Лабораторный практикум по дисциплине «Техническая физика» для студентов, обучающихся по специальности 140200 «Судовые энергетические установки» (стр. 2 )

Тема: Термодинамические процессы идеального газа.

Цель работы: ознакомление с методами расчёта термодинамических процессов и привитие практических навыков в расчётах.

Порядок проведения занятий. Вначале объясняются расчётные ситуации и методы с иллюстрациями примеров. Затем студенты решают самостоятельные индивидуальные задачи, данные которой приведены в таблице 3.1

Общие задачи

Задача 3.1 В цилиндре ДВС происходит изохорный подвод теплоты к рабочему телу, заполняющему объём камеры сгорания, равный 18 литрам, в результате чего давление рабочего тела повышается от 3,5 до 7,5 МПа. Определить конечную температуру рабочего тела и количество подведённой теплоты, если начальная температура равна 450 °С. Рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоёмкость от температуры не зависит.

Задача 3.2 Определить работу, совершаемую при изобарном расширении 2,5 кг углекислого газа до двойного объёма, если начальная температура газа равна 150 °С.

Задача 3.3 В воздухохранилище компрессорной станции емкостью 10 кубометров содержится воздух при давлении 9 бар. В течение дня в результате облучения солнцем температура сжатого воздуха повысилась от 20 до 35 °С. Определить, на сколько повысится давление в хранилище и сколько теплоты воспринято сжатым воздухом в процессе солнечного облучения.

Задача 3.4 Определить тепловой поток (тепловую мощность), передаваемую топочными газами котельной воде, если температура газов уменьшается от 800 до 400 °С. Расход газов равен 5000 кг/ч

Задача 3.85 При сжатии 2,5 кг воздуха его объём уменьшился в 4 раза. Начальная температура воздуха равна 30 °С, начальное давление - 1 бар. Какое количество теплоты должно быть отведено от газа, чтобы его температура осталась постоянной? Определить также конечное давление воздуха.

Задача 3.6 На изотермическое сжатие азота от 0,09 до 0,55 МПА затрачена работа 120 кДж. Определить начальный и конечный объём газа.

Задача 3.7 Чему равен показатель политропы для изобарного, изотермического и изохорного процессов?

Задача 3.8 В дизеле происходит адиабатное сжатие воздуха до температуры, превышающей температуру воспламенения впрыскиваемого топлива (700 °С). Температура воздуха в начале 50 °С. Какой должна быть степень сжатия (отношение объёмов в начале и конце сжатия), чтобы произошло самовоспламенение. Определить также работу сжатия 1 кг воздуха.

Задача 3.9 Определить работу адиабатного расширения 1 кг метана при изменении давления от 1 МПа до 0,15 МПа. Какое количество гелия необходимо для совершения той же работы в том же интервале давлений? Температура газов в начале процесса одинакова и равна 150 °С.

Задача 3.10 Кислород находится в состоянии, которое характеризуется давлением 2,5 бар и удельным объёмом 1,25 м3. Какое количество теплоты необходимо отвести от 3 м3 газа в политропном процессе с показателем n = ¥, чтобы последующим адиабатным сжатием газ можно было привести в состояние, характеризуемое давлением 0,4 МПа и удельным объёмом 0,6 м3/кг. Процессы изобразить в диаграммах p - v и T - s.

Контрольная задача по теме.

В газотурбинном двигателе газ политропно сжимается в компрессоре от давления р1 до давления р2, а затем изобарно нагревается в камере сгорания, в результате чего его объем увеличивается в ρ раз. Начальная температура воздуха равна Т1. Газ в камере сгорания обладает свойствами воздуха.

Определить неизвестные параметры состояния (термодинамическую температуру, давление и удельный объем) в конце процесса сжатия и после изобарного нагрева. Определить также: удельную работу сжатия, удельную теплоту изобарного процесса и изменение энтропии в рассматриваемых процессах. Изобразить процессы в диаграммах р-v и T-s. Исходные числовые данные приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Исходные данные	Первая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
р1, МПа	0,10	0,11
р2, МПа	0,4	0,5	0,6	0,7	0,4	0,5	0,6	0,8	0,5	0,6
Показатель политропы n	1,22	1,24	1,26	1,28	1,30	1,32	1,35	1,37	1,38	1,41
	Вторая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Т1, °С	290	295	300	310	305	315	320	273	280	285
ρ	2,0	2,1	2,2	2,4	2,0	2,1	2,2	2,4	2,5	2,6

Лабораторно-практическое занятие 4

Тема: Рабочий процесс поршневого компрессора

Цель работы: ознакомление с принципами работы поршневых одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров и назначением их в судовых энергетических установках.

Ознакомление с конструкциями компрессоров осуществляется по плакатам и лабораторной установке электрокомпрессора КВДГ (лаборатория судовых вспомогательных механизмов). При изучении конструкции следует обратить внимание на необходимости и особенности промежуточного охладителя воздуха в данной электрокомпрессорной установке. Следует осуществить запуск компрессора и его остановку.

После ознакомительной части следует решение термодинамических задач, связанных с определением основных показателей работы компрессоров и анализом эффективности их работы.

Вначале на примере общих задач делаются необходимые пояснения, а затем каждый студент решает индивидуальную задачу, условие которой прилагается в таблице 1.2.

Решение общих задач

Задача 4.1 Определить, каким должно быть отношение давлений в каждой ступени четырехступенчатого компрессора, если начальное давление равно 0,1 МПа, а конечное составляет 16 МПа.

Задача 4.2 Чему равна производительность идеального одноступенчатого компрессора, потребляющего 10 кВт, если температура всасываемого воздуха равна 15 С, а температура воздуха на выходе из компрессора составляет 140 С. Сжатие происходит адиабатно от начального давления 0,1 МПа.

Задача 4.3 В каком случае будет больше удельная работа компрессора – при изотермическом или политропном (с показателем политропы n=0,85) сжатии при прочих равных условиях?

Задача 4.4 Определить удельную работу в одноступенчатом компрессоре, если при начальном давлении р1 = 0,95 МПа и начальной температуре Т1=310 К сжатие происходит: изотермически, адиабатно и политропно с показателем политропы n=1,25. Сжимаемый газ – воздух. Конечное давление – 2 МПа.

Контрольная задача по теме

В многоступенчатом идеальном компрессоре газ сжимается от начального давления р1 до конечного давления рк. Объемная производительность компрессора составляет V1 (c начальными параметрами). После каждой ступени газ охлаждается в промежуточном охладителе до начальной температуры Т1.

Определить теоретическую мощность, потребляемую z-ступенчатым компрессором, и расход охлаждающей воды, прокачиваемой через компрессор и промежуточные охладители газа, если температура воды повышается на 10 К. Сжатие во всех ступенях – политропное с показателем политропы n. Какова мощность эквивалентного одноступенчатого компрессора той же производительности. Процессы, происходящие в компрессоре, изобразить на диаграмме р – V в масштабе. Исходные числовые данные приведены в таблице 6.1

Таблица 4.1

Исходные данные	Первая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
р1, МПа	0,10	0,11
р2, МПа	1,4	2,5	1,6	1,7	0.9	3,2	1,6	2,0	2,5	3,6
z	2	3	2	3	2	3	2	3	2	3
Показатель политропы n	1,22	1,24	1,26	1,28	1,30	1,32	1,35	1,37	1,38	1,41
	Вторая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Т1, °С	290	295	300	310	305	315	320	273	280	285
V1, м3/ч	20	21	22	34	44	55	60	80	85	100
Газ	Воздух	Кислород

Лабораторно-практическое занятие 5