Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра  теплоэнергетических установок
ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Методические указания по выполнению расчетно-графических работ
для студентов специальности
5В070200 – Автоматизация и управление

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛЬ: М.Е.Туманов. Основы теплотехники. Методические указания по выполнению расчетно-графических работ  студентов специальности 5В070200 – Автоматизация и управление. – Алматы: АУЭС, 2012. – 13 с.

РГР по основам теплотехники предназначены для студентов специальности 5В070200 – Автоматизация и управление содержат задания для самостоятельной работы по курсу  «Основы теплотехники».

Библиогр.- 8 назв.

Рецензент: доцент АУЭС  Абильдинова С.К.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2012 г.

НАО «Алматинский университет энергетики и связи»  2014 г.

Содержание

Введение  

1 Расчетно-графическая работа № 1 

2 Расчетно-графическая работа № 2  

3 Расчетно-графическая работа № 3  

Приложение   1     

Приложение   2    

Список литературы   

Введение

К решению задач следует приступать  после изучения соответствующего раздела курса и  ознакомлением с ходом решения аналогичных задач по учебной литературе.

Студенты выполняют расчетно-графические работы по  разделам «Техническая термодинамика» и «Теория теплообмена».

При решении задач необходимо соблюдать следующие условия:

а) выписывать условие задачи и исходные данные;

б) решение задач сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника или были определены выше и т.д.);

 в) вычисления проводить в единицах СИ, показывать ход решения. После решения задачи нужно дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы. Всегда, если это возможно, нужно осуществлять контроль своих действий и оценивать достоверность полученных числовых данных.

1 Расчетно-графическая работа №1

Цель работы: научить определять параметры в термодинамических процессах. 

Задача 1. Считая теплоемкость идеального газа зависящей от температуры, определить: параметры газа в начальном и конечном  состояниях, изменение внутренней энергии, теплоту, участвующую в процессе, и работу расширения. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 1.1, зависимость величины теплоемкости от температуры приведена в приложении 1.

Таблица 1.1

Последняя цифра шифра	Процесс	t1,°c	t2,°c	Предпос-ледняя цифра шифра	Газ	Р1, МПа	m, кг
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	Изохорный Изобарный Адиабатный Изохорный Изобарный Адиабатный Изохорный Изобарный Адиабатный Изобарный	2400 2200 2000 1800 1600 1700 1900 2100 2300 1500	400 300 300 500 400 100 200 500 300 100	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	О2 N2 H2 N2 CO CO2 N2 H2 O2 CO	1 4 2 3 5 6 8 10 12 7	2 5 10 4 6 8 3 12 7 9

Задача 2. Для теоретического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении определить параметры рабочего тела (воздуха) в характерных точках цикла, подведенную и отведенную теплоту, работу и термический КПД цикла, если начальное давление р₁ = 0,1 МПа, начальная температура t₁ = 27,°C, степень повышения давления в компрессоре p, температура газа перед турбиной t₃.

Таблица 1.2

Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	G, кг/с	Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	G, кг/с
0 1 2 3 4	6 6,5 7 7,5 8	0 1 2 3 4	700 725 750 775 700	35 25 30 40 50	5 6 7 8 9	7,5 7 6,5 6 7	5 6 7 8 9	725 750 775 800 825	60 70 80 90 100

Определить теоретическую мощность ГТУ при заданном расходе воздуха G. Дать схему и цикл установки в PV- и TS-диаграммах. Данные для решения задачи выбрать из таблицы 1.2. Теплоемкость воздуха принять не зависящей от температуры.

2 Расчетно-графическая работа №2

Цель работы: научить проводить термодинамические расчеты циклов тепловых двигателей. 

Задача 1. Провести термодинамический расчет поршневого двигателя, работающего по циклу Дизеля, если начальный удельный объем газа n₁; степень сжатия ; начальная температура сжатия t₁; количество тепла, подводимое в цикле q₁. Определить параметры состояния в крайних точках цикла. Энтальпию (h), внутреннюю энергию (U) определить относительно состояния газа при Т₀ = 0 К, энтропию (S) — относительно состояния при условиях  Т₀ = 273 К, Р = 0,1 МПа. Построить цикл в pv- и Ts-координатах. Для каждого процесса определить работу, количество подведенного и отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию. Определить работу цикла, термический КПД цикла. Рабочее тело - воздух, масса 1 кг. R = 0,287 кДж/кг×К; С_р = 1 кДж/кг×К.      Данные к задаче выбрать из таблицы 2.1.

Таблица 2.1

Задача 2. Определить конечное состояние газа, расширяющегося политропно от начального состояния с параметрами Р₁, t₁, изменение внутренней энергии, количество подведенной теплоты, полученную работу, если задан показатель политропы (n), конечное давление Р₂. Показать процесс в PV- и TS-координатах. Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 2.2.

Таблица 2.2

3 Расчетно-графическая работа №3

Цель работы: научиться проводить тепловой расчет в теплообменниках.

Задача 1. Плоская стальная стенка толщиной d₁ (l₁ = 40 Вт/м×К) с одной стороны омывается газами; при этом коэффициент теплоотдачи равен α­₁. С другой стороны стенка изолирована от окружающего воздуха плотно прилегающей к ней пластиной толщиной d₂ (l₂ = 0,40 Вт/м×К). Коэффициент теплоотдачи от пластины к воздуху равен α­₂. Определить тепловой поток q₁ Вт/м² и температуры t₁, t₂ и t₃ поверхностей стенок, если температура продуктов сгорания t_r, а воздуха - t_в. Данные для решения задачи выбрать из таблицы 3.1.  

Таблица 3.1

Последняя цифра шифра	d1, мм	α1, Вт/м2·К	tr,°c	Предпоследняя цифра шифра	d2, мм	α­2, Вт/м2·К	tв,°c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	5 6 7 8 9 10 6 5 3 4	35 45 40 30 35 25 42 30 34 38	350 400 370 350 330 300 380 320 400 280	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	10 12 14 16 18 20 22 24 26 28	5 6 7 8 9 10 9 8 6 5	30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -20

Задача 2. Стальной трубопровод диаметром  с коэффициентом теплопроводности l₁ покрыт изоляцией в 2 слоя одинаковой толщины δ₂ = δ₃ = 50 мм., причем первый слой имеет коэффициент теплопроводности l₂, второй l₃.

Таблица 3.2

Последняя цифра шифра	l1, Вт/м·К	l2, Вт/м·К	l3, Вт/м·К	Предпоследняя цифра шифра	t1,°c	t4,°c
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	50 30 40 60 45 20 50 40 45 35	0,06 0,03 0,08 0,10 0,04 0,01 0,05 0,02 0,06 0,04	0,12 0,06 0,16 0,20 0,14 0,15 0,12 0,08 0,10 0,15	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	250 300 400 350 500 450 380 280 550 200	50 100 200 150 120 90 60 50 20 70

Определить потери теплоты через изоляцию с 1 м. трубы, если температура внутренней поверхности t₁, а наружной поверхности изоляции t₄. Определить температуру на границе соприкосновения слоев t₃. Как изменится величина тепловых потерь с 1 м. трубопровода, если слой изоляции поменять местами, т.е. слой с большим коэффициентом l наложить непосредственно на поверхность трубы? Данные выбрать из таблицы 3.2.

Пример решения задачи по разделу «Техническая термодинамика».

Определить параметры состояния (Р, V, t) в крайних точках цикла ГТУ простейшей схемы, работающей при следующих исходных данных: начальное давление сжатия Р₁=0,1 МПа; начальная температура t₁=27°С; степень повышения давления в компрессоре p=7; температура газа перед турбиной t₃=700°С. Определить для каждого процесса цикла работу, количество подведенного и отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию. Определить теоретическую мощность ГТУ при расходе воздуха G=35 кг/с, термический к.п.д. цикла. Рабочее тело ¾ 1 кг воздуха (R=0,287 кДж/(кг×К); С_р=1,004 кДж/(кг×К); С_v= =С_р-R=0,717 кДж/(кг×К)). Построить цикл в P-V и T-S координатах.

Рисунок 1- Цикл ГТУ в P-V и T-S координатах (к задаче 1)

Решение.

1. Определение параметров состояния в крайних точках цикла.

Точка 1. Из уравнения состояния  м³/кг.

Точка 2. Р₂=pР₁=7×0,1 МПа, процесс 1-2 — адиабатное сжатие, поэтому м³/кг;

К.

Точка 3. Процесс 2-3 изобарный, следовательно:

Р₂=Р₃=0,7 МПа;

Т₃=(700+273)=973 К по заданию.

 м³/кг;

Точка 4. Процесс 4-1 изобарный, значит Р₄=Р₁=0,1 МПа. Процесс 3-4 адиабатный, поэтому V₄ можно определить из уравнения адиабаты:

м³/кг;

К.

2. Определение работы, количества тепла, изменения внутренней энергии, изменения энтальпии и энтропии для каждого процесса цикла.

Процесс 1-2 (адиабатное сжатие q_1,2=0).

Термодинамическая работа:

кДж/кг;

потенциальная работа

= -223,89 кДж/кг;

изменение внутренней энергии

DU_1,2=C_vm(T₂-T₁)=0,717(523-300)=160 кДж/кг ; DU_1,2=-l_1,2;

изменение внутренней энергии DS_1,2=0;

изменение энтальпии Dh_1,2=-w_1,2=223,89 кДж/кг.

Процесс 2-3 (изобарный Р₂=Р₃).

l_2,3=R(T₃-T₂)=0,287(973-523)=129 кДж/кг;

w_2,3=0;

DU_2,3=C_vm(T₃-T₂)=0,717(973-523)=323 кДж/кг;

q_2,3=Cpm(T₃-T₂)=1,004(973-523)=452 кДж/кг;

кДж/кг;

Dh_2,3=q_2,3=452 кДж/кг.

Процесс 4-3 (адиабатное расширение).

q_3,4=0;     DS_3,4=0;

кДж/кг;

l_3,4= -DU_3,4= -298,0 кДж/кг;

кДж/кг.

Процесс 4-1 (изобарный Р=idem).

w_4,1=0;

l_4,1=R(T₁-T₄)=0,287(300-558)=-74,05 кДж/кг;

DU_4,1=C_vm(T₁-T₄)=0,717(300-558)=-185 кДж/кг;

q_4,1=C_pm(T₁-T₄)=1,004(300-558)=-259 кДж/кг;

кДж/(кг×К);

Dh_4,1=q_4,1=-259 кДж/кг.

Данные вычислений по процессам сводим в таблицу результатов

Условия замыкания круговых циклов выполнены:

Суммарная термодинамическая работа:

кДж/кг.

Таблица результатов вычислений по процессам

Процессы	l (кДж/кг)	w (кДж/кг)	Dh (кДж/кг)	DU (кДж/кг)	q (кДж/кг)	DS (кДж/(кг×К))
1-2	-160	-223,9	223,9	160	0	0
2-3	129	0	452	323	452	0,623
3-4	298	416,9	-416,9	-298	0	0
4-1	-74,05	0	-259	-185	-259	-0,623
S	193	193	0	0	193	0

кДж/кг.

Тепло в цикле, превращенное в полезную работу

.

Термический к.п.д. цикла

3. Построение цикла в P-V и T-S координатах.

Процессы, изображенные в P-V и T-S координатах, необходимо строить не менее чем по трем точкам. Для нахождения параметров промежуточных точек вначале надо принять произвольно значение одного какого-либо параметра таким образом, чтобы это значение находилось между его численными значениями в крайних точках процесса.

Последующий параметр определяется из уравнения, характеризующего данный процесс, составленного для одной (любой) из крайних точек процесса и для промежуточной точки. По найденным значениям строится цикл в координатах P-V и T-S. Масштаб выбирается произвольно, исходя из численных значений параметров.

Приложение 1

Средние изобарные мольные теплоемкости

Приложение 2

Физические параметры сухого воздуха при давлении 101,3 кПа

t, °C	102 хλ, Вт/(мК)	106хυ, м2/с	Рr
0	2,44	13,28	0,707
100	3,21	23,13	0,688
200	3,94	34,85	0,680
300	4,60	48,33	0,674
400	5,21	63,09	0,678
500	5,75	79,38	0,687
600	6,23	96,89	0,699
700	6,71	115,4	0,706
800	7,19	134,8	0,713
900	7,64	155,1	0,717
1000	8,08	177,1	0,719

Список литературы

1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика.- М.: МЭИ, 2008.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача,М.: Высшая школа, 2008.

3. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника: Учебник для вузов. -М.: Высшая школа. 2006. 5-е изд.

4. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Стефанюк Е.В. Техническая термодинамика и теплопередача- М.: Высшая школа. 2007,

5. Исаченко В.М., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -М.: Энергоиздат, 2001.

6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: ООО «ИД Бастет» 2010, 3-е изд.

7. Сб. задач по технической термодинамике / Андрианова Т.А., Дзампов Б.В. и др.- М.: «ИД МЭИ», 2006.

8. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. -М.:Эколит 2011.

9. Ляшков В.И.  Теоретические основы теплотехники. Учебное пособие.  –М.: Высшая школа, 2008. 

10. Бухмиров В.В., Щербакова Т.Н., Пекунова А.В. Теоретические основы теплотехники в примерах и задачах. Учебное пособие, ФГБОУВПО «Ивановский ГЭУ им.В.И.Ленина» - Иваново: 2013.

Сводный план 2012 г. поз. 70

Туманов Мусакул Елегенович

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Методические указания по выполнению расчетно-графических работ
для студентов специальности  5В070200 – Автоматизация и управление

Редактор Н.М.Голева
Специалист по стандартизации Н.К.Молдабекова

Подписано в печать
Формат 60х84 1/16  
Тираж     50       экз.
Бумага типографская № 1 
Объем     0,9     уч.-изд.л
Заказ          Цена 450 тенге

Копировально-множительное бюро
некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, Байтурсынова 126