1.6 Термодинамический расчет процессов с идеальной газовой углеводородной смесью
Общие указания
К выполнению первой части курсовой работы следует приступать после изучения раздела 1 и разделов учебной литературы, перечисленных ниже:
Основные понятия и определения технической термодинамики. Газовые смеси: способы задания, вычисление параметров, определение кажущейся молярной массы и газовой постоянной смеси.
Первый закон термодинамики: сущность, аналитическое выражение, выражение работы и теплоты через параметры состояния, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, теплоемкость и зависимость ее от температуры, средняя теплоемкость, теплоемкость смеси идеальных газов.
Второй закон термодинамики: сущность, термодинамическая шкала температур, аналитическое выражение.
Термодинамические процессы: классификация процессов изменения состояния, общие методы исследования процессов изменения состояния. Политропные процессы: уравнение политропы, определение показателя политропы, анализ процессов на основе сравнения показателей политропы, процессы в координатах P-v и T-S, частные случаи политропного процесса: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный.
Исходные данные для выполнения первой части курсовой работы выбираются из табл. 2 и 3 по последней цифре шифра (номера зачетной книжки) студента. Вариант работы должен соответствовать заданию и шифру студента.
Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.
При выполнении курсовой работы необходимо соблюдать следующие условия:
выписать условие задания и исходные данные;
при расчете указать условное обозначение, расчетную формулу или способ получения для каждой величины;
поместить подробный расчет величины для адиабатного процесса (
),
при этом рекомендуется пользоваться
микрокалькулятором;вычисления вести до третьего знака после запятой, проводить их в единицах СИ, подставлять размерности;
до выполнения вычислений на ПЭВМ необходимо представить расчеты для проверки преподавателю;
по результатам расчета для всех показателей необходимо представить сводную таблицу (форма, табл. 1);
после выполнения задания нужно дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы.
Изображение процессов в P-v- и T-S-координатах необходимо оформить на миллиметровке.
Порядок расчета величин и основных характеристик термодинамических процессов с идеальной газовой смесью должен соответствовать изложению раздела 1.
Контроль правильности расчета проводится по следующим основным признакам:
конечные параметры состояния и величины в сводной табл. 1 должны по величине постепенно возрастать и уменьшаться по мере увеличения показателя от
до
;относительная ошибка расчета, вычисленная путем подстановки найденных значений величин в уравнение первого начала (26), не должна превышать 3%.
На основании
полученных расчетом параметров
и
термодинамические процессы для всех
заданных показателей политропы
изображаются в P-v-
и T-S-координатах.
Построение P-v-
и T-S-диаграмм
начинают с выбора масштаба координатных
осей (
)
с таким расчетом, чтобы на II
формате миллиметровки поместить
наибольшие изменения параметров (от
до
,
от
до
и т.д.) при конкретных исходных данных.
Затем при построении
P-v-диаграммы
наносят начальное состояние (
),
конечное (
)
и при необходимости промежуточные точки
для каждого процесса (каждого значения
),
по этим точкам проводят процессы (от
начального до конечного состояния).
На рис. 1.12 в координатах P-v изображено примерное расположение политропных процессов с общим начальным состоянием ( ) для различных значений показателя политропы ( ) при сжатии.
При
построении диаграммы T-S
после выбора масштаба наносят на
диаграмму точку
и проводят изотерму
,
затем проводят адиабату
(
);
точка пересечения изотермы (
)
и адиабаты (
)
изображает начальное состояние для
всех процессов; конечные состояния для
каждого процесса (каждого значения)
находят по соответствующим конкретным
для процесса значениям
.
Если в итоге построения соединение конечных состояний всех процессов дает плавную кривую, имеющую направление изохоры в T-S-диаграмме, то расчеты и построение произведены правильно.
На рис. 1.13 изображена примерная T-S-диаграмма политропных процессов для расширения.
Рис.
1.12 – PV-диаграмма
политропных процессов (
)
Рис.
1.13 – TS-диаграмма
политропных процессов (
)
ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПЕРВОГО РАЗДЕЛА КУРСОВОГО ПРОЕКТА
1 кг газовой смеси
в распределительной газовой сети (в
емкости хранения сжиженных нефтяных
газов, в газовом пространстве резервуара
для нефти) в зависимости от состава
совершает термодинамические процессы
от состояния 1 до состояния 2 с показателями
.
Объем газовой
смеси во всех процессах изменяется в
раз.
Смесь обладает свойствами идеального газа.
Начальное (в
состоянии 1) давление
.
Определить основные
параметры газовой смеси в состоянии 1
(
)
и состоянии 2 (
),
изменение внутренней энергии, энтальпии,
энтропии смеси, работу, внешнюю теплоту
процесса, коэффициент распределения
энергии в процессах.
Исходные данные для варианта ___ принять по двум последним цифрам шифра зачетной книжки по табл. 2 и 3.
Таблица 1
СВОДНАЯ ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Показатель политропы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Относительная ошибка расчета, % |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Наименование величины |
Последняя цифра шифра |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
Вариант – 1 (для процессов в распределительной газовой сети) |
|||||||||||
Состав газовой смеси по объему, % |
|
90 |
80 |
90 |
80 |
85 |
85 |
95 |
94 |
94 |
94 |
EMBED Equation.3
|
6 |
15 |
- |
- |
8 |
8 |
2 |
- |
2 |
1 |
|
EMBED Equation.3
|
- |
- |
6 |
15 |
3 |
5 |
- |
2 |
- |
2 |
|
EMBED Equation.3
|
2 |
2 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
2 |
1 |
- |
|
EMBED Equation.3
|
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
- |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
EMBED Equation.3
|
1 |
2 |
2 |
2 |
- |
1 |
1 |
1 |
2 |
1 |
|
Давление EMBED
Equation.3
|
2 |
4 |
6 |
8 |
3 |
5 |
7 |
9 |
15 |
20 |
|
Температура
EMBED Equation.3
|
17 |
27 |
37 |
47 |
17 |
27 |
37 |
47 |
37 |
47 |
|
EMBED Equation.3
|
1,5 |
1,3 |
1,5 |
1,7 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
1,2 |
1,5 |
|
Вариант – 2 (для процессов в распределительной газовой сети) |
|||||||||||
Состав газовой смеси по объему, % |
EMBED Equation.3
|
90 |
80 |
90 |
80 |
85 |
85 |
95 |
94 |
94 |
94 |
EMBED Equation.3 |
6 |
15 |
- |
- |
8 |
8 |
2 |
- |
2 |
1 |
|
EMBED Equation.3 |
- |
- |
6 |
15 |
3 |
5 |
- |
2 |
- |
2 |
|
EMBED Equation.3 |
2 |
2 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
2 |
1 |
- |
|
EMBED Equation.3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
- |
1 |
1 |
1 |
2 |
|
EMBED Equation.3 |
1 |
2 |
2 |
2 |
- |
1 |
1 |
1 |
2 |
1 |
|
Давление EMBED Equation.3 , Па |
25 |
25 |
25 |
30 |
30 |
30 |
35 |
35 |
35 |
35 |
|
Температура EMBED Equation.3 |
2 |
7 |
12 |
7 |
12 |
17 |
7 |
12 |
17 |
27 |
|
EMBED Equation.3 |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
1,7 |
1,9 |
2,1 |
1,3 |
1,5 |
1,2 |
1,4 |
|
Продолжение таблицы 2
|
|||||||||||
Наименование величины |
Последняя цифра шифра |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
Вариант – 3 (для процессов в емкостях хранения сжиженных нефтяных газов) |
|||||||||||
Состав газовой смеси по объему, % |
EMBED Equation.3 |
60 |
40 |
60 |
40 |
70 |
50 |
35 |
55 |
45 |
25 |
EMBED Equation.3
|
35 |
55 |
35 |
55 |
25 |
45 |
60 |
40 |
50 |
70 |
|
EMBED Equation.3
|
3 |
- |
- |
3 |
- |
3 |
2 |
- |
2 |
- |
|
EMBED Equation.3
|
- |
3 |
2 |
- |
3 |
- |
2 |
3 |
2 |
3 |
|
EMBED Equation.3 |
1 |
1 |
2 |
1 |
1 |
1,5 |
1 |
1 |
- |
1 |
|
EMBED Equation.3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0,5 |
- |
1 |
1 |
1 |
|
Давление EMBED Equation.3 , Па |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
1,45 |
1,55 |
1,65 |
1,75 |
|
Температура
EMBED Equation.3
|
22 |
27 |
32 |
22 |
27 |
32 |
22 |
27 |
32 |
37 |
|
EMBED Equation.3 |
0,8 |
1,2 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
0,9 |
1,2 |
1,1 |
1,2 |
|
Вариант – 4 (для процессов в газовых пространствах емкостей для нефти) |
|||||||||||
Состав газовой смеси по объему, % |
EMBED Equation.3
|
1 |
- |
1 |
- |
5 |
1,0 |
- |
1 |
- |
- |
EMBED Equation.3
|
9 |
2 |
4 |
5 |
6 |
4 |
4 |
5 |
3 |
2 |
|
EMBED Equation.3 |
25 |
20 |
28 |
21 |
25 |
20 |
17 |
22 |
18 |
23 |
|
EMBED Equation.3 |
15 |
19 |
17 |
18 |
14 |
15 |
5 |
12 |
8 |
10 |
|
EMBED Equation.3 |
- |
4 |
- |
1 |
- |
- |
4 |
- |
1 |
5 |
|
EMBED Equation.3
|
50 |
55 |
50 |
55 |
50 |
60 |
70 |
60 |
70 |
60 |
|
Давление EMBED Equation.3 , Па |
1,1 |
1,08 |
1,06 |
1,04 |
1,02 |
1,00 |
1,02 |
1,00 |
1,02 |
1,00 |
|
Температура EMBED Equation.3 |
47 |
42 |
37 |
32 |
27 |
27 |
32 |
37 |
42 |
47 |
|
EMBED Equation.3 |
1,2 |
1,16 |
1,14 |
1,12 |
1,10 |
0,90 |
0,92 |
0,92 |
0,90 |
0,92 |
|
* EMBED Equation.3 – содержание воздуха в газовой смеси, % |
|||||||||||
Продолжение таблицы 2
|
|||||||||||
Наименование величины |
Последняя цифра шифра |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
Вариант – 5 (для процессов в газовых пространствах емкостей для бензина, реактивного керосина) |
|||||||||||
Состав газовой смеси по объему, % |
EMBED Equation.3 |
1,0 |
0,5 |
1,0 |
0,5 |
0,2 |
1,0 |
0,5 |
1,0 |
0,5 |
0,2 |
EMBED Equation.3 |
12,0 |
10,0 |
8,0 |
9,0 |
10,0 |
12,0 |
10,0 |
8,0 |
9,0 |
10,0 |
|
EMBED Equation.3 |
5,0 |
4,0 |
8,0 |
5,0 |
8,8 |
5,0 |
4,0 |
8,0 |
5,0 |
8,8 |
|
EMBED Equation.3 |
2,0 |
0,5 |
3,0 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
0,5 |
3,0 |
0,5 |
1,0 |
|
EMBED Equation.3 * |
80,0 |
85,0 |
80,0 |
85,0 |
80,0 |
80,0 |
85,0 |
80,0 |
85,0 |
80,0 |
|
Давление EMBED Equation.3 , Па |
2,0 |
1,8 |
1,6 |
1,5 |
1,4 |
1,0 |
1,0 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
|
Температура
EMBED Equation.3
|
57 |
52 |
47 |
42 |
37 |
57 |
52 |
47 |
42 |
37 |
|
EMBED Equation.3 |
1,5 |
1,4 |
1,3 |
1,2 |
1,1 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
|
* EMBED Equation.3 – содержание воздуха в газовой смеси, % |
|||||||||||
,
Па
*
Таблица 3
Наименование величины |
Последняя цифра шифра |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
Варианты 1 – 5 |
|||||||||||
Показатель политропы |
EMBED Equation.3
|
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
EMBED Equation.3
|
0,20 |
0,40 |
0,40 |
0,50 |
0,60 |
0,70 |
0,20 |
0,30 |
0,40 |
0,50 |
|
EMBED Equation.3
|
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
|
EMBED Equation.3
|
1,10 |
1,15 |
1,20 |
1,25 |
1,25 |
1,20 |
1,15 |
1,10 |
1,05 |
1,20 |
|
EMBED Equation.3
|
k |
k |
k |
k |
k |
k |
k |
k |
k |
k |
|
EMBED Equation.3
|
1,50 |
1,60 |
1,70 |
1,80 |
1,90 |
2,00 |
1,55 |
1,65 |
1,75 |
1,85 |
|
Рис. 1.14 – Зависимость теплоемкости метана от температуры
Рис. 1.15 – Зависимость теплоемкости этана от температуры
Рис. 1.16 – Зависимость теплоемкости пропана от температуры
Рис. 1.17 – Зависимость теплоемкости н-бутана от температуры
Рис. 1.18 - Зависимость теплоемкости н-пентана от температуры
Рис.
1.19 - Зависимость теплоемкости н-гексана
от температуры
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ЭКЗАМЕН
Дайте определение ТС, термодинамического процесса.
Назовите термические и калорические параметры состояния.
Дайте определение идеального газа.
Что такое идеальная газовая смесь?
Дайте определение удельной теплоемкости.
К каким единицам количества вещества принято относить теплоемкость?
Какие факторы влияют на теплоемкость?
Дайте определение объемной теплоемкости и теплоемкости при постоянном объеме.
Какая теплоемкость больше EMBED Equation.3
или EMBED Equation.3
,
почему?Напишите зависимость между истинной и средней теплоемкостью.
Изобразите зависимость теплоемкости от температуры.
Как можно выразить изменение внутренней энергии идеального газа в произвольном термодинамическом процессе?
В каком процессе изменения состояния все подведенное тепло расходуется на изменение внутренней энергии?
В каком процессе подведенное к газу тепло равно изменению энтальпии?
Нужно ли подводить или отводить тепло от газа при изотермическом сжатии?
Как и почему изменяется температура при его адиабатическом сжатии и расширении?
Чему равен показатель политропы для основных процессов изменения состояния идеальных газов?
Каков физический смысл показателя политропы?
Как можно графически показать, что данный процесс является политропным с постоянным показателем?
В каких пределах изменяется показатель политропы в процессах идеальных циклов тепловых машин?
Какой знак имеет EMBED Equation.3
и EMBED Equation.3
в политропынх процессах расширения:
а) для EMBED Equation.3
;
б) для EMBED Equation.3
;
в) для EMBED Equation.3
;
в какой из этих групп политроп теплоемкость
отрицательная?В каком из рассмотренных Вами политропных процессов подведено больше тепла, совершено больше работы?
В каком процессе EMBED Equation.3
?Изобразите основные политропные процессы, проходящие через заданную точку в координатах P-v и T-S.
Какая доля подведенного тепла в изобарном процессе идет на изменение внутренней энергии?
При каких условиях подвод тепла к газу сопровождается повышением температуры и при каких – понижением?
При каких условиях отвод тепла от газа сопровождается понижением температуры и при каких – повышением?
ЛИТЕРАТУРА
Базаров И.П. Термодинамика. – М.: Высшая школа, 1983. – 344 с.
Жуковский В.С. Термодинамика. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 304 с.
Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности). – М.: Недра, 1987. – 349 с.
Программа по теплотехническим дисциплинам для инженерно-технических специальностей вузов. – М.: Государственный комитет СССР по народному образованию, 1988. – 36 с.
Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. – 344 с.
Андрианова Т.Н., Дзампов В.В., Зубарев В.Н. и др. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 240 с.
Загорученко В.А., Бикчентай Р.Н., Вассерман А.А. и др. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов: Справочное пособие. – М.: Недра, 1980. – 320 с.
Термодинамика (Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величн): Сборник определений. – М.: Наука. – 1984. Вып. 103. – 40 с.
Чечеткин А,В., Занемонец Н.А. Теплотехника. – М.: Высшая школа, 1986. – 344 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.1
РАСЧЕТ СРЕДНЕЙ МАССОВОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ КОМПОНЕНТЫ ГАЗОВОЙ СМЕСИ
Для углеводородных газов средняя массовая теплоемкость при постоянном давлении EMBED Equation.3
может приниматься приближенно при
EMBED Equation.3
по соответствующим графикам на рис.
2.3...2.8.Для неуглеводородных составляющих средняя массовая теплоемкость при постоянном давлении EMBED Equation.3 должна рассчитываться через истинную мольную теплоемкость при постоянном давлении EMBED Equation.3
в следующей последовательности:рассчитывается средняя мольная теплоемкость по соответствующей формуле табл. 1 приложения 1:
EMBED
Equation.3
;
например для воздуха:
EMBED
Equation.3
где
EMBED Equation.3
;
по полученному значению средней мольной теплоемкости определяется средняя массовая:
EMBED
Equation.3
.
Для ориентировочных расчетов принимают теплоемкость не зависящей от температуры. Постоянные мольные теплоемкости приведены в табл. 2 приложения 1.
Продолжение приложения 1.1
Таблица 1
Интерполяционные формулы для истинных мольных теплоемкостей неуглеводородных газов
Газ |
Мольная теплоемкость при EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
Воздух |
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
EMBED Equation.3
|
Продолжение приложения 1.1
Таблица 3
Молярные
массы EMBED Equation.3
и газовые постоянные EMBED Equation.3
компонентов газовой смеси
Газ |
Химическая формула |
Молярная масса, EMBED Equation.3
|
Газовая постоянная, EMBED Equation.3
|
Метан |
EMBED Equation.3
|
16,04 |
518,67 |
Этан |
EMBED Equation.3
|
30,07 |
276,64 |
Пропан |
EMBED Equation.3
|
44,09 |
197,70 |
н-Бутан |
EMBED Equation.3
|
58,12 |
143,08 |
н-Пентан |
EMBED Equation.3
|
72,15 |
115,23 |
н-Гексан |
EMBED Equation.3
|
86,17 |
69,48 |
Кислород |
EMBED Equation.3 |
32,00 |
259,0 |
Водород |
EMBED Equation.3 |
2,02 |
4124,0 |
Азот |
EMBED Equation.3 |
28,03 |
296,8 |
Окись углерода |
EMBED Equation.3 |
28,01 |
296,8 |
Водяной пар |
EMBED Equation.3 |
18,02 |
461 |
Двуокись углерода |
EMBED Equation.3
|
44,01 |
188,9 |
Сернистый газ |
EMBED Equation.3 |
64,06 |
129,8 |
Воздух |
- |
28,96 |
287,0 |
