Практические работы по МДК.02.01 Эксплуатация нефтегазопромыслового оборудования
методическая разработка

Практическая работа № 1

Тема: Решение задач на законы гидростатики.

Цель: Изучить методику решения задач.

Ход работы

1.Решить задачу:

 Определить силу гидростатического давления на дно резервуара по вариантам, см. таблицу 1. Давление на поверхности жидкости P0 , глубина h, плотность жидкости ρ.

Таблица 1

Методические указания

1. Расчеты ведутся в системе СИ.

2. Для определения величины гидростатического давления применить основное уравнение гидростатики.

3. Сила гидростатического давления определится как произведение гидростатического давления на площадь дна резервуара.

2.Решить задачу: Избыточное давление в нефтяном пласте составляет  Рпл.  Можно ли предотвратить выброс нефти из скважины, заполнив ее глинистым раствором плотностью ρ. Глубина скважины Н. Исходные данные см. таблицу 2.

Таблица 2

Методические указания

1. Скважина считается заглушенной, если гидростатическое давление столба жидкости в скважине будет больше пластового давления.

3. Ответьте письменно с пояснением на вопрос контрольной карты 1.

Контрольная карта 1.

Методические указания

Помня, что атмосферное давление соответствует примерно 760 мм рт.ст., найдите создаваемое этим столбом ртути давление и сравните с верхней границей шкалы прибора.

Вспомните, что измеряет вакуумметр, и сообразите, каково максимальное возможное значение этой величины.

4. Решить задачу, привести поясняющий рисунок.

Полностью погруженный поплавок указателя уровня нефти, имеющий среднюю плотность 900 кг/, плавает на границе раздела нефти и воды, находящихся в резервуаре – отстойнике. Плотность нефти – 850 кг/ , воды – 1000 кг/.

Определить, какая часть объема поплавка находится в воде.

Методические указания

При решении задачи используйте закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила Р, равная по величине весу жидкости в объеме погруженной части тела V:

P= ρgV

Где ρg – удельный объем, Н/

5. Ответьте устно на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды давления Вы знаете и какими приборами они измеряются?
2. Каково численное соотношение между единицами давления «паскаль»  и «техническая атмосфера» ?
3. Как определяется равнодействующая сил давления на твердую поверхность?
4. Что такое центр давления?
5. Что называется «телом давления»?

Практическая работа № 2

Тема: Применение уравнений гидродинамики для решения задач.

Цель: Самостоятельно выбрать способ решения задач, опираясь на имеющиеся теоретические знания.

Ход работы

1.Ответьте письменно с пояснениями на вопрос: Уравнение Бернулли для идеальной жидкости имеет вид?

а)   z1 ++ = z2 + +

б)  z1 ++ = z2 + + +

в)   z1 ++ = z2 + +

г)    z1 ++ α1 = z2 + +α2.

2.Во сколько раз изменится удельная кинетическая энергия жидкости при ее переходе в трубу меньшего диаметра, если отношение диаметров труб         =  . Режим течения не меняется.

Методические указания

Запишите соотношение скоростных напоров для сечений 1 и 2, воспользовавшись уравнением неразрывности потока. Определите искомое через соотношение диаметров.   S =  . Удельная кинетическая энергия  . Найти   по отношению к  .

3. Чему равен расход жидкости в трубе с площадью проходного сечения 4 , если средняя скорость по сечению составляет 5 м/с.

4. При промывке скважины в неё закачивали по НКТ d 1 = 81 мм, а обратно на поверхность она поступала по кольцевому пространству в обсадной колонне с d 2 = 320 мм. Определить режимы движения жидкости, если расход воды составляет 8/с, кинематическая вязкость равна /с

5. Ответьте на вопросы контрольной карты:

Практическая работа № 3

Тема: Решения задач на определение потерь напора.

Цель: Самостоятельно выбрать способ решения задач, опираясь на имеющиеся теоретические знания.

Ход работы

1.Ответьте письменно на вопрос контрольной карты № 1.

2. Задача

При перекачке нефти= 1Ст с расходом Q по трубопроводу диаметром d и шероховатостью ∆ постепенно на его стенках образовался слой парафина толщиной δ.  Как это повлияет на потери напора на трение?

Методические указания

1Ст = 1* /с.  Определите скорость движения нефти до образования парафина , затем уменьшенный диаметр (после образования слоя парафина) и скорость движения нефти через уменьшенный диаметр. Определите режим движения жидкости при  (ламинарный или турбулентный). При ламинарном течении коэффициент гидравлического трения равен: .  При турбулентном рассчитывается по формуле  Альтшуля: .  Определите потери напора  hтр1 , hтр2 при λ1, λ2 и  и найдите их соотношение.

3. Задача

При промывке скважины глубиной Н  воду в неё закачивали по НКТ d1 , а обратно на поверхность она поступала по кольцевому пространству в обсадной колонне с d2. Определите потери давления на трение по длине системы, если расход воды Q, трубы бывшие в эксплуатации с шероховатостью ∆. Толщиной стенок труб и местными сопротивлениями пренебречь.

Методические указания

Определить скорость движения жидкости в НКТ:  , затем скорость в затрубном пространстве . Определите режим движения жидкости:  (ламинарный или турбулентный). При ламинарном течении коэффициент гидравлического трения равен: :  .  При турбулентном рассчитывается по формуле  Альтшуля: .  Определите потери давления ∆p1, ∆p2 : ∆p =   и найдите их разность.

4. Ответьте на вопросы контрольной карты № 2.

Практическое занятие №4

Тема: Расчет простого и сложного трубопроводов.

Цель: Самостоятельно выбрать способ решения задач, опираясь на имеющиеся теоретические знания.

Ход работы

1.Ответьте письменно с пояснениями на вопрос контрольной карты №1.

2. Задача

Нефть вязкостью  = 50/с перетекает из верхнего резервуара в нижний. Давления в них одинаковы, разность уровней ∆z= 8 м. В соединительном трубопроводе длиной L , диаметром d и шероховатостью ∆, местные потери напора считаются пренебрежимо малыми.   Необходимо определить     расход Q

Методические указания

Из уравнения Бернулли  p1 = p2 , hм.п = 0, hтр = ∆z. Так как жидкость вязкая, предположить, что режим течения ламинарный. Из формулы Лейбензона получим формулу для расхода: Q =   (где A, m, n и k – табличные значения, для ламинарного режима A = 4,15/м , m=1, n=1, k=4).

З.Задача

Насос перекачивает бензин по трубопроводу длиной , диаметром d, толщиной стенок δ в количестве Q. Плотность бензина ρ, модуль упругости бензина К = 1,1* Па, модуль упругости материала E= 2* Па. Определите за какое время необходимо перекрыть задвижку, чтобы ударное повышение давления было меньше 1 Мпа.

Методические указания

Определите скорость движения бензина:  , затем определите скорость волны гидравлического удара: . Для  предотвращения гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся задвижки (когда время задвижки больше фазы удара: t3 < T гидравлический удар называют прямым, а если t3 >> T,  то гидравлический удар называют непрямым). По формуле Жуковского повышение давления при прямом гидравлическом ударе: ∆p = ρ*, если ∆p > 1МПа, то гидравлический удар непрямой. Фаза удара: . Необходимое время закрытия задвижки:  .

4.Ответьте на вопросы контрольной карты №2:

Практическая работа №5

Тема: Решение задач на газовые законы

Цель: Научится определять параметры состояния газа, используя газовые законы.

Теоретическое обоснование:

1.При постоянной температуре процесс называется - изометрический.

 P1·V1=P2·V2 – Уравнение Бойля-Мариотта.

2.При постоянном объеме процесс называется – изохорическим.

 =  – Уравнение Шарля

3.При постоянном давлении процесс называется – изобарическим.

= – Уравнение Гей-Люссака

  =  = R – Уравнение состояния идеального газа

R – показывает удельную работу расширения газа массой 1 кг, при нагревании его на 1.

Уравнение состояния для М кг газа:       ;  

Закон Авагадра: В равных объемах разных газов находящихся при одинаковой температуре и давлении  содержится одинаковое число молекул.

Ход работы:

1.Решить задачи по заданию варианта

2.Ответить на контрольные вопросы

Задача№1

 Газ массой m кг расширяется при постоянной температуре и начальном давлении P1 с увеличением объема в n раз. Определить начальный и конечный объем газа и его конечное давление.

 Задача№2

 Определить, как увеличиться объем азота при постоянном давлении, если его нагреть от t1  до t2Начальный объем равен V1 м3 .Определить давление в процессе.

Задача№3

 Давление водорода, находящегося в емкости объемом V, м3 при нагревании увеличилось в n раз. Определить начальное и конечное давление, конечную температуру газа, если температура вначале нагрева составляла t1

Контрольные вопросы:

1.Перечислите основные параметры состояния газа.

2.Что устанавливает уравнение состояния, и в чем его основное отличие от других газовых законов?

3.Поясните физический смысл газовой постоянной.

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа №6

Тема: Расчет теплоемкостей газов и их смесей

Цель: Научиться рассчитывать теплоемкости газов и газовых смесей

Студент должен: знать

-виды теплоемкостей и связь между ними;

Уметь:

-рассчитывать массовую и объемную теплоемкости газов для различных температур, используя -     таблицы мольных теплоемкостей;

-рассчитывать теплоемкость газовой смеси

Теоретическое обоснование

Отношение количества теплоты q подведенной или отведенной в процессе, к соответствующему изменению температуры  , называется теплоемкостью тела в данном процессе

Вычисленная таким образом теплоемкость называется средней теплоемкостью в интервале

температур. Индекс ш означает medium - средний.

Предел, к которому стремится средняя теплоемкость при t—0, называется истинной теплоемкостью тела в данном процессе

Теплоемкость в процессах при постоянном объеме называют изохорной Cmv, и в процессах при постоянном давлении - изобарной Сmp.

В зависимости от выбранной единицы количества вещества различают теплоемкости:

-массовую, отнесенную к 1 кг рабочего тела - С (кДж/кг);

-объемную, отнесенную к 1м3 - С’(кДж/м3);

-мольную, отнесенную к 1 молю вещества - Сц(кДж/кмоль).

Связь между этими теплоемкостями

где- молекулярная масса газа, кг/кмоль;

22,4 - объем 1 кмоля газа при н.у. ,м3

Для идеальных газов связь между изохорной и изобарной теплоемкостями устанавливается уравнением Майера

Ср-Cv = R                                                                  (2.5)

для мольных теплоемкостей

Срц - Cvp =  = 8,314 кДж/(кмоль К),

Т е. теплоемкость газов в процессе с постоянным давлением больше, чем в процессе с постоянным объемом. Это объясняется тем, что в процессе с постоянным объемом внешняя работа не производится и вся теплота расходуется только на изменение внутренней энергии газа, тогда как в процессе с постоянным давлением теплота расходуется не только на изменение внутренней энергии (температуры тела), но и на совершение работы.

В теплотехнических расчетах широко применяется отношение теплоемкостей Ср и Cv, которое носит название показателя адиабаты

Cp/Cv = к                                                                 (2.6)

Средняя теплоемкость в интервале температур от  до  

                                                                                        (2.7)

Значения  по мольной теплоемкости, используя таблицы

Теплоемкость газовой смеси для массового состава определяется по формуле

                                                        (2.8)

Теплоемкость газовой смеси для объемного состава определяется по формуле

                                       (2.9)

где  - массовые и объемные доли компонентов соответственно;

- массовые и объемные теплоемкости компонентов соответственно

Ход работы

1.Прочитать теоретическое обоснование

2. Решить задачи по вариантам, пользуясь таблицей мольных теплоемкостей

3.Оформить решения с пояснениями, т.е. объяснить порядок решения задач

4.Письменно ответить на контрольные вопросы

Задание№1

Определить пользуясь таблицей средних мольных теплоемкостей массовую и объемную теплоемкости газов при заданной температуре.

      Задание№2 Найти среднюю массовую теплоемкость газа в интервале температур от t1 до   t2

Приложение

Таблица П1 Характеристики некоторых газов

Таблица П2. Средняя мольная теплоемкость некоторых газов при постоянном давлении

Контрольные вопросы:

1.Чем отличаются истинная и средняя теплоемкости?

2.Запишите виды теплоемкостей, в зависимости от количества вещества и единицы их измерения?

3.Проанализируйте, пользуясь таблицей мольных теплоемкостей, как изменяется теплоемкость с увеличением температуры?

4.Что называют изохорной и изобарной теплоемкостями, почему изобарная теплоемкость больше изохорной?

5.От чего зависит теплоемкость газовой смеси? 

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа №7

Тема: Расчет термодинамических процессов

Цель работы: Научиться рассчитывать термодинамические процессы

Студент должен знать:

- термодинамические процессы и их характеристики;

Уметь:

- производить расчёты термодинамических процессов.

Теоретическое обоснование

Последовательно изменение состояния тела, происходящее в результате энергетического взаимодействия рабочего с окружающей его средой, называется термодинамическим процессом. В термодинамическом процессе обязательно изменяется хотя бы один параметр состояния.

Простейшими или термодинамическими процессами являются:

Изохорный(v = const), изобарный(P = const), изотермический (T = const) и адиабатный (процесс без внешнего теплообмена) .

Для расчётов термодинамических процессов используют первый закон термодинамики, которому можно дать такую формулировку:  в термодинамическом процессе подведенная теплота в общем случае расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение внешней работы:

 =

Для 1 кг вещества выражение закона термодинамики запишется так:

Или в дифференциальной форме:

          Следует обратить внимание на то, что хотя величины входящие в уравнение первого закона термодинамики имеют одинаковую размерность, физические понятия определяющие эти величины глубоко различны. Внутренняя энергия представляет собой энергию, накопленную телом (системой), а работа и теплота – энергию, которая сообщается или отнимается от тела в каком-либо процессе.

           Задачей расчёта любого термодинамического процесса является установление закономерностей изменения параметров состояния рабочего тела, и выявления особенностей превращения энергии.

            Расчёт проводится в следующем порядке:

- записывается уравнение процесса;

- устанавливается зависимость между параметрами в процессе;

- определяется неизвестные параметры;

- определяется работа в процессе;

- определяется теплота, необходимая для осуществления процесса;

- определяется изменение энтальпии и энтропии между начальным и конечным состояниями процесса.

Соотношение параметров в изохорном процессе:

Изменение внутренней энергии определяется по формуле:

, (кДж/кг)

Где  -  (Дж/кгК).

В изохорном процессе dV = 0 и термодинамическая работа не совершается L=0. Поэтому вся теплота расходуется на изменение внутренней энергии, т.е.

 (Дж)

Изменение энтальпии может быть найдено из общего выражения для всех процессов:

 (Дж/кг)

Где Ср – изобарная массовая теплоёмкость (кДж/кг*К)

Изменение энтропии с учётом того, что V1 = V2

Соотношение параметров в изобарном процессе:

Работа в процессе, отнесенная на 1 кг газа определяется по формуле:

(Дж/кг)

Если в изобарном процессе изменяется температура 1 кг на 1К, то 1 = R, т.е. газовая постоянная – это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении температуры на 1К.

Количество теплоты в изобарном процессе:

, (Дж/кг)

Изменение энтальпии:

Изменение энтропии:

(Дж/кг)

Уравнение изометрического процесса:

PV = RT = const

Соотношение параметров:

Изменение внутренней энергии и энтальпии:

Т.к. dT = 0. Следовательно, вся подведенная в процессе теплота расходжуется только на работу. Раьота в процессе определяется по формуле:

Теплоту в процессе можно определить также используя энтропию:

q = T(S2 – S1)

Т.е. в изометрическом процессе достаточно определить теплоту или работу, т.к.

q = l

Изменение энтропии при T1 = T2 определяется по формуле:

Уравнение адиабатного процесса:

PVk = const

Где k – показатель адиабаты.

Соотношение параметров, полученные из уравнения процесса:

Выражение для работы в процессе может быть получено из первого закона термодинамики, с учётом того, что q=0:

 или

Т.е. в адиабатном процессе работа совершается за счёт убыли внутренней энергии. Работу можно определить по формулам:

Или с учётом

Подставим из уравнения состояния T1 и Т2:

Или

Изменение энтальпии находится по общему выражению.

Изменение энтропии равно 0, т.к. dq = 0

dS = dq/T = 0

Следовательно, в адиабатном процессе s = const. Поэтому обратимый адиабатный процесс называется изоэнтропийным.

Ход работы

1. Ознакомиться с теоретическим положением.

2. Произвести расчёт термодинамического процесса заданного преподавателем.

3. Проанализировать полученные результаты.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Задача № 1

 Рассчитать термодинамический процесс изотермического сжатия газа азота при заданных параметрах.

Задача № 2

      Рассчитать изохорный процесс для кислорода при заданных параметрах.

Задача № 3

Рассчитать адиабатный процесс сжатия водорода при заданных параметрах.

В каком термодинамическом процессе

- не совершается работа?

-не происходит теплообмен

-не изменяется внутренняя энергии?

Содержание отчета:

1. Тема, номер и цель работы.
2. Расчёт термодинамических процессов по заданию варианта.
3. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные термодинамические процессы
2. Сформулируйте первый закон термодинамики.
3. Опишите порядок расчёта термодинамического процесса.

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа №8

Тема: Расчёт параметров, теплоты и работы в процессах изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам водяных паров.

Цель работы: Научиться рассчитывать термодинамические процессы изменения состояния водяного пара по h-s-диаграмме.

Студент должен знать:

- процессы нагревания, кипения, парообразования;

- процессы изменения состояния водяного пара;

уметь:

- определять параметры водяного пара по h-s-диаграмме;

- рассчитывать термодинамические процессы изменения состояния водяного пара.

Теоретическое обоснование

Пары различных веществ широко используются во многих отраслях техники в качестве рабочих тел. Наибольшее применение нашли пары самого распространенного в природе вещества – воды.

     Процесс получения пара из жидкости может осуществляться испарением и кипением. Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости и при любой температуре.

      Кипением называется интенсивное парообразование по всей массе жидкости, которое происходит при сообщении жидкости через стенку сосуда определенного количества теплоты.

      Процесс кипения начинается при достижении жидкостью определенной температуры, которая называется температурой кипения или насыщения, tн  и на протяжении всего процесса остается неизменной, т.к. вся подводимая теплота идет на испарение жидкости. Давление, соответствующее температуре насыщения называется давлением насыщения Рн . Насыщенный пар по своему состоянию может быть сухим насыщенным и влажным насыщенным. Сухой насыщенный пар  не содержит жидкости и имеет температуру насыщения. Влажный пар – это двухфазная система, состоящая из сухого насыщенного пара и жидкости.

Отношение массы сухого пара к массе влажного пара называется степенью сухости.

х = mс.п. / mв.п. = mс.п. / mс.п. + mж.                                                                       (4.1)

где mс.п. – масса сухого пара;

 mв.п – масса влажного пара;

 mж. – масса жидкости.

Очевидно, что для кипящей жидкости (mс.п. = 0)  х = 0

для сухого насыщенного пара (mж. = 0)  х = 1.

Рисунок 4.1 – Фазовые диаграммы процесса парообразования

Все три стадии протекают при постоянном давлении и на термодинамических диаграммах изображаются изобарой (рисунок 4.1), где область двухфазного состояния  ограничена кривыми х=0 и х=1, процесс получения пара изображается изобарой  a-d.  Здесь три стадии получения перегретого пара характеризуется отрезками:  ab – подогрев жидкости до температуры кипения; bc – парообразование; cd – перегрев пара.

 Для технических нужд водяной пар получают в паровых котлах (котлоагрегатах),  где специально поддерживается постоянное давление.

В задачу анализа трёх стадий получения перегретого пара входит установление для каждой из стадий начального и конечного состояния вещества, изменения внутренней энергии, энтальпии и вычисление количества теплоты.

  Параметры, теплота и работа  в процессах изменения состояния водяного пара могут быть определены с помощью таблиц и диаграмм водяных паров (приложения А,Б,В,Г). В таблицах приняты следующие обозначения:

параметры кипящей жидкости – v’ , u’ , h’, s’  и  т.д.,

параметры сухого насыщенного пара- v’’ , u’’, h’’, s’’  и  т.д.,

параметры перегретого пара – v, u, h, s и т.д.

Конечное состояние  стадии парообразования характеризуется полным превращением жидкости в пар. Параметры сухого насыщенного пара приводятся в таблицах (приложения А,Б).

   Для практических расчётов процессов водяного пара широкое применение получила h-s диаграмма, на которой теплота и энтальпия измеряются линейными отрезкам (приложение Г).  На диаграмме нанесены изобары, изохоры и изотермы. Кроме того, в области влажного пара нанесены линии одинаковой степени сухости х=const. На рисунке 4.2 изображены основные термодинамические процессы водяного пара:  v=const, P=const, t=const и s=const.

Рисунок 4.2 H-s- диаграммы основных процессов водяного пара а) изобарный;  б) изохорный;  в) изотермический;  г) адиабатный

Обычно по известным параметрам наносят на h-s – диаграмме состояние пара. Затем проводится линия заданного процесса, и определяются его параметры в конечном состоянии. Расчётные соотношения для вычисления изменения внутренней энергии, работы и теплоты в процессах изменения состояния водяного пара приведены в таблице 4.1

            Таблица 4.1 – Формулы для расчёта термодинамических процессов водяного пара

ХОД РАБОТЫ

1. Ознакомиться с теоретическими положениями по теме работы.

2. Построить процесс на h-s диаграмме.

3. Произвести расчёты параметров внутренней энергии, работы и теплоты в процессе изменения состояния водяного пара по заданию, пользуясь диаграммой и таблицами.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Задача № 1.

 Из котла при давлении P1 и степени сухости х поступает в пароперегреватель, в котором ему сообщается дополнительное тепло при постоянном давлении, а температура пара повышается до t2. Определите внутреннюю энергию, работу и теплоту в процессе изменения состояния водяного пара по варианту, пользуясь h-s диаграммой и таблицами.

Таблица 4.2 – Исходные данные для задачи № 1.

Задача № 2. 

 Начальное состояние пара характеризуется параметрами Р1  и х.Определите внутреннюю энергию, работу и теплоту в процессе изменения состояния водяного пара при постоянном объеме, пользуясь h-s диаграммой и таблицами, чтобы температура пара возросла до t2.

Таблица 4.3 - Исходные данные для задачи № 2.

Задача № 3. 

 Перегретый пар давлением Р1 и температурой t1 адиабатно  расширяется до Р2. Пользуясь h-s диаграммой и таблицами, определите начальный и конечный удельные объемы, внутреннюю энергию, работу и теплоту в процессе изменения состояния водяного, степень сухости в конце процесса  х2.

Таблица 4.4 - Исходные данные для задачи № 3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1  В чем отличие процессов получения водяного пара кипением и испарением?

2  Как называется температура, при которой начинается кипение?

3  Из каких компонентов состоит влажный насыщенный пар?

4  Как получить перегретый пар из сухого насыщенного пара?

5  Каковы преимущества h-s диаграммы по сравнению с p-v и T-s – диаграммами?

6  Какие линии на h-s диаграмме? Как они располагаются?

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Таблица П5. Параметры перегретого водяного пара по давлениям и температурам

Практическая работа № 9

Тема: Изучение процесса истечения воздуха из сужающегося сопла.

Цель: теоретически изучить термодинамические характеристики процесса истечения газа из сужающегося сопла.

Теоретическое обоснование:

Турбинные двигатели (составляющие большую часть мощных тепловых двигателей) работают за счет преобразования кинетической энергии рабочего тела в механическую энергию вращения рабочего колеса (ротора) турбинных двигателей.

Возрастание кинетической энергии происходит при ускорении потока в процессах расширения газа с уменьшением давления, осуществляемых в специальных суживающих каналах, называемых соплами. Обратный процесс, торможение потока газа, происходит в расширяющихся каналах, называемых диффузорами.

Сопло представляет собой короткий канал, имеющий специальный профиль. Различают цилиндрические сопла (без изменения диаметра по длине сопла), конически сужающиеся сопла - конфузоры (диаметр сопла уменьшается в направлении течения); конически расширяющиеся сопла - диффузоры (диаметр сопла увеличивается в направлении течения), а также сопла специального профиля:        коноидальные, сопло Лаваля, сопло Витошинского и др.

Рисунок 1 - труба Вентури                            Рисунок 2 - Коноидальное сопло

1-конфузор

2-горловина

3-диффузор

Рассмотрим случай истечения газа, характеризующегося параметрами состояния , из большого резервуара через конически сужающееся сопло. Площадь сечения сопла на его входе  на выходе S2. Поскольку длина сопла относительно мала (обычно не более пяти диаметров большого сечения), то можно считать, что потери теплоты на длине сопла равны нулю и процесс истечения газа является адиабатным. Считаем, что техническая работа не совершается (lm = 0), потерями на трение пренебрегаем; давление газа в окружающей среде р2< р2.

Из-за больших размеров резервуара скорость движения газа на входе в сопло принимаем равной нулю, т. е. о, = 0. Тогда имеем уравнение:

 =                                                      (1)

Поскольку процесс истечения адиабатный, то

                               (2)

Или

Поскольку для адиабаты:

                                                    (4)

то получим:

Количество газа, вытекающего из сопла за единицу времени (массовый расход газа, кг/с), определяется так:

Или

                                            (7)

В уравнении (7) величина  — называется степенью расширения газа на выходе (напомним, что ).

Дросселированием, как уже было отмечено, называется явление уменьшения давления газа (жидкости) при прохождении им участка резкого уменьшения площади поперечного сечения канала. Дросселирование часто используется в холодильных установках.

Участок резкого сужения потока называется местным сопротивлением.

При протекании жидкости через местные сопротивления, изменяется ее скорость, и обычно возникают вихри. Примерами местных сопротивлений могут служить следующие устройства: задвижка, диафрагма, вентиль и т.п.

На преодоление местного сопротивления затрачивается часть энергии потока, поэтому давление среды (рабочего тела) за местным сопротивлением снижается.

Дросселированием называется явление, при котором пар или газ переходит с высого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты. Такое явление происходит в трубопроводе, где имеется место сужения проходного канала (рисунок 5.2). При таком сужении, вследствие сопротивлений, давление за местом сужения - Р2, всегда меньше давления перед ним -.

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара, следовательно падения давления. В большинстве случаев это явление приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходим и создается искусственно (регулирование паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах для измерения расхода газа и т.д.).

При прохождении газа через отверстие, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления. Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту. Кроме того, в теплоту превращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется (уменьшается или увеличивается). В отверстие скорость газа увеличивается. За отверстием газ опять течет по полному сечению и скорость его вновь понижается. А давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.

Дросселирование является необратимым процессом, при котором происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.

Уравнением процесса дросселирования является следующее уравнение:

Это равенство показывает, что энтальпия в результате дросселирования не изменяется и справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.

Для идеальных газов энтальпия газа является однозначной функцией температуры. Отсюда следует, что при дросселировании идеального газа его температура не изменяется (). При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура изменяется (увеличивается, уменьшается или остется неизменной). Изменение температуры жидкостей и реальных газов при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю. Различают дифференциальный температурный эффект, когда давление и температура изменяются на бесконечно малую величину, и интегральный температурный эффект, при котором давление и температура изменяются на конечную величину.

Ход работы:

1. Ознакомиться с теоретическим обоснованием
2. Законспектировать основные положения
3. Ответить устно на контрольные вопросы

Контрольные вопросы (устно):

1. Дайте определение процесса истечения газов и дросселирования.
2. Какие каналы называются соплами?
3. Как зависит скорость потока от профиля сопла?
4. Что называется степенью расширения газа?
5. Изменяется ли энтальпия в процессе дросселирования газа?
6. В чем заключается физический смысл эффекта Джоуля-Томпсона?

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа №10

Тема. Решение задач по определению скорости газа и пара из сопла.

Цель: самостоятельно подобрать способ решения задач, опираясь на имеющиеся теоретические знания

Теоретическое обоснование:

Так как сопла представляют собой короткие каналы и время пребывания в них потока незначительное, то теплообмен между стенками канала можно пренебречь и процесс истечения считать адиабатным.

Скорость и расход в выходном сечении сопла при адиабатном истечении газа

Пренебрегая величиной   и преобразуя, т.к. при истечении обычно известен перепад давлений, получим скорость в выходном сечении сопла при адиабатном истечении газа:

                                                   (1)

Расход газа, измеряемый в кг/сек, в выходном сечении канала со2 равен по уравнению неразрывности

   где

Подставляя значение, получим после преобразований

                                                        (2)

Если сопло, через которое происходит истечение, постоянного сечения или суживающееся, то давление р2 в выходном сечении может уменьшаться только до известного предела, называемого критическим давлением рК. Отношение рК/ р1 называется критическим отношением давлений и обозначается через р.

Из уравнения расхода следует                 , откуда

Подставляя различные значения k для разных газов, получим:

k=1,66             0,49 - для одноатомных газов;                 

k= 1,4                      0,528 - для двухатомных газов;

k=1,3                       0,546 - для перегретого пара и трехатомных газов;

k=1,135                   0,577 - для насыщенного пара.

Подставляя значение в уравнение скорости и расхода получим значения критической скорости (ик) и критического (максимального) расхода

, откуда:

Выразим величину критической скорости истечения через параметры состояния в критическом сечении канала Рк и Vкиз уравнения адиабатного расширения потока газа от давления  до Рк имеем

Подставляя полученные значения в уравнение критической скорости истечения, получим

,

Откуда                                                                             (3)

где а - коэффициент, зависящий только от показателя адиабаты к.

Максимальный массовый расход:

Пусть , где  - коэффициент, зависящий только от показателя адиабаты k.

Значение расчетных величин  критического режима истечения газов и паров в зависимости от показателя адиабаты к.

   k=1,2                                 =1,04                           = 0,6484

k=1,3                                 =1,06                            = 0,667

k=1,4                                 =1,08                            = 0,6846

k=1,5                                 =1,09                            = 0,7010

Тогда максимальный массовый расход:

                                                               (4)

Задача№1

В баллоне при постоянном давлении  МПа находится кислород, поступающий из баллона через суживающее сопло в среду с давлением рнар = 4МПа. Найти скорость истечения и 2 и массовый расход М кислорода, если площадь выходного сечения сопла  = 20 мм . Начальная температура кислорода °С. Начальная скорость истечения = 0. R = 259,8 Дж/(кг*К)

Задача №2.

Для условий предыдущего примера найти скорость истечения v кр, массовый расход Мтах и давление кислорода р2 при истечении его через суживающее сопло в атмосферу (рнар = 0,1 МПа).

Контрольные вопросы:

1.Как изменяется давление р2 в выходном сечении, если сопло, через которое происходит истечение, постоянного сечения или суживающееся?

2.В каких единицах измеряется расход газа?

3.Как рассчитывается критическая скорость истечения газа и от чего зависит коэффициент а в этой формуле?

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа № 11.

Тема: Расчет процесса сжатия в одноступенчатом поршневом компрессоре.

На p-V диаграмме представлен процесс одноступенчатого компрессора. Начало линии всасывания, соответствующее крайнему левому положению поршня, изображенной на этой диаграмме точкой О, лежащей на оси давления. При движении поршня вниз газ всасывается в цилиндр машины через всасывающий клапан при постоянном давлении p₁ на протяжении всего хода поршня. Графически этот процесс изображен на рисунке 1 горизонтальной линией 0-1. Точка 1 соответствует крайнему правому положению поршня.

В момент перемены направления движения поршня всасывающий клапан закрывается и при движении поршня вверх газ сжимается (линия 1-2). Когда давление газа станет равным давлению p₂,начинается процесс нагнетания (выталкивания) сжатого газа в нагревательный клапан (линии 2-3).

В момент второй перемены направления движения поршня нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре понижается (линия 3-0) и всасывающие клапан снова открывается.

Процесс повышения давления может протекать по адиабате, изотерме или политропе.

Теоретическая работа, затрачиваемая на сжатие газа в одноступенчатом компрессе , графически на pV – диаграмме изображается плоскость 0 1 2 3 (см. рис.), а эта площадь , как известно, графически изображает работу изменения давления W₁‚₂.

Таким образом, теоретическая работа, затрачиваемая в процессе повышения давления газа в одноступенчатом компрессоре , равна по абсолютному значению работе изменения давления W₁‚₂.

В случае адиабатного сжатия:

                                                                              (1)

При вычислении работы компрессора удобно пользоваться отношением конечного давления газа p₂ к начальному p₁. Поэтому при адиабатном сжатии:

                                                                 (2)

В случае политропного сжатия, получаем:

                                                                   (3)

В случае изотермического сжатия, получим:

                                                                 (4)

Где р₁ и р₂ - начальное и конечное давления газа, Па; V₁ - начальный объем газа, всасываемого в цилиндр компрессора за два хода поршня (или за один оборот коленчатого вала), .

Если в уравнение (2) – (4) подставить вместо объема объемную подачу компрессора, представляющую отношение объема газа ко времени, то получим формулы для определения теоретической мощности компрессора N в ваттах (Вт):

                                                                (5)

                                                           (6)

                                                                  (7)

Здесь  – объемная подача (производительность) одноступенчатого компрессора, , определяемая по формуле:

                                                                        (8)

Где V₁ - объем газа, поступающего в одну рабочую полость компрессора за один ход всасывания, ; z – число рабочих полостей компрессора; n – частота вращения коленчатого вала компрессора, об/с.

В случае политропного или адиабатного сжатия, температура сжимаемого газа повышается.

При этом конечное значение её Т₂ для идеального газа может быт найдено по нижне следующим формулам:

При политропном сжатии:

Под адиабатном сжатии:

Из этих уравнений видно, что чем больше температура  Т, а также степень повышения давления  λ b и показатель политропы n, тем выше конечная температура Т₂. При постоянных значениях начальной температуры Т₁ и показателя политропы n конечная температура Т₂ определяется в основном степенью повышения давлений  λ. При высоких значениях конечной температуры газа Т₂ возникает опасность самовоспламенения смазочного масла, вводимого в цилиндр, то может привести к нарушению работы компрессора. Поэтому температура газа в конце сжатия должна быть ниже температуры самовоспламенения смазочного масла. Значением конечной температуры сжатия Т₂ и ограничивается степень повышения давления в одноступенчатом компрессоре.

Задача 1.

Найти максимально допустимое давление сжатия в идеальном одноступенчатом воздушном компрессоре р₂, если температура самовоспламенения смазочного масла  ,  , температура наружного воздуха, поступающего в компрессор,  = 27 (начальное давление воздуха р₁, Мпа), сжатие происходит по адиабате (k=1,4).

Методические указания:

Максимально допустимую температуру воздуха в конце сжатия принимают равной температуре самовоспламенения масла: . Температуру воздуха в начале сжатия принимают равной температуре наружного воздуха , а давление р₁ = 0,1 Мпа. Найтимаксимально допустимое конечное давление воздуха, процесс сжатия считать адиабатным.

Задача №2.

Объемная подача идеального одноступенчатого воздушного компрессора составляет 0,2 /с при температуре всасывания   и давлении р₁, МПа. Давление сжатого воздуха 0,8 МПа. Найти температуру воздуха и объемную подачу компрессора (по конечным параметрам воздуха) в конце сжатия и мощность, затрачиваемую на получение сжатого воздуха, в трех вариантах: при сжатии по изотерме, по адиабате ( k = 1,4) и по политропе( n = 1,2).

Методические указания:

1.При изотермическом сжатии:

Объемная подача по конечным параметрам:

Изотермическая мощность в соответствии с уравнением:

2. При адиабатном сжатии (k = 1,4)

Конечная температура равна:

Объемная подача по конечным параметрам:

Адиабатная мощность определяется:

3. При политропном сжатии:

Конечная температура равна:

Объемная подача по конечным параметрам:

Политропная мощность определяется:

Контрольные вопросы:

1. Что называется копрессором?
2. На какие группы делятся компрессоры по способу сжатия?
3. Объясните на p-V диаграмме процесс сжатия для одноступенчатого копрессора?

Литература

1. Брюханов, О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики[Текст]: учеб. / О.Н. Брюханов и др. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 254 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=420324

2. Гидравлика, пневматика и термодинамика [Электронный ресурс]: курс лекций / В.М. Филин; под ред. В.М. Филина. - М.: ИД ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 320 с.(ЭБС Znanium.com). Режим доступа: http://znanium.com/catalog.php?item=bookinfo&book=478661

Практическая работа №12

Тема: Определение термического КПД паросиловой установки.

Теоретическое обоснование:

                В одноступенчатом компрессоре степень повышения давления газа не должна превышать 4-6, так как при более высокой степени повышения давления температура  Т2  становится недопустимо высокой.  Поэтому в тех случаях, когда нужно получить газ давлением больше 0,4 МПа при начальном давлении 0,1 Мпа, применяют многоступенчатые компрессоры, в которых процесс сжатия протекает последовательно в нескольких ступенях.

                 Газ, сжатый в первой ступени компрессора, пропускают через промежуточный холодильник, где температура его понижается при постоянном давлении приблизительно до температуры Т1  при вступлении в первую ступень.  Охлажденный таким путем газ подвергают дальнейшему сжатию в следующей ступени компрессора, после чего он может быть охлажден снова, и т.д. Для практических целей часто бывает достаточно иметь двух- или трехступенчатый компрессор.

                 Необходимое число ступеней компрессора устанавливают в зависимости от допустимой температуры газа в конце сжатия в каждой ступени: она должна быть ниже температуры самовоспламенения масла, которым смазываются стенки цилиндров компрессора. При этом полагают, что температуры газа в начале и в конце сжатия во всех цилиндрах одинаковы.

                  Равенства этих температур обеспечивают одинаковые степени повышения давления в каждой ступени.

При адиабатном сжатии:

 =                                                                                                                                        (1)

 =                                                                                                                                        (2)

Так как правые части равны между собой, то и левые равны:

 =                                                                                                                                                      (3)

Обозначим степени повышения давления в отдельных ступенях компрессора через  :

 =                                                                                                                                                       (4)

 =                                                                                                                                                       (5)

Перемножив почленно  эти два уравнения, получим:

                                                =                                                                                                       (6)

 =                                                                                                                                                      (7)

Поэтому для двухступенчатого компрессора степень повышения давления для одной ступени равна:

 =                                                                                                                                                    (8)