Расчет и анализ термодинамического процесса

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям

по дисциплине «ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА»

Ставрополь, 2017

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» для бакалавров направления подготовки 21.03.01 – «Нефтегазовое дело» содержат исходные данные и методики по расчёту и анализу термодинамического процесса, расчётам рекуперативного теплообменника и тепловой изоляции трубопровода.

Методические указания могут быть использованы при выполнении типовых расчётов в соответствующих разделах курсовых работ для других технических направлений подготовки, а также при проведении самостоятельных и практических аудиторных занятий студентов.

Составители: Вислогузов А.Н., Стоянов Н. И.

Рецензент: Воронин А.И.

Методические указания выполнены в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» для бакалавров направления подготовки 21.03.01 – «Нефтегазовое дело» и определяют единый подход к выполнению бакалаврами практических заданий в рамках аудиторных практических занятий, а также в ходе самостоятельной работы.

Методические указания к выполнению практических занятий нацеливают на стимулирование самостоятельной работы бакалавров с тем, чтобы повысить ее роль не только в формировании знаний, но и в накоплении навыков инженерных расчетов и научных исследований.

По своей структуре методические указания включают в себя положения, имеющие обязательный и рекомендательный характер.

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ практических занятий

Одним из основных методов изучения дисциплины «Термодинамика и теплотехника» является выполнение теплотехнических расчетов на практических занятиях и в ходе самостоятельной работы бакалавра.

Цель практических занятий:

· систематизация и закрепление изучаемого материала;

· увязка теоретических основ курса с решением практических задач по термодинамике и теплотехнике;

· формирование умения по осмыслению теоретических положений и использовать их в инженерной деятельности;

· приобретение умений практического принятия инженерных решений.

Подбор и изучение необходимого материала, самостоятельное выполнение практических заданий позволит бакалавру в большей степени подготовиться к принятию инженерных решений, возникающих в процессе функционирования предприятия в современных условиях.

ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ И ЕГО ОБЪЕМ

Задания к практическим занятиям

Расчет и анализ термодинамического процесса

Смесь двух газов из начального состояния 1, переходит в результате термодинамического процесса в конечное состояние 2. Определить все параметры состояния смеси или их изменения в начале и конце процесса, работу и теплоту процесса. Построить процесс в масштабе в диаграммах P-V и T-S. Исходные данные выбрать из таблицы 2.1.

Проектный расчет теплообменного аппарата

Определить поверхность нагрева рекуперативного теплообменного аппарата при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей (при движении греющей воды во внутренней трубе, а нагреваемой - по кольцевому каналу между трубами), если расход греющей воды G₁, расход нагреваемой воды G₂, начальные температуры теплоносителей t`_ж1, t`_ж2 и конечная t``_ж2, внутренний диаметр внутренней трубы d₁, толщина стенки внутренней трубы d, коэффициент теплопроводности внутренней трубы l_тр, внутренний диаметр наружной трубы d₃, длина секции теплообменника L. Температуры стенки внутренней трубы определены по результатам предварительного расчета на ЭВМ и равны: со стороны греющей жидкости t_с1; со стороны нагреваемой жидкости t_с2. Потерями тепла через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь. Данные для решения задачи выбрать по таблице 2.2 из Приложения А.

Изобразить графики изменения температур теплоносителей при обоих схемах движения теплоносителей и схему теплообменника.

Расчет тепловой изоляции трубопровода

Определить толщину изоляции трубопровода диаметром d_н, проходящего по цеху, с тем, чтобы температура на поверхности изоляции (температура покровного слоя) не превышала 40^оС. Изоляционный материал защищен покровным слоем, предохраняющим изоляцию от разрушения и влаги. Толщина покровного слоя d_п.сл, а его коэффициент теплопроводности l_п.сл = 0, 38 Вт/(мК). Определить, во сколько раз уменьшатся потери теплоты с поверхности 1 м трубопровода (теплообменного аппарата) после покрытия его тепловой изоляцией, по сравнению с неизолированным трубопроводом, если температура воздуха в помещении t_в, а температура наружной стенки трубы t_ст. Исходные данные для расчета принять по таблице 2.3.

2.2 Исходные данные и рекомендации по выполнению

практических заданий

Исходные данные для расчёта принять из таблиц 2.1, 2.2, 2.3 по первой и второй цифрам индивидуального шифра, выданного преподавателем.

Таблица 2.1 Задания к практической задачи № 1

Первая цифра шифра	Вторая цифра шифра
№	Газ	n	Массовая доля	Масса смеси m, кг	№	Газ	Параметры состояния
g₁	g₂	T₁, К	P₁, МПа	T₂, К	P₂, МПа
	O₂	1, 1	0, 1	0, 9	1, 1		CO		0, 2
	N₂	1, 2	0, 2	0, 8	2, 2		H₂O		0, 4
	H₂	1, 3	0, 3	0, 7	3, 3		SO₂
	O₂	1, 4	0, 4	0, 6	4, 4		CO₂
	N₂	1, 5	0, 5	0, 5	5, 5		CO	0, 4
	H₂	1, 6	0, 6	0, 4	1, 6		H₂O	0, 15
	O₂	1, 7	0, 7	0, 3	2, 7		SO₂	0, 1
	N₂	1, 8	0, 8	0, 2	3, 8		CO₂	1, 25
	H₂	1, 9	0, 9	0, 1	4, 9		H₂O		1, 3
	O₂	2, 1	0, 95	0, 05	5, 0		CO₂	4, 3

Примечание: атомные массы: кислорода - 16; азота - 14; водорода - 1; углерода - 12; серы – 32.

Таблица 2.3 Задания к практической задачи № 3

Первая цифра шифра	Вторая цифра шифра
№	t_в, ^оС	t_cт, ^оС	δ _{п, сл.}, мм	№	d_н, мм	Наименование типа изоляции	Коэффициент теплопроводности изоляции λ _из, Вт/(м К)
						маты минераловатные	0, 077
						маты из стекловолокна	0, 047
						пухшнур из минеральной ваты	0, 072
						плиты полужесткие стекловатные	0, 057
						жгут стекловатный	0, 044+ +0, 00023t_cр
						маты полужесткие минераловатные на фенольной связке	0, 0465+ +0, 00021t_cр
						маты из стекловолокна	0, 042+ +0, 0002t_cр
						маты минераловатные	0, 049+ +0, 0002t_ср
						плиты полужесткие стекловатные	0, 0465+ +0, 00035t_ср
						цилиндры полые минераловатные на фенольной связке	0, 051+ +0, 0002t_cр

Примечание: t_cр - средняя температура изоляционного слоя.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАНИЙ

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

6.1 Основная литература

1. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред В.Н. Луканина. – М. Высшая школа, 1999. – 671 с.

2. Кудинов В.А., Картащов Э.М. Техническая термодинамика.. Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 2000. – 261 с.

6.2 Дополнительная литература

3. Рабинович С. М. Сборник задач по технической термодинамике. – М; Машиностроение, 1973.-344 с.

4.Краснощёков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. - М.; Энергия, 1975. – 280 с.

Приложение А

Таблица 2.2

Первая цифра шифра	Геометрические размеры аппарата	Расходы теплоносителей	Вторая цифра шифра	Температуры теплоносителей	Коэффициент тепло- проводности трубы тр, Вт/м K	Температуры стенок внутренней трубы
d₁, мм	δ, мм	d₃, мм	L, м	G₁, кг/с	G₂, кг/с	t^′_Ж₁, ^oC	t^′_Ж₂, ^oC	t^″_Ж₂, ^oC	t_с₁, ^oC	t_с₂, ^oC
		2, 0		1, 0	1, 5	4, 5					68, 8	52, 9
		2, 5		3, 0	5, 2	15, 5					62, 9	48, 3
		2, 5		1, 5	1, 7	4, 5					61, 8	49, 5
		3, 0		3, 5	6, 4	19, 0					80, 9	65, 0
		2, 0		2, 0	3, 8	8, 0					77, 3	66, 1
		2, 5		3, 0	6, 8	18, 5					89, 8	73, 5
		2, 0		2, 5	3, 2	9, 5					87, 0	72, 0
		3, 0		3, 5	4, 8	12, 3					81, 8	69, 7
		1, 5		3, 0	4, 0	7, 0					95, 6	81, 0
		2, 5		1, 5	2, 6	9, 5					89, 5	78, 6

Приложение Б - Физические свойства воды на линии насыщения

t, ^oC	P*10^-5, Па	ρ, кг/м³	i, кДж/кг	С_p, кДж/(кг К)	l*10², Вт/(м К)	a*10⁸, м²/с	m10⁶, Пас	n*10⁶, м²/с	b*10⁴, K^-1	Pr
	1, 013	999, 9		4, 212	55, 1	13, 1		1, 789	-0, 63	13, 67
	1, 013	999, 7	42, 04	4, 191	57, 4	13, 7		1, 306	+0, 70	9, 52
	1, 013	998, 2	80, 91	4, 183	59, 9	14, 3		1, 006	1, 82	7, 02
	1, 013	993, 7	125, 7	4, 174	61, 8	14, 9	801, 5	0, 805	3, 21	5, 42
	1, 013	992, 2	167, 5	4, 174	63, 5	15, 3	653, 3	0, 659	3, 87	4, 31
	1, 013	988, 1	209, 0	4, 174	64, 8	15, 7	549, 4	0, 556	4, 49	3, 54
	1, 013	983, 2	251, 1	4, 179	65, 9	16, 0	649, 9	0, 478	5, 11	3, 98
	1, 013	977, 8		4, 187	66, 8	16, 3	406, 1	0, 415	5, 7	2, 55
	1, 013	971, 8	335, 0	4, 195	67, 4	16, 6	335, 1	0, 365	6, 32	2, 21
	1, 013	965, 3	337, 0	4, 208	68, 0	16, 8	314, 9	0, 326	6, 95	1, 95
	1, 013	958, 4	419, 1	4, 220	68, 3	16, 9	282, 5	0, 295	7, 52	1, 75
	1, 43	951, 0	461, 4	4, 233	68, 5	17, 0	259, 0	0, 272	8, 08	1, 60
	1, 98	943, 1	503, 7	4, 250	68, 6	17, 1	287, 4	0, 252	8, 64	1, 47
	2, 70	934, 8	546, 4	4, 266	68, 6	17, 2	217, 8	0, 233	9, 19	1, 36
	3, 62	926, 1	589, 1	4, 287	68, 5	17, 2	201, 1	0, 217	9, 72	1, 26
	4, 76	917, 0	632, 2	4, 313	68, 4	17, 3	186, 4	0, 203	10, 3	1, 17
	6, 18	907, 4	675, 4	4, 346	68, 3	17, 3	173, 6	0, 191	10, 7	1, 10
	7, 92	897, 3	719, 3	4, 380	67, 9	17, 3	162, 8	0, 181	11, 3	1, 05
	10, 3	886, 9	763, 3	4, 417	67, 4	17, 2	153, 0	0, 173	11, 9	1, 00
	12, 55	876, 0	807, 8	4, 459	67, 0	17, 1	144, 2	0, 165	12, 6	0, 96
	15, 55	866, 0	852, 5	4, 505	66, 3	17, 0	136, 4	0, 158	13, 3	0, 93

Приложение В

Таблица интерполяционных формул для определения

средних массовых теплоемкостей газов

Газ	Массовая теплоемкость в кДж/ (кг∙ К)
В пределах 0-1000 ̊ С
О₂	C_pm=0, 9127+0, 00012724∙ t_ср C_vm =0, 6527+0, 00012724∙ t_ср
N₂	C_pm =1, 0258+0, 00008382∙ t_ср C_vm =0, 7289+0, 00008382t_ср
CO	C_pm =1, 0304+0, 00009575∙ t_ср C_vm =0, 7335+0, 00009575∙ t_ср
Воздух	C_pm =0, 9952+0, 00009349∙ t_ср C_vm =0, 7084+0, 00009349∙ t_ср
H₂ O	C_pm =1, 8401+0, 00029278∙ t_ср C_vm =1, 3783+0, 00029278∙ t_ср
SO₂	C_pm =0, 6314+0, 00015541∙ t_ср C_vm =0, 5016+0, 00015541∙ t_ср
В пределах 0-1500 ̊ С
H₂	C_pm =14, 2494+0, 00059574∙ t_ср C_vm =10, 1241+0, 00059574∙ t_ср
CO₂	C_pm =0, 8725+0, 00024053∙ t_ср C_vm =0, 6837+0, 00024053∙ t_ср