Основы теплотехники

Ответы на контрольные вопросы должны быть краткими и исчерпывающими. Не следует списывать ответы из учебника.

При решении задач и в ответах на вопросы применять только Международную систему единиц (СИ). Контрольные работы выполняют в тетради, в конце которой студент ставит свою подпись и приводит список использованной литературы. Для заметок рецензента на каждой странице тетради нужно оставлять поля. На обложке тетради указывать номер контрольной работы, название предмета, фамилию, отчество, шифр, специальность и домашний адрес.

Методические указания к выполнению контрольной работы (Задание1)

В задачах 1--10 рабочим телом считать идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Значения теплоемкостей принимать согласно данным, полученным на основе молекулярно-кинетической теории и приведенным ниже.

Таблица 1

Значение молярных теплоемкостей идеальных газов

Атомность газов	Сmv кДж/(кмоль*К)	Сmp кДж/(кмоль*К)
Одноатомный	12,5	20,8
Двухатомный	20,7	29,1
Трех- и многоатомный	29,1	37,4

Пример пользования этими данными.

Пусть имеем идеальный газ кислорода О₂.

Молярная масса Мо₂=32 кг/кмоль.

Массовая теплоемкость кислорода при постоянном объеме

массовая теплоемкость кислорода при постоянном давлении

удельная газовая постоянная кислорода

показатель адиабаты

2. При изображении политропных процессов на p-v и T-s диаграммах необходимо также наносить основные процессы (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный). Политропные процессы изображать качественно без масштаба.

3. При решении задач помнить, что для идеального газа в диаграммах p-v и T-s точка считается полностью определенной, если для нее известны два основных параметра, так как третий параметр определяется из уравнения Клапейрона.

4. Задачи 11--20, посвященные водяному пару, следует решать с помощью h-s-диаграммы.

5. Начать решение задачи надо с качественного изображения процесса в координатах h-s.

6. Следует помнить, что заданная точка в диаграмме h-s, характеризующая состояние сухого насыщенного пара и перегретого водяного пара, определяет шесть параметров (р, v, Т, h, s, u (u = h - pv)), а точка, заданная в области влажного насыщенного пара, определяет семь параметров (р, v, Т, h, s, u, x).

7. Так как удельная энтальпия и внутренняя энергия выражаются в кДж/кг, то при определении величины и из уравнения и = h- pv произведение pv должно быть выражено в тех же единицах. Это значит, что при выражении v в м³/кг, величина р должна быть выражена в кПа.

8. При определении температуры точки в области влажного насыщенного пара следует помнить, что в этой области диаграммы h-s изотермы совпадают с изобарами. Поэтому следует, поднимаясь по изобаре до пересечения с пограничной кривой x=1, отсчитывать значения температуры по изотерме, отходящей вправо от точки пересечения изобары с кривой х= 1. Если точка пересечения не попадает на фиксированную изотерму, то производят интерполяцию между обозначенными изотермами.

9. Каждая точка в диаграмме h-s, характеризующая состояние водяного пара, определяется двумя параметрами. Например, любая точка в области перегретого пара будет определена, если известны р и t; р и v; h и р и т. д., в области влажного насыщенного пара -- р и х; v и х; р и s и т. д.

10. Нужно помнить, что при определении скорости истечения пара из сопл с использованием h-s-диаграммы следует считать процесс, протекающий при постоянной энтропии.

11. При расчете дросселирования по диаграмме h-s следует считать, что h₁= процесс осуществляется при неизменной энтальпии, т. е. , где -значения энтальпии в начале и конце процесса соответственно.

12. При решении задач 21--25 учитывать, что рабочим телом является идеальный газ - воздух, для которого

13. Решение задач по циклам газовых тепловых машин надо начинать с изображения качественного графика цикла в -диаграммах.

14. Задачи 27 -- 30 по циклам паросиловых установок следует решать с помощью диаграммы .

15. При определении термического к. п. д. цикла Ренкина иметь в виду, что -- энтальпия конденсата в конденсаторе, которая определяется по формуле -- теплоемкость воды, а -- температура конденсата, определяемая по -диаграмме.

16. При решении задач 35 -- 37 определяющей температурой является температура воздуха, по которой определяются параметры из табл. X приложения учебника [1].

17. При решении задач 39 -- 40 для определения средиелогарифмического напора использовать формулу

предварительно построив график изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена, откуда снять значения , т. е. наибольшее и наименьшее значения температурных напоров.

Задание 1

ЗАДАЧИ

1. Газовая смесь массой 10 кг состоит из 6 кг азота, 1 кг углекислого газа и 3 кг окиси углерода. Начальное состояние смеси: давление р₁ = 2 МПа, температура t₁ = 37°С. В процессе Т =const смесь расширяется до давления р₂ = 0,5 МПа. Определить работу расширения смеси L, количество подведенной теплоты Q, объем V, до которого расширится газовая смесь, и парциальные давления газов, входящих в смесь в начальном состоянии. Изобразить графически процесс в диаграммах.

2. Газовая смесь, состоящая из кислорода и азота, при давлении р{ = = 1 МПа занимает объем V = 0,5 м³ и имеет массу m = 5 кг. Парциальный объем кислорода V₀₂ = 0,2 м³, а азота V_N2 = 0,3 м³. Над смесью совершается изохорный процесс с подводом теплоты Q = 1000 кДж. Определить термодинамические параметры смеси в начальном и конечном состояниях, а также парциальные давления в начале процесса. Изобразить графически процесс в диаграммах.

3. В сосуде объемом V=10 м³ при температуре t₁ -- 27°С содержится воздух в количестве m = 100 кг. Сколько необходимо выпустить из сосуда воздуха, чтобы при подводе к оставшемуся воздуху теплоты в количестве Q = 10 МДж давление в сосуде оставалось неизменным? Изобразить графически процесс в диаграммах.

4. В резервуаре содержится 100 кг углекислого газа при температуре t₁ = 80°С и давлении р₁ -- 1 МПа. После выпуска части газа давление в резервуаре стало р₂ -- 0,2 МПа, а температура t₂ = 30°С. Определить массу выпущенного газа и показатель политропы процесса. Изобразить графически процесс в диаграммах.

5. Определить работу, совершаемую при изотермическом и адиабатном процессах расширения 10 кг азота, если его давление уменьшается от р₁= 1 МПа до р₂ = 0,1 МПа. Начальная температура газа t₁ = 700°С. В каком из этих процессов удельная работа расширения больше к на сколько? Изобразите оба процесса в диаграммах.

6. Начальное состояние 1 кг воздуха задано параметрами р₁ -- 10 МПа и t₁ = 147°С. Воздух сначала расширяется изотермически до давления р₂ = 1,0 МПа, а затем сжимается изобарно до удельного объема V₃ = 0,07 м³/кг. Определить суммарные количества теплоты, работы и изменения внутренней энергии воздуха, имевшие место при совершении процессов 1--2 и 2 -- 3. Изобразить графически процессы а диаграммах pv и Ts.

7. Начальное состояние 10 кг кислорода характеризуется параметрами р₁=15МПа и t₁=200°С. В процессе 1--2 происходит политропное изменение состояния до p₂= 1,5 МПа и t₂ = 67°С, а в процессе 2 -- 3 кислород изохорно сжимается до давления р₃ = 6 МПа. Определить суммарные количества теплоты, работы и изменения внутренней энергии кислорода, имевшие место при совершении процессов 1--2 и 2 -- 3. Изобразить процессы в pv- и Ts-диаграммах.

8. Начальное состояние 1 кг углекислого газа характеризуется параметрами р₁=1 МПа и V₁ = 0,1 м³/кг. В политропном процессе изменения его состояния к газу подводится теплота q -- 150 кДж/кг, при этом он совершает работу l=200 кДж/кг. Определить показатель политропы процесса и параметры углекислого газа в конце процесса. Изобразить процесс в pv- и Ts-диаграммах.

9. Воздух в идеальном одноступенчатом компрессоре сжимается до давления р₂ -- 0,5 МПа. Начальное давление р₁ = 0,1 МПа, а температура t_x = 27°С. Массовая подача воздуха т_х = 1,3 кг/с. Определить теоретическую (без потерь) мощность, затрачиваемую на привод компрессора, для случаев изотермического и адиабатного сжатия воздуха. Найти удельное количество теплоты, которое необходимо отводить для осуществления изотермического процесса сжатия. Изобразить графически процессы сжатия воздуха в pv- и Ts-диаграммах.

10. В идеальном одноступенчатом компрессоре воздух сжимается до давления р₂ = 0,3 МПа и температуры Т₂ = 373 К. Начальное состояние воздуха характеризуется давлением р₁ = 0,1 МПа и температурой t₁ -- 27°С. Определить вид процесса и удельную работу сжатия. На сколько эта работа будет больше удельной работы при изотермическом сжатии при той же степени повышения давления и начальной температуре t₁ = 27°С?

11. Водяной пар массой 1 кг с давлением р₁ = 3,5 МПа и температурой t₁ = 435°С в паровой турбине изоэнтропно расширяется до давления р₂=6 кПа. Определить параметры пара в начальной и конечной точках процесса, изменение внутренней энергии, работу расширения. Дать качественный график процесса в hs-диаграмме.

12. Влажный насыщенный водяной пар массой 5 кг при давлении р₁ =1,0 МПа и степени сухости х₁ = 0,85 нагревается в процессе при постоянном давлении до состояния сухого насыщенного пара. Определить параметры пара в начальной и конечной точках процессов, теплоту, работу и изменение внутренней энергии. Изобразить тепловой процесс в hs-диаграмме.

13. Из парового котла влажный насыщенный водяной пар с начальными параметрами p₁=1,5 МПа и х₁ = 0,98 поступает в пароперегреватель, после которого температура пара возрастает до t₂ = 375°С (процесс перегрева пара происходит при постоянном давлении). Определить удельную теплоту, затраченную на перегрев в пароперегревателе, изменение удельной энтальпии и удельный объем пара в начальном и конечном состояниях. Изобразите тепловой процесс в /s-диаграмме.

14. Перегретый водяной пар массой 1 кг с начальными параметрами р₁ = 5 МПа и t₁ = 350°С в сопле Лаваля изоэнтропно расширяется до давления р₂ = 0,12 МПа. Определить параметры пара в конце расширения, а также работу и изменение внутренней энергии. Представить качественный график процесса в /s-диаграмме.

15. В процессе изотермического расширения 1 кг влажного насыщенного пара с начальными параметрами p₁ = 2,0 МПа и х₁ = 0,85 подводится 510 кДж/кг теплоты. Определить конечное состояние пара, работу расширения и изменение внутренней энергии. Представить процесс в hs- и Ts-диаграммах.

16. Перегретый водяной пар массой 10 кг с начальными параметрами, р₁=5,0 МПа и t₁ = 350°С дросселируется до конечного давления р₂ = 1,8 МПа. Определить параметры пара до и после дросселирования, изменение внутренней энергии и энтропии. Представить процесс дросселирования пара в hs-диаграмме.

17. В баллоне находится 1 кг азота под давлением 20,0 МПа и t₁= 20°С. При выпуске из баллона азота он дросселируется до давления 8 МПа. Определить параметры азота после дросселирования, а также изменение энтропии в процессе дросселирования, считая азот идеальным газом. Теплоемкость принимать постоянной.

18. К соплам одноступенчатой активной паровой турбины поступает перегретый водяной пар с давлением р₁ = 3,0 МПа. В соплах пар изоэнтропно (адиабатно) расширяется до давления 0,5 МПа. Определить параметры пара до и после истечения, а также абсолютную скорость истечения пара. Представить тепловой процесс истечения пара в /s-диаграмме.

19. Влажный насыщенный водяной пар массой 5 кг с начальным давлением р₁=0,8 МПа и степенью сухости x₁ = 0,72 в процессе при постоянном давлении нагревается до сухого насыщенного пара. Определить параметры состояния в начальной и конечной точках процесса, а также теплоту, работу и изменение внутренней энергии. Изобразите тепловой процесс в hs-диаграмме.

20. Перегретый водяной пар массой 1 кг с начальными параметрами р₁=2,5 МПа и удельным объемом v₁ = 0,09 м³/кг нагревается в процессе при постоянном давлении до температуры 320°С. Определить конечный удельный объем водяного пара, количество подведенной теплоты, работу, совершенную паром в процессе, а также изменение внутренней энергии. Представить процесс в hs- и Ts-диаграммах.

21. Сравнить значения термического к. п. д. для изобарного и изохорного подводов теплоты в идеальном цикле двигателя внутреннего сгорания, если температура и давление рабочего тела (воздуха) t₁ = 65°С и р₁ = 0,095 МПа, степень сжатия е = 11 и в процессе подводится q = 800 кдж/кг теплоты. Представить циклы в pv- диаграмме.

22. Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме определить параметры (р, v, Т) в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, термический к. п. д, а также полезную работу в цикле, если 1 кг воздуха в начале адиабатного сжатия имеет следующие параметры: р₁ = 0,1 МПа и t₁ = 20°С, степень сжатия ? = 7, степень повышения давления л = 1,7. Изобразить цикл в pv- и Ts-диаграммах.

23. Для идеального цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении определить основные параметры (р, v, Т) в характерных точках, термический к. п. д., полезную работу, а также количество подведенной и отведенной теплоты, если температура и давление рабочего тела (воздуха) в начале адиабатного сжатия равны t₁ = 40°С и р₁ =0,085 МПа, а температура рабочего тела в конце расширения t₂ = 180°С, степень повышения давления л = 4, степень предварительного расширения р = 2,1. Представьте цикл в pv- и Ts-диаграммах.

24. Рабочее тело (воздух) с первоначальными параметрами t₁ = 70°С и р₁ = 0,12 МПа поступает в двигатель внутреннего сгорания, работающий по идеальному циклу со смешанным подводом теплоты. Определить параметры (p,V, Т) в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу цикла и термический к. п. д., если степень сжатия ? = 15, степень повышения давления л = 1,8, степень предварительного расширения р = 1,4. Представить цикл в pv- и Ts-диаграммах.

25. В цикле воздушной холодильной машины в компрессор поступает воздух из холодильной камеры с давлением р₁ =» 0,095 МПа и температурой t₁=12°С. Определить температуру воздуха, поступающего в холодильную камеру, холодильный коэффициент, холодопроизводительность (q₂)_, теоретическую работу, затрачиваемую в цикле, если давление воздуха в расширительном цилиндре р = 0,5 МПа, а температура t = 15°С. Изобразить рассматриваемый цикл в pv- и Ts-диаграммах.

26. Определить температуру и объем сжатого метана, а также теоретическую работу сжатия и теоретическую мощность для привода компрессора, если идеальный одноступенчатый компрессор всасывает V = 350 м³/с метана при Р₁ = 0,1 МПа и t₁ = 17°С и сжимает его политропно при n = 1,25 до давления р₂ = 0,3 МПа. Изобразить теоретический цикл одноступенчатой компрессорной установки в pv-диаграмме.

27. Паросиловые установки работают по циклу Ренкина при одинаковых начальных и конечных давлениях р₁ = 3 МПа и р₂ = 5,0 кПа соответственно.

Сравнить термические к. п. д. идеальных циклов, если в одном случае рабочее тело -- влажный пар со степенью сухости Х= 0,85, в другом -- сухой насыщенный пари в третьем -- перегретый пар с температурой t₁ = 380°С. Изобразить тепловые процессы идеальных циклов в hs-диаграмме.

28. Паротурбинная установка работает по циклу с промежуточным перегревом пара. Первоначальные параметры пара на входе в турбину P₁=20 МПа и t₁ = 500°С, давление в конденсаторе р₂ = 0,004, промежуточный перегрев пара происходит при р_п.п = 4,0 МПа до температуры t_п.п = 450°С. Определить термический к. п. д., удельный расход пара, количество теплоты, сообщенной пару в парогенераторе, потерю теплоты в конденсаторе и степень сухости влажного пара. Изобразить тепловой процесс цикла в hs-диаграмме.

29. В паросиловом цикле Ренкина пар перед турбиной имеет параметры Р₁= 3,5 МПа и t₁ = 435°С, давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа. Определить термический к. п. д. цикла, сравнить его с к. п. д. цикла Карно, а также определить абсолютный внутренний к. п. д. паровой турбины, если внутренний относительный к. п. д. µ_oh = 0,82. Представить цикл в Ts-диаграмме и тепловой процесс в турбине в hs-диаграмме.

30. Паровые турбины мощностью до N_e = 1000 кВт выпускали раньше с начальными параметрами р₁ = 3,0 МПа, t₁ = 380°С и давлением в конденсаторе р₂=0,004 МПа. В настоящее время паровые турбины выпускаются с начальным давлением p₁ = 3,5 МПа, температурой t₁= 435°С и давлением в конденсаторе p₁= 0,0045 МПа. Определить, на сколько процентов уменьшается секундный и удельный расходы пара при переходе на новые параметры, если внутренний относительный к. п. д. остается одинаковым и равным µ_oh -- 0,74, а механический к. п. д. µ_м = 0,96. Представить тепловой процесс в турбинах в hs-диаграмме.

31. Передача теплоты в котле от дымовых газов к воде происходит через стальную стенку, покрытую слоем сажи. Принимая стенку плоской, определить:

1) коэффициент теплопередачи и поверхностную плотность теплового потока, если д_ст = 20 мм; л_ст = 50 Вт/(м. К), а д_с = 2 мм, л_с = 0,08Вт/(м * К);

2) температуры на поверхности сажи (t_с) и на поверхностях стальной стенки (t _ст1 и t_ст2)°С.

При расчетах принять: температуру дымовых газов t₁ = 900°С, температуру кипящей воды t₂ = 170°С, коэффициент теплоотдачи от газов к стенке б₁ = 50 Вт/(м²* К), а от стенки к кипящей воде б₂ = 5000 Вт/(м² * К). Изобразить схематично характер изменения температуры в теплоносителях, разделяющей их стальной стенке и слое сажи.

32. Стальная труба паропровода покрыта слоем теплоизоляции с теплопроводностью л_из = 0,07 Вт/(м * К) и толщиной д_из = 60 мм. Найти суточную потерю теплоты с 1 м длины изолированного паропровода и определить, во сколько раз при наличии изоляции потеря теплоты меньше, чем при неизолированном паропроводе. Определить температуру на наружной поверхности теплоизоляции. При расчете принять следующие исходные данные: d_1тр = 50 мм, d_2тp = 60 мм, л_ст= 50 Вт/(м * К), температура пара t₁ = 170°С, температура окружающей среды t₂= 15°С, коэффициенты теплоотдачи: от пара к стенке б_х = 2000 Вт/(м² * К) и от стенки к окружающей среде б₂ = 10 Вт/(м³ * К).

33. Плоская стальная стенка толщиной д_СТ = 30 мм с одной стороны покрыта слоем накипи, толщиной д_н = 3 мм, а с другой стороны слоем сажи толщиной д_с = 1,5 мм. Теплопроводность принять: для стали л_ст = 50 Вт/(м- К), для накипи л_н = 2,3 Вт/(м * К), для сажи л_с -- 0,08 Вт/(м*К). Температура наружной поверхности сажи t_c = 600°С, а температура наружной поверхности накипи t_н = 120°С. Определить поверхностную плотность теплового потока через стенку, температуры на поверхностях соприкосновения сажи и накипи с металлом. Найти, во сколько раз увеличится поверхностная плотность теплового потока через стенку, если удалить сажу и накипь. Привести графики изменения температур в обоих случаях.

34. Цилиндрическая стальная труба с внутренним диаметром d₁ = 150 мм и толщиной стенки д_СТ = 20 мм (л_сх = 40 Вт/(м * К)) покрыта двухслойной теплоизоляцией толщиной д_из1 = 100 мм (л_из1 = 0,12 Вт/(м * К)) и д_из2 = 100 мм (л_из2 = 0,06 Вт/(м * К)). Найти толщину слоя изоляции д_нз с теплопроводностью л_нз = 0,035 Вт/(м * К), которой можно заменить двухслойную изоляцию без изменения теплоизоляционных свойств системы. Показать характер распределения температур в обоих случаях.

35. Воздух с температурой t_в = 140°С и давлением р_в= 0,1 МПа движется по трубе диаметром d = 200 мм со скоростью V = 10 м/с. Температура внутренней поверхности стенки трубы t_ст1 = 100°С. Определить суточную потерю теплоты за счет конвективной теплоотдачи трубой длиной 5 м.

36. Определить суточную потерю теплоты за счет теплообмена при свободной конвекции горизонтальной трубой диаметром d = 0,2 м и длиной l = 5 м. Температура на поверхности трубы t₁ -- 100°С, температура окружающего воздуха t₂ -- 20°С и давление р₂ = 0,1 МПа.

37. Определить суммарную часовую потерю теплоты за счет конвективной теплоотдачи и излучения с 1 пог. м горизонтального паропровода диаметром d = 160 мм, если температура наружной поверхности трубы t = 180°С, температура воздуха в помещении t_B -- 20°С, коэффициент черноты поверхности паропровода ? = 0,8. Принять, что площадь поверхности стен помещения m много раз больше площади поверхности паропровода.

38. Из какого материала должен быть изготовлен экран, чтобы при установке его между параллельными пластинами с коэффициентом черноты ?₁=?₂=0,9 тепловой поток излучением уменьшился в 33 раза? Чему равна в этом случае температура экрана, если температура пластин t₁= 300°С и t₂ = 20°С?

39. Найти расход конденсирующегося пара и площадь поверхности трубчатого пароводяного подогревателя при следующих условиях: давление сухого насыщенного пара, конденсирующегося на внешней поверхности труб, р = 0,2 МПа; текущая по трубам вода нагревается от °С до t”₂ = 100°С; расход воды m_t = 3 кг/с; средний коэффициент теплопередачи К = 2800 Вт/(м² * К). При расчетах теплоемкость воды принять с_в = 4,19 кДж/(кг * К). Изобразить схематично график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

40. Определить поверхности нагрева для трубчатых прямоточного и противоточного водонагревателей, обогреваемых дымовыми газами. Для расчета принять: температуры дымовых газов до и после подогревателя = 300°С и t”₁-- 200°С; температуру воды, поступающей в подогреватель, t'₂ = 10°С, а выходящей из него -- t”₂ = 80°С. Секундный расход воды т_t = 5 кг/с, теплоемкость воды с_в = 4,19 кДж/(кг * К), коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде К=15 Вт/(м² * К). Изобразить схематично график изменения температур рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева для схемы „прямоток" и „противоток".

Вопросы

1. Почему нельзя представить необратимый процесс изменения состояния рабочего тела в координатах pv и Ts?

2. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы термодинамический процесс был обратимым? что является причиной необратимости реальных термодинамических процессов?

3. Почему внутреннюю энергию, энтальпию и энтропию рабочего тела называют параметрами или функциями состояния, а теплоту и работу -- функциями процесса?

4. В чем отличие записи уравнения первого закона термодинамики для цикла (кругового процесса) и для отдельного произвольного процесса изменения состояния рабочего тела?

5. Почему в диапазоне температур T_max и T_mhn не существует термодинамического цикла с термическим к. п. д. большим, чем у цикла Карно?

6. В чем сущность второго закона термодинамики? Покажите его действие на примере любого известного вам теплового двигателя. В чем разница математической записи второго закона термодинамики для обратимого и необратимого процессов?

7. Как доказать, что в рv-диаграмме адиабатный процесс расширения 1 кг идеального газа идет более круто, чем изотермический, считая, что начальное состояние газа в обоих случаях одинаково?

8. Пользуясь уравнениями первого закона термодинамики для потока и для закрытой системы, покажите, за счет чего совершаются все виды работы рабочего тела в потоке.

9. Покажите, что изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса?

10. Как будет изменяться энтропия каждого из тел в изолированной системе, состоящей из теплоотдатчика, теплоприемника и тепловой машины, которая работает по циклу Карно, полагая, что все процессы в системе обратимы?

11. Что такое влажный воздух? какой влажный воздух называется насыщенным и какой ненасыщенным? чему равны при этих состояниях влажного воздуха парциальное давление и температура пара?

12. Что называется абсолютной и относительной влажностью воздуха? Какую температуру называют температурой точки росы? что такое влагосодержание воздуха и как оно определяется?

13. Для чего применяется сопло Лаваля? Изобразите схематически это сопло. Как меняются вдоль сопла давление и скорость газа?

14. Изобразите тепловой процесс в сопле Лаваля в ts-диаграмме. Приведите уравнения для определения теоретической и действительной скоростей истечения.

15. Приведите определения следующих процессов и понятий: парообразование, конденсация, испарение, кипение, насыщенный пар, влажный и сухой насыщенный пар, перегретый пар.

16. Изобразите на диаграммах pv, Ts и hs изохорный и изотермический процессы превращения влажного насыщенного водяного пара в перегретый. Дайте краткие пояснения.

17. Как с помощью формул и таблиц воды и водяного пара по заданной величине температуры и степени сухости пара определить давление, удельные объем, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию влажного насыщенного пара? Назовите входящие в формулы величины и в каких единицах они выражаются.

18. Изобразите на диаграммах pv, Ts и hs обратимый адиабатный процесс расширения перегретого водяного пара до состояния влажного насыщенного пара. Дайте необходимые пояснения.

19. Изобразите на диаграммах pv, Ts и hs изобарный процесс превращения влажного насыщенного водяного пара в перегретый и обратимый адиабатный процесс сжатия влажного насыщенного водяного пара до состояния перегретого пара. Дайте необходимые пояснения.

20. Изобразите диаграммы pv и Ts для водяного пара и объясните характерные области, линии и точки, нанесенные на них. Что называется удельной теплотой парообразования? может ли теплота парообразования равняться нулю?

21. Изобразите теоретическую индикаторную диаграмму поршневого компрессора для случаев изотермического и адиабатного сжатия. Покажите на ней площади, которыми изображаются работы наполнения, сжатия и выталкивания. В каком случае работа сжатия больше? для чего применяется охлаждение компрессора?

22. Как определяется термический к. п. д. идеального цикла поршневых двигателей внутреннего сгорания с изохорным и изобарным подводами теплоты? какой из этих к. п. д. при одинаковых максимальных и минимальных температурах в циклах больше и почему?

23. Как влияют в цикле Ренкина давление и температура пара на вход в турбину, а также давление в конденсаторе на величину термического к. н.д. цикла? Для объяснения используйте схемы, изображенные в диаграмме hs.

24. Изобразите схему паровой компрессорной холодильной установки. Опешите кратко принцип ее работы. Изобразите идеальный цикл работы установки в диаграмме Ts, Чем отличаются паровые компрессорные установки от абсорбционных?

25. Изобразите схему газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и ее цикл в координатах pv и Ts. Дайте краткие пояснения. Назовите основные методы повышения термического к. п. д. газотурбинной установки.

26. Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и изобразите цикл работы в координатах pv и Ts.

27. Изобразите схему двухконтурной атомной теплоэнергетической установки и объясните принцип ее действия. В чем состоят принципиальные отличия этой установки от обычных паросиловых установок?

28. Что называется теплофикацией? в чем ее преимущества перед раздельной выработкой тепловой и электрической энергии? каким параметром оценивают экономичность теплоэлектроцентрали?

29. Чем вызвано создание поршневых двигателей внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты? Изобразите идеальный цикл такого двигателя в диаграммах pv и Ts. Напишите формулу для определения термического к. п. д. этого цикла. Дайте необходимые пояснения.

30. Для чего в паросиловой установке, работающей по циклу Ренкина, применяется вторичный перегрев пара? Изобразите цикл такой установки в диаграмме hs. Дайте краткие пояснения.

31. Сформулируйте основной закон теплопроводности (закон Фурье) и приведите его математическое выражение. Объясните физический смысл знака «минус». Что такое тепловой поток и поверхностная плотность теплового потока?

32. Приведите уравнения для поверхностной плотности теплового потока при стационарном распространении теплоты теплопроводностью через трехслойную плоскую стенку. Как определяются температуры между слоями? Покажите распределение температур в этой стенке.

33. В чем состоит разница между линейной и поверхностной плотностями теплового потока при стационарном распространении теплоты теплопроводностью через двухслойную цилиндрическую стенку? как определяется температура между слоями? Покажите распределение температур в этой стенке.

34. В чем разница между линейной и поверхностной плотностями теплового потока при стационарной теплопередаче сквозь цилиндрическую стенку? Что такое граничные условия третьего рода? Покажите характер распределения температур в теплоносителях и разделяющей их стенке.

35. Что такое критериальное уравнение (уравнение подобия) и для чего его применяют? какие теоретические положения лежат в его основе? почему это уравнение называется полуэмпирическим?

36. Объясните характер и причины изменения коэффициента теплоотдачи для случаев нагрева и охлаждения жидкости при свободной конвекции вдоль вертикальной трубы, расположенной в пространстве неограниченного объема. Как это обстоятельство учитывается в критериальном уравнении?

37. Какие особенности теплоотдачи имеют место при кипении жидкости и конденсации пара? что такое критический коэффициент теплоотдачи? какие факторы и как влияют на теплообмен при конденсации?

38. Покажите характер изменения температур рабочих жидкостей при движении их вдоль поверхности нагрева для прямотока и противотока. В каком случае поверхность рекуперативного теплообменника будет меньше и почему?

39. В чем различие излучения газов от излучения твердых тел? возможно ли с помощью одного экрана уменьшить теплообмен в несколько раз?

40. В каких случаях можно применять среднеарифметический температурный напор, а в каких нужно применять среднелогарифмический? в чем особенность среднелогарифмического температурного напора при конденсации и испарении жидкости?

Методические указания к выполнению задания 2

1. Перед выполнением задания 2 студент-заочник должен ознакомиться с методикой решения аналогичных задач по примерам, приведенным в сборнике задач [5].

2. При решении задач 8, 9, 10, посвященных топливу, значения энтальпии углекислоты , азота, водяных паров и воздуха следует брать из приложения 1 сборника задач [5].

3. При решении задач 14--20_: посвященных котельным установкам, могут возникнуть затруднения, связанные с вычислением величин энтальпии пара и воды. Необходимо знать, что энтальпия перегретого пара (h_п.п) определяется по h-s-диаграмме или по таблицам перегретого пара по известным величинам давления и температуры перегретого пара. Энтальпия котловой (кипящей) воды (/_к.в) находится по таблицам сухого насыщенного пара и воды (величина h') по заданному давлению в котельном агрегате, а энтальпия питательной воды (h_п.в) по заданной температуре воды.

4. В задачах 21--25 величины мощности и расхода пара паровых турбин с отбором пара вычисляют по формуле

Энтальпия пара, поступающего из отбора (h_п), и энтальпия пара в конденсаторе (/_к) определяются по формулам

Энтальпия пара при начальных параметрах пара (/₀) находится по /s-диаграмме. Энтальпии пара при адиабатном расширении пара от начального состояния до давления в отборе турбины (h_па) и от давления отбора до давления в конденсаторе определяются по hs-диаграмме по заданным величинам давлений в отборе (р_п) и конденсаторе (р_к).

5. При решении задач 26 -- 30, посвященных конденсаторам паровых турбин, энтальпия конденсатора (h'_к) и температура насыщенного пара находятся по таблицам сухого насыщенного пара и воды по заданному давлению ;пара в конденсаторе.

Задание 2

ЗАДАЧИ

1. Определить высшую теплоту сгорания рабочей массы, приведенную влажность, приведенную зольность и тепловой эквивалент бурого угля марки БЗ, если состав его горючей массы: С^г -- 71,1%, Н^г = 5,3%, S^г_л = 1,9%, N^r=1,7%, О^г=20%, зольность по сухой массе A^с = 36% и влажность рабочая W^P = 18%.

2. В топке котла сжигается смесь, состоящая из 800 кг каменного угля марки Д состава: C₁^p = 58,7%. Н₁^Р = 4,2%, (S^p_л)₁= 0,3%, N₁^p = 1,9%, O₁^p =9,7%, A₁^p =13,2%, W₁^p = 12% и 1200 кг каменного угля марки Г состава: C₂^p = 66,0%, Н₂^Р = 4,7%, S₂^P =0,5%, N₂^p = 1,8%, O₂^p = 7,5%, А₂^p = 11%, W₂^p = 8,5%. Определить состав рабочей массы и низшую теплоту сгорания смеси.

3. Для котельной, в которой установлены котлы с различными топками, подвезено 60 * 10³ кг каменного угля марки Д состава: C₁^p = 49,3%, Н₁^p = 3,6%, S₁^p = 3,0%, N₁^p = 1,0%, O₁^p = 8,3%, A₁^p = 21,8%. W₁^Р = 13% и 54 * 10³ кг каменного угля марки А состава: C₂^p = 63,8%, Н₂^Р = l,2%, S₂^p_л = 1,7%, N₂^p = 0,6%, O₂^p = 1,3%, A₂^p = 22,9%, W₂^p = 8,5%. Определить, на какой промежуток времени хватит этих запасов топлива, если известно, что топки, работающие на угле марки Д, расходуют 2,5 * 10³ кг/ч условного топлива, а топки, работающие на угле марки А, расходуют 2,1 * 10³ кг/ч условного топлива.

4. В топке котла сжигается 600 м³ природного газа состава: СН₄ -- 94,1%, С₂Н₆ = 3,1%, С₃Н₈ = 0,6%, С₄Н₁₀ = 0,2%, С₅Н₁₂ = 0,8%, N₂ = 1,2%, Определить объем ' продуктов полного сгорания газа при коэффициенте избытка воздуха в топке б_т = 1,15.

5. Определить объем сухих газов и содержание в них С0₂ и S0₂, образующихся при полном сгорании 1 кг каменного угля марки К состава: C^P = 54,7%, H^P = 3,3%, S^p_л = 0,8%. N^p = 0,8%, О^Р = 4,8%, А^Р = 27,6%, W^P = = 8,0%. Коэффициент избытка воздуха в топке б_т = 1,3.

6. В топке котла сжигается 2 * 10³ кг малосернистого мазута состава: C^P = 84,65 %. H^P = 11.7 %, S^p_л = 0,3 %, O^P = 0,3 %, А^Р = 0,05 %, W^P = 3 %. Определить объем продуктов полного сгорания мазута при коэффициенте избытка воздуха в топке б_т = 1,15.

7. Определить объем двух- и трехатомных газов и содержание в них СО₂ и SО₂, образующихся при полном сгорании 1 кг каменного угля марки Г состава: C^P = 49,8%, H^P = 3,2%, S^p_л = 0,4%, N^P = 0,8%, O^P = 6,3%, А^Р = = 34%, W^P = 5,5%. Коэффициент избытка воздуха в топке б_т = 1,3.

8. Определить энтальпию продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха а_т = 1, образовавшихся при полном сгорании 1 м³ природного газа состава: СН₄ = 98,9%, С₂Н₆ = 0,3%, С₃Н₈ = 0,1 %, С₄Н₁₀ = 0,1 %, N₂ = 0,4%, СО₂ = 0,2%, если известно, что температура газов на выходе из топки t = 1000°С.

9. Определить энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки, получаемых при полном сгорании 1 кг каменного угля марки Д состава: C^P = 58,7%, H^P = 4,2%, S^p_л = 0,3%, N^P = 1,9%, O^P = 9,7%, А^р = 13,2%, W^P = = 12%, если известно, что температура газов на выходе из топки ? = 1100°С. Коэффициент избытка воздуха в топке б_Т = 1,3.

10. Определить энтальпию продуктов сгорания на выходе из топки, получаемых при полном сгорании 1 кг высокосернистого мазута состава: C^P = 83%, H^P = 10,4%, S^p_л = 2,8%, O^P = 0,7%, А^р = 0,1%, W^P = 3%, если известно, что температура газов на выходе из топки ? = 1000°С. Коэффициент избытка воздуха в топке б_T = 1,15.

11. В топкe котла сжигается природный газ состава: СН₄ = 98,2%, С₂Н₆=0,4%, С₃Н₈ = 0,1%, С₄Н₁₀=0,1%, N₂ = 1,0%, СО₂ = 0,2%. Определить (в %) потерю теплоты с уходящими из котлоагрегата газами, если известны коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом б_ух = 1,35, температура уходящих газов на выходе из последнего газохода ?= 170°С, температура воздуха в котельной t_в = 30⁰С и объемная теплоемкость воздуха С'_в = 1,297 кДж/(м³ * К).

12. В топке котла сжигается уголь марки Б2 состава: C^P = 28,7%, H^P = 2,2%, S^p_л = 2,7%, N^P = 0,5%, O^P = 8,6%, A^Р = 25,2%, W^P = 32%. Определить (в кДж/кг и %) потери теплоты с уходящими газами из котлоагрегата, если известны коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом б_ух = 1,5, температура уходящих газов на выходе из последнего газохода ? = 170°С, температура воздуха в котельной t_в = 30°С, объемная теплоемкость воздуха С'_в = = 1,297 кДж/(м³ * К) и потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 4%.

13. Определить, на сколько процентов уменьшится потеря теплоты с уходящими из котельного агрегата газами при снижении температуры уходящих газов ? со 170 до 155°С, если известны коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом б_ух = 1,45, объем уходящих газов на выходе из последнего газохода v_г.ух = 8,62 м³/кг, средняя объемная теплоемкость газов С'_г= 1,415 кДж/(м³ * К), температура воздуха в котельной t_в = З0⁰С, объемная теплоемкость воздуха С'_в= 1,297 кДж/(м³*К) и потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 4%.Котельный агрегат работает на каменном угле марки К состава: C^P= 54,7%, H^P = 3,3%, S^p_л = 0,8%, N^P = 0,8%, O^P = 4,8%, А^Р = 27,6%, W^P = 8 %.

14. В топке котельного агрегата паропроизводительностыо D = 5,6 кг/с сжигается бурый уголь марки ЕЗ состава: C^P = 37,3%, H^P = 2,8%, S^p_л = 1,0%, N^P = 0,9%, O^P =10,5%, A^Р = 29,5%, W^P =18%. Определить экономию условного топлива (в %), получаемую за счет предварительного подогрева конденсата, идущего на питание котлоагрегатов, в регенеративных подогревателях, если известны давление перегретого пара p_п.п = 1,4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=275°С, температура конденсата t_K = 32°С, температура питательной воды t_п.в = 100°С, к. п. д. котлоагрегата брутто з^бр_ка= 86%, величина непрерывной продувки р = 3% и физическая теплота топлива Q_т.г = 42 кДж/кг.

15. Определить к. п. д. брутто котельного агрегата, работающего на малосернистом мазуте состава: C^P = 84,65%, H^P =11,7%, S^P = 0,3%, O^P = 0,3%, А^Р = 0,05%, W^P = 3%, если известны расход условного топлива В_у=1,4 кг/с, паропроизводительность котельного агрегата D = 13,9 кг/с, давление перегретого пара р_п.п=4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=450°С, температура питательной воды t_п.в = 150°С и величина непрерывной продувки р = 4%.

16. В топке котельного агрегата паропроизводительностыо D = 5,56 кг/с сжигается каменный уголь марки Г. Состав его горючей массы: С^г = 77%, Н^г=5,7%, 5д = 9,7%, N^r=1,3%, О^г = 6,3%, зольность по сухой массе А^с=33% и влажность рабочая W_p = 6%. Определить расчетный расход топлива и расход условного топлива, если известны к. п. д. котлоагрегата з^бр_ка = 89%, давление перегретого пара Р_{п п} = 4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=440°С, температура питательной воды t_п.в=145°С, величина непрерывной продувки р = 4% и потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 4%.

17. В топке котельного агрегата паропроизводительностыо D = 5,45 кг/с сжигается малосернистый мазут состава: C^P = 84,65%, H^P =11,7%, S^р_л= 0,3%, O^P = 0,3%, А^Р = 0,05%, W^P = 3%. Определить (в %) экономию топлива, получаемую за счет предварительного подогрева конденсата, идущего на питание котлоагрегатов в регенеративных подогревателях, если известны давление перегретого пара р_п.п=1,4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=250°С, температура конденсата t_K = 32°С, температура питательной воды t_п.в=100°С, к. п. д. котлоагрегата брутто з^бр_ка=89%, величина непрерывной продувки p=4%, температура подогрева мазута t_T = 90°С и теплоемкость мазута С^р_т= 1,97 кДж/(кг * К).

18. Определить площадь колосниковой решетки, объем топочного пространства и к. п. д. топки котельного агрегата паропроизводительностыо D = 5,9 кг/с, работающего на буром угле марки Б2 состава: C^P = 28,7%, H^P = 2,2%, S^р_л = 2,7%, N^P = 0,6%, О^Р = 8,6%, А^Р = 25,2%, W^P = 32%, если известны температура топлива на входе в топку t_т = 20^СС, теплоемкость рабочей массы топлива C^р_т=2,1кДж/(кг * К), давление перегретого пара р_п.п=4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=450°С, температура питательной воды t_п.в=150°С, величина непрерывной продувки и = 4%, к. п. д. котлоагрегата брутто з^бр_ка = 87%, тепловое напряжение площади колосниковой решетки qR = 1150 кВт/м², тепловое напряжение топочного объема q_v = 400 кВт/м³, потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q₃ = 0,8% и потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄ = 4%.

19. В топке котельного агрегата паропроизводительностью D = 7,05 кг/с сжигается природный газ состава: СН₄ = 84,5%, С₂Н₆ = 3,8%, С₃Н₈ = 1,9%, C₄H₁₀= 0,9%, С₅Н₁₂ = 0,3%, N₂ = 7,8%, СО₂ = 0,8%. Определить объем топочного пространства и коэффициент полезного действия топки, если известны давление перегретого пара р_цп = 1,4 МПа, температура перегретого пара t_п.п=250°С, температура питательной воды t_п.в = 100°С, величина непрерывной продувки p = 3%, к. п. д. котлоагрегата брутто з^бр_ка ⁼ 90%, тепловое напряжение топочного объема q_v= 350 кВт/м³, потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива Q₃=60 кДж/м³ и от механической неполноты сгорания топлива Q₄ = 180 кДж/м³.

20. Определить к. п. д. брутто котельного агрегата, работающего на природном газе состава: СН₄ = 98,9%, С₂Н₆ = 0,3%; С₃Н₈ = 0,1%; С₄Н₁₀ = 0,1%, N₂=0,4%, СО₂ = 0,2%, если известны расход натурального топлива В = 0,36 м³/с, паропроизводительность котельного агрегата D = 4,2 кг/с, давление перегретого пара р_{п п} = 4 МПа, температура перегретого пара t_п.п = 430°С, температура питательной воды t_п.в = 145°С, величина непрерывной продувки p = 4% и теплота, вносимая в топку с воздухом, Q_в.вн=2000 кДж/м³.