Задачи гос экзамен. ГОСЫ_ЗАДАЧИ. Решение Молекулярная масса азота равна 28 кгкмоль Плотность азота при нормальных условиях равна

• Название: Решение Молекулярная масса азота равна 28 кгкмоль Плотность азота при нормальных условиях равна
• Анкор: Задачи гос экзамен
• Дата: 20.11.2022
• Размер: 146.03 Kb.
• Имя файла: ГОСЫ_ЗАДАЧИ.docx
• Тип: Решение; #801994
• страница: 1 из 4

Термодинамика

1. 
   
   

Вычислить плотность азота при нормальных физических условиях.

Решение:

Молекулярная масса азота равна µ=28 кг/кмоль

Плотность азота при нормальных условиях равна

= /V = 28/22,4 = 1,25 кг/м³

M(N2)=28г/моль; Vm-это мольный объем газов(для каждого газа Vm=22,4л/моль)

при н.у p(N2)=M(N2)/Vm= 28 г/моль/22,4л/моль=1,25 г/л

2. 
   
   

2 литра воды с температурой 20°С за 10 минут нагреваются при давлении 1 бар до кипения при помощи электронагревателя. Определить мощность электронагревателя, пренебрегая тепловыми потерями.

Решение:

1. 
   Масса нагреваемой воды при температуре 20 С составляет m = 2 кг.
   
2. 
   Теплоемкость воды принимаем равной Св = 4200 Дж/(кг К).
   
3. 
   Количество тепла, которое необходимо передать воде для нагрева ее с 20 С до 100 С (при Рб = 1 бар) определяется по формуле:
   

Q = m*Cв*(tн - tв) = 2*4200*(100 - 20) = 672000 Дж

4. 
   Мощность нагревателя равна
   

N = Q/ = 672000/(10*60) = 1120 Вт

Ответ: N = 1120 Вт

3. 
   
   

Вычислить изменение энтальпии 3 кг воздуха при его нагреве на 40 °С. Удельные теплоемкости воздуха 1,0 кДж/(кг К) при постоянном давлении и 0,72 кДж/(кг К) при постоянном объеме.

Решение:

Изменение энтальпии воздуха определяется по формуле



Ответ:

4. 
   
   

Вычислить изменение внутренней энергии 3 кг воздуха при его нагреве на 40 °С. Удельные теплоемкости воздуха 1,0 кДж/(кг К) при постоянном давлении и 0,72 кДж/(кг К) при постоянном объеме.

Решение:

Изменение внутренней энергии воздуха определяется по формуле



Ответ:

5. 
   
   

При увеличении объема 1 кг идеального газа от 2 м³ до 4 м³ его давление уменьшается в 2 раза. Как изменится температура газа?

Решение:

Из уравнения состояния идеального газа имеем



Так как при увеличении удельного объема в 2 раза давление также падает в 2 раза.

Следовательно, температура газа не изменится.

6. 
   
   

Плотность какого воздуха выше – сухого или насыщенного водяным паром?

Решение:

Ответ кроется в агрегатном состоянии воды. Вода в жидком состоянии тяжелее воздуха. Плотность воды в нормальном состоянии составляет около 1000кг/м3, а плотность воздуха – около 1,2кг/м³, следовательно, один и тот же объём воды при том же давлении в 830 раз тяжелее воздуха.

Однако в газообразном состоянии положение дел меняется. Водяной пар легче воздуха. Плотность водяного пара составляет всего 0,72кг/м³, что почти в 1,7 раза легче воздуха. Этот же вывод вытекает из соотношения молярных масс молекул воды и воздуха. Молярная масса воды (H2O) составляет 18г/моль, а воздуха (в среднем, 25% кислорода (O₂) с молярной массой 32г/моль и 75% азота (N2) с молярной массой 28г/моль) – 29г/моль.

Влажный воздух представляет собой смесь газов – сухого воздуха и водяного пара. Учитывая, что плотность сухого воздуха составляет 1,2кг/м³, а плотность водяного пара – 0,72 кг/м³, становится очевидным, что влажный воздух легче сухого.

7. 
   
   

Вычислить мощность, затрачиваемую на привод неохлаждаемого воздушного компрессора производительностью 3600 м³/час (н.ф.у.), если температура в результате сжатия увеличивается от 20 °С до 220 °С. Удельные теплоемкости воздуха 1,0 кДж/(кг К) при постоянном давлении и 0,72 кДж/(кг К) при постоянном объеме.

Решение:

Параметры воздуха при н.ф.у.

Р1 = 101325 Па, Т1 =273 К

1. 
   Определим массовый расход воздуха
   

M= Q=1,29(кг/м3)*3600(м3/ч)=4644кг/ч(/3600)=1,29кг/с

Коэффициент адиабаты

k = Cp/Cv = 1/0,72 = 1,389

Газовая постоянная R = Cp–Cv = 1,0-0,72 = 0,28 кДж/(кг К)

2. 
   Удельная работа, затрачиваемая на привод компрессора
   

3. 
   Мощность, затрачиваемая на привод компрессора
   

N = M* = 1,29*199,958 = 258,546 кДж/с=258,546 кВт

8. 
   
   

Удельная работа цикла тепловогодвигателя 600 кДж/кг, удельное количество отводимой теплоты 1200 кДж/кг. Определить термический КПД станции.

Термический КПД станции определяется по формуле:

9. 
   
   

Мощность газотурбинной установки 10 МВт, тепловая мощность камеры сгорания 30 МВт. Как изменится термический КПД установки, если на регенерацию используется 5 МВт теплоты?

Термический КПД ГТУ без регенерации определяется по формуле:



Термический КПД ГТУ c регенерацией определяется по формуле:



Термический КПД ГТУ увеличится на 6,7 %.

Ответ:

10. 
    
    

В начальном состоянии абсолютное давление газа в стандартном кислородном баллоне 150 ат. Температура кислорода в баллоне 17^оС. Из баллона быстро выпускается часть газа. Давление при этом падает на 25%. Процесс истечения газа можно считать адиабатным. Какое количество газа вышло из баллона?

Решение:

Стандартный кислородный баллон вмещает в себя 40 литров кислорода.

В соответствии с исходными данными определяем массу кислорода в исходном состоянии из уравнения состояния:





При адиабатном расширении кислорода уравнение состояния принимает вид

РV^k = const

где k = 1.4 – показатель адиабаты

Тогда объем кислорода после процесса расширения определяется из уравнения:



Масса после выпуска части кислорода



Количество вышедшего кислорода



Ответ:

11. 
    
    

Компрессор заполняет воздухом резервуар объемом 2 м³ до давления, показываемого манометром резервуара, 7 кгс/см². Начальные параметры состояния в сосуде соответствуют окружающему воздуху: температура 17^оС и давление 745 мм рт.ст. Объемная производительность компрессора G_v = 0,36 м³/мин по условиям всасывания. В результате сжатия температура воздуха в сосуде увеличивается до 60^оС. Сколько времени потребуется на заполнение сосуда?

Решение:

Абсолютное давление воздуха в резервуаре составляет

Рабс = Рман + Ратм = 7 + 1,0128 = 8,0128 кгс/см² = 0,7858 МПа

Удельный объем воздуха на всасывающей стороне компрессора



Удельный объем воздуха в резервуаре после заполнения



Массовый расход воздуха на всасывающей стороне компрессора



Масса воздуха в резервуаре после его заполнения



Время заполнения резервуара воздухом:



Ответ:

12. 
    
    

Одноступенчатый компрессор подает воздух в трубопровод. Воздух всасывается при давлении 0,1 МПа и температуре 10^оС. Перед входом в трубопровод воздух охлаждается в концевом охладителе до начальной температуры (10^оС). Манометр на линии нагнетания показывает давление 0,3 МПа. Объемный расход компрессора по условиям всасывания 20 м³/мин.

Рассчитать количество теплоты, которое отводится от воздуха в концевом охладителе. Процесс сжатия считать адиабатным. Механическими потерями пренебречь.

Решение:

Абсолютное давление воздуха в трубопроводе

Р₂ = Р_ман + Р_атм = 0,3 + 0,1 = 0,4 МПа

Температура воздуха после адиабатного сжатия на выходе компрессора определяется по формуле:





где: k = 1,4 – показатель адаибаты для воздуха

Удельный объем воздуха на входе в компрессор



Удельный объем воздуха в трубопроводе после компрессора



Удельный объем воздуха в трубопроводе после концевого охладителя



Массовый расход воздуха на входе в компрессор



Количество теплоты, которое отводится от воздуха после адиабатного сжатия

Q = m*Cv(T₂-T₁) = 24,62*1,005*(420-283)/60 = 56,46 кДж/c (кВт).

Ответ: Q = 56,46 кДж/c (кВт)

Тепломассообмен

13. 
    
    

Определить поверхность теплообмена рекуператора, в котором воздух охлаждается водой. Температура воздуха на входе в теплообменник 200^оС, а на выходе 140^оС. Расход воздуха 2 м³/с. Вода на входе имеет температуру 10^оС. Коэффициент теплопередачи 45 Вт/(м²К). Какую схему течения теплоносителей целесообразнее использовать и почему? Расход воды 1 кг/с.

Решение:

Cхема течения теплоносителей принимаем противоточную, поскольку в ней реализуется максимальное охлаждение воздуха, т.е. минимально возможная температура на выходе из теплообменника.

Поверхность теплообмена рекуператора определяется из уравнения теплопередачи:

Q = F*k*t =>F = Q/(kt)

Средняя температура воздуха в теплообменнике

t_ср = (t_возд” +t_ввозд’)/2 = (200 + 140)/2 = 170

Плотность воздуха при средней температуре

 = 1,293*(273/(273+t_ср) = 1,293*(273/(273+170) = 0,797 кг/м³

Массовый расход воздуха через теплообменник

m_возд = М (G)* = 2*0,797 = 1,593 кг/с

Теплота, отведенная от воздуха

Q = m_возд*С_возд*(t_возд”-t_ввозд’) = 1,593*1,019*(200-140) = 97,396 кВт

Теплота, переданная от воздуха к воде

Q = m_в*С_в*(t_в”-t_в’),

откуда определим температуру воды на выходе из теплообменника

t_в” =t_в’ + Q/(m_в*С_в) = 10 + 97,396/(1,0*4,2) = 33,2 С

ПРОТИВОТОК

Определим средний температурный напор в теплообменнике для противоточной схеме движения теплоносителей



где: – соответственно большая и меньшая разность температур на входе и выходе теплообменника







Из уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообмена рекуператора

F = Q/(kt) = 97396/(45*147,6) = 14,66 м²

ПРЯМОТОК






Из уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообмена рекуператора

F = Q/(kt) = 97366/(45*144,24) = 15,0 м²

Ответ: целесообразнее использовать противоток, т.к. поверхность теплообмена рекуператора меньше и равна F = 14,66 м²

14. 
    
    

В противоточном теплообменном аппарате охлаждается 0,5 кг/с трансформаторного масла от 95 С до 50 С. Вода нагревается от 12 С до 50 С. Коэффициенты теплоотдачи со стороны масла 200 Вт/(м К), а со стороны воды 800 Вт/(м К). Толщина стенки 3 мм. Коэффициент теплопроводности материала стенки 45 Вт/(мК). Стенка покрыта слоем ржавчины ( =1,15 Вт/(мК)) и слоем накипи ( =1,75 Вт/(мК)). Толщина накипи и ржавчины одинаковая и равна 1 мм. Определить расход охлаждающей воды и поверхность теплообмена.

Решение:

Поверхность теплообмена теплообменника определяется из уравнения теплопередачи:

Q = F*k*t =>F = Q/(kt)

Средняя температура трансформаторного масла в теплообменнике

t_ср = (t_м” +t_м’)/2 = (95 + 50)/2 = 72,5 С

Теплоемкость трансформаторного масла при средней температуре равна

С_м = 1,979 кДж/(кг С)

Количество теплоты, переданное от масла к воде равно

Q = m_м*С_м*(t_м’-t_м”) = 0,5*1,979*(95-50) = 44,527 кВт

Теплота, переданная от масла к воде

Q = G_в*С_в*(t_в”-t_в’),

откуда определим расход воды через теплообменник

G_в= Q/((t_в”-t_в’)*С_в) = 44,527/((50-12)*4,2) = 0,28кг/с

Определим средний температурный напор в теплообменнике для противоточной схеме движения теплоносителей



где: – соответственно большая и меньшая разность температур на входе и выходе теплообменника







Коэффициент теплопередачи:



Из уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообмена рекуператора

F = Q/(kt) = 44527/(128,9*41,2) = 8,38 м²

Ответ: Gв = 0,28 кг/с; F = 8,38 м²

15. 
    
    

В теплообменнике типа «труба в трубе» горячая вода движется по внутренней стальной трубе (λ =40 Вт/м К), внутренний диаметр которой 32 мм. Температура горячей воды на входе в теплообменный аппарат 95^оС. Скорость движения 0,5 м/с. Нагреваемая вода движется противотоком по кольцевому каналу и нагревается от 15 ^оС до 45 ^оС. Расход воды 1 кг/с. Коэффициент теплопередачи 2000 Вт/м²К. Определить поверхность теплообмена.

Решение:

Количество тепла переданного в теплообменнике нагреваемой воде

Q = m₂*С_в*(t₂”-t₂’) = 1,0*4,2*(45-15) = 126 кВт

Расход греющей воды:

m₁ = w₁*f_тр* = 0,5*(3,14*0,032²/4)*970 = 0,39 кг/с

Количество тепла, переданного от греющей среды в теплообменнике

Q = m₁*С_в*(t₁’-t₁”)

откуда определим температуру греющей воды на выходе из теплообменника:

t₁” = t₁’-Q/(m₁*С_в) = 95 – 126/(0,39*4,2) = 18 C.

Cреднелогарифмический температурный напор в теплообменнике



где: – соответственно большая и меньшая разность температур на входе и выходе теплообменника







Из уравнения теплопередачи определяем поверхность теплообмена теплообменника

F = Q/(k*t) = 126000/(2000*16,7) = 3,77 м²