Материал: Жданов-18.70

Н. В. ЖДАНОВ, М. В. КОКШАРОВ, М. В. ГЛУХОВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

• ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»

ОМСК 2013

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_____________________________________________

Н. В. Жданов, М. В. Кокшаров, М. В. Глухова

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Омск 2013

УДК 621.1: 536.7(075.8)

ББК 31.31я73

Ж42

Методические указания к выполнению контрольных работ по дис-циплине «Термодинамика и теплопередача» / Н. В. Жданов, М. В. Кокшаров, М. В. Глухова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 36 с.

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Термодинамика и теплопередача» и содержат две контрольные работы, в которых представлены краткие теоретические сведения по изучаемой теме, условия контрольных задач и контрольные вопросы.

Предназначены для студентов специальностей 190300 – «Подвижной со-став железных дорог», 151900 – «Технология машиностроения» – очной формы обучения.

Библиогр.: 9 назв. Табл. 5.

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент А. Л. Иванов; канд. техн. наук, доцент А. С. Анисимов.

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Контрольная работа 1 6

Техническая термодинамика 6

1.1. Выбор варианта 6

1.2. Контрольные вопросы 6

1.3. Условия задач 8

1.4. Выбор исходных данных для контрольных задач 12

1.5. Методические указания к выполнению контрольной работы 1 14

Контрольная работа 2 24

Основы теплопередачи 24

2.1. Выбор варианта 24

2.2. Контрольные вопросы 24

2.3. Условия задач 25

2.4. Выбор исходных данных для контрольных задач 29

2.5. Методические указания к выполнению контрольной работы 2 31

Библиографический список 35

3

ВВЕДЕНИЕ

При изучении курса «Термодинамика и теплопередача» каждый студент обязан самостоятельно выполнить две контрольные работы. По выполненным контрольным работам проводится собеседование с преподавателем.

Сначала студент должен письменно ответить на контрольные вопросы, а затем решить соответствующие задачи. Ответы на контрольные вопросы долж-ны быть краткими, но исчерпывающими. Их необходимо сопровождать форму-лами, графиками, схемами и эскизами конструкций. При решении задач нужно указывать, по какой формуле определяется величина и в каких единицах изме-рения, откуда взяты подставленные в формулу величины (если они не содер-жатся в условии задачи).

При использовании таблиц, номограмм, эмпирических формул и других справочных материалов надо сделать ссылку на литературный источник.

Вычисления необходимо делать в развернутом виде. Обозначения вели-чин и терминология в пояснительной записке должны соответствовать приня-тым в учебниках. Решение задач должно сопровождаться тщательно выполнен-ными схемами и графиками. При затруднениях, встречающихся в ходе выпол-нения контрольных работ, полезно обращаться к аналогичным задачам, имею-щимся в учебниках.

После получения проверенной работы студент должен исправить ошибки

• учетом сделанных указаний. Исправления, выполненные на отдельных лис-тах, следует вклеить в соответствующие места отрецензированной работы. От-дельно от работы исправления не рассматриваются. Студент обязан сохранить все выполненные контрольные работы, имеющие пометку рецензента «допу-щен к зачету».

При решении задач вычисления следует производить с точностью до трех – четырех значащих цифр независимо от местоположения запятой.

• соответствии с требованиями ГОСТ 9867-61 числовые расчеты в реше-ниях задач рекомендуется выполнять в единицах СИ.

5

Контрольная работа 1

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1. Выбор варианта

Студент выбирает номера контрольных вопросов и задач из таблицы ва-риантов (табл. 1) по последней цифре шифра, а недостающие числовые данные

• задачам – по предпоследней цифре шифра из табл. 2 для соответствующей за-дачи. Шифр соответствует последним двум цифрам номера зачетной книжки студента.

• а б л и ц а 1

Таблица вариантов

1.2. Контрольные вопросы

1. Какие параметры состояния рабочего тела называют основными, в ка-ких единицах они измеряются?

2. Напишите уравнение состояния идеального газа. Чем реальный газ от-личается от идеального?

3. Дайте определение удельной теплоемкости. К каким единицам коли-чества рабочего тела принято относить теплоемкость?

4. Покажите связь между теплоемкостями при постоянных объеме и дав-

лении.

5. Как можно выразить изменение внутренней энергии, энтальпии и эн-тропии в произвольном термодинамическом процессе?

6

6. В каком процессе изменения состояния вся подведенная к рабочему телу теплота расходуется на изменение его внутренней энергии?

6. Докажите, что в изобарном процессе изменения состояния подведен-ная к рабочему телу теплота равна изменению его энтальпии.

6. Чему равен показатель политропы для основных термодинамических процессов изменения состояния идеальных газов?

6. Какой величиной оценивается эффективность прямого термодинами-ческого цикла?

6. Опишите прямой обратимый цикл Карно. Приведите формулировки второго закона термодинамики.

6. Изобразите pv-диаграмму водяного пара и покажите на ней харак-терные линии и области.

6. Изобразите Тs-диаграмму водяного пара и покажите на ней теплоту жидкости, парообразования и перегрева. Какая площадь Тs-диаграммы при оп-ределенном давлении и температуре перегретого пара будет эквивалентна его энтальпии?

6. Что называется располагаемой работой потока в процессе истечения

• чему она эквивалентна?

14. Какой процесс называют дросселированием? При каких условиях протекает процесс адиабатного дросселирования?

14. Какой процесс сжатия в поршневом компрессоре является наиболее энергетически выгодным?

14. Изобразите на pv- и Тs-диаграммах идеальные циклы поршневых

двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при v = const, при p = const и при смешанном цикле. Дайте необходимые пояснения.

17. Как величина степени сжатия влияет на термический КПД идеально-го цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты в процессе при v = const? Что ограничивает увеличение степени сжатия в двига-телях, работающих по этому циклу?

17. Пользуясь Тs-диаграммой, сравните термические КПД идеальных циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания при одинаковых значени-ях абсолютных давления и температуры в конце подвода теплоты и при других прочих условиях.

7

19. От каких величин зависит термический КПД идеального цикла газо-турбинной установки с подводом теплоты к рабочему телу в процессе, когда p = const?

19. Изобразите в Тs-диаграмме основной цикл паросиловой установки (цикл Ренкина) и покажите площади, эквивалентные подведенной теплоте и полезно использованной теплоте в цикле.

1.3. Условия задач

1. В цилиндре с поршнем сжимается газ при постоянной температуре до давления (по манометру) р_м. Определить, во сколько раз уменьшиться объем газа, если перед сжатием в цилиндре было разрежение р_вак. Барометрическое давление В = 750 мм рт. ст. Изобразить процесс в pv-координатах.

2. Определять массу азота и кислорода, если каждый из этих газов нахо-дится в баллоне объемом 350 л под давлением (по манометру) р при температу-ре t. Определить плотность этих газов в заданном состоянии и при нормальных условиях. Барометрическое давление В = 750 мм рт. ст.

3. Анализ продуктов сгорания показал следующий объемный состав, %: СО₂ – 12,3; О₂ – 7,2; N₂ – 80,5. Определить среднюю (кажущуюся) молекуляр-ную массу и массовый состав продуктов сгорании, удельный объем и плотность смеси при температуре t и давлении 100 кПа.

4. Для продуктов сгорания, объемный состав которых приведен в задаче

3, найти значения средних мольной, массовой и объемной изобарных теплоем-костей в интервале значений температуры от t₁ = 200 °C до t₂.

5. Определить газовую постоянную, среднюю (кажущуюся) молекуляр-ную массу и объемный состав смеси идеальных газов, если задан ее массовый состав. Определить парциальное давление компонентов, если давление смеси

100 кПа.

6. Какое количество теплоты надо отвести при охлаждении от начальной температуры t₁ до t₂ = 200 °С от 1 кг смеси идеальных газов при постоянном давлении? Массовый состав приведен в задаче 5. Массовую теплоемкость газов считать зависящей от температуры.

7. Азот массой G, кг, имеет начальное абсолютное давление р₁ и t₁ = 17 °С.

• результате изобарного подвода тепла температура газа повысилась до t₂. Оп-

8

ределить объем азота в конце расширения, подведенную теплоту, работу про-цесса, удельные значения изменения внутренней энергии, энтальпии и энтро-пии в процессе. Теплоемкость газа принять не зависящей от температуры. Представить процесс в pv- и Тs-диаграммах.

8. В результате нагревания при постоянном объеме V температура воз-духа повысилась до t₂. Определить подведенную теплоту, конечное давление,

удельные значения энтальпии и энтропии в процессе, если начальные парамет-ры воздуха были такими: р₁ = 100 кПа и t₁ = 27 °С. Теплоемкость газа принять не зависящей от температуры. Процесс изобразить в pv- и Тs-диаграммах.

8. В процессе расширения при постоянной температуре, равной 127 °С, давление 1 кг воздуха снизилось от р₁ до р₂. Какое количество теплоты в этом процессе было подведено к газу? Определить объем газа в начале и в конце расширения, изменение его энтропии в процессе.

8. Определить массу и конечные параметры (р₂, V₂, Т₂) углекислого га-

за, если в процессе адиабатного расширения газа его внутренняя энергия уменьшилась на U = 500 кДж. Начальные параметры углекислого газа: р₁, V₁ = 0,3 м³ и t₁ = 527 °С. Теплоемкость газа принята не зависящей от темпера-туры. Процесс изобразить в pv- и Тs-диаграммах.

8. Азот расширяется в политропном процессе от начального объема V₁ = 4 м³ и от начального абсолютного давления р₁ и температуры t₁ = 127 °С до давления р₂. В конце расширения газ занимает объем V₂. Определить показа-тель политропы, массу азота, произведенную газом работу и теплоту процесса. Процесс изобразить в pv- и Тs-диаграммах.

8. В начальном состоянии 1 кг водяного пара имеет абсолютное давле-ние р₁ и удельный объем v₁. В процессе адиабатного расширения давление пара снизилось до р₂. Определить состояние пара и его параметры в конце процесса, изменение энтальпии и работу расширения. Решение задачи иллюстрировать hs-диаграммой.

8. В пароперегревателе котла водяной пар при постоянном давлении р перегревается до температуры t₂. Определить состояние пара и его параметры перед пароперегревателем, если известно, что в перегревателе к 1 кг пара под-водится теплота в количестве q. Решение задачи иллюстрировать hs-диаграммой.

8. Определить количество теплоты, необходимое для перегрева 1 кг па-ра в пароперегревателе котла до температуры t при постоянном давления р, и

9

работу пара, связанную с увеличением его объема в процессе подсушки и пере-грева. До поступления в перегреватель пар был влажным со степенью сухости х. Решение задачи иллюстрировать hs-диаграммой.

15. Сухой насыщенный пар при неизменной температуре расширяется от давления р₁ до р₂. Определить работу, совершенную 1 кг пара в процессе. Ре-шение задачи иллюстрировать hs-диаграммой.

15. Для влажного насыщенного водяного пара, имеющего абсолютное давление р и влажность 1 – х, вычислить температуру, удельный объем, плот-ность, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию.

15. Влажный насыщенный водяной пар с давлением р₁ и степенью сухости

• дросселируется до давления р₂. Определить состояние пара и его параметры после дросселированания и изменение энтропии в процессе. Изобразить услов-ный процесс в hs-диаграмме.

18. Регулирование парового двигателя производится с помощью дрос-

сельного клапана, снижающего абсолютное давление водяного пара от р₁ = 10 МПа до р₂. После дросселирования 1 кг пара расширяется в паровой турбине по адиабате до давления в конденсаторе 5 кПа. Начальная температура пара t₁. Определить потерю полезной (располагаемой) работы двигатели в ре-зультате дросселирования. Как изменится влажность отработавшего пара? Ре-шение задачи иллюстрировать hs-диаграммой.

19. Как изменится теоретическая скорость истечения перегретого пара давлением р₁ в атмосферу (р_а = 0,1 МПа), если сужающееся сопло дополнить

расширяющейся частью, т. е. заменить соплом Лаваля? Начальная температура пара t₁. Теплообменом и трением в сопле пренебречь.

19. Перегретый пар с абсолютным давлением р₁ и температурой t₁ исте-кает через сопло в среду с давлением р₂. Определить требуемую форму (тип) сопла, теоретическую скорость истечения и секундный массовый расход пара через сопло, если диаметр сечения, определяющего расход, d = 10 мм.

19. Воздух с абсолютным давлением р₁ и температурой t₁ = 27 °С выте-кает через суживающееся сопло с диаметром 10 мм в атмосферу (барометриче-ское давление В считать постоянным и равным 750 мм рт. ст.). Определить тео-ретическую скорость истечения и секундный массовый расход воздуха через сопло. Истечение считать адиабатным, скорость газа перед соплом и потери на трение не учитывать.

10

22. Азот с начальным абсолютным давлением р₁ и температурой t₁ выте-кает в количестве 0,3 кг/с через сопло в атмосферу (барометрическое давление

• считать постоянным и равным 750 мм рт. ст.). Определить требуемый тип со-пла, скорость истечения (если скоростной коэффициент сопла φ = 0,9) и выход-ной диаметр сопла. Истечение считать адиабатным. Скоростью на входе в со-пло и потерями на трение пренебречь.