- •Б3.Б.10 теплотехника
- •Введение
- •1 Основы технической термодинамики
- •2 Смеси идеальных газов
- •2.1 Массовый состав смеси
- •2.2 Объемный состав смеси
- •3 Теплоемкость газов
- •4 Термодинамические процессы газов
- •5 Водяной пар. Диаграмма hS водяного пара. Исследование паровых процессов по диаграмме hS
- •Теоретический паросиловой цикл (цикл Ренкина)
- •Истечение и дросселирование
- •Библиографический список
- •№ ___ От «__» _______ 20__ года. Подписано в печать «__»_______ 20__ г.
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ |
Кафедра теплотехники и
энергообеспечения предприятий
Б3.Б.10 теплотехника
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к практическим занятиям по разделу «Техническая термодинамика»
Направление подготовки
260800 Технология продукции и организация общественного питания
Профиль подготовки
Технология организации ресторанного дела
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Уфа 2012
Методическое указание разработано к.т.н., доцентом Гайсиным Э.М. и
ассистентом Шарафеевым А.А.
Методическое указание одобрено и рекомендовано к печати кафедрой теплотехники и энергообеспечения предприятий (протокол №__ от «__» ______ 201__г.) и методической комиссией энергетического факультета (протокол №__ от «__»_______ 201__ г.).
Рецензент: д.т.н. Галиуллин Р.Р.
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой, к.т.н., доцент Инсафуддинов С.З.
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
|
ВВЕДЕНИЕ |
4 |
1 ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ |
5 |
2 СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ |
9 |
2.1 Массовый состав смеси |
6 |
2.2 Объемный состав смеси |
10 |
3 ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ |
12 |
4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГАЗОВ |
16 |
5 ВОДЯНОЙ ПАР. ДИАГРАММА hS ВОДЯНОГО ПАРА. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПО ДИАГРАММЕ hS |
20 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК |
28 |
Введение
Настоящее методическое указание предназначено для проведения практических занятий по дисциплине «Теплотехника» со студентами факультета пищевых технологий очного и заочного обучения.
В методические указания включены разделы и задачи, связанные с процессами, протекающими в машинах и аппаратах. Часть задач носит как общетехнический характер, так и теоретический курс.
Все разделы методических указаний начинаются с краткого изложения основных сведений из теории, даны необходимые расчетные уравнения. В каждом разделе приведены решения нескольких характерных и наиболее сложных задач.
1 Основы технической термодинамики
Параметры состояния термодинамической системы. Уравнение состояния рабочего тела.
В качестве рабочего тела в тепловых машинах используют газы и пары, обладающие способностью легко и быстро расширяться или сжиматься.
Физическое состояние рабочего тела определяется время основными параметрами состояния: температурой, давлением и удельным объемом.
Температура характеризует степень нагретости тела и измеряется в градусах. В настоящее время используются три температурные шкалы: абсолютная или термодинамическая шкала – Т, К, практическая международная шкала – t, °С, шкала Фаренгейта – t, °F.
Термодинамическая шкала установлена по температуре абсолютного нуля и тройной точки воды, равной 273,15 К, при которой могут существовать одновременно лед, вода и пар. Эту шкалу называют еще и абсолютной, так как температура измерения по ней не зависит от свойства теплоносителя. Цена деления шкалы в градусах Цельсия совпадает с ценой деления шкалы Кельвина (1 К = 1 °С).
Численные значения температуры, определяемые по этим шкалам связаны соотношением:
Т, К = t°С + 273,15. (1.1)
По шкале Фаренгейта, применяемой в Англии и США, температура плавления льда 32 °F и температура кипения воды при нормальных физических условиях (р 0 =101325 Па, Т0=273,15 К) равна 2120 F следовательно
t°C =∙(t°F-32) , (1.2)
Давление – это сила, действующая по нормам на единицу поверхности
p = , (1.3)
где F – сила (в Н), нормальная к поверхности и равномерно распределенная по поверхности площадью А.
Единицей давления в системе СИ является Паскаль (1 Па=1Н/м2).
Очень часто в технике для практических измерений используют высоту столба жидкости. В основном применяется в качестве жидкости вода, спирт или ртуть. Полезно вспомнить, что при 0°C или 273,16 К.
1 мм вод. ст.= 9,81 Па 1 мм рт. ст.= 133,3 Па
За параметр состояния в термодинамике принимают абсолютное давление. Абсолютное давление обычно, подчитывается по показаниям двух приборов. Если давление больше атмосферного, то оно измеряется манометром и абсолютное давление равно
pа=pб+pм, (1.4)
где pб – атмосферное давление, измеренное барометром;
pм – показание манометра, измеряющего избыточное давление,
Если pб<pа , то
pа=pб-pв, (1.5)
где pв – показание вакуумметра, измеряющего разряжение.
Удельный объем тела
, (1.6)
где v- удельный объем, м3/кг;
V - полный объем, м3;
m - масса тела, кг.
Величина, обратная удельному объему называется плотностью вещества
, (1.7)
где - масса единицы, кг/м3.
Уравнение состояние тела устанавливают зависимость между параметрами состояния. Для идеального газа уравнение состояния выражается законом Клапейрона:
Для 1 кг газа R0∙T, (1.8)
Для m кг газа ∙R0∙T. (1.9)
Для моля идеального газа уравнение предложено Менделеевым и имеет вид
=М∙R0∙Т=R∙T, (1.10)
где Vμ – объем моля газа, м3/кмоль;
R0 – газовая постоянная, Дж/(кгК);
М – молекулярная масса, кг/кмоль;
R – универсальная газовая постоянная; её значение для всех газов 8314,3Дж/(кмоль∙К).
При нормальных физических условиях любой килограмм-моль газа занимает объем V=22,4 м3/кмоль. Поэтому для вычисления их удельного объема в м3/кг при этих условиях можно использовать зависимость
(1.11)
Газовая постоянная отдельного газа определяется по выражению
,(1.12)
Объем газа V, находящегося при произвольных физических условиях (ρ и Т) может быть приведен к нормальным физическим условиям (Ро и То) по формуле
. (1.13)
Значения удельной газовой постоянной, молекулярной массы и плотности при нормальных условиях для наиболее распространенных газов приведены в таблице 1.1
Задачи
Задача 1.1. Определить абсолютное давление в ресивере компрессорной установки, если присоединенный к нему манометр показывает 0,3 МПа. Барометрическое давление по ртутному барометру составляет 240 мм рт.ст. при температуре ртути 200С.
Решение: Для решения задачи необходимо перевести давление, измеренное по ртутному барометру в давление, выраженное в паскалях, и учесть температурную поправку.
Приведем показания барометра к 00С по следующему соотношению
р0=р∙(1-0,000172t),
где р0 - барометрическое давление, приведенное к 00С;
р - действительное давление при температуре воздуха 200;
0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.
р0 = 740(1-172·10-6·20)=737,45 мм. рт. ст.=98,3 кПа
Тогда абсолютное давление воздуха в ресивере
Ра= р0+ри=98,3+300=398,3 кПа.
Таблица 1.1 Значение М, R0 и ро при нормальных условиях некоторых газов
Наименование газа |
Химическое обозначение |
Молекулярная масса М, кг/кмоль |
Удельная газовая постоянная R0, Дж/(кг∙К) |
Плотность при нормальных1 ф. у. ρ0, кг,м3 |
Воздух |
- |
28,96 |
287,0 |
1,293 |
Кислород |
О2 |
32,00 |
259,68 |
1,429 |
Азот2 |
N2 |
28,03 |
269,8 |
1,251 |
Аммиак |
NH3 |
17,03 |
488,3 |
0,771 |
Аргон |
Az |
39,99 |
208,2 |
1,783 |
Атмосферный воздух |
- |
28,16 |
(295,3) |
(1,257) |
Водород |
Н2 |
2,02 |
4124,0 |
0,090 |
Водяной пар |
Н 2О |
18,02 |
(461,0) |
(0,804) |
Гелий |
На |
4,00 |
2078 |
0,179 |
Окись углерода |
СО |
28,01 |
296,8 |
1,260 |
Двуокись углерода |
СО2 |
44,01 |
188,9 |
1,907 |
Сернистый газ |
SО2 |
64,06 |
129,0 |
2,926 |
Метан |
СН4 |
16,03 |
518,8 |
0,51 |
Этилен |
С 2Н4 |
28,05 |
296,6 |
1,251 |
Коксиный газ |
- |
11,50 |
721,0 |
0,515 |
Примечание:
1. Приведение водяного пара к нормальному состоянию является условным.
2. Атмосферный азот – углекислый газ, состоящий из азота воздуха вместе с двуокисью углерода и редкими газами, содержащимися в воздухе.
Задача 1.2. Для производства газосварочных работ привезли баллон с кислородом емкостью 40 л. Определить время расхода и массу израсходованного кислорода, если производительность горелки 1280 л/ч при абсолютном давлении 100 кПа и температуре 200С, а избыточное давление в баллоне снизилось с 15 до 0,4 МПа.
Решение: Определяем абсолютное давление кислорода в баллоне до и после сварочных работ по формуле Ра =Рб+Ри, так как параметром является только абсолютное давление.
Количество израсходованного кислорода определяется как разность кислорода, которая содержалась в баллоне до начала сварочных работ и после работ
Δm=m1-m2=
За 1 час израсходовано
mt==1,68 кг/ч
Время расхода кислорода
t ==4,5 ч
Задача 1.3. Определить абсолютное давление в молокопроводе доильной установки, если вакуумметр, присоединенный к молокопроводу показывает разряжение 48 кПа, а барометрическое давление атмосферного воздуха 785 мм.рт.ст. при температуре 250С.
Задача 1.4. Для предупреждения испарения ртути из трубки из ртутного манометра над уровнем ртути наливают слой воды. Определить абсолютное давление в сосуде, если высота столба ртути в манометре составляет 560 мм, а высота столба воды над ртутью равна 160 мм. Барометрическое давление равно 750 мм рт.ст.
Задача 1.6. Разряжение на выходе дымохода парового котла измеряется тягомером с углом наклона трубки К горизонту 300. Длина столба воды, отчитанная по шкале тягомера, равно 140 мм. Определить абсолютное давление газа в Мга, если показание барометра равно 750 мм рт.ст.
Задача 1.6. В тормозном ресивере трактора Т-150К находится воздух массой 50 кг, плотностью 15 кг/м3. Определить емкость ресивера и удельный объем воздуха
Рисунок 1.1 Рисунок к задаче 1.7 |
Задача 1.8. Определить расход метана в газопроводе диаметром d=600 мм, если скорость истечения газа u=15 м/с при абсолютном давлении 1,6 МПа и температуре 200С.
Задача 1.9. Определить объемную подачу компрессора при температуре 250С и барометрическом давлении 750 мм рт.ст., если при нормальных физических условиях она равна 3 м3/мин.
Задача 1.10. Определить площадь поперечного сечения воздуха вода дутьевого вентилятора, если каждую секунду в топку котла требуется подводить 10 кг воздуха плотностью 1,2 кг/м3. Скорость перемещения воздуха по воздуховоду принять равной 8 м/с.
Задача 1.11. В свинарнике площадью 662 м2 и высотой 3,2 м, воздух находится при температуре 200С при барометрическом давлении 98,5 кПа.Какое количество воздуха проникает в помещение при увеличении барометрического давления до 101,3 кПа и понижении температуры до 100С?
Задача 1.12. Определить давление на нижнее днище контейнера ракеты, установленной на подводной лодке, если указанное днище находиться на глубине 15,5, а давление атмосферы, измеренное ртутным барометром при температуре-20°C, составляет 755 мм рт.ст.