Министерство образования и науки РФ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»

Контрольная работа

По дисциплине: Гидравлика и теплотехника

Вариант 35

Студентка: Батова К.Э

Группа: ЗОСб-301

Преподаватель: Козина Л.Н.

Тольятти 2011

1.Основные законы идеальных газов.

При изучении свойств рабочего тела, а технической термодинамике вводят понятие идеального газа. Под идеальным газом понимают такой газ, у которого отсутствуют силы сцепления между молекулами, а молекулы представляют собой материальные точки, объём которых бесконечно мал по сравнению с объёмом, занимаемым газом. Реальный газ отличается от идеального тем, что у него молекулы имеют конечный объём и между ними действуют силы сцепления.

З а к о н Б о й л я - М а р и о т т а.

При постоянной температуре удельные объёмы идеального газа обратно пропорциональны давлениям, т. е. приТ = const:

v1/v2 = p2/p1,

где v1 и v2 - удельные объемы газа в начальном и конечном состояниях; р1 и р2 - абсолютные давления газа в начальном и конечном состояниях.  Из равенства следует

р1v1 = p2v2 = рv = const.

З а к о н Г е й - Л ю с с а к а.

При постоянном абсолютном давлении удельные объемы идеального газа прямо пропорциональны абсолютным температурам, т. е. при р = соnst:

v1/v2 = T1/T2.

Из равенства получаем

v1/T1 = v2/T2 = v/T = const.

З а к о н А в о г а д р о.

Все идеальные газы при одинаковых температурах и давлениях содержат в равных объемах одно и то же число молекул.  Из закона Авогадро следует, что плотности газов, находящихся при одинаковых температурах и давлениях, прямо пропорциональны их молекулярным массам:

p1/p2 = n1/n2,

Так как плотности газов обратно пропорциональньт их удельным объемам, то равенство можно записать в следующем виде:

v2/v1 = n1/n2

или

n1v1 = n2v2 = nv = const.

Произведение nv есть объем одного киломоля. Киломолем (кмоль) называют количество вещества, масса которого в килограммах численно равна его молекулярной массе. Киломоли различных идеальных газов при одинаковых температурах и давлениях занимают одинаковые объемы.  Объем одного киломоля при нормальных условиях для всех газов равен 22,4 м3/кмоль, т. е. nv = 22,4 м3/кмоль.

2.Взаимосвязь термодинамических и геометрических параметров в потоке

Уравнение профиля канала.

Любая ТДС характеризуется параметрами: температура, давление, плотность, концентрация, мольный объем. В любой ТДС обязательно протекают процессы, и они могут быть равновесными, неравновесными, обратимыми и необратимыми.Если в ТДС определенное свойство системы не будет изменяться во времени, т. е. оно будет одинаковым во всех точках объема, то такие процессы – равновесные.В неравновесных процессах свойство системы будет изменяться во времени без воздействия окружающей среды.

Обратимые процессы

– процессы, в которых система возвращается в первоначальное состояние.

Необратимые

– когда система не возвращается в первоначальное состояние.

Функции могут зависеть от пути процесса. Функции, которые зависят от начального и конечного состояний системы и не зависят от пути процесса, – функции состояния; внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и другие – полные дифференциалы.

Функции, которые зависят от начального и конечного состояний системы и зависят от пути процесса, не являются функциями состояния и не являются полными дифференциалами Q , A .

Функции можно разделить на две группы: экстенсивные

и интенсивные

.

Экстенсивное свойство

системы прямо пропорционально массе системы и обладает аддитивностью (можно складывать): V , H , Uвн , S , G , F .

Интенсивное свойство

системы не зависит от массы системы и не обладает свойством аддитивности: Q , A , T , P .

Давление

– параметр состояния, определяемый силой, действующей в теле на единицу площади поверхности по нормали к ней. Оно характеризует взаимодействие системы с внешней средой.

Температура

определяет меру интенсивности теплового движения молекул.

Значение градуса температуры и начало ее отсчета произвольны. В качестве эталона можно было бы выбрать не воду, а любое другое вещество (лишь бы его свойства однозначно изменялись с температурой, были воспроизводимы и легко поддавались измерению).

Такая произвольность исчезает, если пользоваться термодинамической (абсолютной) шкалой температур, основанной на втором законе термодинамики. Начальной точкой этой универсальной шкалы является значение предельно низкой температуры – абсолютный нуль, равный 273,15 оС.

Уравнение состояния

Уравнение, связывающее термодинамические параметры системы в равновесном состоянии, – уравнение состояния

.

Вследствие взаимосвязи между свойствами системы для определения ее состояния достаточно указать лишь некоторое число свойств. Так, состояние газа можно считать заданным, если указаны два параметра, например, температура и объем, а значение третьего параметра – давления – можно определить из уравнения состояния

P = f (V , T ),

φ (P , V , T ) = 0.

Графически это уравнение является уравнением поверхности, построенной на трех взаимно перпендикулярных осях, каждая из которых соответствует одному термодинамическому параметру. Таким образом, термодинамическая поверхность

– геометрическое место точек, изображающих равновесные состояния системы в функциях от термодинамических параметров.

Для решения задач диагностики, а также для определения особенностей сборки конкретного единичного экземпляра двигателя необходимо установить корреляционные связи между термодинамическими и геометрическими параметрами. Поэтому предлагается устанавливать связь между геометрическими и термодинамическими параметрами, используя эмпирические зависимости. Например, связь между коэффициентом потерь и площадью проходных сечений, определяют по формуле:

S=(0.05-0.08)E^0.25(A/B) ,

где Е - относительная шероховатость лопаток, В-хорда лопатки, А-ширина межлопаточного канала.

Уравнение профиля канала.

Для определения оптимальных параметров канала рассмотрим варианты движения волокон, наиболее опасные с точки зрения забивания канала. К их числу можно отнести случай продвижения по каналу вертикально расположенного волокна. Наличие грубых волокон котонизированного льна такой ориентации на входе в сороотводящий канал и в самом канале доказывают данные, полученные с помощью видеосъемки на машине ППМ-120-А1М, проводившейся в условиях АО "Меланж".      Обозначим через h_H и h_K значения начальной и конечной высот канала, а длину канала - через l (рис. 1). Совместим начало системы координат Оху с началом канала. Профиль верхней волнообразной части канала будем моделировать синусоидой. Введем систему координат O₁x₁y₁ таким образом, чтобы профиль канала можно было описать зависимостью

3.Схема и цикл воздушной холодильной установки.

Холодильная машина- тепловая машина для передачи теплоты от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой.Они работают только за счет рабочего тела-хладогента.

Холодильные установки бывают:

Воздушно-холодильные

Парокомпрессионные

Пароэжекторные

Рис 2. Схема воздушной холодильной установки.

Обострение экологической обстановки, связанное с разрушением озонового слоя земли, развивающимся глобальным потеплением потребовало создания холодильных машин нового поколения, работающих на озонобезопасных природных хладагентах, в число которых входит вода, воздух, диоксид углерода, аммиак, углеводороды. Наиболее универсальным из них является атмосферный воздух. К достоинствам воздуха как хладагента относятся его доступность, нетоксичность, пожаро-взрывобезопасность, возможность применения для непосредственного охлаждения продуктов. Установки с воздушным холодильным циклом способны работать в диапазоне температур от комнатных до температуры жидкого воздуха. Воздух имеет нулевые потенциалы разрушения озонового слоя и глобального потепления и полностью отвечает всем требованиям Монреальского и Киотского протоколов по экологической безопасности.

Они предназначены для работы:

в системах шоковой заморозки рыбы, морепродуктов, мясных полуфабрикатов, овощей и фруктов, закалки мороженого;

в технологических линиях низкотемпературной переработки резины, шин, пластмасс, минерального сырья и т. п.;

в составе установок переработки попутных и факельных газов и установок низкотемпературной очистки опасных газовых выбросов.

Также могут использоваться для:

комплектации низкотемпературных испытательных камер;

охлаждения низкотемпературных хладоносителей;

заморозки эвтектических аккумуляторов холода.

Отличительными особенностями ВХУ являются:

возможность работы в широком диапазоне температур: от −30 до −120 0С;

выход на рабочий режим в течение нескольких минут;

возможность подачи холодного воздуха под высоким напором и на значительные расстояния;

отсутствие потребности в охлаждающей воде;

пожаро- и взрывобезопасность;

простота и удобство эксплуатации;

надежность и высокий моторесурс.

Одновременно с холодом установки производят высокопотенциальное тепло, которое можно использовать в производственных целях. Установки работают по открытому холодильному циклу с расширением воздуха в турбохолодильных агрегатах.

Воздух, сжимаемый в компрессоре, осушается в блоке осушки и поступает на расширение в турбохолодильный агрегат. Расширяясь в турбине с отдачей внешней работы на тормозное устройство (процесс детандирования), воздух значительно охлаждается и подается в скороморозильные аппараты

4.Теплообмен при естественной конвекции.

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Слово «конвекция» образовано от греческого слова convectio — доставка. Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа. Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Так устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным образом возникает конвекция в газах.

На рисунке вы видите тень руки с зажженной спичкой. Волнистые тени над пламенем - это струйки поднимающегося теплого воздуха. Такие тени легко получаются на стене темной комнаты при освещении спички фонариком.

Такой процесс часто называется естественной конвекцией. Для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Кроме естественной конвекции, возможна и принудительная конвекция. При принудительной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.  Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ. Теплоообмен конвекцией часто встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.  Явление конвекции весьма распространено в природе. Типичными примерами конвекции в атмосфере являются ветры, в частности бризы и муссоны. Нагреваясь над одними участками Земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу. Явление это весьма сложное. На процесс естественной конвекции накладывается ряд факторов, в частности суточное вращение Земли, рельеф местности, влияние морских течений и т. д. Но в основе ветрообразования лежит именно явление конвекции. Особенно прост и нагляден механизм возникновения берегового бриза. Днем суша прогревается быстрее воды, у которой теплоемкость очень велика. Поэтому температура суши выше температуры воды. Нагретый над сушей воздух поднимается вверх, на его место поступает холодный воздух с моря, и у поверхности Земли ветер дует с моря на берег. Ночью картина меняется на противоположную: земля быстрее остывает, вода сохраняет более высокую температуру, и ветер у поверхности Земли направлен с берега в сторону моря.

С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов (железа, никеля и т. п.) в виде очень плотной жидкой массы. Радиус ядра равен примерно 3500 км. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера общей толщиной около 2900 км, состоящие из горных пород в твердом состоянии (слово «литосфера» образовано от греческого lithos — камень и sphaira — шар). Самый верхний слой литосферы, толщиной в среднем 60—70 км,— это земная кора. Литосфера состоит из отдельных плит, которые как бы плавают на поверхности мантии. Дело в том, что вещество мантии находится под колоссальным давлением литосферы и приобретает за счет этого свойства очень вязкого, но все же текучего вещества. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в разных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов. Там, где литосферные плиты расходятся, возникают океанические впадины. В других местах, где плиты сталкиваются и одна из них наползает на другую, образуются горные массивы. При этом возникают неустойчивые участки с очень болыними напряжениями — сейсмические зоны. При переходе этих участков в более устойчивое состояние происходят землетрясения. Вещество мантии обладает колоссальной вязкостью, поэтому скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно мала и скорость перемещения литосферных плит (около 2—3 см за год). Однако за геологические эпохи порядка десятков миллионов лет литосферные плиты могут переместиться на сотни и тысячи километров.

С явлением конвекции связаны процессы  глобальной циркульции атмосферных масс воздуха. Все ветры вызваны конвекционными потоками, возникающими из-за того, что большая часть энергии Солнца попадает на Землю вблизи экватора. Когда воздух нагревается, он расширяется и поднимается, а взамен к экватору устремляется поток более холодного и плотного воздуха. Так образуется ветер.  С явлением конвекции связаны процессы парения птиц и планеро. Разные участки земной поверхности нагреваются неодинаково. Из-за этого неодинаково нагревается и воздух у поверхности. Более теплые и менее плотные массы воздуха создают восходящие потоки, в которых могут долго парить птицы и планеры.  Мастерство планериста заключается в умении находить такие потоки и с их помощью преодолевать большие расстояния.  С явлением конвекции связаны процесс  дымообразования из труб и кратеров вулкано. Дым  из печной трубы  или кратера вулкана имеет высокую температуру и низкую плотность, поэтому поднимается вверх. По мере остывания дым может  снова опускаться в нижние слои атмосферы. Вот почему трубы, через которые выбрасываются вредные вещества, стараются делать как можно более высокими. С явлением конвекции связаны процесс  охлаждение продуктов вхолодильнике. Газ фреон, циркулирующий по трубкам холодильника,  охлаждает воздух в верхней части холодильной камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова поднимается вверх. Раскладывая продукты в холодильнике, старайтесь не затруднять циркуляцию воздуха. Решетка сзади холодильника предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в компрессоре.  Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных потоков. С явлением конвекции связана работа отопительной системы дома. Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции. Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям,  отдавая тепло в радиаторах или конвекторах.