termodynamika techniczna zad MT, Automatyka i Robotyka, Semestr 6, Termodynamika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->´Cwiczenia 1 - Zasada zachowania masy, równanie stanu gazu doskonałegoc s´1. Gaz ziemny (CH4, metan) w warunkach normalnych zajmuje obj˛ to´c 5 m3. Wyrazi´ ilo´c gazu w kg oraze s´nkmol.´2. Przewodem o srednicyd= 80mm przepływa dwutlenek w˛ gla CO2. W celu zmierzenia strumienia masyegazu zabudowano w rurociagu rurk˛ Pitota. Manometr cieczowy mierzacy ci´nienie dynamiczne napeł-˛e˛s3˙ eniony jest ciecza o ci˛ zarze wła´ciwymγ= 9000N/m . Manometr wskazuje róznic˛ wysoko´ci cieczy w˛e˙ss˙˙rurkachh= 90mm. Ci´nienie manometryczne (statyczne) ma warto´cpm=1,4 bar. Przy załozeniu, zess´mierzona pr˛ dko´c jest pr˛ dko´cia srednia, oblicz strumie´ masowymw kg/s.e s´e s ˛´˛n˙3. Do zbiornika zawierajacegoV= 124m3gazu o składzie molowym:zpCO2= 0, 1,zpCO= 0, 3,zpH2=˛n0, 02,zpN2= 0, 58kmol N2/kmol roztworu doprowadzonond= 4, 2kmol gazu o udziałach:zdCH4= 0, 8,zdCO2= 0, 06,zdN2=0,14 kmol N2/kmol roztworu. Oblicz ko´ cowa ilo´c kazdego składnika oraz składn˛ s´ ˙chemiczny tego gazu. Wyra´ skład chemiczny poprzez udziały gramowe oraz molowe.z´4. Zbiornik o srednicy 1400 mm i wysoko´ci 3000 mm jest ładowany stałym strumieniem oleju opałowegos3o g˛ sto´ciρ= 840kg/m , poczatkowo zbiornik był wypełniony w jednej dziesiatej swojej wysoko´ci.e s˛˛s˙Równocze´nie ze zbiornika jest pobierany stały strumie´ obj˛ to´ciowy oleju do celów grzewczychVw= 2sne s˙l/h. Wyznacz strumie´ oleju, którym jest ładowany zbiornik, jezeli pełne ładowanie trwałoτ= 2h.nPonadto oblicz poziom oleju po dwóch miesiacach od pełnego naładowania.˛5. W zbiorniku o obj˛ to´ciV= 12m3znajdował si˛ gaz doskonały o parametrachpm1= 1, 9MPa (nad-e se◦ci´nienie) it1= 12C. Ze zbiornika pobrano pewna ilo´c gazu. Parametry gazu pozostałego w zbiornikuss´◦wynosza:pm2= 0, 7MPa it2=−7C. Oblicz, ile kilomoli gazu pobrano ze zbiornika.˛6. W celu wyznaczenia obj˛ to´ciVrrurociagu łaczy si˛ go po jednostronnym zamkni˛ ciu ze zbiornikiem o ob-e s˛˛eej˛ to´ciVz= 5m3, zawierajacym powietrze o parametrach poczatkowych:pm1= 0, 52MPa (nadci´nienie),e s˛˛sT1= 295K. Poczatkowe parametry powietrza w rurociagu sa równe parametrom otoczeniapot= 0, 102˛˛˛˙MPa iTot= 288K. Po połaczeniu rurociagu ze zbiornikiem stwierdzono, ze w układzie panuje nadci´nie-˛˛sniepm2= 0, 06MPa i temperaturaT2= 288K. Oblicz obj˛ to´c rurociagu.e s´˛1´Cwiczenia 2 - Zasada zachowania energii1. W zbiorniku o obj˛ to´ciV= 1m3znajduje si˛ gaz o parametrachp1= 0, 5MPa iT1= 300K. We sezbiorniku wbudowany jest zawór bezpiecze´ stwa, którego otwór o przekrojuA= 20cm2zamkni˛ ty jestnegrzybkiem dociskanym spr˛ zyna o napi˛ ciu wst˛ pnymF3= 1765N. Gaz w zbiorniku został najpierwe˙ ˛eepodgrzany do temperaturyT2= 800K, a nast˛ pnie ochłodzony do temperaturyT3=T1= 300K. Obliczeilo´c kilomoli, która uszła ze zbiornika oraz ci´nienie ko´ cowe gazu w zbiorniku.s´sn˙2. W naczyniu znajduje si˛m= 1kg wody o temperaturzet1= 15◦C. Do podgrzania wody uzyto grzałki oemocyN= 2000W. Oblicz czas potrzebny do zagotowania wody zakładajac, ze straty energii stanowia 5%˛ ˙˛energii dostarczanej przez grzałk˛ .e3. Kanałem o przekrojuA= 0, 4m2przepływaja spaliny o składzie molowym:z1CO2= 0, 14,z1O2= 0, 04,˛z1H2O= 0, 06,z1N2= 0, 76.Poczatkowe parametry spalin sa nast˛ pujace:p1= 0, 1MPa,T1= 500K,˛˛e ˛˙´w1= 30m/s. Przez sciany kanału przenika do otoczenia ciepło, co powoduje obnizenie temperatury spalindoT2= 350K. Oblicz strumie´ ciepła oddawanego przez spaliny traktujac je jako gaz doskonały.n˛4. Powietrze podgrzewane jest grzejnikiem elektrycznym. Temperatura powietrza przed grzejnikiem ma war-to´ct1= 25◦C. Wymagana temperatura powietrza za grzejnikiem wynosit2= 80◦C. Oblicz moc grzałkis´˙elektrycznej niezb˛ dna do podgrzaniaV= 3000m3/h powietrza suchego. Strata ciepła do otoczenia wy-e ˛nnosi 3% mocy grzałki.5. W zbiorniku o obj˛ to´ciV= 50m3znajduje si˛ metan o ci´nieniupm1=−0,01MPa i temperaturzee ses◦t1= 10C. Zbiornik ładuje si˛ metanem o ci´nieniup3= 0, 8MPa i temperaturzet3= 15◦C. Parametryesko´ cowe wynoszapm2= 0, 65MPa,t2= 32◦C. Przyjmij ci´nienie otoczeniapot= 0, 1MPa. Traktujacn˛s˛metan jako gaz doskonały, wyznacz:•ilo´c doprowadzonego metanu,s´•ilo´c ciepła, która odpłyn˛ ła do otoczenia,s´e˙ ´•czas ładowania zbiornika, jezeli srednia pr˛ dko´c metanu w rurociagu wynosiw3= 200m/s, a jegoe s´˛´srednicad3= 25mm.´6. Do zaizolowanego mieszalnika dopływa CO2kanałem o srednicyD1= 40mm o parametrachp1= 0, 2˙´MPa,t1= 90◦C,w1= 5m/s, a takze N2kanałem o srednicyD2= 30mm o parametrachp2= 0, 2MPa,´t2= 40◦C,w2= 4, 5m/s. Roztwór gazów opuszcza mieszalnik kanałem o srednicyD3= 50mm. Oblicz:•udziały molowe w roztworze opuszczajacym mieszalnik,˛•temperatur˛ tego roztworu,e•pr˛ dko´c, jezeli ci´nienie w tym rurociagu ma warto´cp3= 0, 2MPa.e s´ ˙s˛s´7. W dwóch zbiornikach A i B połaczonych rurociagiem znajduje si˛ mieszanina N2, O2, CO2. Znane sa:˛˛e˛udziały molowez1N2= 0, 2,z1CO2= 0, 3,poczatkowe temperatury mieszaninyTA1= 500K iTB1= 300˛3K oraz obj˛ to´ci zbiornikówVA= 5m orazVB= 10m3. Ci´nienie poczatkowep1= 0, 5MPa jeste ss˛jednakowe w obu zbiornikach. Wskutek ostygania zbiornika A mieszanina gazów cz˛ sciowo przepływae´˙ze zbiornika B do zbiornika A. Ponadto wiadomo, ze temperatura w zbiorniku BTB1=TB2= 300Kjest stała, a temperatura ko´ cowa w zbiorniku A jest równaTA2= 300K. Ci´nienia ko´ cowepB1=nsn˛spB2w obu zbiornikach sa jednakowe. Oblicz ilo´ci ciepła, które zostały doprowadzone do zbiornika B iwyprowadzone ze zbiornika A.2´Cwiczenia 3 - Praca oraz przemiany gazu doskonałego1. Struga gazu doskonałego, dla którego wykładnik jest równyκ= 1, 35,o parametrach poczatkowychp1=˛1, 0MPa,T1= 300K jest ogrzewana izobarycznie w grzejniku, a nast˛ pnie rozpr˛ za si˛ adiabatycznieee˙eodwracalnie w maszynie przepływowej do ci´nieniap3= 0, 2MPa. Ponadto znane sa: strumie´ gazun= 5s˛n˙kmol/h oraz moc maszynyN= 50kW. Oblicz strumie´ ciepła doprowadzonego do gazu w grzejniku.n2. Powietrze (gaz doskonały) jest spr˛ zane politropowo bez tarcia w idealnej spr˛ zarce chłodzonej woda.e˙e˙˛Parametry powietrza przy dopływie do spr˛ zarki:p1= 0, 1MPa,T1= 290K, a ci´nienie wylotowee˙sp2= 0, 4MPa. Ponadto znane sa: moc nap˛ dowaN= 100kW oraz strumie´ ciepła odbieranego przez˛enwod˛ chłodzacaQ= 35kW. Oblicz wydajno´c spr˛ zarki.e˛ ˛˙s´e˙´3. W cylindrze o srednicyd= 0, 1m i wysoko´ciz= 0, 15m spr˛ zono adiabatycznie beztarciowo (izentropa)se˙powietrze (gaz doskonały) od ci´nieniap1= 0, 1MPa i temperaturyT1= 300K dop2= 0, 5MPa.sObliczy´ temperatur˛ ko´ cowa przemiany, skok tłoka i prac˛ przemiany.ce n˛e3´Cwiczenia 4 - Obiegi siłowni gazowych i parowych1. Oblicz moc generatora oraz sprawno´c siłowni gazowej pracujacej w cyklu zamkni˛ tym dla nast˛ pujacychs´˛ee ˛˙danych:Qd= 10MW,Tot= 298K,T3= 800K,p3= 1MPa,p4= 0, 2MPa,ηiT= 0, 85,ηiS= 0, 8,˙ηmT=ηmS= 0, 98,ηg= 0, 98.Przemiany 1-2 oraz 3-4 sa adiabatami nieodwracalnymi. Załóz ponadto,˛˙ze temperatura czynnika obiegowego, którym jest CO2, po opuszczeniu wymiennika dolnego jest o 15 K˙˙wyzsza od temperaturyTotoraz, zep2=p3ip1=p4. Przedstaw obieg siłowni w układziep−ϑorazT−s.2. Do wymiennika doprowadza si˛ par˛ wodna mokra o parametrach:p1= 0, 8MPa,X1= 0, 97,m= 0, 14ee˛˛˙˙kg/s. Poniewaz temperatura przy dopływie do wymiennika nie powinna przekracza´t2= 115◦C, dlategoc˙tez przed wymiennikiem jest dławiona izentalpowo. Temperatura kondensatu (wody) opuszczajacego wy-˛miennik jest równat3= 70◦C. Wyznacz ci´nienie pary po zdławieniu oraz strumie´ ciepła przekazany wsnwymienniku ciepła.3. Para wodna w pkt. 1 ma nast˛ pujace parametry: ci´nieniep1= 0, 2MPa, stopie´ sucho´ciX1= 0, 8,e ˛snsa strumie´ tej pary ma warto´cm1= 1, 39kg/s. W celu podniesienia stopnia sucho´ci pary miesza si˛ns´˙se◦ja z para przegrzana o parametrach:p2= 0, 6MPa,t2= 300C zdławiona do ci´nieniap3= 0, 2MPa.˛˛˛˛sWymagany stopie´ sucho´ci po zmieszaniu jest równyX4= 0, 94.Po zmieszaniu para wodna rozpr˛ zanse˙si˛ w turbinie adiabatycznie nieodwracalnie do ci´nieniap5= 0, 008MPa, sprawno´c wewn˛ trzna turbinyess´ewynosiηiT= 0, 72.Obliczy´ stumie´ pary przegrzanej, moc wewn˛ trzna turbiny oraz ilo´c ciepła odpro-cne˛s´˙˙wadzana w skraplaczu, przy załozeniu, ze w pkt. 6 (za skraplaczem) znajduje si˛ kondensat o temperaturze˛enasycenia.˙4. Oblicz sprawno´c i strumie´ energii chemicznej paliwa w siłowni parowej, jezeli dane sa nast˛ pujace:s´n˛e ˛t1= 400◦C,p1= 5MPa,p2=p3= 0, 008MPa,Nelg= 200MW,ηiT= 0, 9,ηmT= 0, 98,ηg= 0, 97,˙ηk= 0, 9.Przemiana 1-2 jest adiabata nieodwracalna. Przyjmij, ze w pompie nie nast˛ puje przyrost entalpii˛˛e˙czynnika (i3=i4) oraz, ze w pkt. 3 znajduje si˛ ciecz w stanie nasycenia.e4´Cwiczenia 5 - Termodynamika spalania1. Benzyn˛ spalono w powietrzu wzbogaconym w tlen. Udziały gramowe składu benzyny maja warto´ci:e˛sc= 0, 85,h= 0, 15,natomiast udziały molowe składu powietrza: O2= 0, 45,N2= 0, 55.Oblicz mini-˙malne zapotrzebowanie wzbogaconego powietrza oraz skład spalin suchych, jezeli spalanie jest zupełne icałkowite, a stosunek nadmiaru powietrza ma warto´cλ= 1, 1.s´2. Analiza chemiczna wykazała nast˛ pujacy skład gazu: CO=0, 28,CH4= 0, 03,C2H2= 0, 002,H2=e ˛0, 12,CO2= 0, 028,N2= 0, 54.Oblicz minimalne zapotrzebowanie tlenu i minimalne zapotrzebowaniepowietrza, skład spalin suchych i wilgotnych przy spalaniu zupełnym i całkowitym w suchym powietrzuatmosferycznym. Stosunek nadmiaru powietrza ma warto´cλ= 1, 1.s´3. Olej o składzie:c= 0, 8,h= 0, 14,w= 0, 04,o= 0, 02,Wd= 41MJ/kg spalany jest w kotle wilo´ciP= 4kg/h. Powietrze zasysane z otoczenia ma parametryt1= 5◦C,ϕ1= 80%podgrzewanes˙jest w rekuperatorze do temperaturyt2= 100◦C. Analiza składu spalin wykazała nast˛ pujace udziały:e ˛◦[CO2]=12%,[CO]=0, 1%.Temperatura wylotowa spalin ma warto´ct4= 160C. Wyznacz temperatur˛s´et3, moc cieplna komory i straty wylotowe.˛4. Metan został spalony izobarycznie przy stosunku nadmiaru powietrzaλ= 1, 3.Substraty maja temperatur˛˛e˙otoczeniat= 25◦C. Przyjmij nast˛ pujace załozenia: spalanie jest zupełne i całkowite, substraty sa suche,e ˛˛ci´nieniep= 0, 1MPa. Ponadto znany jest strumie´ metanung= 0, 01kmol/s. Oblicz adiabatycznasn˙˛˙temperatur˛ spalin oraz ilo´c oddanego ciepła do otoczenia, jezeli temperatura spalint= 25◦C.es´5. Wymagana temperatura spalin odpływajacych z komory spalania do turbiny gazowejT” = 1400K. W˛komorze spala si˛ zupełnie i całkowicie gaz o składzie molowym CH4= 0, 7,C2H6= 0, 05,CO=0, 1,eH2= 0, 03,N2= 0, 03w powietrzu atmosferycznym. Temperatura gazu i powietrza przy dopływie do˙komoryT= 1400K. Stopie´ zawilzenia gazu i powietrza odpowiada nasyceniu para wodna przy parame-n˛˛trach otoczeniapot= 0, 1MPa,Tot= 283K. Ciepło przenikajace z komory spalania do otoczenia stanowi˛εot=0,03warto´ci opałowej paliwa. Oblicz stosunek nadmiaru powietrza zapewniajacy utrzymanie wy-s˛maganej temperatury spalin T".5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]