Bilet_4 (Файлы к экзамену)

Билет 4.1. Методика применения принципа сохранения энергии для анализа и расчётанизкотемпературных машин, аппаратов и установок.Закон сохранения энергии: сумма всех энергетических воздействий на системуравна изменению энергии в системе.Формулировка ЗСЭ для разных систем:1) Закрытая система, стационарный режим U = 02) Закрытая система, нестационарный режимUt= ∑ Li + ∑ Qj + ∑ Эk3) Открытая система, стационарный режим ∑ Li + ∑ Qj + ∑ Эk + ∑ Gm * hn = 0Пример (в примере косяк: на рисунках нужно поменять местами точки 4 и 2. Вбилете достаточно расписать задачу с некоторыми пояснениями из самойлекции до неё)Уравнение материального баланса для двухпоточного противоточноготеплообменника.Рисунок 16.

Схема противоточного теплообменного аппарата.Система открытая, стационарный режим. Энергетический баланс:Qoc + GA • h1 + GB • h2 = GA • h3 + GB • h4Т.к. мы рассматриваем низкотемпературный теплообмен, то необходимоучитывать теплопритоки из окружающей среды.Скомпануем потоки:Qoc + GA ·(h1 − h3 ) = GB ·(h4 − h2 )GA • (h1 − h3 ) − теплота, которая отводится от прямого потокаGB • (h4 − h2 ) − теплота подводимая к обратному потоку«Холод» обратного потока затрачивается на охлаждение прямого потока икомпенсацию теплопритока из окружающей среды.Рассмотрим случай, когда оба потока не претерпевают фазовых преобразований,т.е.

разность энтальпий пропорциональна разности температур.∆h = 〈C p 〉·∆T〈C p 〉 − усреднённая изобарная теплоёмкостьABQoc + GA • 〈C p 〉·(T 1 − T 3 ) = GB • 〈C p 〉·(T 4 − T 2 )Водяным эквивалентом​(W) называется величина произведения массовогорасхода на среднюю изобарную теплоёмкость.Qoc + W A • (T 1 − T 3 ) = W B • (T 4 − T 2 )При расчёте теплообменных аппаратов при заданных значениях теплофизическихпараметров потоков, массовых расходов и температур потоков на входе втеплообменник необходимо определить значение температур потока навыходе из теплообменника.В технике низких температур основной задачей теплообмена является понижениетемпературы прямого потока, в то время как повышение температурыобратного потока мало интересно.Дано:W A, W BQocT 1, T 2Найти : T 3 , T 4Решение:В идеальном случае весь «холод» обратного потока затрачивается на охлаждениепрямого потока и компенсацию теплопритока из окружающей среды, т.е.

видеальном случае Т​4​=T​1​. Но в следствие неидеальности теплообменатемпература T​4​<T​1​или T​4​+ΔT=T​1​, где величина ΔT называетсянедорекуперацией (недоиспользование холода обратного потока)Рисунок 17. Иллюстрация недорекуперации на Q-T диаграмме.Величина недорекуперации зависит от типа теплообменника, рабочих веществпотоков, а так же от температурного уровня работы теплообменника.Чем меньше величина недорекуперации, тем более эффективным считаетсятеплообменник.Обычно она составляет не более 20 К, чем ниже температурный уровень, темниже недорекуперация.Зная величину недорекуперации можно решить поставленную задачу.Qoc + W A • (T 1 − T 3 ) = W B • (T 1 − ∆T − T 2 )T3 = T1 +QocWA−WBWA• (T 1 − ∆T − T 2 )2.

Основные рабочие вещества криогенной техники. Краткая характеристика исвойстваАзот.Инертен почти во всех случаях, нетоксичен, необладает магнитными свойствами, неимеет запаха.Азот обладает наиболее низкой температуройкипения по сравнению в кислородом иаргономПараметрТемпература кипения( 1 атм)Температураплавления (1 атм)Температуракритической точкиДавлениекритической точкиТемпература тройнойточкиДавление тройнойточкиВерхняя температураинверсииАзот77 К63,2 К127 К3,4 МПа63,15 К12,5 кПа604 ККислород.Химически активный газ, сильный окислитель, взрывоопасен в смесях суглеводородами, обладает парамагнитными свойствами.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииКислород90,188 К54,4 К154,78 К3,107 МПа54,36 К0,152 кПа771 КАргонИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета изапаха.ПараметрТемпература кипения( 1 атм)Температураплавления (1 атм)Аргон87,29 К83,85 КТемпературакритической точкиДавлениекритической точкиТемпература тройнойточкиДавление тройнойточкиВерхняя температураинверсии150,72 К4,864 МПа83,81 К68,92 кПа765 КНеонИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета изапаха.ПараметрТемпература кипения( 1 атм)Температураплавления (1 атм)Температуракритической точкиДавлениекритической точкиТемпература тройнойточкиДавление тройнойточкиВерхняя температураинверсииНеон27,108 К24,6 К44,45 К2,721 МПа24,56 К43,31 кПа230 КГелийИнертный газ, нетоксичен, не имеет цвета и запаха, аномально высокаятеплоёмкость и низкая плотность, сверхтекучести при температурах ниже 2,17 К,наилучший теплоноситель в связи с высоким коэффициентом теплопроводностикак газа, так и жидкости, отсутствует кривая сублимации.ПараметрТемпературакипения ( 1 атм)Температураплавления (1 атм)ТемпературакритическойточкиДавлениекритическойточкиТемпературатройной точкиДавление тройнойточкиВерхняятемператураинверсииГелий4,224 Кнет твердогосостояния5,2014 К0,2275 МПатройной точки неимееттройной точки неимеет46 КВодород.Самый лёгкий газ, горюч в присутствии воздуха или кислорода – пожароопасенпри 4-75%, взрывоопасен 18-65%, особая опасность взрыва в жидкомсостоянии при контакте с твёрдым воздухом или кислородом.Обычный водород при нормальных условиях имеет две модификации:ортоводород и параводород.Нормальный водород, имеющий равновесный орто-пара состав, соответствующийнормальным условиям имеет следующие свойства.ПараметрТемпература кипения ( 1 атм)Температура плавления (1 атм)Температура критической точкиДавление критической точкиТемпература тройной точкиДавление тройной точкиВерхняя температура инверсииВодород20,39 К13,96 К33,24 К1,297 МПа13,95 К7,2 кПа204 К3.

Изотермическое сжатие в компрессоре для различных газов. Соотношениемежду подведённой работой и отведённой теплотой.Рисунок 35. Изотермическое сжатие в компрессоре.В результате изотермического сжатия получаем газ имеющий энтропию меньшечем в начальном состоянии, что позволяет при дальнейшем изоэнтропномрасширении (в идеальном детандере) получить понижение температуры.Первоначально с понижением давления имеем резкое увеличение перепадатемператур изоэнтропного расширения.При дальнейшем увеличении давления конец расширения попадает вдвухфазную область, и перепад температур становится постоянным.Только при очень больших давлениях (сотни МПа) происходит понижениетемпературы ниже температуры кипения, а конечное состояние находится вжидкостной области, т.е.

процесс становится практически неосуществимым.Кривая инверсии делит газовую область на две части:- выше линии инверсии изоэнтальпа имеет положительный угол наклона с осьюэнтропий- ниже линии – отрицательный- на самой линии угол равен нулюВ области малых давлений <0,1 атм газ ведёт себя как идеальный, и изоэнтальпасовпадает с изотермой.Поэтому при рассмотрении изотермического сжатия газа в компрессоре иопределении соотношения между L и Q необходимо учитывать, где относительнолинии инверсии проходит процесс изотермического сжатия.1) Сжатие ниже линии инверсии.Рисунок 65. Сжатие ниже кривой инверсии.h​>h​1​2lсж = T 0 (s1 − s2 ) − (h1 − h2 )lсж < q сж = T 0 (s1 − s2 )2) Сжатие выше линии инверсии.Рисунок 66.

Сжатие выше кривой инверсии.h​<h​1​2lсж = T 0 (s1 − s2 ) − (h1 − h2 )lсж > q сж = T 0 (s1 − s2 )Графическое отображение и сравнение работ при сжатии выше и нижекривой инверсии.Рисунок 67. Графическое отображение работ сжатия: а) ниже кривойинверсии; б) выше кривой инверсии.Рассмотрим случай когда q сж = lсж = h1 − h2Это возможно в двух случаях:1.

Если газ – идеальный, и изоэнтальпы совпадают с изотермами.2. Если сжатие началось под кривой инверсии, а закончилось выше кривойинверсии, попав на ту же изоэнтальпу.Рисунок 68. Работа сжатия равна отведённой теплоте: а) идеальный газ; б)реальный газ..