теплотех

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ МИКОЛАЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ МЕХАНІЗАЦІЇ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Кафедра електротехнологій та електропостачання

ТЕПЛОТЕХНІКА ТА ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

до розв’язку завдань для студентів денної форми навчання за напрямами підготовки:

6.100101 «Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі»

6.090102 «Технологія виробництва та переробки продуктів тваринництва» Частина І

Миколаїв 2013

УДК 621.1 (075.8) ББК 31.3873

Т34

Друкується за рішенням методичної ради факультету механізації сільського господарства Миколаївського національного аграрного університету, протокол № 6 від 28 лютого 2013 р.

Укладач:

С.В. Коваль – канд., фіз.-мат. наук, доцент кафедри електротехнологій та електропостачання Миколаївського національного аграрного університету

Рецензенти:

В.В. Кузнецов – к.т.н., доцент кафедри технічної теплофізики і суднових паровиробних установок Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова.

К.М. Думенко – д.т.н., доцент кафедри загально технічних дисциплін Миколаївського національного аграрного університету.

© Миколаївський національний аграрний університет, 2013

2

Вступ

Теплотехніка має велике значення в розвитку сільськогосподарського виробництва. У загальному енергетичному балансі сільських районів теплова енергія відіграє провідну роль (80 % від загального споживання ). Основним споживачем теплової енергії в сільському господарстві є тваринництво і рослинництво , а саме: теплопостачання культиваційних споруджень у вигляді теплиць, парників й інших будівель захищеного ґрунту. Велика кількість теплової енергії витрачається на опалення і вентиляцію житлових, громадських і виробничих будинків, а також на здійснення процесів кондиціонування повітря, теплову обробку під час обробки сільськогосподарської продукції.

Мета даних методичних рекомендацій – оволодіння теоретичними знаннями і практичними навичками з раціонального використання теплоти в сільському господарстві, економії теплоти та палива, ефективного використання теплотехнічного сільськогосподарського обладнання , а також надати допомогу студентам кафедр «Електротехнології та електропоста-чання» і « Технологія виробництва і переробки продуктів сільськогосподарського господарства» у виконані лабораторних робіт з дисципліни «Теплотехніка».

З метою більш ефективного вивчення основного навчального матеріалу програми курсу наведені основні формули , приклади розв’язування задач , задачі для самостійної роботи та питання самоконтролю . Крім того в методичних рекомендаціях дано загальні відомості про наближені обчислювання , деякі довідкові таблиці.

3

Розділ І . Теоретичні основи теплотехніки

1.1.Основні поняття і визначення Термодинаміка – наука про закони теплового руху (термо) і його

перетворення (динаміка) в інші види руху, що відбуваються в макроскопічних рівноважних системах і при переході систем до стану рівноваги.

Термодинаміка виникла з потреб теплотехніки. Розрізняють технічну і хімічну термодинаміку, термодинаміку біологічних систем і т.д.

Технічна термодинаміка вивчає закономірності взаємного перетворення теплоти і роботи, а також властивості тіл, що беруть участь у цих перетвореннях, та теплові процеси, що протікають у різних апаратах і установках і холодильних машинах.

Хімічна термодинаміка вивчає процеси в яких обмін енергією супроводжується зміною хімічного складу тіл.

1.2.Термодинамічна система Термодинамічною системою називається сукупність матеріальних тіл, що

можуть енергетично взаємодіяти між собою та навколишнім середовищем і обмінюється з ним енергією .

Система, яка не обмінюється з навколишнім середовищем ні енергією, ні речовиною називають ізольованою (закритою). Якщо система не обмінюється з зовнішнім середовищем теплотою, її називають теплоізольованою або

адіабатною.

Термодинамічна система містить у собі робочі тіла (гази, повітря, пари) і

джерела теплоти.

Гази у яких можна нехтувати впливом сил взаємодії між молекулами й об’ємом самих молекул називають ідеальними.

1.3.Термічні параметри стану термодинамічної системи

Макроскопічні величини, тобто величини, що визначають стан термодинамічної системи в даний момент, називають параметрами стану. Розрізняють термічні, калоричні і енергетичні параметри стану. До термічних відносять абсолютний тиск р, питомий об’єм v і абсолютну температуру T; до

4

калоричних – внутрішню питому енергіюU, питому ентальпію h і питому ентропію S; до енергетичних – питома робота l і питома теплота q.

Абсолютний тиск р – результат ударів об стінку мікрочастинок робочого тіла, що хаотично рухаються і чисельно дорівнює силі, яка діє по нормалі на одиницю площі:

[p]=

= Па.

(1.1)

Відповідно до молекулярно-кінетичної теорії тиск газу визначається

рівнянням:

=

,

(1.2)

де n – концентрація молекул (число молекул в одиниці об’єму),

- маса

однієї молекули ,

– середня квадратична швидкість поступального руху

молекул.

Тиск поділяють на абсолютний р, атмосферний ра, надлишковий рн

і

вакуумметричний рв.

Прилади для вимірювання тиску – манометри, барометри, вакуумметри.

Абсолютна

термодинамічна

температура Т

у відповідності

з

молекулярно-кінетичною теорією газів пропорційна кінетичній енергії поступального руху частинок робочого тіла:

kT=				,	(1.3)
де k - стала Больцмана , що дорівнює 1,380662						.

З цього рівняння видно,що температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул.

Температура, яка виражена цим рівнянням називається термодинамічною (абсолютною) і вимірюється в К (кельвін). На практиці широко застосовується

практична шкала температур,	яка вимірюється в	(градус Цельсія). Зв'язок між
термодинамічною температурою Т.К і температурою t,			записується у вигляді:
Т	t + 273, 5.		(1.4)

Питомий об’єм v – це об’єм , що займає одиниця маси речовини. Для однорідного тіла масою m і об’ємом V його визначають за формулою:

v=		[v]=					(1.5)
Величина обернена питомому об’єму – густина						, звідки	.

5

1.4.Рівняння стану термодинамічної системи

Рівняння , яке пов’язує термічні параметри системи в рівноважному стані F (p,v,T)=0 , називають термічним рівнянням стану. Рівняння ,що зв’язує температуру Т, зовнішні параметри і внутрішню енергію , називається

калоричним рівнянням стану.

Термічне рівняння стану для довільної кількості ідеального газу записується у вигляді:

				pV =					RT.	(1.6)
Для 1		кг газу
								.		(1.7)
де m – маса газу, М – молярна маса газу ,R – універсальна газова стала
(R=8,314			).
Для 1		моля газу рівняння стану має вигляд:
					=const,					(1.8)

Виходячи з цього рівняння одержуємо, що при умові

а) Т = const (ізотермічний процес )
закон Бойля – Маріотта,
		pV= const,		(1.9)
б) V= const (ізохорний процес)
закон Шарля,
			= const,	1.10)
		Т
в) p = const (ізобарний процес)
закон Гей-Люсака,
		= const,		(1.11)
	Т

г) закон Дальтона,

тиск суміші ідеальних газів р дорівнює сумі парціальних тисків рі її

складових (компонентів):
+ 2+…+ n ∑	,	(1.12)

6

парціальним тиском компонента суміші називають такий тиск, який створював би сам компонент при тому ж об’ємі і температурі , яку мала суміш.

д) закон Авогадро,

в одному молі будь-якої речовини знаходяться однакове число молекул. Це

число молекул називається числом Авогадро	:
= 6,02	, 2		.	(1.13)

1.5. Приклади розв’язування задач

(Всі задачі розв’язуються у системі СІ)

1.Визначити значення газових сталих в системі СІ для наступних газів: ацетилен,окис вуглецю,аміак,озон.

C2H2

CO

NH3

O3 R=8,31

μ=26∙10-3

μсо=28∙10-3

μNH3 =26∙10-3

μО3 =48∙10-3

R - ? R со - ? R NH3 - ? R О3 - ?

Значення молярних газових сталих можна визначити із рівняння

Rμ=

, [R]=

=

,

де R – універсальна газова стала, а μ – молекулярна вага газу (знаходиться із

таблиці Д.І.Мендєлєєва).

Наприклад: газ C2H2 , μ = μ

+ μ

= 24∙10-3

+2∙10-3

= 26∙10-3

тоді

R

=

,

= 319,8

;

7

R со = 297			;
R NH3 = 489				;

R О3 = 173 .

2.Визначити масу однієї молекули кисню. О2

Μо2 = 32∙10-3

NA = 6,02∙1023

mo – ?

Оскільки закон Авогадро має вигляд
NA =				.то звідси mo=					.
Перевіряємо одиниці виміру
[mo] =							= кг.
Підставляємо числові значення
mo=						= 5,3∙10-26кг.
	,

3. В закритому балоні знаходиться газ при нормальному атмосферному тиску і температурі 17 . Який буде тиск ,якщо газ нагріти до температури 77 ?

Р=const t1 = 17

T1=290 K

P1 = 105 Па t2= 77

T2= 350 K

P2 – ?

Нормальні умови, це коли ро=105 Па, Т0= 273 К. Скористаємося законом Гей – Люсака

Т = Т , звідки р2= ТТ ;

Підставивши числові значення одержимо

8

Р2=1,2∙105 Па

4. У балоні ємністю 15л, знаходиться аргон під тиском 600 кПа і при температурі 27 . Коли з балона було взято якусь кількість газу, тиск у балоні знизився до 400 кПа , а температура встановилася 13 . Визначити масу аргону взятого з балону.

Ar V=const

V=15л=15∙10-3м3

P1=600 кПа = 6∙105Па

t1=27

T1=300 K= 3∙102K P2=400 кПа= 4∙105Па t2= 13

T2=260 К= 2,6∙102 К μAr= 40∙10-3

R=8,31

m - ?

m= m1- m2

m1 і m2 знайдемо з рівняння стану у вигляді Клапейрона – Мендєлєєва

PV= RT,

звідки

m1=

,

Тоді

m2=

m =

–

=

–

)

Т

Т

Перевіряємо одиниці виміру

[ m] =

=

=

= кг.

Підставляємо числові значення і одержуємо ,що

m = 1,4∙10-3кг

9

1.6. Задачі для роботи в аудиторії

1. Чому дорівнює молекулярна вага газів , які приведені нижче ,якщо для

них відомі молекулярні газові сталі : сірководень Н2S– 244,2∙103									, хлористий
водень HCl – 228,4∙103			, окис азоту NO – 272,6		.
2.Газова стала		етану С2Н6 дорівнює Rμ=277,6∙103						. Визначити

молекулярну вагу газу ,його густину і питомий об’єм при нормальних фізичних умовах.

3.Визначити густину і питомий об’єм вуглекислоти СО2 при тиску 9,81 бар і температурі 27 .

До відома: 1 бар = 105 Па = 1,02 атм = 760 мм.рт.ст.

4.Скільки молекул повітря знаходиться в кімнаті об’ємом 60 м3 при нормальних фізичних умовах ? Молярна маса повітря μ = 29∙10-3 ,

,2 .

5.Визначити масу і об’єм 6∙1022 молекул кисню при нормальних фізичних умовах . ,2 .

6.Маса атома деякого хімічного елемента дорівнює 3,32∙10-25кг. Який це елемент?

7.В закритій посудині знаходиться газ при розріджені 50 мм.рт.ст. і температурі 65 . До якої температури необхідно охолодити газ, щоб розрідження стало рівним 120 мм.рт.ст.

8.Визначити густину суміші газів водню масою 8 г і кисню масою 64 г при температурі 17 та при тиску 0,1 МПа . Гази вважати ідеальними.

1.7. Задачі для самостійної роботи 1.Визначити значення газових сталих в системі СІ для газів водню, кисню,

неону, вуглекислого газу.

2.Знайти густину і питомий об’єм двоокисі вуглецю (СО2) при нормальних

умовах.(	,			,5
4.Визначити питомий об’єм кисню при тиску 2,3МПа і температур 280
(V=0,0625		)	10