База задач по теплоэнергетике и теплотехнике

Дано: пар адиабатно расширяется в турбине от давления p₁ = 40 бар t₁ = 390 ⁰C  до давления p₂ = 0,05 бар.

Определить влияние регенеративного отбора на характеристики цикла, принять что общий нагрев конденсата меньше на 40 ⁰C чем температура насыщения при p₁.

Определить скорость адиабатного истечения перегретого пара через сопло Лаваля, если начальные параметры пара P₁ = 3,4 МПа, t₁ = 300⁰С, а конечное давление Р₂  = 0,005 МПа. Какой была бы скорость истечения, если бы сопло было суживающим?

Оценить характер теплового режима охлаждения шара диаметром d, сделанного из материала, коэффициент теплопроводности которого равен . Коэффициент теплообмена со средой принять равным a. Можно ли в данном случае считать температурное поле шара равномерным? Численные данные приведены  в табл.24. 

Таблица 24. 

В каких трёх из перечисленных стран основная часть электроэнергии производится на ТЭС? Соответствующие цифры запишите в ответ.

1)  Кувейт

2)  Россия

3)  Бразилия

4)  Норвегия

5)  Франция

6)  Саудовская Аравия

Определить площадь поверхности и число секций водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Греющая вода движется по внутренней стальной трубе (λс=45Вт/м К) диаметром d2/d1=35/32 мм и имеет температуру на входе t1’. Расход греющей воды G1=0.6 кг/c. Нагреваемая вода движется противотоком по кольцевому каналу между трубами и нагревается от t2’ до t2’’. Внутренний диаметр внешней трубы D=48 мм. Расход нагреваемой воды G2=0.95 кг/с. Длина одной секции теплообменника 2 м.

Потерями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь.

Выполнить в масштабе схематичный чертеж теплообменника

Исходные данные:

температура греющей воды на входе– t1’ = 1000C;

начальная температура нагреваемой воды– t2’ = 70C;

конечная температура нагреваемой воды – t2’’ = 400C.

Подобрать регулирующий клапан c электроприводом для системы ГВС. Расчетная тепловая нагрузка системы ГВС Qгвс = 150 кВт. Потери давления в теплообменнике ГВС Δp_у = 5 м.вод.ст. Давление в подающем трубопроводе р_п = 8 кгс/см². Давление в обратном трубопроводе р_о = 5,5 кгс/см². Клапан установлен на подающем трубопроводе с максимальной температурой 150 ⁰С и давлением 10 кгс/см². Температурный график в зоне срезки температурного графика 75/45 ⁰С.

Для выполнения наладочных работ проверить установленный элеватор типа ВТИ, определить для него диаметр сопла и требуемый расчетный напор перед элеватором, если расчетная тепловая нагрузка системы отопления Qо = 200 кВт. Расчетный температурный график: в теплосети 150/70 ⁰С, в системе отопления 95/70 ⁰С. Расчетная потеря давления в системе отопления по результатам испытаний Δp₀ = 1,2 м.вод.ст. Фактическое располагаемое давление перед элеватором по результатам испытаний Δp_ф ^э =20 м.вод.ст.

Основные размеры стального элеватора, мм

Определить на сколько изменится мощность электродвигателя для привода дымососа котельного агрегата, если в результате наладки кпд котла увеличился на 5%. Паропроизводительность котла D=12 кг/с, работающего на челябинском буром угле состава: Cp=37,3%; Нр=2,8%; S =1,0%; Np=0,9%; Op=10,5%; Ар=29,5%; Wp=18,0%, если температура топлива на входе в топку t_T=20°С, давление перегретого пара p_пп=1,4 МПа, температура перегретого пара t_пп=275°С, температура питательной воды t_пв=100°C, кпд котлоагрегата (брутто) до наладки η =81%, величина непрерывной продувки Р=3%, коэффициент запаса подачи β₁=1,05, коэффициент избытка воздуха перед дымососом α_д=1,6, температура газов перед дымососом θд=182°С, расчетный полный напор дымососа Hд=2,2 кПа, коэффициент запаса мощности электродвигателя β₂=1,1, эксплуатационный кпд дымососа η =65%, барометрическое давление воздуха h_б=97·103 Па и потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива q₄=4%. 

Считая теплоёмкость идеального газа зависящей от температуры, определить:

- параметры газа в начальном и конечном состояниях,

- изменение внутренней энергии,

- теплоту, участвующую в процессе,

- работу расширения.

Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы №1.

Таблица №1 – Исходные данные к задаче 1

Указание. Зависимость теплоёмкости от температуры дана в таблице 1 приложения.

Приложение 1

Средние изобарные мольные теплоёмкости некоторых газов, кДж/(кмоль ×К)

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 в табл.2,1.

Таблица 2.1

Определить потери тепловой энергии с выходной абсолютной скоростью в активной ступени, если действительная скорость истечения пара из сопл с₁ = 375 м/с, скоростной коэффициент лопаток ψ = 0,87, угол наклона сопла к плоскости диска α₁ = 13°, отношение окружной скорости на середине лопатки к действительной скорости истечения пара из сопл u/c₁ = 0,45 и угол выхода пара из рабочей лопатки β₂ = 23°15'.

Произвести тепловой расчет промежуточной ступени для паровой турбины по следующим данным:

1) расход пара G, кг/с;

2) давление пара перед ступенью Р₀, МПа;

3) температура пара перед ступенью t₀, С;

4) частота вращения n, с (во всех вариантах n = 50 c);

5) скорость пара на входе в сопловую решетку с₀, м/с;

6) угол выхода потока из сопловой решетки α₁, град.;

7) средний диаметр ступени d_с = d_л = d, м.

8) Степень реактивности на среднем диаметре ρ_ср.

В результате расчета необходимо определить основные геометрические параметры решеток, подобрать их профиль, найти число лопаток в решетках, определить относительный КПД на лопатках ступени и мощность на лопатках.

Для всех вариантов принять одинаковым отношение (u/c)_a =х_а =0,5.

Тепловой расчет рекомендуется сопровождать построением процесса расширения пара на решетках ступени в hs-диаграмме, треугольников скоростей и эскиза проточной части ступени.

Степень парциальности при определении выходных высот сопловой и рабочей решеток необходимо принять. Обычно для нерегулируемых ступеней степень парциальности равна единице. Если выходная высота сопловой решетки получается меньше 16-18 мм, то следует степень парциальности принять меньше единицы.

Значения перекрыш -ориентировочно их можно принять: при выходной высоте сопловой решетки до 35 мм – 3 мм (у вершины 2 мм, у корня 1 мм), при высотах от 35 до 55 мм – 3-3,5 мм (2, 0-2,5 мм, 1 мм).

При расчете можно принять, что углы выхода потока из решеток примерно равны эффективным углам выхода решеток.

Относительный КПД на лопатках рекомендуется определять двумя способами – через проекции скоростей потока в решетках и через потери энергии в решетках. Расхождение не должно превышать точности расчета (1%).

Таблица 1.2

Исходные данные к задаче 1.2

Один килограмм воздуха с начальными параметрами t₁ = 27 0C, P₁ = 1 бар сжимается в политропном процессе до давления 10 бар, при этом его температура повышается до 700 ⁰C. Затем в изобарном процессе к нему подводится 600 кДж тепла, затем воздух адиабатически расширяется в адиабатическом процессе до первоначального давления, после чего изобарно охлаждается до начальной температуры.

Изобразить цикл в P – v диаграмме, определить показатель политропы, параметры в характерных точках, изменение энтальпии, энтропии, внутренней энергии, количества тепла и работу в каждом из процессов.

Определить также термический КПД и работу цикла.

Найти затрату теплоты на нагревание объема воздуха V=2 м³, при постоянном давлении 750 мм рт.ст., если начальная температура воздуха t₁=25º, а конечная- t₂=400ºС. Определить объем воздуха в конце процесса нагревания. Процесс изменения состояния воздуха изобразить в p-V и T-S координатах. Для объемной средней теплоёмкости воздуха при нормальных физических условиях принять линейную зависимость:

В процессе политропного сжатия воздуха G, кг/с, в одноступенчатом поршневом компрессоре отводится теплота в количестве Q, кДж/с. При сжатии от начального абсолютного давления 0,1 МПа температура воздуха возрастает от 15°С до t₂.

Определить показатель политропы процесса сжатия, конечное давление, удельную работу сжатия и техническую работу на получение сжатого воздуха, Дж/кг. Какова теоретически потребная мощность привода компрессора, кВт?

Исходные данные: G = 0,065кг/с; Q = 1,5кДж/с; р1 = 0,1МПа; t₁ = 15°С; t₂ = 95°С.

Определить, как при понижении начального давления путем дросселирования изменятся располагаемый теплоперепад и термический КПД цикла Ренкина паросиловой установки, если начальное абсолютное давление пара р₁ температура t₁, а давление в конденсаторе установки р_к = 5 кПа. Давление, до которого дросселируется пар, равно p₂. Решение задачи проиллюстрировать на is − диаграмме.

Исходные данные: 

Паровые турбины: конденсационная с регулируемым производственным отбором пара или противодавленческая работают без регенерации теплоты. Параметры пара перед стопорным или регулирующим клапаном: давление и температура  . За клапаном давление понижается до 0,95  . Давление пара за турбиной в конденсаторе или противодавление  . Давление пара в отборе  . Давление пара перед регулирующим клапаном отбора   

Определить параметры пара (энтальпии и степень сухости): в турбине, располагаемые и внутренние теплоперепады в турбине или в ее отсеках, внутреннюю  , эффективную  ,  и электрическую   , мощности при относительном внутреннем к.п.д.  , механическом к.п.д. , к.п.д. электрического генератора и расходах пара через турбину  

 Определить также для конденсационной турбины расход охлаждающей воды и кратность охлаждения в конденсаторе, если температура охлаждающей воды на входе в конденсатор + 12 ºС, а на выходе – на 3 ºС ниже температуры насыщенного пара при давлении  , количество теплоты, отданное потребителю  и относительную выработку электрической энергии на тепловом потреблении   , энергетическую эффективность комбинированного получения теплоты и электрической энергии. 

Расчет произвести при помощи h–S-диаграммы, изобразить рабочие процессы в диаграмме и показать схему расчета.  При этом расход отборного пара  принимается для турбин с отбором пара при заданном давлении пара в отборе  , для турбин без отбора пара принимать равным нулю.

Указания:

1. Параметры пара в турбине определяются при построении процесса для турбины в h–S-диаграмме (см. рис.1). Здесь   – давление пара перед клапаном    ; 0–1 – процесс дросселирования пара в клапане; 1–2S – теоретический процесс преобразования энергии пара в турбине; 1–2 – действительный внутренний процесс; 1–2отбS – теоретический процесс преобразования энергии отборного пара в турбине; 1–2отб – действительный внутренний процесс.

В резервуаре ёмкостью 125 м³ находится газ при давлении 5 бар и температуре 18 °С. Объёмный состав газа следующий: H₂ = 0,46; CH₄ = 0,32; CO = 0,15; N₂ = 0,07. После расходования некоторого количества газа давление его понизилось до 3 бар, а температура упала до 12 °С. Определить массу израсходованного коксового газа.

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.