Vvedenie_v_spets_zoach_zadan_KR
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования žКузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева¤
Кафедра теплоэнергетики
В. Н. Сливной
ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
Методические указания к практическим занятиям и контрольной работе
Рекомендовано учебно-методической комиссией направления подготовки 140100.62 žТеплоэнергетика и теплотехника¤
в качестве электронного издания для использования в учебном процессе
Кемерово 2013
2
Рецензент:
Богомолов А. Р. – д. т. н., заведующий кафедрой теплоэнергетики, председатель учебно-методической комиссии направления подготовки 140100.62 žТеплоэнергетика и теплотехника¤
Сливной Виктор Николаевич. Введение в специальность. [Электронный ресурс]: методические указания к практическим занятиям и контрольной работе для студентов направления подготовки 140100.62 žТеплоэнергетика и теплотехника¤ профиль žПромышленная теплоэнергетика¤ заочной формы обучения / В. Н. Сливной. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2013. – Систем. требования: Pentium IV, Windows XP/Vista/7 – Загл. с экрана.
Содержит основные расчетные формулы и задания для решения на практических занятиях, а также задания к контрольной работе студентов заочной формы обучения. Предназначено для закрепления теоретических знаний, развития и закрепления практических навыков при решении конкретных задач, а также выработки навыков самостоятельной работы, в том числе со специальной литературой.
КузГТУ
Сливной В. Н.
3
Оглавление |
|
Общие положения |
4 |
1. Расчет КПД прямого и обратного цикла идеальной тепло- |
5 |
вой машины. |
|
2. Характеристики топлива, расчет теплоты сгорания топлива. |
12 |
Виды и состав топлива. |
|
Задания к контрольной работе |
14 |
Темы рефератов |
14 |
Задачи |
16 |
Вопросы для подготовки к зачету |
20 |
Список литературы |
21 |
4
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Целью освоения дисциплины žВведение в специальность¤ является формирование четкого представления о выбранной специальности, о специфике отрасли и ее значении в экономике страны.
Данная дисциплина относится к дисциплинам профессионального цикла. Для ее изучения студентами необходимо обладать знаниями и умениями, приобретенными в результате освоения дисциплины žФизика¤
Целью методических указаний является оказание студентам методической помощи в проведении практических занятий при изучении дисциплины. В теоретической части методических указаний рассмотрен цикл идеальной тепловой машины (прямой и обратный) и характеристика его эффективности; понятие о топливе и его характерисимках.
Для каждой темы практического занятия приводятся теоретические положения, примеры решения задач и задачи для самостоятельного решения. Также приводятся вопросы по всему курсу для подготовки к зачету.
В рабочей программе дисциплины žВедение в специальность¤ для практических занятий предусмотрено следующее количество часов для заочной формы обучения (табл.1).
|
|
Таблица 1 |
|
Неделя |
Тема занятия |
|
|
семестра |
ЗФ |
|
|
|
|
||
1 |
1. Расчет КПД прямого и обратного цикла иде- |
2 |
|
альной тепловой машины. |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3. Характеристики топлива, расчет теплоты сго- |
2 |
|
рания топлива |
|
|
|
|
|
|
|
|
Всего |
4 |
|
|
|
|
|
Методические указания по выполнению контрольной работы
Студент-заочник, руководствуясь программой курса и методическими указаниями к ней, самостоятельно изучает материалы учебника и учебных пособий и выполняет письменные контрольные работы. Контрольная работа включает реферат и три задачи.
5
Тема реферата и варианты условий к задачам определяются по порядковому номеру студента в списке группы. При решении задач единицы измерения всех величин необходимо перевести в систему СИ.
Тема 1: Расчет КПД прямого и обратного цикла идеальной тепловой машины.
Теоретические положения
Цикл Карно (прямой).
Цикл идеальных тепловых двигателей. Первые тепловые двигатели создавались изобретателями опытным путем, поскольку не было теории не только тепловых двигателей, но и вообще ясного представления о теплоте. Цикл идеальной тепловой машины впервые рассмотрел французский ученый Сади Карно в работе žРазмышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу¤ (то есть, именно о тепловых двигателях), опубликованной в 1824 г. Этот цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, носит сейчас его имя и имеет наибольший термический КПД по сравнению с КПД любого цикла, осуществляемого в одном и том же интервале температур. Работа Карно заложила основы современной термодинамики и определила направление, в котором должны совершенствоваться тепловые двигатели. КПД цикла Карно зависит только от температуры верхнего источника (нагревателя) и температуры нижнего источники (охладителя) [2].
Цикл Карно – идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Цикл Карно состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.
Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой Тн, холодильника с температурой Тх и рабочего тела (газ или пар).
6
Цикл Карно состоит из четырёх процессов:
1.Изотермическое расширение (на рисунке – процесс
A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру Тн, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной темпера-
туре) передаёт ему количество теплоты Qн. При этом объём рабочего тела увеличивается.
2.Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке – процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
3.Изотермическое сжатие (на рисунке – процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру Тх, приводится
вконтакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Qх.
4.Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке
— процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.
Рис.1.1 Цикл Карно в координатах Р и V.
7
Рис. 1.2. Цикл Карно в координатах Т и S.
Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен:
|
L |
|
Qн Qх |
|
Т н Т х |
(2.1) |
Qн |
|
Т н |
||||
|
|
Qн |
|
|||
КПД любого теплового двигателя всегда меньше единицы! Примечание:1.если рассматривается рабочее тело произ-
вольной массы m, то работа обозначается L, а теплота Q; если рассматривается 1 кг рабочего тела, то используется понятие удельная работа, т.е. работа, совершаемая 1 кг рабочего тела, обозначается l, а теплота q.
2. Далее будем обозначать теплоту, передаваемую рабочему телу от верхнего источника (нагревателя) Q1(q1), а теплоту, передаваемую от рабочего тела холодильнику, соответственно Q 2 (q2).Также температуру верхнего источника (нагревателя) будем обозначать T1 , а температуру нижнего источника (холодильника) T2 . Эти обозначения будут использоваться как для прямого, так и для обратного циклов.
8
Пример 2.1.
Идеальный тепловой двигатель за цикл совершает работу 100 кДж, нижнему источнику теплоты отводится 50 кДж, температура нижнего источника теплоты (холодильника) 17ºС. Найти термический КПД и температуру верхнего источника теплоты (нагревателя).
Дано: Решение:
l= 100 кДж |
T2 = 273 + 17 = 290 К |
|||||
q2 = 50 кДж |
|
q 2 |
|
|
50 |
|
|
η =1 |
η =1 |
= 0,67 |
|||
|
q 1 |
150 |
||||
|
|
|
|
|||
t2 = 17 ºС
l = q1 – q2, q1 = l + q2 = 100 +50 = 150 кДж
η -?, T1 - ? |
из (2.1) ζ = 1- q2 /q1 = 1- T2 /T1 и q2 |
/q1 = T2 /T1 |
откуда T1 = T2 q1/q2 =290¼3 = 870 К или t1 = 597оС |
|
Решить самостоятельно.
Дано:
ι = 120 кДж
T2 = 7 ºС
q2 = 60 кДж
η -?, T1 - ?
9
Обратный цикл Карно По обратному циклу Карно работают холодильные установ-
ки и тепловые насосы. Характеристика эффективности обратного цикла, холодильных установок является холодильный коэффициент ε
|
q2 |
|
q2 |
|
T2 |
(2.2) |
|
l |
q1 q2 |
T1 T2 |
|||||
|
|
|
|
Рис.1.3. Обратный цикл Карно Процессы цикла:
1-2 Компрессор сжимает по адиабате пары рабочего тела – хладоагента (ХА) до верхнего давления, при этом температура возрастает до T1.
2-3 Конденсация паров в конденсаторе. Жидкий ХА поступает в детандер (расширительный цилиндр).
3-4 Адиабатное расширение в детандере. Давление р и температура T понижаются.
4-1 Парообразование, при этом теплота Q2 отнимается от охлаждаемых объектов.
Недостатки холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно: 1) сжатие влажного пара ХА по 1-2 приводит к быстрому износу компрессора; 2) применение детандера – экономический невыгодно (громоздкий и металлоемкий).
10
Пример 2.2.
В обратном цикле Карно работа цикла составляет 150 кДж, окружающей среде с температурой 27 ºС передается 250 кДж теплоты. Найти холодильный коэффициент и температуру нижнего источника теплоты.
Дано: |
Решение: |
||||||||
q1 = 250 кДж |
q1 = q2 + qц, qц = ιц => q2 = q1 – qц |
||||||||
T1 = 27 ºС |
q2 = 250 – 50 = 200 кДж |
||||||||
ιu = 50 кДж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
------------ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т2 - ?, ε - ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q2 |
=> |
|
|
200 |
|
|||
|
ε = ──── |
|
|
ε = ───── = 4 |
|||||
|
q1 – q2 |
250 – 200 |
|||||||
|
|
|
T2 |
|
; T2 (T1 T2 ) ; |
||||
|
T1 T2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
T2 |
|
T1 |
; |
T2 |
4 300 |
240 ; |
||
|
|
||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
5 |
|
|||
T2 = 273 – 240 = 33 ºС.