Медведева Г.А. Техническая термодинамика КГАСУ 2014
3.105 Расчет газовой смеси
Газовая смесь состоит из нескольких компонентов, содержание которых в смеси задано в процентах по объему (таблица 1).
Определить:
1. Кажущуюся молекулярную массу смеси;
2. Газовую постоянную смеси;
3. Среднюю мольную и объемную и массовую теплоемкости смеси при постоянном давлении в пределах температур от t1 до t2 (таблица 2).
Вопросы:
1. Что называется газовой постоянной? Как определяется универсальная газовая постоянная? Единицы измерения.
2. Что представляет собой мольная теплоемкость газа? Единицы измерения.
3. Что представляет собой массовая теплоемкость газа?
Таблица 1 и 2
| Вариант | Компоненты смеси,
% по объему |
Температура смеси: | |||
| CO2 | N2 | СО | Начальная t1, ºС | Конечная t2, ºС | |
| 00 | 18 | 72 | 10 | 200 | 1100 |
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
10.68 Расчет политропного процесса сжатия газовой смеси
Рабочее тело – газовая смесь, имеющая тот же состав, что и в задаче №1 (в процентах по объему). Первоначальный объем, занимаемый газовой смесью, — V1 (таблица 3). Начальные параметры состояния: давление р1=0,1 МПа, температура t1=27 ºС. Процесс сжатия происходит при показателе политропы (таблица 3). Температура смеси в конце сжатия t2=327 ºС.
Определить:
1. Массу газовой смеси;
2. Удельный объем смеси в начале и в конце процесса;
3. Объем, занимаемый смесью в конце процесса;
4. Давление в конце процесса;
5. Работу сжатия в процессе;
6. Изменение внутренней энергии;
7. Массовую теплоемкость рабочего тела в данном процессе;
8. Количество тепла, участвующего в процессе;
9. Изменение энтальпии и энтропии в процессе. Построить рассмотренный процесс в координатах р-υ и T-s. Считать, что ср≠f(T) и сυ≠f(T). Значения мольных теплоемкостей идеальных газов при p=const и υ=const см. [1, 3]. Газовую постоянную смеси взять из решения задачи №1.
Вопросы:
1. В каких пределах изменяется показатель политропного процесса?
2. В каких пределах изменяется теплоемкость в политропном процессе?
3. Как выглядит уравнение 1-го закона термодинамики для политропного процесса?
Таблица 3
| Показатели | Вариант 00 |
| Объем смеси V1, м3 | 40 |
| Показатель политропы n | 1,3 |
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
15.46 Расчет цикла Карно применительно к тепловому двигателю
Рабочее тело — 1 кг сухого воздуха. Предельные температуры рабочего тела в цикле: наибольшая t1, наименьшая t3 (таблица 4). Предельные давления рабочего тела в цикле: наибольшее р1, наименьшее р3 (таблица 5).
Таблицы 4 и 5
| Вариант | Температура воздуха, ºС | Давление, МПа | ||
| t1 | t3 | р1 | р3 | |
| 00 | 270 | 21 | 4 | 0,125 |
Определить:
1. Основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла;
2. Количество тепла, подведенное в цикле;
3. Количество тепла, отведенное в цикле;
4. Полезную работу, совершенную рабочим телом за цикл;
5. Изменение энтропии в изотермических процессах цикла.
Построить цикл (в масштабе) в координатах р-υ и T-s.
Вопросы:
1. Из каких процессов состоит цикл Карно?
2. Что показывает термический КПД цикла теплового двигателя?
3. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать полезную работу, совершенную рабочим телом в цикле?
4. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать количество тепла, использованное в цикле или совершения полезной работы?
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
13.197 Расчет процесса адиабатного расширения водяного пара
Рабочее тело – водяной пар, имеющий в начальном состоянии давление р1 и температуру t1 (таблица 6). Масса рабочего тела – М (таблица 7). Пар расширяется до давления р2 (таблица 7).
Построить процесс адиабатного расширения водяного пара в диаграмме h-s.
Таблицы 6 и 7
| Вариант 00 | |||
| Температура t1,ºС | Давление (абс.), р1,МПа | Масса М,кг | Давление (абс.), р2,МПа |
| 450 | 6 | 10 | 0,007 |
Определить:
1. Удельный объем и энтальпию пара в начальном состоянии;
2. Температуру, удельный объем, степень сухости и энтальпию пара в конечном состоянии;
3. Значения внутренней энергии пара до и после расширения;
4. Работу расширения пара.
К решению задачи приложить схему построения процесса в координатах h-s.
Вопросы:
1. Каковы особенности адиабатного процесса?
2. В каком состоянии водяной пар находится в начале процесса?
3. В какое состояние пар перешел в конце процесса?
4. Каков физический смысл энтальпии водяного пара в данном, конкретном состоянии?
h-s — диаграмма водяного пара с рассчитанным процессом прилагается к задаче
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
14.112 Определение скорости истечения водяного пара из сопловых устройств
Определить теоретическую скорость истечения водяного пара из суживающегося сопла и из сопла Лаваля. Начальные давление и температура пара: р1 и t1 (таблица 8). Давление среды, в которую происходит истечение пара, р2 (таблица 9).
Таблицы 8 и 9
| Вариант | Давление (абс.) р1,МПа | Температура t1,ºС | Давление (абс.) р2,МПа |
| 00 | 5 | 400 | 0,04 |
К решению задачи приложить изображения адиабатных процессов истечения пара из сопловых устройств в диаграмме h-s.
Дать эскизы профилей суживающегося сопла и сопла Лаваля.
Вопросы:
1 При каких условиях возникает критическая скорость истечения газа (пара)?
2 Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из суживающегося сопла при р2>р2кр .
3 Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из суживающегося сопла при р2≤р2кр .
4 Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из сопла Лаваля при р2<р2кр.
hs-диаграмма водяного пара с рассчитанным процессом прилагается к задаче
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
18.164 Определение технико-экономических показателей теоретического цикла Ренкина
Паротурбинная установка работает по теоретическому циклу Ренкина. Давление и температура водяного пара на выходе из парогенератора (перед турбиной): р1 и t1; давление пара после турбины (в конденсаторе) p2.
Определить термический КПД цикла (ηt) и теоретический удельный расход пара d, кг/(кВт·ч) при следующих условиях работы установки:
I — p1, t1 и p2 — (все параметры взять из табл. 1);
II — p1, t1 (табл. 6); p2 (табл. 2);
III — p1, t1 и p2 — (все параметры взять из табл. 2).
Таблицы 1 и 2
| Показатели | Вариант 00 |
| Начальное давление р1, МПа | 2,5 |
| Температура t1, ºС | 370 |
| Конечное давление р2, МПа | 0,1 |
| Начальное давление р1, МПа | 16 |
| Температура t1, ºС | 510 |
| Конечное давление р2, МПа | 0,007 |
Сделать вывод о влиянии уровня начальных параметров состояния пара и давления пара после турбины на значения термического КПД цикла Ренкина и удельного расхода пара.
К решению задачи приложить принципиальную схему паротурбинной установки, изображение цикла Ренкина в координатах p-υ и T-s, а также изображение процесса расширения пара в турбине в диаграмме h-s.
h-s — диаграмма водяного пара с рассчитанным процессом прилагается к задаче
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
17.62 Для теоретического цикла ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении определить параметры рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла, подведенное и отведенное тепло, работу и термический КПД цикла, если начальное давление р1=0,1 МПа, начальная температура t1=27 ºC, степень повышения давления в компрессоре π, температура газа перед турбиной t3.
Определить теоретическую мощность ГТУ при заданном расходе воздуха G. Дать схему и цикл установки в pυ- и Ts — диаграммах. Данные для решения задачи выбрать из таблицы 3.
Указание. Теплоемкость воздуха принять не зависящей от температуры.
Ответить на вопросы:
Как влияет температура t3 на мощность ГТУ при выбранной степени повышения давления π?
Определить ηt ГТУ для вашего варианта задачи, если рабочее тело — гелий и объяснить влияние атомности газа на экономичность ГТУ.
Таблица 3
| Вариант | π | t3, °C | G, кг/c |
| 00 | 8,5 | 725 | 60 |
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
16.184 Для идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при p=const.
Определить параметры характерных точек p, υ, u, h, s, полезную работу, количество подведенного и отведенного тепла, термический КПД данного цикла и цикла Карно при том же отношении максимальной и минимальной температур цикла. Данные к задаче взять в таблице 4.
Таблица 4
| Вариант | р1, МПа | Т1, К | ε=υ1/υ2 | ρ=υ3/υ2 |
| 00 | 2 | 300 | 12,5 | 2,1 |
Принять значения:
сυ=0,72 кДж/(кг·К);
ср=1,01 кДж/(кг·К);
R=287 Дж/(кг·К);
k=cp/cυ — показатель адиабаты.
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
19.145 Расход газа в поршневом одноступенчатом компрессоре составляет V1 при давлении р1=0,1 МПа и температуре t1. При сжатии температура газа повышается на 200 ºС. Сжатие происходит по политропе с показателем n. Определить конечное давление, работу сжатия и работу привода компрессора, количество отведенного тепла (в киловаттах), а также теоретическую мощность привода компрессора. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 5.
Таблица 5
| Вариант | V1, м³/мин | t1, ºC | Газ | n |
| 00 | 45 | 17 | CO | 1,34 |
Указание. При расчете принять: k=cp/cυ=const
Ответить на вопросы:
Как влияет показатель политропы на конечное давление при выбранном давлении р1 и фиксированных t1 и t2 (ответ иллюстрируйте в Ts — диаграмме)?
Чем ограничивается p2 в реальном компрессоре (кроме ограничения по максимальном допустимой конечной температуре)?
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
21.149 В компрессор воздушной холодильной установки воздух поступает из холодильной камеры при давлении р1=0,1 МПа и температуре t1. После изоэнтропного сжатия до давления р2=0,4 МПа воздух поступает в теплообменник, где при постоянном давлении его температура снижается до t3. Затем воздух поступает в детандер, где изоэнтропно расширяется до первоначального давления р1. После этого воздух снова возвращается в холодильную камеру, где при постоянном давлении р1 отнимает тепло от охлаждаемых тел и нагревается до температуры t1.
Определить: холодильный коэффициент; температуру воздуха, поступающего в холодильную камеру; количество тепла, передаваемое охлаждающей воде в теплообменнике (в киловаттах); расход воздуха и теоретическую потребную мощность, если холодопроизводительность установки Q. Расчет иллюстрировать принципиальной схемой установки и ее циклом в T-s диаграмме. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл. 6.
Таблица 6
| Вариант | t1, ºС | t3, ºС | Q, кВт |
| 00 | -10 | 17 | 100 |
Ответить на вопросы:
Каков будет холодильный коэффициент установки, работающий по циклу Карно для вашего варианта задачи?
Как влияет степень повышения давления в компрессоре р2/р1 на холодильный коэффициент установки?
Почему для расширения воздуха в холодильной установке не применяют процесс дросселирования?
Варианты задачи: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99.
