В баллоне объемом V находится сжатый газ, при давлении Р1 и температуре t1. В результате дополнительной закачки газа в баллон давление в нем стало Р2, а температура повысилась до t2. Определить массу газа в баллоне до закачки M1 и после закачки М2, плотность газа в первом и втором состоянии ?1 и ?2, а также производительность (массовая подача) компрессора G кг/с, если для увеличения массы газа от M1 до М2 было затрачено время, равное ?. При этом давление определялось по манометру при атмосферном давлении 100 кПа.
Дано: Решение:
Газ - углекислый; При решении задачи используется уравнение
Р1 = 0,25 МПа; состояния идеального газа:
t1 = 15 0С;
V =15 м3; рV= МRT, (1)
Р2 = 25 Мпа; где р- абсолютное давление газа, Па;
t2 =40 0С; V- объем газа, м3;
? =55 мин R- газовая постоянная, отнесенная к массе
М1 - ? ?1 - ? газа, равной 1 кг, и имеющая для каждого
М2 - ? ?2 - ? газа свое значение, Дж/(кг*К);
G - ? М- масса газа, кг;
Т- термодинамическая температура, К.
Определим абсолютное давление газа в Па:
Р = Рм 106+В*103, (2)
где Рм - давление, измеряемое манометром, МПа ;
В - барометрическое давление, кПа.
Р1=0,25*106+100*103=0,35 МПа
Р2=25*106+100*103=25,1 МПа
Термодинамическая температура, К:
Т = 273+t, (3)
где t - температура, №С.
Т1=273+15=288 К
Т2=273+40=313 К
Газовая постоянная, отнесенная к 1 кг любою газа, будет равна
R = 8314,9/ ?, (4)
где ? - молекулярная масса газа, кг/кмоль.
?(СО2) =12+16*2=44 кг/кмоль
R = 8314,9/44= 188,98 Дж/(кг*К)
Количество газа, содержащегося в баллоне, кг:
M = PV/RT. (5)
М1 = 0,35*0,25/188,98*288=1,61 кг
М2 = 25,1*0,25/188,98*313=106,08 кг
Так как известно начальное количество газа M1и количество M2, то тогда массовая подача за время ? равна, кг/с:
G = (M2 - М1)/60*?, (6)
где ? - время заполнения баллона в мин.
G = (106,08 - 1,61)/60*55=0,03 кг/с
Плотность газа в начальном и конечном состояниях определяем по уравнению:
?=P/RT. (7)
?1 = 0,35/188,98*288=6,43
?2 = 25,1/188,98*313=424,34
Задача Љ 2
Водяной пар с начальными параметрами Р1 и x1=0,95 нагревается при постоянном давлении в пароперегревателе, где его температура увеличивается до t2. Затем он изоэнтропно расширяется в турбине до давления Р3. Используя диаграмму i-s для воды и водяного пара, определить: а) параметры пара Р, v, t и его состояние в трех точках процесса, а также степень сухости в точке 3; б) изменение термодинамических функций u, i, s в процессах нагрева и расширения. Изобразить процессы в диаграмме i-s.
Параметры точек 1, 2, 3 представить в таблице 4.
Дополнительно вычислить количество теплоты и величину работы в процессах 1-2 и 2-3.
Дано: Решение:
Р1 = 4,5 МПа; Решение задачи необходимо представить на
t2 = 370 0С; i-s - диаграмме водяного пара (приложение1).
Р3 = 0,002 МПа. С помощью i-s - диаграммы можно определить
по двум известным параметрам все основные
термодинамические величины для любого состояния пара. Нам необходимо построить процесс изобарного нагрева, а затем процесс адиабатного расширения. Для решения задачи необходимо объединить эти процессы. Результат такого объединения представлен на
рис. 1. Точки 1 и 3 расположены в области влажного пара. Для того, чтобы определить температуру точки в области влажного насыщенного пара, зависящую от давления, надо найти точку пересечения заданной изобары с верхней пограничной кривой. Изотерма, начинающаяся в точке пересечения, и будет искомой температурой насыщенного пара.
i
i2
i1
i3
S1 S2=S3 S
Рис. 1 Изображение процесса нагрева 1-2 и адиабатического
расширения водяного пара в координатах i-s.
Таблица 4
Љ
точки
t,
0С
Р,
МПа
i,
кДж/кг
S,
кДж/кг*К
х
V,
м3/кг
U,
кДж/кг
1
250
4,5
2710
5,8
0,95
0,05
2
370
4,5
3150
6,6
0,025
3
0,002
Для изобарного процесса изменения внутренней энергии пара:
Воздух имеет температуру t1 и относительную влажность ?1. Перед тем, как быть использованным для вентиляции помещения, воздух нагревается в калорифере, а затем увлажняется путем впрыскивания в него распыленной воды. В результате нагревания и увлажнения достигается температура t3 и относительная влажность ?3.
Дано:
t1 = 5 №C;
?1 = 80 %;
t3 = 27 №C;
?3 = 60 %.
Требуется:
а) определить с помощью I-d диаграммы влажного воздуха, приведенной в приложении 2, положение точки 2;
б) найти параметры влажного воздуха в точках 1, 2, 3 : температуру t, температуру мокрого термометра tм(№C), температуру точки росы tтp (№С), относительную влажность ?(%), влагосодержание d (г/кг с.в.), энтальпию I (кДж/кг с.в.), парциальное давление водяных паров (кПа);
в) количество теплоты q (кДж/кг с.в.), подведенной в калорифере, и количество впрыснутой в воздух влаги ?d (г/кг с.в.).
Параметры представить в таблице 6 и изобразить процесс 1-2-3 в
I-d диаграмме (условно).
Таблица 6
Љ
точки
t,
оС
tм,
оС
tтр,
оС
?,
%
P,
кПа
I,
КДж/кг
d,
г/(кг с.в.)
1
5
4
2
80
4,5
2
21
2
4,5
3
27
21
18
60
14
На рисунке 2 по значению температуры и относительной влажности нанесены точки 1 и 3. Для нахождения, положения точки 2 необходимо из точки 1 по линии d=const подняться до пересечения с линией энтальпии, проходящей через точку 3. Точка пересечения этих линий дает положение точки 2.
На рис. 3 показано определение температуры точки росы и температуры "мокрого" термометра по параметрам точки 1.
Для определения температуры точки росы необходимо из точки 1 провести вертикаль (линию d=const) до пересечения с линией
?=100 % . Изотерма, проходящая через точку пересечения. 2, определят температуру точки росы tтp.
Для определения температуры "мокрого" термометра по линии I=сonst проходящей через точку 1, спускаемся до пересечения с кривой ? =100 %. Изотерма, проходящая через точку пересечения, определит искомую температуру "мокрого" термометра.
Значение энтальпии влажного воздуха, найденное по приложению 2, необходимо выразить в кДж; (по условию 1 ккал/кг с.в.=4,186 кДж/кг с.в.).
I
d
Рис.2. Определение положение точки 2 на I - d диаграмме
влажного воздуха
I
d
Рис.3. Определение температуры точки росы
и температуры "мокрого" термометра
Задача Љ 4
По стальной трубе, внутренний и внешний диаметры которой d1 и d2 , а теплопроводность материала, трубы ?=40 Вт/(м*К), течет газ со средней температурой tг, коэффициент теплоотдачи от газа к стенке ?1. Снаружи труба охлаждается водой со средней температурой tв, коэффициент теплоотдачи от стенки к воде ?2.
Дано:
d1 = 150 мм;
d2 =162 мм;
tг = 1200 оС;
tв = 80 оС;
?1 = 60 Вт/(м2*К);
?2 = 4000 Вт/(м2*К).
Определить коэффициент теплопередачи K1 oт газа к воде, тепловой поток на 1м длины трубы q1 и температуры поверхностей трубы. Определить также температуру внешней поверхности трубы и q1, если она покрылась слоем накипи толщиной ?=2мм, теплопроводность которой ?2=0,8 Вт/(м*К)
(при ?2=сonst).
Ответить на вопрос: при каких значениях d2/d1 (близких к единице или гораздо больших единицы) цилиндрическую стенку для расчетов без большой погрешности можно заменить плоской стенкой?
Решение:
Тепловой поток, отнесенный к единице длинны трубы, измеряется Вт/м и называется линейной плотностью теплового потока.
Для однослойной цилиндрической стенки он равен :
q1=K1 ? (tг - tв). (11)
Линейный коэффициент теплопередачи равен:
1
К1 = ------------- . (12)
(1/(?1d1)) +((1/2?)*ln d2/d1)+1/?2 d2
и измеряется в Вт/(м*К), Эта величина характеризует интенсивность передачи тепла oт газа к воде через разделяющую их стенку.
Тепло дымовых газов передается через стенку котла кипящей воде. Принимая температуру газа tf1=800 №С, воды tf2 =140 №C, коэффициент теплоотдачи газами стенке ?1 =120 Вт/(м2*К) и от стенки к воде ?2 =1500 Вт/(м2*К). Решить задачу, считая стенку плоской.
Требуется определить термические сопротивления R, коэффициенты теплопередачи К и количество теплоты q, передаваемое от газов к воде через 1м2 поверхности стенки в секунду для следующих случаев:
а) стенка стальная, совершенно чистая, толщина ?2 =8 мм, теплопроводность материала стенки ?2=50 Вт/(м*К);
б) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи толщиной ?3=2 мм, теплопроводность ?3=2,0 Вт/(м*К);
в) случай "б", дополнительное условие: на поверхности накипи имеется слой масла толщиной ?4=1мм, ?4=0,1 Вт/(м*К);
г) случай "в", дополнительное условие: со стороны газов стенка покрыта, слоем сажи толщиной ?1=1 мм, ?1=0,2 Вт/(м*К).
Приняв количество теплоты, для случая "а" за 100 %, определить в процентах количество теплоты для всех остальных случаев.
Определить температуры всех слоев стенки для случая "г".
Решение:
Для расчета теплопередачи через плоскую многослойную стенку следует использовать формулу:
q = K?t = K*(tf1 - tf2),
где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)
1
К = -------- .
1 + ? ?i + 1
?1 ?i ?2
Для случая "а".
1
К = --------- = 5,917 Вт/(м2*К)
1 + 8 + 1
120 50 1500
q = 5,917*(800 - 140) = 3905,22
R =1/К = 1/5,917 = 0,169
Для случая "б".
1
К = --------- = 0,991 Вт/(м2*К)
1 + 2 + 1
120 2 1500
q = 0,991*(800 - 140) = 654,06
R = 1/0,991 = 1,009
Для случая "в".
1
К = --------- = 0,1 Вт/(м2*К)
1 + 1 + 1
120 0,1 1500
q = 0,1*(800 - 140) = 66
R = 1/0,1 = 10
Для случая "г".
1
К = --------- = 0,2 Вт/(м2*К)
1 + 1 + 1
120 0,2 1500
q = 0,2*660 = 132
R = 1/0,2 = 5
Определим в процентах количество теплоты для случая "б"
3905,22 - 100 %
654,06 - Х %
Х = (654,06*100)/3905,22 = 16,75 %
Для случая "в"
3905,22 - 100 %
66 - Х %
Х = (66*100)/3905,22 = 1,69 %
Для случая "г"
3905,22 - 100 %
132 - Х %
Х = (132*100)/3905,22 = 3,38 %
Температуры поверхностей слоев аналитически подсчитывают по равенствам для случая "в",
t1 = tf1 - q 1 ,
?1
t2 = tf1 - q 1 + ?1 ,
?1 ?1
t3 = tf1 - q 1 + ?1 + ?2 ,
?1 ?1 ?2
t4 = tf1 - q 1 + ?1 + ?2 + ?3 ,
?1 ?1 ?2 ?3
t5 = tf1 - q 1 + ?1 + ?2 + ?3 + ?4 ,
?1 ?1 ?2 ?3 ?4
Задача Љ 6
Определить удельный лучистый поток q (в ваттах на квадратный метр) между двумя параллельно расположенными плоскими стенками, имеющими температуры t1 и t2 и степень черноты ?1 и ?2, если между ними расстояние ? мало.
Дано: Решение:
?1 = 0,62; Удельный лучистый поток между двумя
?2 = 0,54; параллельными стенками можно определить по формуле:
t1 = 800 оС;
t2 = 50 оС. q = ?1,2 *С0((Т1/100)4 - (Т2/100)4),
q - ? ?1 - ?
?2 - ? где Т1 - абсолютная температура первой стенки, К;
Т2- абсолютная температура второй стенки, К;
С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/м2К4;
?1,2 - приведенная степень черноты тела, определяемая из выражения: