Методические указания к выполнению

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

 

К решению задач контрольной работы следует приступать только после изучения соответствующего модуля (раздела) курса. Только сознательное (не «механические») решение задач приносит пользу и помогает закреплению знаний.

Контрольные задачи составлены по стовариантной (числовой) системе, в которой к каждой задаче исходные данные выбираются из соответствующих таблиц по двум последним цифрам шифра (номера зачетной книжки) студента.

Работа, выполненная не по своему варианту, к защите не допускается.

При выполнении контрольной работы необходимо:

• указать шифр зачетной книжки;

• выписать название модуля и условия соответствующих задач и исходные данные;

• решение каждой задачи сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника, со ссылкой на литературный источник, или были определены выше и т.д.);

• вычисления проводить в единицах СИ;

• в конце работы привести список использованной литературы.

При защите контрольной работы студент должен показать знание и понимание соответствующих разделов курса, обосновать используемый метод решения задачи.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Смысловоймодуль 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Задача 1.1

Смесь идеальных газов имеет начальные параметры p₁, t₁, нагревается при постоянном объеме до t₂, а затем охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры t₁.

Определить: объемный состав газовой смеси; конечное давление и объем смеси; работу (L), теплоту (Q) и изменение внутренней энергии (D U), энтальпии (D I) и энтропии ( D S) смеси в процессах.

Изобразить процессы в p-v и T-s диаграммах.

Данные для решения задачи выбрать из таблицы 1.1.

 

Таблица 1.1 – Исходные данные к задаче 1.1

Предпослед-няяцифра шифра	Масса компонентов газовой смеси, кг					Давление, МПа p1	Послед-няяцифра шифра	Температура, ^о С
	N2	O2	CO2	H2O	H2			t1	t2
0	2,5	-	1,8	0,7	0,3	1	0	400	800
1	3,0	1,0	4,0	-	0,5	2	1	100	600
2	4,2	0,8	4,0	0,5	-	3	2	300	900
3	-	1,2	2,5	0,9	1,1	4	3	100	300
4	3,7	-	3,0	0,3	1,2	8	4	200	500
5	2,8	1,1	-	0,8	3,2	6	5	200	800
6	2,9	1,4	2,7	-	3,0	7	6	100	700
7	-	2,0	5,2	3,7	1,8	5	7	200	700
8	4,0	-	3,2	2,5	2,0	4	8	400	900
9	3,5	0,9	-	0,6	4,0	3	9	100	400

 

Указание: При решении задачи считать, что теплоемкость газов не зависит от температуры; значения принять из таблицы А.1.

Основные расчетные формулы:

Уравнение состояния для газовой смеси: ; ; 

массовая доля: ;    

объёмная доля:  ; 

удельная газовая постоянная смеси:  ;  (Дж/кмоль∙К);

молекулярная масса смеси: ;   ;

; ; ; ; ;

 

Анализ термодинамических процессов:

 ;  ;        ;

 

Работа:  ;

Изменение внутренней энергии в процессе1-2:  ;

Теплота процесса:  ;

Теплоемкость смеси: ; ; ;    ;    ; ;

Изменение энтропии и энтальпии в процессе 1-2:

; ; 

Работа .

Теплота процесса:  ;

 

Изменение внутренней энергии, энтропии и энтальпия в процессе 2-3:  ; ; .

Задача 1.2

Для теоретического цикла газового поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с изохорно-изобарным подводом теплоты по заданным значениям начального давления p₁ и температуры t₁, степени сжатия e, степени повышения давления l и степени предварительного расширения r определить параметры состояния p, v, T в характерных точках цикла, полезную работу и термический КПД.

Изобразить цикл ДВС в p-v и T-s диаграммах.

Данные необходимые для расчета задачи выбрать из таблицы 1.2.

 

Таблица 1.2 – Исходные данные для задачи 1.2

Предпос-ледняя цифра шифра	Рабочее тело	p1,   кПа	t1,   ^О С	Последняя цифр шифра	e	l	r
0	H2O	96	22	0	17	1,6	1,3
1	N2	97	24	1	16	1,7	1,3
2	He	95	18	2	19	1,3	1,5
3	Воздух	101	15	3	15	1,5	1,4
4	СН4	98	32	4	14	1,8	1,3
5	О2	99	30	5	13	1,7	1,3
6	СО2	100	23	6	15	1,6	1,4
7	Воздух	97	25	7	16	1,4	1,6
8	N2	96	20	8	17	1,5	1,7
9	СО	95	17	9	18	1,3	1,4

 

Указание: При решении задачи считать, что теплоемкость не зависит от температуры. Значение принять из таблицы А.1.

 

Основные расчетные формулы:

;   ; ; ; ;

 

; ; ; ;           ;

 

 ;       

 

 ;                  .

Смысловой модуль 2. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Задача 2.1

Паросиловая установка работает по циклу Ренкина. Давление пара перед турбиной р₁, его температура t ₁. Адиабатное расширение пара в турбине происходит до атмосферного давления р₂. Определить КПД паросиловой установки. Как изменится КПД, если давление и температуру увеличить соответственно до р'₁ и t '₁, а на выходе пара из турбины установить конденсатор, в котором давление р'₂?

Изобразить процессы в і-s – диаграмме водяного пара.

Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 2.1.

 

Таблица 2.1 – Исходные данные к задаче 2.1

Предпос-ледняя цифра шифра	Давление пара перед турбиной, МПа	Темпе-ратура пара, ^оС t 1	Давление пара после турбины, МПа	Послед-няя цифра шифра	Давление пара перед турбиной, МПа	Темпе-ратура пара, ^оС	Давление пара после турбины, МПа
0	4	310	0,1	0	15	550	0,05
1	8	350	0,13	1	17	580	0,04
2	6	330	0,12	2	14	570	0,03
3	10	420	0,11	3	18	550	0,02
4	9	360	0,1	4	20	610	0,01
5	13	310	0,11	5	18,5	630	0,009
6	12	440	0,1	6	16	550	0,007
7	3	340	0,13	7	17,5	640	0,005
8	11	320	0,1	8	15,5	530	0,01
9	5	430	0,12	9	17	600	0,05

 

Указание: Правильность определения параметров в точках можно проверить с помощью таблиц А.3 и А.4.Рекомендовано расчет выполнить в компьютерной программе «Диаграмма HS для воды и водяного пара».

 

Основные расчетные формулы:

Термический КПД:   ,

 

где – энтальпия жидкости с давлением р₂, кДж/кг.

 

Задача 2.2

Используя і-s –диаграмму, определить начальные термические параметры и количество теплоты, необходимое для перехода m кг сухого насыщенного пара в перегретый пар с параметрами р, t, если этот процесс проходит при: 1) постоянной температуре; 2) постоянном объеме; 3) постоянном давлении.

Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 2.2

 

 

Таблица 2.2– Исходные данные к задаче 2.2

Предпоследняя цифра шифра		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Давление пара р, МПа		2,0	3,0	1,8	1,0	0,55	2,5	1,0	3,0	1,4	1,5
Температура пара t, ^оС		400	530	420	200	160	210	380	180	240	470
Последняя цифра шифра		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Масса пара, кг	m	20	15	30	45	17	22	16	23	21	25

Указание:Рекомендовано расчет выполнить в компьютерной программе «Диаграмма HS для воды и водяного пара».

 

Смысловоймодуль 3. ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА

Задача 3.1

Трубопровод диаметром d ´ d ₁ и длиной L с коэффициентом теплопроводности λ₁ =45,4 Вт/(м∙К), в котором течет теплоноситель с температурой t₁, покрыт двухслойной изоляцией: слой стекловаты (d ₂, λ₂= 0,038Вт/(м∙К))и слой мипоры (d ₃, λ₃ =0,041 Вт/(м∙К)). Учитывая то, что α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи, t_ср. – температура окружающей среды, определить линейные коэффициенты термического сопротивления, линейную плотность теплового потока с изоляцией и без нее, температуру на границе соприкосновения слоев изоляции. Сравнить тепловые потоки до и после нанесения изоляции.

Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 3.1.

 

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 3.1

Предпоследняя цифра шифра	Диаметр, мм	Толщина трубы, мм	Толщина стекловаты, мм	Толщина мипори, мм	Температура теплоносителя, ^оС	Последняя цифра шифра	Длина трубы, мм	Температура среды,^оС	Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м^2 К)	Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м^2 К)
	d	d 1	d 2	d 3	t 1		L	t сер.	α 1	α2
0	40	5	14	12	22	0	2,5	-3	5	50
1	57	5	14	10	20	1	3,0	0	7	120
2	38	3	16	15	23	2	2,0	-5	8	100
Предпоследняя цифра шифра	Диаметр, мм	Толщина трубы, мм	Толщина стекловаты, мм	Толщина мипори, мм	Температура теплоносителя, ^оС	Последняя цифра шифра	Длина трубы, мм	Температура среды,^оС	Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м^2 К)	Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м^2 К)
3	60	5	15	14	25	3	1,0	-5	16	250
4	76	5	15	13	18	4	0,8	-10	9	157
5	85	5	16	15	16	5	4,0	-8	7	260
6	40	4	14	8	15	6	5,0	-7	10	240
7	66	4	14	12	14	7	1,8	-15	17	355
8	72	5	16	14	18	8	3,2	0	8	80
9	45	3	17	10	20	9	1,5	2	15	270

 

Основные расчетные формулы:

Внешнее термическое сопротивление: , (м²∙К)/Вт. 

Внутренний термическое сопротивление: , (м∙К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи для цилиндрической поверхности:

, Вт/(м∙К). , (м∙К)/Вт

Тепловой поток: .   

Удельный линейный тепловой поток: , Вт/м;

Термическое сопротивление:  (м∙К)/Вт              

, ^оС.

 

Задача 3.2

В конденсаторе на горизонтальных трубах с внешним диаметром d_тр конденсируется влага. Водяной пар со степенью сухости x, давлением p_н. Найти средний коэффициент теплоотдачи и количество пара, которое сконденсируется за один час 1 п.м. трубы, температура поверхности которой t_ст. Сравнить полученные результаты, при вертикальном расположении трубы. В обоих случаях режим течения пленки ламинарный.

Указание: При решении задачи параметры водяного пара и воды принять из таблиц А.3, А.4.

Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 3.2.

 

Таблица 3.2– Исходные данные к задаче 3.2

Предпос-ледняя цифра шифра	Внешний диаметртрубы,мм	Степень сухости	Последняя цифра шифра	Давление пара, МПа	Температура стенки, ^оС
	dтр	х		pн	tст
0	4	310	0	15	550
1	8	350	1	17	580
2	6	330	2	14	570
3	10	420	3	18	550
4	9	360	4	20	610
5	13	310	5	18,5	630
6	12	440	6	16	550
7	3	340	7	17,5	640
8	11	320	8	15,5	530
9	5	430	9	17	600

Основные расчетные формулы:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи конденсации на горизонтальной трубе:

, Вт/(м²К),

 

где параметры жидкости (m _жид, l _жид, r _жид) определяются по среднему значению температуры пленки конденсата (за исключением парообразования r, которое определяется при температуре насыщения).

.

Температуру водяного пара (t_н) определяем по давлению насыщения.

Количество конденсата, образовавшегося на трубе, определяется по уравнению теплового баланса:

Þ , кг/с

где – площадь поверхности трубы,м².

Среднее значение коэффициента теплоотдачи конденсации на вертикальной трубе:

 

, Вт/(м²К).

Смысловой модуль 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ