Областное государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Томский политехнический техникум» (ОГБОУ СПО «ТПТ») Методические указания по выполнению самостоятельных работ ПМ.02 ОБСЛУЖИВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ для специальности 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин Раздел 2. «Термодинамика» Г.Томск 2013 год 1 Разработаны в Томском политехническом техникуме в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов, утвержденных Министерством науки и образования России для спец. 131003 и рабочей программой по дисциплине «Термодинамика» Исполнитель: С.К. Самсонов Подготовлены к утверждению цикловой комиссии «Нефтегазового дела» для специальностей 131003 «Бурение нефтяных и газовых скважин». Общие методические указания. Рабочей программой дисциплины «Термодинамика» предусматривается ознакомление студентов с основами технической термодинамики, теорией теплообмена, особенностью конструкции и эксплуатации теплообменных аппаратов, тепловых двигателей, газотурбинных установок, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Полученным студентами знания, являются базой для изучения смежных профилирующих дисциплин. Студенту заочного обучения изучение теоретического материала необходимо выполнять в последовательности, указанной программой, так как все разделы дисциплины имеют тесную взаимосвязь. Для хорошего усвоения материала необходимо: 1. По учебникам проработать определенную тему, сделав необходимые записи. 2. После изучения темы ответить на вопросы самопроверки. 3. После усвоения материала приступить к выполнению контрольной работы, решая задачи и отвечая на вопросы. 4. Задачи решаются в международной системе единиц. 5. Ответить на теоретические вопросы. При оформлении контрольной работы необходимо соблюдать следующие требования: 1. Привести полный текст задачи. 2. Привести основные расчетные зависимости и дать их краткое пояснение. 3. Дать развернутое решение задачи, указать размерность указанных и искомых величин. 4. По результатам расчета построить графики термодинамических процессов для циклов и процессов в РV и ТS координатах. 5. Условие каждой последующей задачи помещается на новой странице. 6. Ответы на теоретические вопросы должны быть четкими и краткими, иллюстрируемые соответствующими рисунками, с указанием применяемой литературы. 2 Содержание дисциплины. Введение. Содержание дисциплины и ее роль в подготовке специалиста-техника. Определение термодинамики как науки. Основные этапы развития теплотехники, проблемы современной теплотехники в бурении и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Раздел 1 Основы термодинамики. Тема 1.1 Основные определения и законы идеальных газов. Рабочее тело, параметры его состояния: удельный объем, плотность, давление, температура, внутренняя энергия. Понятие об идеальном газе, реальном газе. Основные газовые законы: Бойля-Мариотта, Шарля, Гей-Люссака. Уравнение состояния идеальных газов. Универсальная газовая постоянная, ее размерность физический смысл. Газовая постоянная, ее определение. Закон Авогадро. Понятие о моле. Литература: 1 стр. 16-30; 2 стр. 82-90. Методическое указание. В тепловых двигателях рабочим телом являются газы и пары, поэтому необходимо знать основные законы, которым они подчиняются и параметры, определяющие их состояние. Вопросы для самоконтроля. 1. Что такое рабочее тело? 2. Что такое идеальный газ, его отличие от реального? 3. Перечислите основные параметры состояния газа, какие условия для газа называются нормальными? 4. Сформулируйте основные законы идеальных газов? 5. В чем физический смысл газовой постоянной? 6. В чем смысл уравнения Менделеева-Клапейрона? Тема 1.2 Газовые смеси. Газовая смесь, объемный, массовый состав смеси. Закон Дальтона. Понятие о парцианальном давлении и объеме. Определение газовой постоянной смеси. Литература: 1 стр. 31; 2 стр. 91-95; 4 стр. 22-27. Методические указания. Для работы тепловых двигателей используется газовая смесь, получаемая при сгорании топлива. Необходимо знать особенности газовой смеси, каким законам она подчиняется, уметь определять газовую постоянную смеси. 3 Практическая работа: «Газовые законы и газовые смеси». Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое газовая смесь? 2. Способы задания газовой смеси? 3. Свойства газовой смеси? 4. Закон Дальтона, что такое парцианальное давление? 5. Как определяется газовая постоянная смеси? Тема 1.3 Теплоемкость газов и газовых смесей. Определение теплоемкости. Виды теплоемкостей - массовая, объемная и киломольная. Истинная и средняя теплоемкость. Теплоемкость газовой смеси, ее определение через массовые или объемные доли. Практическая работа: «Теплоемкость газов и газовых смесей». Литература: 1 стр. 31-37; 2 стр. 95-98; 4 стр. 31-33. Методические указания. Теплоемкость - это количество тепла, которое нужно подвести (при нагреве) или отвести (при охлаждении) от единицы количества рабочего тела при изменении температуры газа на 1 °С. Рассмотреть понятие теплоемкости при постоянном давлении или объеме. В каком случае теплоемкость больше? Вопросы для самопроверки: 1. Что такое теплоемкость, обозначение, единицы измерения? 2. Виды теплоемкости газа и взаимосвязь между ними. 3. Как определяется количество тепла с учетом теплоемкости? 4. Как определяется средняя теплоемкость? 5. Как определяется теплоемкость газовой смеси? Тема 1.4 Первое начало термодинамики. Первое начало (закон) термодинамики, его математическое выражение и связь с законом сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия. Понятие об энтальпии, ее значение. Уравнение Майера, его анализ. Литература: 1 стр. 50-62; 2 стр., 98-106. Методические указания. Первый закон термодинамики утверждает принцип эквивалентности в процессах преобразования теплоты и механической энергии. Для любого термодинамического процесса уравнение 1-го закона 4 термодинамики в общем виде можно выразить математическим уравнением: Q = ∆U + L. Все тепло, подводимое к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии ∆U (Дж) и совершение работы L (Дж) Вопросы для самоконтроля: 1. Как записывают математическое выражение 1-го закона термодинамики? 2. Что такое внутренняя энергия газа, из чего она складывается? 3. Что такое энтальпия? 4. Как записать уравнение Майера, его смысл. Тема 1.5 Термодинамические процессы изменения состояния газов. Формулировка термодинамического процесса, классификация термодинамических процессов (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный, политронный). Исследование этих процессов в PV-диаграмме (давление - удельный объем). Основные характеристики процессов - соотношения между параметрами, работа, теплота, изменение внутренней энергии. Литература: 1 стр. 71-81; 2 стр. 109-121. Методические указания: Необходимо знать основные термодинамические процессы, уметь их исследовать и помнить, что простейшие термодинамические процессы изменения состояния газа являются частным случаем обобщающего, политронного процесса. Их можно называть политропными процессами с определенным показателем политропы (m = 0, m = 1, m = k и т.д.). Практическая работа: «Термодинамические процессы». Вопросы для проверки: 1. Что такое термодинамический процесс? 2. Виды процессов, их изображение в РV - диаграмме? 3. Напишите формулы определения теплоты, работы, изменения внутренней энергии в каждом процессе. 4. Покажите связь политропного процесса с термодинамическими процессами. 5. Как определить показатель политропного процесса? Тема 1.6 Второе начало термодинамики. Формулировки второго закона термодинамики, его сущность и математическая запись. Понятие о цикле тепловой машине, циклы прямые и обратные, термический КПД цикла, его значение. Понятие об энтропии, определение энтропии в различных термодинамических процессах. Изображение термодинамических процессов в ТS - диаграммах. 5 Литература: 1 стр. 81-91; 2 стр. 121-126; 3 стр. 63-69. Методические указания: Термодинамическим циклом называется такой круговой процесс, в котором рабочее тело изменяет свое состояние периодически расширяясь и сжимаясь, возвращаясь при этом в первоначальное состояние. Циклы бывают прямые и обратные, они могут повторяться много раз. В прямом цикле (тепловые двигатели) за счет затраты тепла получается: механическая работа. В обратном цикле (компрессоры, холодильные установки) происходит потребление энергии. Изучить понятие энтропии, рассмотреть термодинамические процессы в ТS диаграмме. Разобрать цикл Карно, как наиболее эффективный, в котором термический КПД будет наибольшим. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Вопросы для самопроверки: Сущность второго закона термодинамики. Формулировка второго закона термодинамики. Что называется циклом теплового двигателя? Что такое энтропия? Изобразить термодинамические процессы в ТS - диаграмме. Из каких процессов состоит цикл Карно, его изображение в РV и ТS диаграммах. Тема 1.7 Циклы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. Назначение и классификации ДВС по принципу подвода тепла. Теоретические циклы ДВС: а) с подводом тепла при постоянном объеме; б) с подводом тепла при постоянном давлении; в) со смешанным подводом тепла. Схема и устройство ГТУ. Циклы ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме или давлении. Методические указания. При исследовании циклов ДВС установить факторы, влияющие на экономичность цикла. Студент должен уметь начертить цикл в PV и TS - диаграммах, объяснить из каких процессов состоит цикл. При изучении циклов ГТУ обратите внимание на способы повышения КПД. Практическая работа «Расчет цикла ДВС». Литература: 1 стр. 149-168; 2 стр. 207-210; 3 стр. 115-123. Вопросы для 6 самопроверки: 1. Начертить и объяснить цикл ДВС с подводом тепла при постоянном объеме. 2. Начертить и объяснить цикл ДВС с подводом тепла при постоянном давлении. 3. Начертить цикл ДВС со смешанным подводом тепла при постоянном давлении. 4. От чего зависит КПД цикла. 5. Как изображаются циклы ГТУ в PV и TS - диаграммах. Тема 1.8 Термодинамические процессы компрессоров. Назначение, устройство, принцип действия поршневых, центробежных и осевых компрессоров. Термодинамический процесс сжатия в одноступенчатом и многоступенчатом компрессорах, определение работы и мощности, затрачиваемой на сжатие, определение числа ступеней. Основы расчета многоступенчатых компрессоров. Практическая работа «Расчет многоступенчатого компрессора». Методические указания: Студент должен разобраться в особенностях устройства и принцип действия различных видов компрессоров. Обратить внимание на достоинства многоступенчатого компрессора и расчет количества ступеней. Литература: 1 стр. 157-161; 3 стр. 129-136. Вопросы для самопроверки: 1. Начертить схему простейшего одноступенчатого поршневого компрессора. 2. В чем заключается принцип действия осевого и центробежного компрессоров. 3. Построить PV - диаграмму одноступенчатого и многоступенчатого компрессора. 4. Как определяется число ступеней? 5. Как определяется работа и мощность компрессора? Тема 1.9 Процессы парообразования и термодинамические свойства водяного пара. Водяной пар как рабочее тело. Процессы нагревания, кипения и парообразования, изображение в PV, TS и hS - диаграммах. Таблицы водяного пара. Методические указания: Хорошо усвоить процесс построения диаграмм водяного пара, обратить внимание на пограничные кривые, критическую точку. Уметь определить КПД цикла, применять hS диаграмму водяного пара. Литература: 2 стр. 126-139; 4 стр. 58-69. 7 Вопросы дня самопроверки. 1. Чем отличается пар от идеального газа и где он применяется? 2. Начертите процесс парообразования в PV и TS - диаграммах. 3. Что такое критическая точка? 4. Какие параметры можно определить по hS - диаграмме? Темя 1.10 Циклы паросиловых и холодильных установок. Принципиальная схема паросиловой установки, цикл установки (цикл Ренкина) в PV, TS и hS - координатах. Пути повышения КПД паросиловых установок. Схема и цикл холодильной установки. паросиловой Практическая работа « Расчет цикла паросиловой установки». Вопросы для самопроверки: 1. Из каких основных частей состоит паросиловая установка? 2. Как изображается цикл Ренкина графически? 3. Как определить удельный расход пара и КПД цикла? 4. Принцип работы холодильной установки. Литература: 1 стр. 170-179; 4 стр. 72-76. Тема 1.11 Истечение и дросселирование газов и паров. Процесс истечения. Сопла, их конструкции, особенности. Критическое давление, скорость. Дросселирование газов и паров. Дроссель-эффект. Эффект Джоуля Томсона. Литература: 1 стр. 124-137; 2 стр. 139-148. Методические указания: Рассмотреть превращение потенциальной энергии в кинетическую энергию, применение этого явления и газовых турбинах. Обратить внимание на практическое применение явлений истечения и дросселирования газов и паров. Вопросы для самопроверки: 1. Что такое процесс истечения, от чего он зависит? 2. Конструкция сопла Лаваля, в чем его преимущество? 3. Что такое дросселирование газа или пара? 4. Как определяется коэффициент Джоуля-Томсона? Раздел 2 Основы теории теплообмена. Тема 2.1 Форма передачи тепла. Законы теплообмена, их использование в нефтяной и газовой промышленности. Основные понятия теории теплообмена. Тепловой поток. Формы передачи тепла и их применения. 8 Тема 2.2 Теплообмен и теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Расчет теплопроводности в одно и многослойных стенках, определение температуры стенок, потери тепла. Особенности расчета теплопроводности в цилиндрических стенках. Литература: 1 стр. 210-216; 4 стр. 77-80. Тема 2.3 Теплообмен конвекцией. Закон Ньютона-Рихмана. Конвективный теплообмен, его зависимость формы, поверхности тела. Свободная и вынужденная конвекция, ее особенности. Коэффициент теплоотдачи, основные факторы, влияющие на него. Коэффициенты теплоотдачи, их значения для различных случаев конвективного теплообмена. Литература: 1 стр. 217-219; стр. 227-230; 4 стр. 80-82. Тема 2.4 Теплообмен излучением. Тепловое излучение, особенности лучистого определения и законы теплообмена излучением. теплообмена. Основные Литература: 1 стр. 247-255; 4 стр. 82-83. Тема 2.5 Теплопередача между теплоносителями через стенку. Теплопередача - сложный вид теплообмена. Расчет теплопередачи через плоские и цилиндрические одно и многослойные стенки. Коэффициент теплопередачи, его расчет. Тепловые процессы при бурении в условиях вечной мерзлоты. Практическая работа: «Расчет теплопередачи через двухслойную цилиндрическую стенку» Литература: 1 стр. 219-227; 4 стр. 83-85. Тема 2.6 Основы теплового расчета теплообменных аппаратов. Назначение и принцип действия ТА, анализ работы. Особенности рекуперативных ТА. Сущность конструктивного и проверочного расчетов рекуперативных ТА. Сущность конструктивного и проверочного расчетов рекуперативных ТА. Уравнение теплового баланса. 9 Литература: 3 стр. 175; 4 стр. 85-90. Вопросы для самопроверки: 1. Что такое теплообмен, виды теплообмена? 2. Формулировка закона Фурье. 3. Что такое тепловой поток, плотность теплового потока? 4. Физический смысл коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи, теплопередачи. 5. Что называется теплопроводностью, как определяется тепловой поток, промежуточные температуры? 6. Определение теплового потока в цилиндрической стенке. 7. Особенности теплоотдачи при ламинарном и турбулентном режимах. 8. Что называется теплопередачей и как определяется тепловой поток? 9. Как читается закон Стефана - Больцмана? 10. Какие виды теплообменных аппаратов можете перечислить, в чем их отличие? 11. Сущность расчета ТА, Раздел 3 Основы теплотехники. Тема 3.1 Топливо, воздух, продукты сгорания и их характеристики. Виды топлива для котельных установок. Органическое топливо: элементарный состав топлива, понятие о высшей и низшей теплоте сгорания, об условном топливе, о топливном эквиваленте. Состав продуктов сгорания, теоретический и действенный расход воздуха. Литература: 2 стр. 173-180; 4 стр. 90-106. Вопросы для самоконтроля: 1. Перечислите виды топлива для котельных установок. 2. Что такое теплота сгорания топлива, как она определяется? 3. Что такое условное топливо? 4. Что такое коэффициент избытка воздуха? 5. Как определяется количество воздуха для сгорания 1 кг топлива? 6. Как оценивается степень токсичности вредных веществ при наличии их в окружающей среде? Тема 3.2 Топки и топочные устройства. Назначение, классификация топочных устройств. Особенности сжигания жидкого и газообразного топлива. Строение мазутных форсунок и газовых горелок. Литература: 2 стр. 180-184; 3 стр. 207-210; 4 стр. 130-157. 10 Тема 3.3 Котельные агрегаты. Эволюционное развитие конструктивных форм котельных агрегатов. Назначение, классификация, основные характеристики котлоагрегатов. Основные типы котельных установок, их сравнение. Котельные установки - УПГ 9/120, ППГУ 4/120 и т.д., применяемые в нефтяной и газовой промышленностях. Вспомогательное оборудование - экономайзеры, воздухоподогреватели, пароперегреватели. Литература: 3 стр. 210-236: 4 стр. 157-184. Методические указания к темам 3.2. и 3.3: При изучении топочных устройств, сделать сравнительный анализ, рассмотреть их экономические характеристики, особенности конструкции. Рассмотреть типы котельных установок, отличительные особенности и уделять внимание котлам малой и средней мощности, применяемым в нефтяной и газовой промышленностях. Вопросы для самоконтроля: 1. Из каких основных элементов состоит котельная установка? 2. Перечислить виды топочных устройств, особенности их конструкции. 3. Котлы с естественной и принудительной циркуляцией, в чем отличие. 4. ПТУ, используемые для паротепловой обработки пластов. 5. Как устроены экономайзер, воздухоподогреватель, теплоподогреватель. 6. Требования к питательной воде, ее обработка. 7. Как рассчитывается тепловой баланс и КПД котлоагрегата? Тема 3.4 Поршневые двигатели внутреннего сгорания. Тема3.4.1 Назначение и область применения ДВС. Основные этапы развития, роль русских ученых в разработке совершенствовании ДВС. Область применения в нефтяной промышленности. и Тема 3.4.2 Классификация ДВС. Классификация по термодинамическому признаку, по виду топлива, по числу цилиндров, способу воспламенения топлива, назначению и т.д. Маркировка ДВС. Тема 3.4.3 Устройство, принцип действия ДВС. Принцип действия 4-х, 2-х-тактных карбюраторных и дизельных ДВС, индикаторные и диаграммы фаз газораспределение рабочего процесса. Тема 3.4.4 Принцип теплового расчета ДВС. Определение параметров рабочего в характерных точках, построение расчетной диаграммы, индикаторное давление. Индикаторная и эффективная мощность ДВС, 11 определение КПД, удельного расхода топлива. Определение основных размеров ДВС, тепловой расчет. Тема 3.4.5 Особенности устройства и рабочего процесса газовых двигателей. Смесеобразование и зажигание в газовых ДВС. Газодизели. Тема 3.4.6 Поршневые ДВС, применяемые в нефтяной и газовой промышленности. Виды, назначение ДВС, техническое использование, условия эксплуатации. Охрана природы и окружающей среды. Литература: 3 стр. 239-257; 4 стр. 245-275. Методические указания: Студент должен знать классификацию, устройство, принцип работы карбюраторных, дизельных и газовых ДВС. Уметь производить расчет ДВС; определять: Рi - индикаторное давление [Па] Ni , Ne - индикаторная, эффективная мощность [кВт] Рассмотреть ДВС, применяемые в нефтяной и газовой промышленности, их характеристики, условия и правила эксплуатации. Вопросы для самопроверки: 1. Классификация ДВС. 2. Маркировка ДВС. 3. Рабочий процесс 4-х и 2-х-тактного карбюраторного и дизельного ДВС. 4. Особенности устройства 2-х-тактного ДВС, конструктивные особенности. 5. Схема простейшего карбюратора. 6. Что такое газодизелъ, особенности рабочего процесса? 7. ДВС, применяемые в нефтяной промышленности. 8. Принцип работы газомоторного компрессора (ГМК) и его применение. Тема 3.5 Газотурбинные установки. Назначение, классификация ГТД, основные особенности, область применения. Перспективы использования ГТД в нефтяной и газовой промышленности. Литература: 2 стр. 23; 3 стр. 271-274; 4 стр. 275-294. Тема 3.6 Тепловые установки. Классификация тепловых установок, их применение в нефтяной и газовой промышленности, особенности работы и основные технико-экономические показатели. Перспективы развития. 12 Литература: 3 стр. 280-296; 6 стр.203-219. Методические указания к темам 3.5 и 3.6: ГДТ находят широкое применение на буровой (отходящие газы используют на нужды буровой и т.д.). Тепловые установки (ТЭЦ) применяются для выработки тепла и электроэнергии. Рассмотреть какие виды и энергии применяются (атомная, солнечная, энергия ветра, солнца и т.д.). Перспективы развития теплосиловых установок. Вопросы для самоконтроля к темам 3.5 и 3.6: 1. Достоинства, недостатки ГТУ, перспективы развития и применение в нефтяной и газовой промышленности. 2. Классификация теплосиловых установок. 3. Какие паросиловые установки применяются в нефтяной и газовой промышленности. Задания для домашней контрольной работы Задание 1. Варианты 1-15 В сосуде находится смесь воздуха и углекислого газа, объем Vсм, м3 , при температуре смеси tсм, ºC. Определить парцианальные давления компонентов, газовую постоянную смеси и давление смеси. № задача Данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 3 Vсм (м ) 0,2 0,3 0,8 1,1 1,2 0,4 0,5 0,8 1,2 1,3 1,5 0,9 0,2 0,5 0,6 tсм (ºC) 33 44 87 67 57 27 37 30 20 30 40 53 85 73 67 m1 (кг) 1,8 2,1 2,0 1,5 1,6 1,7 1,3 2,1 6,0 4,0 5,0 5,1 3,8 6,1 7,0 m2 (кг) 0,6 0,9 1,9 2,1 3,1 4,5 5,58 4,8 2,0 3,0 3,5 4,6 3,1 4,4 3,6 Варианты 16-30 Емкость разделена перегородкой на две части. С одной стороны перегородки азот N2 при PN2, tN2 и VN2, с другой углекислый газ CO2 при PСО2, tСО2 и VСО2. определить массовый, объемный состав смеси, а также давление смеси, ее газовую постоянную и температуру смеси. № задача Данные 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 PN2, МПа 1,0 0,5 0,6 0,4 1,2 0,3 0,5 0,7 1,5 15 1,8 2,0 0,35 0,45 1,9 tN2, ºC 87 77 67 57 57 47 37 17 57 87 27 23 14 41 73 VN2, м3 0,8 0,6 0,7 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,9 1,0 0,8 0,6 0,7 0,5 0,3 PСО2, МПа 0,4 0,5 0,2 0,8 0,7 0,9 1,4 1,2 0,5 0,6 0,4 0,1 1,1 0,9 0,4 tСО2, ºC 10 20 30 40 16 87 67 57 97 27 93 81 26 27 37 3 VСО2, м 0,2 0,3 0,4 0,8 0,6 0,7 1,0 0,3 0,5 0,4 0,1 0,2 0,4 1,2 1,1 Методические указания к решению задания 1. Варианты 16-30. В данной задаче необходимо уметь произвести расчет состава смеси в массовых и объемных долях, уметь определить газовую постоянную смеси. 13 Для выполнения данной задачи надо познакомится с темой 'Тазовые смеси". Условие задачи Емкость разделена перегородкой на две полости. С одной стороны перегородки газ азот N2 при РN2; tN2 и VN2 с другой стороны углекислый газ С02 при PСО2; tСО2 и VСО2- Определить массовый состав смеси, а также Rсм; Тсм после удаления перегородки. Дано: РN2 = 1МПа = 106Па tN2 = 27 ºC ТN2= 300К VN2= 0,6 м3 PСО2 = 0,4 МПа = 0,4 ·106 Па tСО2=37 ºC, Т СО2= 310К VСО2=0,3м3 Определить gN2, gCO2, Pсм , Rсм N2 С02 Решение 1. Определяем газовые постоянные для азота и углекислого газа RN 2 Ry N2 8314 Дж 297 28 кг К 8314 Дж 189 CO 2 44 кг К 2. Из уравнения состояний идеального компонента P V 10 6 0,6 mN 2 N 2 N 2 6.73кг RN 2 TN 2 297 300 RCO 2 Ry газа определяем массу каждого 0,4 10 6 0,3 2,04кг 189 310 3. Определяем массовый состав смеси mN 2 6,73 6,73 gN2 0,77 mN 2 mCO 2 6,73 2,04 8,77 mCO 2 2,04 g CO 2 0,23 mN 2 mCO 2 8,77 mCO 2 4.Определяем объемный состав смеси VN 2 VCO 2 0,6 rN 2 0,67 rCO 2 0,33 VN 2 VCO 2 0,9 VN 2 VCO 2 5.Определяем газовую постоянную смеси Дж Rсм R N 2 g N 2 RCO 2 g CO 2 297 0,77 189 0,23 228,69 43,47 272,16 кг К 6.Определяем температуру смеси T * mN 2 TCO 2 * mCO 2 300 * 6.73 310 * 2.04 Т см N 2 303K . mN 2 mCO 2 6.73 2.04 14 Задание 2. Варианты 1-15 Газ кислород массой М нагревается при постоянном давлении Р от начальной температуры t1 до конечной t2. Определить начальный и конечный объем, совершаемую работу, изменение внутренней энергии, теплоту (считая теплоемкость постоянной). № задача Данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 М, кг 0,5 0,8 1,2 1,4 1,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 0,1 0,2 1,1 1,4 0,9 t1, ºC 17 27 37 57 57 47 77 97 57 87 20 30 40 50 60 t2, ºC 347 417 547 267 177 347 257 487 597 407 337 170 120 180 417 P, МПа 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,52 0,7 0,4 0,9 1,1 0,8 0,7 1,3 1,4 0,9 Варианты 16-30 Газ азот массой М изотермически расширяется при температуре t ºC с увеличением объема в n раз, начальное давление Р1 Определить конечное давление, начальный и конечный объемы, работу, теплоту в процессе. № задача Данные 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 P МПа 5 4,2 8 6 7 5 4 3 2 1 6 8 1,4 5,8 3,2 t ºC 53 64 17 27 37 47 57 67 77 87 97 107 20 34 14 М, кг 0,5 0,1 0,08 0,05 0,06 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,6 0,7 0,2 n 5 2 4 5 2 3 7 9 6 4 8 4 3 2 4 Методические указания к решению задания 2. Варианты 1-15. Рассчитать изобарный процесс Дано: Воздух сжимается от начального объема V1 в 3 раза, давление при этом остается постоянным. Начальное давление Р1 начальная температура Определить: Конечные параметры воздуха, его массу т: работу затраченную на сжатие L; тепло участвующее в процессе Q; изменение внутренней энергии ΔU. Дано V1 = 9 м3 P Q n=3 2(P2;V2;T2) 1(P1;V1;T1) 5 P1 = 0,7 мПа = 7 · 10 Па t1 = 17 °C; Т1 = 290 К Определить: V2; t2; P2; Q; ΔU Решение: 1.Находим газовую постоянную для воздуха. Ry 8314 Дж R ; R 286,7 29 кг К 2.Из уравнения состояния идеального газа находим количество воздуха m V 15 P1V1 mRT1 ; m P1V1 ; RT1 7 10 5 9 m 75,77кг 286,7 290 3.Определяем конечный объем V2 V 9 V2 1 3 м 3 n 3 4.Т.к. процесс изобарный, то Р1=Р2, а газ подчиняется закону Гей-Люссака при V1 T1 T V P const , отсюда T2 1 2 K V2 T2 V1 P V 290 3 T2 96,6 K Проверка: P2V2 mRT2 ; T2 2 2 ; 9 m R 5. Работа, затраченная на сжатие газа. L PV2 V1 Дж L 7 10 5 9 3 42 10 5 Дж 4,2МДж 6.Тепло участвующее в процессе Q mC p T2 T1 Дж ; где Ср - массовая теплоемкость при постоянном давлении определяется по формуле: С p CP Для определения Ср применяется таблица 1. С р С v Атомность кДж/кмоль·К кДж/кмоль·К 2х атомный газ 20,9 29,3 3х и многоатомный газ 29,3 37,7 7. Изменение внутренней энергии определяется из 1го закона термодинамики. Расчет адиабатного и изотермического процессов выполняется согласно таблице 2. 16 Таблица 2 № п/п Название процесса Условие протекания процесса Основные расчетные соотношения Изменение внутренней энергии Работа процесса Графическое изображение процесса в pv-координатах P k 1 Адиабатный q=0 pv = const k-показатель адиабаты k Cp Cv ; R R y 8314 1 P1 V1 T1 Ry Дж кг К L U ΔU=-L k 1 T2 v1 T1 v2 P1V1 mRT1 m*R k 1 T1 T2 L 2 P2 V2 T2 L P1 / P2 v2 / v1 k V P 1 P1 V1 T1 P1V1 P2V2 R 2 Изотермический T=const PV=const Ry ; QL P1V1 mRT1 m P1V1 RT1 L mRT ln ΔU=0 т.к. T1= T2 V2 V1 Q P L mRT ln 2 P1 L 2 P2 V2 T2 V 17 Задание 3. Варианты 1-15 Рассчитать в характерных точках цикл ДВС с подводом тепла при V - const. Определить основные параметры в характерных точках, количество подведенного и отведенного тепла, термический КПД цикла. Рабочее тело -воздух, масса 1 кг, теплоемкость считать постоянной. Построить цикл в НV -координатах. Заданы параметры: Начальное состояние рабочего тела Р1, t1 основные коэффициенты ε, λ, К=1,4. № задача Данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 P1, МПа 0,15 0,14 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,4 0,3 0,25 0,3 0,4 0,5 0,35 0,4 t1, ºC 100 90 80 110 120 80 90 110 80 100 90 110 120 130 140 ε 6 7 5 8 9 6 7 8 5 9 7 8 6 5 9 λ 1,4 1,5 1,3 2,0 2,1 3,2 2,2 1,8 2,4 2,0 2,5 3,1 2,8 1,6 1,8 Варианты 16-30 Рассчитать цикл ДВС с проводом тепла при Р=const. Определить основные араметры в характерных точках, количество подведенного, отведенного тепла, КПД цикла. Рабочее тело - воздух, масса 1 кг, теплоемкость постоянная. Построить цикл в РV- координатах. Заданы параметры: Начальное состояние рабочего тела Р1, Т1 основные коэффициенты ε, S, К=1,4. Данные P1, МПа t1, ºC ε ρ № задача 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0,2 0,15 0,16 0,17 0,18 0,2 0,3 0,35 0,4 0,25 0,24 0,16 0,18 0,19 0,21 37 27 117 97 87 150 130 67 57 100 120 117 97 87 37 11 12 13 14 19 10 11 12 13 14 16 15 17 14 19 1,7 1,8 1,9 1,6 1,6 1,7 1,8 1,9 1,8 1,9 1,6 1,4 1,8 1,9 1,6 Методические указания к решению задания 3. Варианты 1-15. В решении задач рассматривается цикл ОТТО - цикл с подводом тепла при V – const. Цикл состоит из 2-х адиабат и 2-х изохор. P 3 P3 q1 4 q2 P2 2 1 V2 V1 V Характеристиками цикла являются: V 1 - степень сжатия V2 18 P3 - степень повышения давления P2 q1 Cv T3 T2 кДЖ / кг - количество подведенного тепла q2 Cv T1 T4 кДЖ / кг - количество отведенного тепла l q1 q2 кДЖ / кг - работа цикла 1 1 1 термический КПД цикла 1 Варианты 16-30 В решении задач рассматривается цикл Дизеля - цикл с подводом тепла при Р-const. Цикл состоит из 2-х адиабат, изобары и изохоры. P q1 P2=P3 2 3 4 q2 1 V2 V3 V1 V Характеристиками цикла являются: Cp К - коэффициент адиабаты Cv V 1 - степень сжатия V2 V 3 - степень предварительного расширения V2 q1 C p T3 T2 кДЖ / кг - количество подведенного тепла q2 Cv T1 T4 кДЖ / кг - количество отведенного тепла l q1 q2 кДЖ / кг - работа цикла 1 1 - термический КПД цикла 1 1 * 1 К 1 19 Пример решения задачи по расчету цикла ДВС Рассчитать цикл Дизеля, определить параметры в характерных точках, определить количество подведенного и отведенного тепла, подсчитать КПД цикла и построить PV и TS - диаграммы q1 P 2 3 4 q2 1 Дано: Газ воздух Решение: 1. Определяем газовую постоянную воздуха R y 8314 Rв 287 Дж кг К в 29 2. Определяем массовые теплоемкости: C p 37,7 кДж при Р const C p 1,3 кг К 29 m 1кг 14 1,6 C v 29,3 1,01 кДж кг К 29 3. Определяем показатель адиабаты Т1 315К Ср 1,3 К 1,3 Сv 1,01 4. Рассчитываем параметры в точке 1 Р1 1,1МПа 1,1 10 6 Па при V const С v 3 RT1 287 315 0,08 м 6 кг P1 1,110 5. Рассчитываем параметры в точке 2, при этом учитываем, что линия 1-2 – 3 0,08 0,006 м адиабата, где 1 ; поэтому 2 1 кг 14 2 P11 RT1 , отсюда 1 Применим соотношение между T и в адиабатном процессе T11k 1 T2 2k 1 Определим T2 ; T2 T1 ( 1 ) k 1 T1 k 1 315 141,31 693K 2 Используя уравнение состояния газа для точки 2, определяем P2 P2 RT 2 287 693 33 10 6 Па 33МПа 0,006 2 6. Рассчитываем параметры в точке 3 линии 2-3 – изобара, поэтому P3 Р2 33МПа По этому процессу применяется коэффициент - степень предварительного 3 расширения 3 ; находим 3 2 1,6 0,006 0,0096 м кг 2 Температура Т 3 определяется с помощью уравнения состояния газа в точке 3 P33 33 10 6 0,0096 1103K P33 RT3 ; T3 R 287 7. Рассчитываем параметры в точке 4 линия 3-4 – адиабата T3 3k 1 T4 4k 1 линия 4-1 – изобара, поэтому 4 1 0,08 м 3 кг 20 Определяем T4 ; P4 3 k 1 0,0096 1,31 ) 1103( ) 584 K 4 0,08 T4 T3 ( 287 584 2,09 10 6 Па 2,09МПа 4 0,08 8. Определяем количество подведенного и отведенного тепла q1 p C p (T3 T2 ) 1,3(1103 693) 533 кДж - подведенное тепло кг q2v Cv (T1 T4 ) 1,01(315 584) 271,69 кДж - отведенное тепло кг 9. Определяем коэффициент полезного действия для данного цикла q1 p q 2 v 533 271,69 0,49 q1 p 533 RT4 10. Строим P - диаграмму 3 3 Р1 1,1МПа ; 1 0,08 м кг P2 33МПа ; 2 0,006 м кг 3 3 ; 4 0,08 м P 2 МПа P3 33МПа ; 3 0,0096 м 4 кг кг Р[МПа] 2 3 4 1 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 V[М3/КГ] Задание 4 Варианты 1-15 Определить термический КПД и удельный расход пара в цикле паросиловой установки (в цикле РЕНКИНА), если начальные параметры пара Р1 и t1 а давление в конце расширения Р2. № задача Данные 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 P1, МПа 8 7,5 7 6 5 4 4,5 3 3,5 2 10 11 12 14 t1, ºC 600 300 500 400 550 450 650 400 500 350 500 400 400 300 P2, МПа 0,2 0,15 0,3 0,25 0,1 0,12 0,08 0,06 0,14 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 21 15 11 600 0,3 1000 1200 1300 1400 t2, ºC 100 90 120 70 80 100 90 50 60 40 Примечание коэффициент теплопроводности λ=40 Вт/(м2·Κ). 1200 400 500 600 700 1500 900 800 1000 800 t1, ºC 600 Варианты 16-30. Плоская кирпичная стенка толщиной омывается с одной стороны газами с температурой t2, с другой - воздухом с температурой t1. Коэффициенты теплоотдачи газов к стенке α=470 Вт(м2·К), от стенки к воздуху α2=470 Вт(м2·К). Определить удельный тепловой поток, коэффициент теплопередачи и температуры поверхностей стенки. № задача Данные 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 δ, мм 140 120 60 120 120 240 180 60 180 120 60 180 60 80 100 100 140 50 60 40 Методические указания к выполнению задания 4. Варианты 16-30 Для выполнения этого задания необходимо познакомится с темой "Теплообмен между телами и распространение тепла в плоской стенке". Пример Определить потери тепла в окружающую среду через обмуровку котла, если известно: 1. Толщина обмуровки δ [м]; 2. Температуру газов t1, ºC 3. Температура окружающего воздуха t2, ºC Вт 4. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке 1 2 м град Вт 5. Коэффициент теплопроводности кирпичной обмуровки 40 м град 6. Коэффициент теплоотдачи от стенки обмуровки к окружающему воздуху Вт 2 2 м град 7. Площадь кирпичной обмуровки F [м2] Решение 1.От газа идет теплопередача к поверхности обмуровки, при этом можно определить плотность теплового потока t1 ' t CT '' t CT t2 ' t1 tCT q 1 1 газ (1) воздух δ ' где t CT - температура обмуровки со стороны газов. 2.Через обмуровку тепловой поток распространяется теплопроводностью от одной 22 стенки к другой согласно закона Фурье. '' t t CT '' (2) где t CT - температура обмуровки со стороны воздуха. q CT 3.Иот второй стенки снова идет теплопередача к воздуху окружающей среды: t '' t 2 (3) q СT 1 2 4.Решая совместно уравнения 1, 2, 3 получим выражение плотности теплового потока через плоскую стенку: 1 - коэффициент теплопередачи k 1 1 1 2 5. Потери тепла Q через обмуровку котла площадью F в единицу времени равны: t1 t 2 F Вт Q qF 1 1 1 2 6. Температуры стенок со стороны газов и воздуха определяем из выражений 1,2. q o q o 1 2 t ст t1 C; t ст t2 C 1 2 Варианты 1-15 Для выполнения данного задания необходимо познакомиться с темой "Водяной пар и его основные процессы". Особое внимание уделить диаграмме i-S и научиться по ней определять основные параметры состояния пара. Пример: Определить термический к.п.д. – ηt и удельный расход пара паросиловой установки (цикл Ренкина), если даны начальные параметры пара P1; t1; и конечное давление P2. Решение: 1.Как известно термический к.п.д. цикла Ренкина определяется соотношением h h 1 1 2 ; h1 h2 где h1 - энтальпия перегретого пара h2 - энтальпия отработавшего пара h2' - энтальпия конденсата кДЖ h2' C p t 2 ; где C p 4.19 - теплоемкость жидкости. кг град Эти величины h1, h2, h\2 наиболее просто определяются при помощи h-S -диаграммы водяного пара (см. схему 1и приложение). 23 кдж кг h P1=10 МПа h1 t1 = 520 °C P2=0,45 МПа t2 = 60 °C h2 x=1 S кдж кг град Схема 1. Удельный расход пара паросиловой установки равен: 1 кг d0 i1 i2 кДж час d0 3600 i1 i2 кг кДж час Задание 5 Варианты 1-30 Определить индикаторную, эффективную мощность и удельный расход горючего 4-хтактного ДВС при следующих данных: среднее индикаторное давление, диаметр цилиндра, ход поршня, частота вращения, число цилиндров, механический КПД. 80 100 2000 80 120 1900 75 100 1800 110 140 1900 110 160 1800 80 100 75 115 2150 4 0,9 150 8 0,95 1800 6 0,9 13 14 15 1,1 0,6 1,2 145 8 4 0,95 0,87 12 0,7 1900 110 140 2500 105 100 3000 85 1650 120 № задача 7 8 9 10 11 0,95 0,68 0,55 0,7 0,8 85 70 6 0,9 1700 6 0,9 150 120 130 4 0,85 4 5 0,55 0,75 160 Z ηм 3 0,6 1800 n, об/мин 2 0,65 2000 S, мм 100 Д, мм 110 Pi, МПа 1 0,8 2100 Данные 6 12 8 8 6 8 10 10 0,85 0,92 0,9 0,9 0,85 0,9 0,8 0,8 24 1600 90 100 30 1,5 110 90 1500 100 80 1500 115 29 1,4 80 150 28 1,3 1400 6 0,9 27 1,2 100 6 8 6 4 10 8 12 0,85 0,9 0,95 0,85 0,92 0,9 0,8 26 1,0 1000 1200 120 160 2000 140 100 1900 110 150 1800 100 140 2000 90 25 0,9 100 85 № задача 22 23 24 1,4 0,7 0,8 1700 120 21 1,3 120 110 20 1,2 1700 4 0,7 100 90 130 4 0,8 19 1,1 160 Z ηм 18 0,6 1800 n, об/мин 17 0,5 2000 S, мм 80 Д, мм 110 Pi, МПа 16 0,4 2100 Данные 4 6 4 6 4 0,8 0,85 0,9 0,75 0,9 Методические указания к решению задания 5. Варианты 1-30. Для выполнения данного задания необходимо познакомиться с темой "Двигатели внутреннего сгорания". Пример Определить индикаторную Ni и эффективную Ne мощности двигателя внутреннего сгорания, если известно: 1. Среднее индикаторное давление Рi [Па] 2. Диаметр цилиндра Д [м] 3. Ход поршня S [м] 4. Число оборотов n [об/мин] 5. Число цилиндров Z 6. Тактность двигателя к (для двухтактного к=1; для четырехтактного к=2) 7. Механический к.п.д. Решение: 1. Индикаторная мощность, т.е. работа, совершаемая газами в цилиндрах ДВС в единицу времени определяется по формуле: P V n Z Д 2 nZ кВт Ni 1 h S Pi 60 k 100 4 60 k 1000 Д2 S м 3 - объем цилиндра т.к. Vh 4 Эффективная (или полезная) мощность развиваемая двигателем на валу, меньше индикаторной на величину потерь мощности. N e N i м bi - индикаторный удельный расход топлива [кг/кДж] bе - эффективный удельный расход топлива B B bi , be Ni Ne В - секундный расход топлива кг/час для жидкого топлива 3600 N e B ; e 0,3 - эффективный к.п.д. e QHP кДж QHP 40000 - теплота сгорания топлива кг 25 Задание № 6 ОТВЕТИТЬ НА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ 1. Основные законы идеальных газов и их применение. 2. Объясните уравнение состояния идеальных газов, в чем физический смысл газовой постоянной. 3. Что такое газовая смесь, ее основные свойства, сформулируйте закон Дальтона. 4. Массовый и объемный состав газовой смеси, определение газовой постоянной смеси. 5. Понятие о теплоемкости, виды теплоемкости, размерность, взаимосвязь. 6. Объясните сущность первого закона термодинамики, его значение, дайте формулировку. 7. объясните параметр энтальпия, физический смысл, размерность, значение. 8. Изохорный процесс: уравнение, соотношение параметров, графическое изображение, определение работы, теплоты, изменение внутренней энергии. 9. Изобарный процесс: уравнение, соотношение параметров, графическое изображение, определение работы, теплоты, изменение внутренней энергии. 10. Изотермический процесс: уравнение, соотношение между параметрами, графическое изображение, определение работы, теплоты, изменение внутренней энергии. 11. Адиабатный процесс: уравнение, соотношение между параметрами, графическое изображение, определение работы, теплоты, изменение внутренней энергии. 12. Политропный процесс: уравнение, соотношение параметров, графическое изображение, определение работы, теплоты, изменение внутренней энергии. 13. Второе начало термодинамики. Сущность, формулировки, значение. 14. Понятие о круговых процессах, термический КПД, его соотношение и значение. 15. Цикл Карно, графическое изображение, термический КПД, значение цикла. 16. Процесс парообразования, его изображение в РV и ТS диаграмме. 17. IS-диаграмма водяного пара, ее применение. 18. Объясните процесс истечения газов и паров. 19. Дросселирование газов и паров, применение. 20. Цикл паросиловой установки. 21. Устройство(основные части, механизмы системы) и принцип действия. 22. Теоретический цикл ДВС с подводом тепла при постоянном объеме. 23. Теоретический цикл ДВС с подводом тепла при постоянном давлении. 24. Теоретический цикл ДВС со смешанным подводом тепла. 25. Схема и цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме без регенерации и с регенерацией тепла. 26. Схема и цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении без регенерации и с регенерацией тепла. 27. Назначение, устройство и принцип действия поршневых, центробежных и осевых компрессоров. 28. Теоретический цикл работы поршневого компрессора, график работы, определение работы, мощности, затраченной на сжатие. 29. Теоретический цикл работы многоступенчатого поршневого компрессора. 30. Теплообмен теплопроводностью, закон Фурье, коэффициент теплопроводности, его определение, удельный тепловой поток. 31. Теплообмен конвекцией (теплоотдача). Основной закон теплообмена, коэффициент теплоотдачи, его физический смысл и определение, удельный тепловой поток. 32. Теплообмен через - стенку между двумя теплоносителями (теплопередача). Определение теплового потока, коэффициент теплопередачи. 26 33. Теплообменные аппараты, схемы, назначение, принцип действия, расчет. 34. Котельная установка, схема, назначение, основные части, принцип работы. 35. Основные характеристики котельного агрегата. 36. Топливо котельных установок, классификация, элементарный состав, основные характеристики и их определение. 37. Способы сжигания топлива, классификация топочных устройств. 38. Паровые и водогрейные котлы, применяемые в нефтяной промышленности. Схема устройства, принцип действия, показатели работы. 39. Водоподготовка, питательные устройства котельных установок. 40. Области применения ДВС в народном хозяйстве и нефтяной промышленности, их классификация. 41. Устройство и рабочий процесс четырехтактного карбюраторного ДВС, индикаторная диаграмма процесса. 42. Устройство и рабочий процесс четырехтактного дизельного ДВС, индикаторная диаграмма процесса. 43. Особенности устройства и рабочий процесс двухтактных карбюраторных ДВС. Их достоинства и недостатки по сравнению с четырехтактными ДВС. 44. Индикаторная и эффективная мощность, удельный и полный часовой расход горючего ДВС. 45. Особенности устройства, принцип действия, достоинства и недостатки газовых ДВС. 46. ДВС, применяемые в нефтяной и газовой промышленности, показатели рабочего процесса, характеристики. 47. Газотурбинные установки, их работа, преимущества и недостатки. 48. Круговая диаграмма 4-х-тактного ДВС. 49. Тепловые установки. 50. Принцип работы АЭС. 27