Лабораторный практикум по дисциплине «Техническая физика» для студентов, обучающихся по специальности 140200 «Судовые энергетические установки» (стр. 4 )

Тема: Термодинамические процессы водяного пара

Цель работы: ознакомление с методами расчёта процессов на основе термодинамических диаграмм и таблиц.

Порядок проведения занятия: первый час занятия отводится на объяснение учебного материала, ознакомление с диаграммами и таблицами и решение общих задач, а второй час – решению индивидуальных задач, условия которых даны в таблице 7.1.

Общие задачи

Задача 7.1 Определить температуру, удельный объём, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию 1 кг сухого насыщенного пара при давлении 1 МПа, используя:

- таблицы воды и водяного пара,

- диаграмму i - s.

Задача 7.2 Сухой насыщенный пар имеет удельный объём 0,2 м3/кг Определить температуру, давление, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию 1 кг пара.

Задача 7.3 Определить давление, объём, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию 5 кг сухого насыщенного пара при температуре 280 °С.

Задача 7.4 Определить температуру, удельный объём, энтальпию, энтропи. и внутреннюю энергию 1 кг влажного пара, имеющего давление 25 бар и степень сухости 0,95.

Задача 7.5 Определить степень сухости пара, если 5 кг пара занимают объём 1, 1 кубического метра при давлении 0,8 МПа.

Задача 7.6 Какой объём занимают 200 кг влажного пара при давлении 15 бар и степени сухости 0,87?

Задача 7.7 Водяной пар имеет температуру 350 °С и давление 1,5 МПа. Определить удельный объём, удельную энтальпию и удельную внутреннюю энергию пара.

Задача 7.8 Какое количество теплоты нужно затратить в парогенераторе для получения 1 кг перегретого пара с давлением 25 бар и температурой 350 °С. Температура питательной воды, поступающей в парогенератор, равна 100 °С. Изобразить процесс подвода теплоты на диаграмме T - s.

Задача 7.9 Определить часовой расход влажного пара на подогрев 600 кг/ч мазута на 50 °С, если начальное давление пара равно 3 бар, а его степень сухости - 0,94. В подогревателе мазута пар конденсируется, и конденсат на выходе из подогревателя имеет температуру 90 °С. Теплоёмкость мазута составляет 2,2 кДж/(кг К).

Задача 7.10 Перегретый водяной пар с начальным давлением 5 бар и начальной температурой 250 °С изотермически сжимается до объёма, в 2 раза меньше первоначального. Определить параметры конечного состояния (p, v,i, s), удельную теплоту и работу процесса, а также изменение внутренней энергии. Изобразить процесс в диаграммах p-v, T-s и i-s.

Задача 7.11 Определить теоретическую работу взрыва парового котла, содержащего паровой объём 5 куб. м Давление пара в котле составляет 1,5 МПа, степень сухости пара равна 0,97. Взрыв рассматривается как адиабатное расширение пара до давления 1 бар.

Задача 7.12 В пароперегревателе парового котла при постоянном давлении 35 бар происходит перегрев пара от 240 до 380 °С. Определить, тепловой поток (тепловую мощность), передаваемый в пароперегревателе, если в час через него проходит 10 тонн пара. Определить также изменение удельного объёма пара в процессе пароперегрева. Изобразить процесс в диаграмме i - s.

Задача 7.13 Отработавший в паровой машине пар поступает в конденсатор при давлении 0,15 бар. Расход охлаждающей воды в конденсаторе на 1 кг пара составляет 33 кг, при этом температура воды возрастает на 15 °С. Определить начальное давление и степень сухости пара, поступающего в конденсатор, если процесс расширения пара в машине адиабатный, и к машине пар поступает со степенью сухости 0,97.

Задача 7.14 Адиабатный процесс с водяным паром может быть приближенно описан эмпирическим уравнением . Определить числовое значение показателя k для адиабатного расширения пара от давления 4 МПа до давления 1 МПа при начальной температуре пара 400 °С.

Задача 7.15 Определить теоретическую скорость истечения и расход пара при истечении его из сопла Лаваля, если начальное давление пара составляет 20 бар, начальная температура 350 °С, конечное давление - 1,5 бар, а площадь минимального поперечного сечения сопла равна 8 кв. см.

Задача 7.16 Насыщенный водяной пар с давлением 16 бар и степенью сухости 0,95 вытекает через суживающееся сопло в среду, имеющую давление 12 бар. Определить теоретическую скорость истечения, параметры состояния пара (x, i, s, t) на выходе из сопла и часовой расход пара, если площадь сопла в устье равна 20 кв. см.

Задача 7.17 Судовой парогенератор вырабатывает в час 1800 кг сухого насыщенного пара давлением 0,9 МПа. Какова должна быть площадь сечения предохранительного клапана, чтобы при внезапном прекращении отбора пара давление не превышало 0,9 МПа?

Практическое занятие 8

Тема: Процессы истечения газов и паров

Цель работы: ознакомление с методами расчёта процессов истечения из сопел в различных режимах.

Порядок проведения занятия: первый час занятия отводится на объяснение учебного материала и решение общих задач, а второй час – решению индивидуальных задач, условия которых даны в таблице 8.1.

Общие задачи

Задача 8.1 Определить теоретическую скорость истечения и конечную температуру воздуха, если начальное давление равно 5 МПа, начальная температура составляет 27 °С, а конечное давление - 3 МПа. Истечение происходит в суживающемся сопловом канале.

Задача 8.2 Кислород протекает по трубопроводу, в который вставлено суживающееся сопло. Давление перед соплом равно 2,5 МПа, а за соплом - 0,5 МПа. Определить скорость истечения и размеры выходного сечения сопла при расходе - 3 кг/с и температуре перед соплом 350 К.

Задача 8.3 Воздух вытекает в атмосферу через суживающееся сопло. Определить теоретическую скорость истечения и давление в устье сопла, если на входе в него поддерживается давление 20 бар и температура 800 К. Параметры атмосферного воздуха соответствуют нормальным условиям.

Задача 8.4 Для сопла Лаваля определить площади минимального и выходного сечений, длину расширяющейся части, теоретическую скорость углекислого газа на выходе, если давление газа на входе в сопло составляет 3 МПа, температура на входе - 1500 К, противодавление 1,1 бар, массовый расход азота - 100 кг/с и угол конусности - 12 °. Поперечное сечение сопла - круглое.

Задача 8.5 Топка судового парогенератора работает с разряжением в фурме, равном 6 мм вод. ст. Определить теоретическую скорость и расход воздуха через цилиндрическую круглую фурму диаметром 200 мм, если температура воздуха в котельном отделении составляет 37 °С и барометрическое давление равно 750 мм рт. ст.

Задача 8.6 В баллоне большого объема находится сжатый воздух при давлении 5 МПа. Температура этого воздуха – 20 °С. Определить, какую температуру будет иметь этот воздух при истечении в окружающую среду с давлением 0,1 МПа:

- через сопло Лаваля,

- через суживающееся сопло.

Задача 8.7 В баллоне емкостью 1 м3 находится сжатый воздух под давлением 5 МПа. В стенке баллона образовалась трещина, поперечное сечение которой составляет 4 мм2. Определить необходимую производительность компрессора для поддержания постоянного давления в прохудившемся баллоне. Давление окружающей среды составляет 1 бар. Температура окружающей среды и баллона равна 293 К.

Контрольная задача по теме

Построить теоретическую зависимость скорости истечения ω и массового расхода газа M от отношения , задаваясь значениями р2 в пределах от 0 до р1. Площадь выходного сечения сопла составляет А. Графически найти критические значения и М. Числовые исходные данные принять из таблицы 5.1.

Таблица 8.1

Исходные данные	Первая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
р1, МПа	0,8	1,0	1,5	2,0	2,5	0,8	1,6	1,8	2,5	2,8
Т1, К	400	500	600	700	800	650	850	750	550	770
	Вторая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
А, см2	290	295	300	310	305	315	320	273	280	285
Газ	Азот	Кислород

Лабораторно-практическое занятие 9

Тема: Циклы холодильных установок и тепловых насосов

Цель работы: Ознакомление с принципом действия холодильных установок и тепловых насосов. Изучение методов расчёта обратных циклов.

Порядок проведения занятия:

- ознакомление студентов с рабочими и макетными установками холодильных машин и кондиционера (в лаборатории СХУ 005Л);

- ознакомление с расчётными диаграммами и свойствами холодильных агентов;

- изучение методов расчёта обратных циклов и анализа эффективности холодильных машин.

Общие задачи

Задача 9.1 Определить энтальпию хладона R-22 при давлении 10 бар и степени сухости х = 0,9.

Задача 9.2 Определить, сколько теплоты необходимо подвести к 1 кг аммиака, чтобы при давлении 5 бар перевести сухой насыщенный пар в перегретый с температурой, на 30 С превышающей температуру насыщения?

Контрольная задача

Определить холодильный коэффициент цикла холодильной установки, если давление конденсации составляет рк, давление в испарителе равно ри, , в компрессор поступает сухой насыщенный пар и, после конденсации, хладон не переохлаждается.

Таблица 9.1

Исходные данные	Первая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
р1, МПа	0,10	0,11
рк	4	4,5	5	3,3	3,5	3,7	3,9	4,2	4,4	4,6
	Вторая цифра варианта
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Рабочее тело	R717	R12	R13	R22	R717	R22	R12	R717	R12	R22

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

В 6 СЕМЕСТРЕ

Лабораторно-практическое занятие 10 – Теплопроводность

Цель работы: изучение особенностей процесса теплопроводности и методов расчёта.

Содержание занятия.

Практическая часть занятия посвящается решению задач с использованием уравнения Фурье в различных геометрических и граничных условиях. Задачи для решения приведены ниже.

Задача 10.1 Определить температуры на границах слоёв в плоской трёхслойной стенке, состоящей из стального листа толщиной 10 мм, минералватных блоков толщиной 55 мм и асбестового листа толщиной 5 мм. Температура наружной поверхности стального листа составляет 250 °С, а плотность теплового потока равна 200

Задача 10.2 Определить часовую потерю теплоты через 1 квадратный метр стенки из красного кирпича толщиной 250 мм, если температура внутренней поверхности стенки равна 110 °С, а наружной - минус 10 °С.

Задача 10.3 Определить, какой толщины должна быть стенка из деревянного бруса, чтобы потери теплоты через 1 квадратный метр составили 300 Вт/м2 ? Температуры на поверхностях стенки равны 60 °С и 15 °С.

Задача 10.4 Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стенки котла, состоящей из листового железа толщиной 5 мм, листового асбеста толщиной 20 мм и кирпичной кладки из огнеупорного кирпича толщиной 130 мм.

Задача 10.5 В судовом газотрубном котле тепловая нагрузка жаровой трубы составляет 40 кВт/м2 . Толщина стальной стенки жаровой трубы равна 20 мм. Определить разность температур на наружной и внутренней поверхностях трубы:

- при чистой её поверхности,

- при наличии со стороны воды слоя накипи толщиной 2 мм с коэффициентом теплопроводности λ=1,2 Вт/(м К),

- при наличии этого же слоя накипи и слоя сажи толщиной 1 мм с газовой стороны λ = 0,2 Вт/(м К).

Стенку ввиду малой кривизны можно считать плоской

Задача 10.6 Определить суточную потерю теплоты стальным паропроводом диаметром 30/38 мм длиной 25 м, покрытым слоем изоляции из минеральной ваты толщиной 40 мм. По паропроводу движется насыщенный пар при давлении 1,0 МПа. Температура внешней поверхности изоляции составляет 40 °С. Термическим сопротивлением теплоотдачи от пара к стенке пренебречь.