлов малой производительности, широко распространенных в различных отраслях промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве, а также на электростанциях малой мощности, являются вертикально-водотрубные котлы ДКВР, работающие на жидком и газообразном топливе

Эффективность работы котла определяется его коэффициентом полезного действия, который показывает, какая часть тепла, внесенного в топку, передана нагреваемой в котле воде.

Коэффициент полезного действия котла, работающего на газовом топливе (без учета расхода тепла на собственные нужды), можно определить следующим образом:

где  ^D – производительность по горячей воде или пару, кг/ч; i' – теплосодержание горячей воды или пара, кДж/кг; i – теплосодержание питательной воды, кДж/кг; B – расход газа, м³/ч; Q_н – низшая теплота сгорания сжигаемого газа, кДж/м³.

Коэффициент полезного действия котла можно определить и по обратному балансу:

где Σq – сумма потерь тепла при работе котельного агрегата, %.

При работе котла на газовом топливе сумма потерь складывается из потерь тепла с уходящими газами, потерь от химической неполноты сгорания газа и потерь в окружающую среду от нагретых стенок обмуровки котла.

Полнота сгорания газа определяется по составу продуктов сгорания, в которых должны полностью отсутствовать горючие составляющие – оксид углерода, водород и метан.

Важным показателем эффективности работы котла является коэффициент избытка воздуха в топке и за котлом. При отсутствии химического недожога коэффициент избытка воздуха может быть определен по содержанию в продуктах сгорания кислорода и углекислого газа. Зная коэффициент избытка воздуха и температуру продуктов сгорания за котлом, можно подсчитать потери тепла с уходящими газами.
Практически оптимальным коэффициентом избытка воздуха в топке является αт = 1,05…1,11, за котлом αк = 1,1…1,15.

Автоматические устройства для регулирования работы котлов предназначены для

Котлы, работающие на газовом топливе, во избежание их разрушения при возможном взрыве газовоздушной смеси должны иметь предохранительные взрывные клапаны, которые, как правило, размещают в верхних частях топки, газоходов и боровов, а также в других местах, где могут образоваться газовые мешки.

Наибольшее распространение получили следующие конструкции взрывных предохранительных клапанов:

Рисунок 2 – Предохранительные взрывные клапаны
а – сбросной; б – откидной; в – разрывной; 1 – сбросная пластина; 
2 – огнеупорная глина; 3 – выступающие опорные элементы; 
4 – поддерживающая решетка; 5 – металлическая армированная решетка; 6, 7 – рама; 8 – разрывная мембрана

В котельных часто используют устройства естественной вентиляции. Эффективность работы вентиляции зависит от площади и высоты котельного зала, расположения и работы котлов, размеров оконных и дверных проемов, метеорологических и других факторов.

В отопительных котельных, отдельно стоящих или расположенных в жилых, общественных и других зданиях, должен быть обеспечен трехкратный воздухообмен помещения за 1 час без учета количества воздуха, необходимого для горения.

Наружный холодный воздух подается через неподвижные жалюзийные решетки, которые устанавливают за котлами на высоте не менее 4 м в удалении от постоянных рабочих мест обслуживающего персонала, тем самым предотвращая образование сквозняков и снижения температуры в зонах пребывания операторов.

Необходимую площадь живого сечения жалюзийных решеток F_жр (м²) определяют исходя из принятой в них скорости движения воздуха υ_в (м/с) и расчетного его объемного расхода V_в (м³/ч): 

Воздух из верхней зоны котельной удаляется с помощью дефлекторов, при этом на всех участках вытяжной вентиляции не должно быть шиберов.
Необходимое число дефлекторов определяется размерами котельной, устанавливаются дефлекторы в зонах повышенной температуры воздуха и наиболее вероятного скопления вредных газов.
На рисунке 3 показан наиболее применяемый на практике дефлектор ЦАГИ. Удаление воздуха через дефлектор происходит за счет кинетической энергии ветра. Поток ветра, омывая корпус дефлектора, создает за ним зону разрежения, благодаря чему происходит отвод воздуха из канала или помещения, к которому присоединен дефлектор. Производительность дефлектора зависит от его типа, размеров, скорости ветра.

Рисунок 3 – Дефлектор ЦАГИ
1 – патрубок; 2 – диффузор; 3 – корпус дефлектора; 4 – лапки для крепления зонта-колпака; 5 – зонт-колпак

Гидравлические характеристики дефлекторов определяют опытным путем. В проектной практике скорость в присоединительном патрубке принимают равной 2 м/с, тогда необходимый диаметр патрубка D₁ определяют по формуле

где V_выт – расход воздуха, вытягиваемого из помещения, м³/ч; 
n ^– число дефлекторов.

1. Задания:

1. Изучите устройство и принцип действия котельной установки и ответьте на следующие вопросы:

1. Из чего состоят котельные установки?

2. Какие устройства называют котельными агрегатами?

3. Разновидности котельных агрегатов.

4. Какое оборудование входит в состав котла?

5. Какое оборудование относится к вспомогательному?

6. Дайте определение котельной установки?

7. Что является источником теплоты в котельных установках?

8. Какое устройство называют паровым котлом?

9. Какое устройство называют водогрейным котлом?

10. Как классифицируют паровые котлы по характеру движения воды, пароводяной смеси и пара?

11. Основные характеристики парового котельного агрегата.

12. Классификация котлов по паропроизводительности?

13. Классификация котлов по давлению производимого пара.

14. Какой пар производится в котельных агрегатах?

15. Основные характеристики водогрейных котлов.

16. Каким показателем определяется эффективность работы котла?

17. Как определить КПД котла, работающего на газовом топливе

18. Защитные устройства, устанавливаемые в котлах во избежание разрушения при взрыве газовоздушной смеси.

19. Конструкции взрывных предохранительных клапанов.

20. Как определить необходимую площадь живого сечения жалюзийных решеток? Каким образом удаляется воздух из верхней зоны котельной?

21. Как определить диаметр присоединительного патрубка дефлектора?
    
    

1. На примере задачи 6-1 (стр. 132) составить тепловой баланс, определить КПД и расход топлива для котельного агрегата по следующим исходным данным:

Исходные данные	Величина показателя
Паропроизводительность	Дч= 240 т/ч
Давление пара в барабане	Рк= 100 + вар кгс/см2
Температура перегретого пара	Tп = 510 + вар
Температура питательной воды	Tп.в. = 215 - вар
Низшая теплота сгорания топлива	Qнр = 15 300 кДж/кг
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива	Vт = 4,15 + 0,1 вар м3/кг
Коэффициент избытка воздуха за последним газоходом	ух = 1,39 + 0,01 вар
Объем газов за последним газоходом	Vух = 6,06 + 0,01 вар
Температура уходящих газов	Tух = 160 + 0,1 вар 0С
Средняя объемная теплоемкость продуктов сгорания	Сг = 1,415 кДж/ (м3*К)
Температура воздуха в котельной	Тв = 30 + 0,1 вар 0С
Объемная теплоемкость воздуха	Св = 1,297 кДж/ (м3*К)
Потери тепла от химической неполноты сгорания	q3= 0,5%
Потери тепла от механического недожога	q4= 2,5%
Потери тепла в окружающую среду	q5= 0,5%

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА № 14

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ»

Тема 3.4 Поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Лабораторная работа №2

Тема: Изучение методов испытания поршневых ДВС со снятием индикаторной диаграммы. Определение показателей рабочего процесса в индикаторном и рабочем процессе.

Цель:

1. Изучить методы испытания поршневых ДВС со снятием индикаторной диаграммы.

2. Приобретение практических навыков определения показателей рабочего процесса в индикаторном и рабочем процессе.

Литература:

1. В.Е. Егорушкин, Б.И. Цеплович, Основы гидравлики и теплотехники, М.: Машиностроение, 1981, стр. 219-242

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, стр. 184-189

1. Общие сведения

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы:

• с подводом теплоты при постоянном объеме (карбюраторные ДВС);

• с подводом теплоты при постоянном давлении (компрессорные дизели);

• со смещанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели);

Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безрамерные величины:
степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия)

e = n₁ / n₂ ,

степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

l = Р₃ / Р₂ ,

степень предварительного расширения или степень изобарного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

r = n₃ / n₂ .

1). Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя (рисунок 1).

а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс); 1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура); 2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q1); 3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа); 4-а – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отводится тепло q2). 1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов. Затем процесс повторяется.

Описанный процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).
Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные циклы обратимые циклы. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 2.

2) Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме (безкомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рисунке 3.

1-2 - чистый воздух с температурой Т1 сжимается до температуры Т2, которая больше температуры воспламенения топлива. В этот момент в цилиндр через форсунки под давлением впрыскивается топливо. 2-3 – горючая смесь самовоспламеняется и к рабочему телу подводится тепло q1/, давление повышается до Р3. 3-4 – поршень перемешается обратно, поступление и сгорание топлива продолжается при постоянном давлении и подводится тепло q1//. 4-5 – поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение); 5-1 – процесс отвода теплоты q2 при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы).

Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

h_t = l – (l·r^g – 1) / e^g-1·[(l - 1) + g·l·(r – 1)] . (7.9)

Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении широкое применение не нашли, так как у этих циклов очень большой коэффициент сжатия.

1. Задание:

1. Изучить действительные циклы двигателей внутреннего сгорания. Ответить на вопросы:

1. В чем различие рабочих циклов ДВС от теоретических?

2. Из каких процессов состоит действительный цикл?

3. Как выглядят индикаторные диаграммы действительных циклов поршневых ДВС с подводом теплоты?

4. Способы смесеобразования в поршневых ДВС.

5. Параметры, характеризующие действительный цикл двигателя.

6. Параметры, характеризующие работу двигателя.

7. Тепловой баланс двигателя.

1. Решить задачу 9-14 (В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, стр. 188) по следующим исходным данным:

1. Мощность двигателя N_e = 300 кВт + вар

2. Низшая теплота сгорания Q^p_н = 42400 кДж/кг + вар

3. Эффективный кпд η_е = 38%+ 0,1*вар

4. Расход воздуха g_в = 24 кг + 0,1 *вар

5. Расход газа g_г = расход воздуха + 1 кг

6. Температура выхлопных газов t_г = 450⁰С + 0,1*вар

7. Температура воздуха t_в = 20⁰С + 0,1 * вар

8. Теплоемкость выхлопных газов с_г = 1,15 кДж/(кг К)

9. Теплоемкость воздуха с_в = 1,013 кДж/(кг К)

Список использованной литературы

1. В.Е. Егорушкин, Б.И. Цеплович, Основы гидравлики и теплотехники, М.: Машиностроение, 1981, стр. 219-242

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько, Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники, М: «Энергия», 1979, стр. 184-189

3. С. Квон, М.Альжанов Основы термодинамики и теплотехники, учебник- М: «Фолиант», 2010, стр. 6-10

68