База задач по теплоэнергетике и теплотехнике

Раскройте тему: Тепловые явления в классической термодинамике

Провести расчет цикла, характеризующего изменение 1 кг воздуха

1.  Приняв теплоемкости воздуха постоянными

с_р=1,005 кДж/кг·К

с_v=0,71 кДж/кг·К

R=287 Дж/кг·К

определить:

a) основные параметры состояния воздуха в характерных точках цикла

b) удельные работу l, теплоту q, изменение внутренней энергии Δu, изменение энтальпии Δh, изменение энтропии Δs в каждом процессе цикла

c) работу, производимую газом за цикл (l_ц);

d) полезно использованную за цикл теплоту (q_ц);

e) термический КПД цикла (t).

2. Результаты расчетов свести в таблицу.

3. Построить (в масштабе) цикл в pv- и Ts-координатах на миллиметровой бумаге.

Исходные данные:

Р₁=30 бар= 3МПа

Р₂=18 бар= 1,8МПа

t₁=300 ^oC

v₃=0.2 м³/кг

Рис.1. Исходные данные для расчета цикла

Воздух состоит из смеси газов (азота, кислорода и т.д.). Плотность воздуха   при нормальных условиях (температура   = 0°С и атмосферное давление   = 101325 Па) равна 1,29 кг/м³.

Определите среднюю (эффективную) молярную массу М воздуха.

Плоская стальная стенка толщиной  _cт = 1 мм омывается с одной стороны горячими газами с температурой t₁= 1050°С, а с другой стороны – водой с температурой  t₂ = 135°С. Определить коэффициент теплопередачи k от газов к воде, удельный тепловой поток q и температуры обеих поверхностей стенки, если известны коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке =70 Вт/(м²-К) и от стенки к воде =4071 Вт/(м²-К). Коэффициент теплопроводности материала стенки (сталь)  _ст = 58 Вт/(м-К).

Определить также все указанные выше величины, если стенка со стороны воды покрыта слоем накипи толщиной  н= 5 мм с коэффициентом теплопроводности  _н= 1 Вт/(м-К). Для указанных вариантов построить эпюры температур от t₁ до t₂. Объяснить в чем заключается вред отложения накипи на стальных поверхностях нагрева.

Плоская стальная стенка толщиной = 10 мм омывается с одной стороны горячим газом с температурой t₁ = 600⁰С, с другой стороны – водой с температурой t₂ = 130⁰С. Определить коэффициент теплопередачи К от газов к воде, удельный тепловой поток q и температуру обеих поверхностей стенки, если известны коэффициенты теплоотдачи от газа к стенки a₁ = 120 Вт/(м²К) и от стенки к воде a₂ = 3200 Вт/(м²К); коэффициент теплопроводности стали = 58 Вт/(м·К). Определить указанные выше величины, если стенка со стороны воды покроется слоем накипи толщиной  = 3 мм; коэффициент теплопроводности накипи l_н = 0,99 Вт/(м·К). 

       Для указанных вариантов построить эпюры температур от t₁ до t₂. Объяснить в чем заключается вред отложения накипи на стальных поверхностях нагрева.

Определить необходимую поверхность противоточного теплообменника при охлаждении 0,85 м³/ч сероуглерода от температуры кипения под атмосферным давлением до 22⁰С. Охлаждающая вода нагревается от 14 до 25⁰С; α_CS2=270 Вт/(м²·К); α_Н2О=720 Вт/(м²·К). Толщина стальной стенки 3 мм. Учесть наличие загрязнений – ржавчины и накипи, приняв ∑r_загр=0,00069 (м^2·К)/Вт. Определить также расход воды.

Аппарат изолирован слоем шамотного кирпича толщиной 125 мм [λ = 0,68 Вт/(м∙К)] и слоем изоляционной массы [λ = 0,12 Вт/(м∙К)]. Температура наружной поверхности металлической стенки аппарата 500 ⁰С.

Найти достаточную толщину изоляционного слоя, чтобы температура его наружной поверхности не превышала 50 ⁰С при температуре воздуха в цехе 25 ⁰С.

Определение времени безопасной работы личного состава в зоне интенсивного теплового излучения

В результате аварии произошел пролив жидкого топлива (метан) на площадь F =160 (м²) с последующим возгоранием при температуре наружного воздуха  t_f  = 25(^оС)  и атмосферном давлении Р = 755(мм. рт. ст.).

Определить возможное время работы личного состава в зоне интенсивного теплового излучения в радиусе R  = 26(м) от центра пролива. 

Исходные данные: F =160 (м²); Т_f = 298K; Р = 755(мм. рт. ст.) = 100717Па; R  = 26(м).

Компрессор должен сжимать аммиак от 1 ата до 100 ата. Определить какой будет мощность привода, если сжатие будет 2-х и 3-х ступенчатым и происходить по адиабате и политропе с n = 1,1. Определить расход воды через зарубашечное пространство цилиндров  в обоих случаях. Повышение температуры воды 5 ⁰С, массовый расход воздуха 0,5 кг/с и его начальная температура 20 ⁰С. Результаты свести в таблицу.

Определение энергозатрат при работе котельного оборудования

1) построить характеристики потерь Q_пот = f(Q) от нагрузки для каждого отдельно взятого котельного агрегата;

2) для заданного состава работающих котлов в соответствии вариантом определить КПД для указанного процента загрузки;

3) определить расход энергоресурсов за час в натуральных единицах измерения и в тоннах условного топлива;

4) построить круговую диаграмму распределения энергоресурсов в долях от часового расхода;

5) на основании анализа полученных данных сделать заключение об эффективности загрузки котельных агрегатов;

6) сформировать предложение по более эффективному распределению нагрузок для данных котельных агрегатов;

7) определить экономию при переходе на рекомендуемую загрузку.

Исходные данные

Нагрузочные характеристики котельных агрегатов приведены в таблицах 1.1, 1.2.

Таблица 1. 1 – Нагрузочная характеристика котла БКЗ-420

Примечание – «*» Номинальная производительность котла

Таблица 1.2 – Нагрузочная характеристика котла ТП-80 (ТП-84М)

Примечание – «*» Номинальная производительность котла

Состав работающих котлоагрегатов приведен в таблице 1.3:

Таблица 1.3 – Нагрузочная характеристика котлов

Водяной пар, имея начальные параметры Р₁ = 2 МПа и степень сухости х₁= 0,9 нагревается при постоянном давлении до температуры t₂ = 5000С (процесс 1-2) , затем дросселируется до давления Р₂ = 0,7 МПа (процесс 2-3 ).

При давлении Р₂ пар попадает в сопло Лаваля, где расширяется до давления Р₃ = 0,05 МПа (процесс 3-4). Определить, используя hS-диаграмму водяного пара:

- количество теплоты, подведенное к пару в процессе 1-2;

- изменение внутренней энергии и конечную температуру дросселирования t₃ в процессе 2-3;

- конечные параметры и скорость пара на выходе из сопла Лаваля;

- расход пара в процессе изоэнтропного (адиабатного) истечения 3-4, если площадь минимального сечения сопла f_min = 80 cм².

Все процессы показать в hS -диаграмме. 

Паровая турбина мощностью N = 17 МВт работает при начальных параметрах р₁ = 3,5 МПа и t₁ = 400 ℃. Конечное давление пара р₂ = 0,004 МПа. Определить часовой расход топлива при полной нагрузке паровой турбины, если КПД котельной установки η_ку = 0,82, теплота сгорания топлива  а температура питательной воды t_п.в = 88 °С. Считать, что турбина работает по циклу Ренкина.  

На электростанции сжигается топливо с теплотой сгорания

Определить удельный расход топлива d_э на 1 кВт∙ч, если известны следующие данные: η_к.у = 0,8; η_п = 0,97; η_t = 0,4; η_oi = 0,82; η_м = 0,98; η_г = 0,97. Определить также удельный расход теплоты на 1 кВт ∙ ч.

Найти термический КПД и мощность паровой машины, работающей по циклу Ренкина при следующих условиях: при впуске пар имеет давление р₁ = 1,7 МПа и температуру t₁ = 300 ℃; давление пара при выпуске р₂ = 0,01 МПа, часовой расход пара составляет 940 кг/ч.

Сравнить термический КПД идеальных циклов, работающих при одинаковых начальных и конечных давлениях р₁ = 2 МПа и р₂ = 0,02 МПа, если в одном случае пар влажный со степенью сухости х = 0,72, в другом сухой насыщенный, в третьем перегретый с температурой t₁ = 380 ℃;

Определить количество испаренной влаги W, потребное количество влажного воздуха L и расход теплоты на сушку Q для конвективной зерносушилки производительностью G_1s, если начальное значение относительной влажности зерна W₀₁ и конечное W₀₂ влагосодержание и температура воздуха на входе в сушилку d₁ и t₁ на выходе d₂, и t₂, температура наружного воздуха t_о = 15°С. Изобразить процесс сушки в Hd диаграмме.

Данные:

G_1s= 1600 кг/ч; d₁= 0,012 кг/(кг с.в.); t₁= 190 °C; d₂= 0,052 кг/(кг с.в.); t₂= 75 °C; W₀₁= 20 %; W₀₂= 14 %.

Ответить на  вопрос.

Как и почему процесс, изображающий в   диаграмме подготовку смеси продуктов сгорания с воздухом, отличается от изображения процесса нагревания атмосферного воздуха в калорифере?

Как доказать, что в pv диаграмме адиабатный процесс расширения 1 кг идеального газа идет более круто, чем изотермический, считая, что начальное состояние газов в обоих случаях одинаково?

Найти диаметр паропровода, по которому протекает пар при давлении р=1,2 МПа и температуре t =260°С. Расход пара М=350 кг/ч, скорость пара w=50 м/с.

Имеются следующие данные о расходе топлива по видам:

Определите общее количество потребленного в отчетном периоде топлива в условных единицах измерения.

Примечание. Теплотворная способность условного топлива принимается равной 7000 кал/кг.

Количество СО₂:

- при работе станции на угле - 964 т на 1 ГВт вырабатываемой энергии;

– при работе станции на мазуте – 726,2 т на 1 ГВт вырабатываемой энергии;

– при работе станции на природном газе - в 1,5 раза меньше, чем на мазуте;

– при строительстве солнечно-тепловой электростанции – в 134 раза меньше, чем для работающей на газе.

Найти: 

1. Сколько тонн СО₂ выделяет электростанция, использующая энергию Солнца? 

2. Какая из указанных электростанций вносит больший «вклад» в развитие глобального потепления?

Определить необходимое количество угля для отопления жилого дома на отопительный сезон. 

• площадь дома (5×10) м² (a×b = S) . 

• высота жилых комнат 3,0 м (h) 

• стены кирпичные, толщина 0,4 м (c) 

• коэффициент теплопроводности кирпичной кладки 0,27 Вт/м²·℃ (k_т) (таблица 1) 

• окна занимают 30% от наружной боковой поверхности дома (k) 

• полный коэффициент теплопередачи через окна – 2 Вт/м²·℃ (k₁) 

• полный коэффициент теплопередачи через потолок – 1 Вт/м²·℃ (k₂) 

• теплота сгорания антрацита 31000 кДж/кг (q) (таблица 2) 

• отопительный сезон 150 сут. (А) 

• температура в помещении +18°С (t₁) 

• расчетная наружная температура –20°С (t₂) 

• количество человек в доме: 2 

• коэффициент теплоусвоения 8,7 (z₁) 

• коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности ограждающей конструкции 23 (z₂).

а) Определить среднее весовое и объемное напряжение парового пространства и зеркала испарения для данных, приведенных в табл. 6 и дать оценку полученным результатам. Уровень воды расположен точно посередине барабана. Расчет вести только для цилиндрической части барабана.

б) Для тех же условий найти время t (с), за которое регулировочный запас воды в барабане снизится от 100 мм выше середины до 100 мм ниже середины барабана.

Таблица 6  

Исходные данные:

Шифр 73.

Производительность котла: D = 75 т/ч

Избыточное давление в барабане: Рб = 39 бар

Внутренний диаметр барабана: d = 1500 мм

Длина цилиндрической части барабана: L = 8400 мм

Спроектировать и рассчитать кожухотрубный теплообменник для подогрева воды насыщенным водяным паром по следующим данным:

трубы стальные, давление греющего насыщенного водяного пара в межтрубном пространстве р_г.п.=5 кгс/см², массовый расход воды в трубном пространстве Gт=24 кг/с, скорость движения воды по трубам w_в=1,1 м/с, начальная температура воды t_н=28⁰С, конечная температура воды t_к=77⁰С.

Газ массой m имеет начальные параметры – давление р₁ и температуру t₁. После политропного изменения состояния газа объём его стал V₂, давление р₂. Определить конечную температуру Т₂ газа, показатель политропы n, теплоёмкость процесса, работу, изменение внутренней энергии и энтропии. Определить эти же величины, если изменение состояния газа происходит по изотерме до того же значения конечного объёма V₂. Сделать выводы по полученным расчётным данным. Показать процессы в p–V и T–s – диаграммах.

Исходные данные:

Контрольный вопрос. Каковы общая формулировка и математи­ческое определение первого закона термодинамики? Дайте определение и объясните физическую сущность величин, входящих в уравнение первого закона термодинамики.