Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

Дальневосточный федеральный университет

(ДВФУ)

Техническая термодинамика и теплопередача

Методические указания к практическим занятиям

для бакалавров образовательных программ

18.03.01 «Химические технологии»,

18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в

химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» и

специальности 18.05.02 "Химическая технология материалов

современной энергетики"

Владивосток

2016

УДК 389:62

Методические указания содержат материалы по проведению практических занятий по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии», модуль I «Техническая термодинамика и теплопередача» для бакалавров образовательных программ 18.03.01 «Химические технологии», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» и студентов специальности 18.05.02 "Химическая технология материалов современной энергетики". Объем практических занятий - 51 часа.

Составил профессор кафедры химических и ресурсосберегающих технологий, доктор техни­ческих наук В.Н.Стаценко.

© В.Н.Стаценко. 2016

© Изд-вo ДВФУ, 2016

Тема 1. Параметры состояния рабочего тела

Давление – сила воздействия молекул рабочего тела (газа, жидкости) F на единицу поверхности S

(1.1)

Внесистемные размерности (не в СИ), широко применяемые в практике:

1 ат (техническая) = 1 кг/см² = 98,1 кПа (1.2)

1 атб (барометрическая) = 101,32 кПа =

= 760 мм рт.ст. =1,033 кг/см² = 1,033 ат (1.3)

1 мм.рт.ст. = 133,32 Па (1.4)

1 бар = 10⁵ Па = 100 кПа = 0,1 МПа (1.5)

Различают следующие виды давлений:

- барометрическое – давление атмосферы (окружающей среды), обычно измеряется в мм рт.ст., нормальное давление (над уровнем моря) Р_б = 760 мм рт.ст. = 101,32 кПа. Это давление атмосферы (кПа) от высоты h (км) над уровнем моря изменяется по следующей зависимости (е=2,71)

; (1.6)

- избыточное Р_из – давление рабочего тела выше барометрического;

- абсолютное Р_аб – суммарное давление барометрического и избыточного, (или вакуумметрического), выше абсолютного вакуума;

- вакуумметрическое Р_вак – разность давлений абсолютного и барометрического, имеет отрицательное значение

Р_вак = Р_аб – Р_бар .

Абсолютное давление в сосуде рассчитывается:

- при давлении выше атмосферного

Р’_аб = Р_из + Р_бар; (1.7)

- при давлении ниже атмосферного

Р’’_аб = Р_бар + Р_вак (1.8)

С повышением глубины погружения в водной среде повышается давление. Избыточное давление на глубине h (м) рассчитывается по следующей зависимости (Па)

(1.9)

где ρ – плотность воды, кг/м³; g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Приближенно это давление можно рассчитывать по зависимости

(1.10)

т.е. на каждые 10 м глубины давление повышается на 100 кПа = 1 ат.

Температура – показатель нагретости тела. При этом различают термодинамическую (абсолютную) температуру, измеряемую в [К], также используются другие температурные шкалы, широко применяемые в практике: Цельсия [⁰C], Фаренгейта [F]. Формулы пересчета различных температурных шкал имеют вид

. (1.11)

Температура атмосферного воздуха (К) измеряется по высоте (км) в диапазоне от 0 до 50 км по следующему закону

. (1.12)

Плотность рабочего тела – величина, определяемая отношением массы вещества m (кг) к его объему V (м³)

. (1.13)

Обратная величина называется удельным объемом

. (1.14)

Задача № 1.1

Рассчитать избыточное давления в морской воде на глубине (м)

а) h = (5000 + 100·n); б) h = (2000 + 200·n), в) h = (1000 + 150·n),

по точной (1.9) и приближенной (1.10) формулам, сравнить данные. Рассчитать абсолютное давление для результатов по точной формуле. Результаты расчетов привести в различных размерностях: ат (кГ/см²), кПа (МПа), бар. Плотность морской воды ρ=1035 кг/м³ , барометрическое давление Р_бар = 760 мм рт.ст.

Рекомендации: Избыточное давление рассчитывается по зависимостям (1.9) и (1.10), абсолютное давление – по зависимости (1.7), размерности пересчитываются по (1.2 – 1.5).

Задача № 1.2

Рассчитать избыточное давление, (давление, которое надо подать в салон) для самолета, летящего на высоте h (м), если абсолютное давление в салоне самолета Р_аб надо поддерживать на уровне:

а) Р_аб = 740 мм рт.ст., h = (5000 + 200·n); в)Р_аб = 790 мм рт.ст.,

б) Р_аб = 770 мм рт.ст., h = (4000 + 200·n); h = (2000 + 150·n).

Результаты расчетов привести в различных размерностях: ат (кГ/см²), кПа (МПа), бар.

Рекомендации: Расчет давлений произвести по зависимостям (1.6), (1.7), размерности пересчитываются по зависимостям (1.2 – 1.5).

Задача № 1.3

Рассчитать, на какую величину изменяется температура воздуха в атмосфере на высотах (м):

а) (5000 + 200·n) и (7000 + 300·n); в) (2000 + 150·n) и

б) (4000 + 200·n) и (12000 + 300·n); (10000 + 150·n).

Результаты расчетов привести в различных размерностях: К, ^оС, F.

Рекомендации: Температура воздуха находится по зависимости (1.12), пересчет размерностей – по (1.11).

Задача № 1.4

Рассчитать плотность соленой воды, если в 1 л этой воды растворено солей:

а) m_c=(10 + 1·n), г; б) m_c= (25 + 1·n), г; в) m_c= (35 + 2·n), г.

Плотность пресной воды ρ = 1000 кг/м³, 1 л = 1 дм³, 1 м³ = 10³ дм³.

Рекомендации: Рассчитать массу солей в 1 м³ воды (кг), суммировать ее с массой пресной воды, по (1.13) найти плотность.

Задача № 1.5

Определить общую силу, которая сжимает вакуумную камеру с размерами: диаметр d = 0,5 м и высотой h = 0,6 м, если в ней необходимо поддерживать абсолютное давление Р_аб = (10 + 5∙n) кПа, а барометрическое давление составляет

а) 725 мм рт.ст.; б) 810 мм рт.ст.; в) 760 мм рт.ст.

Рекомендации: Вакуумметрическое давление (разность абсолютного внутри и барометрического снаружи) находится по (1.8), затем по (1.1) рассчитывается сила F.

Задача № 1.6

Рассчитать вакуумметрическое давление (которое необходимо откачать из сосуда), если сосуд находится в горах на высоте h, а абсолютное давление в нем необходимо поддерживать Р_аб = (0,1 + 0,05∙n);

а) h = 1,5 км; б) h = 1,2 км; в) h = 1,8 км.

Результаты расчетов привести в различных размерностях: ат (кГ/см²), кПа (МПа), бар.

Рекомендации: Расчет барометрического давления произвести по (1.6), вакуумметрического – по (1.8).