Termodynamika techniczna

1. Kanałem o przekroju prostokąta o podstawie 60 cm przepływa woda z prędkością średnią 2 m/s. Głębokość
wody w kanale 20 cm. Oblicz strumień objętości wody w metrach sześciennych na godzinę.
2. Rurociągiem o średnicy wewnętrznej 200 mm przepływa woda z prędkością średnią 1,5 m/s. Oblicz strumień
masy wody w kilogramach na godzinę. Przyjmij gęstość wody 1000 kg/m3.
3. Grzałka elektryczna podgrzewa w ciągu jednej minuty jeden litr wody od temperatury 20ºC do stanu
wrzenia. Ciepło właściwe wody 4,187 kJ/(kg·K). Jaka jest moc grzałki?
4. Oblicz ciśnienie bezwzględne gazu w zbiorniku w przypadku a) nadciśnienia i b) podciśnienia, jeżeli
wychylenie manometru cieczowego h=255 mm, a gęstość cieczy manometrycznej ρ=1240 kg/m3.
Ciśnienie otoczenia pot=985 mbar. Zilustruj oba przypadki.
5. Oblicz objętość zbiornika w którym ma być zmagazynowane 50 kg azotu o temperaturze 12ºC pod
ciśnieniem manometrycznym 2 MPa. Ciśnienie otoczenia 1 bar. Uniwersalna stała gazowa R=8315 J/(kmol·K).
6. Butla o pojemności V=20 dm3 zawiera tlen pod ciśnieniem p1=10 MPa i o temperaturze t1=15ºC. Po zużyciu
części tlenu parametry jego wynosiły p2=6,2 MPa, t2=10ºC. Oblicz ilość zużytego tlenu.
7. Dany jest objętościowy procentowy skład spalin: [CO2]=15,1%, [O2]=4,6%, [N2]=80,3%. Oblicz objętość
właściwą tych spalin przy ciśnieniu p=0,1 MPa i w temperaturze t=300ºC.
8. Dla pary wodnej suchej nasyconej przy ciśnieniu manometrycznym 0,4 MN/m2 określ na podstawie tablicy 1
pozostałe jej parametry: temperaturę nasycenia, objętość właściwą, entalpię właściwą, entropię właściwą,
jeżeli ciśnienie barometryczne 0,1 MN/m2.
9. Oblicz ile kilogramów pary wodnej wilgotnej znajduje się w zbiorniku o objętości 2 m3, jeżeli ciśnienie tej
pary wynosi 5 MPa, a jej entropia właściwa równa jest 4 kJ/(kg·K).
10. W zbiorniku o objętości V=1 m3 znajduje się 12 kg pary wodnej o ciśnieniu 2 MPa. Oblicz stopień suchości
oraz energię wewnętrzną tej pary.
11. W zbiorniku znajduje się 80 kg nasyconej pary wodnej pod ciśnieniem 1,5 MPa. Ciecz zajmuje 5%
objętości zbiornika. Oblicz objętość zbiornika.
12. Para wodna powstająca w kotle ma następujące parametry: p=5 MPa, t=600ºC. Woda zasilająca kocioł ma
temperaturę twzas=50ºC. Wydajność kotła 50 kg/s, sprawność kotła 0,85, wartość opałowa 22000 kJ/kg.
W walczaku kotła powstaje para sucha nasycona, która następnie jest kierowana do przegrzewacza. Przedstaw
na wykresie i-s przemianę obrazującą powstawanie pary w kotle. Oblicz ile ciepła trzeba doprowadzić
w walczaku kotła, a ile w przegrzewaczu. Oblicz także zużycie paliwa.
13. Całkowite straty cieplne budynku 2,2 GJ/h. Instalacja centralnego ogrzewania zasilana jest parą wodną
wilgotną o pn=1,5 bara i x=0,98. Oblicz: a) godzinowe zapotrzebowanie pary dla ogrzewania budynku oraz
b) średnicę przewodu doprowadzającego parę do budynku, zakładając prędkość pary w przewodzie w=40 m/s
Zadanie rozwiąż przy założeniu, że w grzejnikach zachodziło całkowite skraplanie pary, skropliny
opuszczające grzejniki miały temperaturę równą temperaturze nasycenia przy pn=1,5 bara oraz doprowadzenie
pary z kotłowni do budynku odbywało się bez strat ciepła do otoczenia.
14. Dla powietrza wilgotnego o temperaturze t=40ºC i wilgotności względnej φ=60% posługując się wykresem
i-X określ: zawartość wilgoci X, entalpię właściwą i, ciśnienie cząstkowe pary wodnej pp, maksymalną
zawartość wilgoci X", ciśnienie nasycenia pp" w tej samej temperaturze, temperaturę punktu rosy tR.
Oblicz także stopień nasycenia powietrza ψ.
15. W wymienniku powierzchniowym z ciągłym odprowadzeniem skroplin oziębiono 20000 kg/h wilgotnego
powietrza o temperaturze t1=50ºC i wilgotności względnej φ=50% do temperatury t2=26ºC. Oblicz ilość
odebranego ciepła oraz ilość skroplin odprowadzonych z wymiennika podczas oziębiania powietrza.
Zilustruj przebieg procesów na wykresie i-X.
16. Powietrze o stanie t1=20ºC i φ1=0,6 zostaje podgrzane w grzejniku do temperatury t2=62ºC, następnie
dopływa do komory suszarki, z której wypływa mając temperaturę t3=30ºC. Oblicz ilość wilgoci odebraną od
suszonego materiału przez 1 kg powietrza suchego oraz ilość ciepła doprowadzaną w grzejniku do 1 kg
powietrza suchego. Zilustruj przebieg procesów na wykresie i-X.
17. Powietrze wilgotne o temperaturze 32ºC i wilgotności względnej 20% nawilżono parą wodną o entalpii
właściwej 1800 kJ/kg, aż do uzyskania wilgotności względnej powietrza 90%. Na wykresie zaznacz dwa stany
powietrza: przed nawilżeniem oraz po nawilżeniu i odczytaj jaka będzie temperatura powietrza po nawilżeniu.
18. Do komory klimatyzacyjnej dopływa powietrze o temperaturze 4ºC i wilgotności względnej 50%.
W nagrzewnicy wstępnej doprowadzane jest 25 kJ ciepła do każdego kilograma powietrza suchego.
Po ogrzaniu powietrze jest nawilżane z dysz natrysku mgłą wodną o entalpii właściwej 500 kJ/kg,
aż do osiągnięcia wilgotności względnej 100%. Po nawilżeniu powietrze kierowane jest do nagrzewnicy
wtórnej, gdzie zostaje ogrzane do temperatury 22ºC. Oblicz stopień nasycenia dla powietrza wypływającego
z nagrzewnicy wtórnej. Na wykresie i-X zilustruj przebieg procesów zachodzących w komorze klimatyzacyjnej
(ogrzanie wstępne, nawilżanie, ogrzanie wtórne powietrza).
Tablica 1. Właściwości wrzącej wody i pary nasyconej suchej
p, MPa
T, ºC
v’, dm3/kg
v”, dm3/kg
i’, kJ/kg
i”, kJ/kg
s’, kJ/(kg·K)
s”, kJ/(kg·K)
0,005
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,1
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
32,90
45,83
60,09
69,13
75,89
81,35
99,63
151,85
179,88
198,28
212,37
223,94
233,84
242,54
250,33
257,41
263,92
1,0052
1,0102
1,0172
1,0223
1,0265
1,0301
1,0434
1,0928
1,1274
1,1538
1,1766
1,1972
1,2163
1,2345
1,2521
1,2691
1,2858
28196
14676
7651,5
5230,8
3994,8
3241,5
1694,6
374,807
194,305
131,648
99,526
79,895
66,616
57,014
49,736
44,021
39,410
137,8
191,8
251,5
289,3
317,7
340,6
417,5
640,1
762,6
844,6
908,6
961,9
1008
1050
1087
1122
1154
2561
2584
2610
2625
2637
2646
2676
2748
2777
2790
2797
2801
2802
2801
2799
2797
2793
0,476
0,649
0,832
0,944
1,026
1,091
1,303
1,860
2,138
2,314
2,447
2,554
2,645
2,725
2,797
2,861
2,921
8,395
8,151
7,909
7,769
7,671
7,595
7,361
6,821
6,585
6,442
6,337
6,254
6,183
6,122
6,067
6,017
5,971
Tablica 2. Właściwości wody i pary wodnej przegrzanej przy ciśnieniu p=5 MPa
T, ºC
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
v, dm3/kg
0,9977
1,0099
1,0412
1,0877
1,1530
1,2494
45,324
51,944
57,796
63,271
68,526
73,637
78,640
i, kJ/kg
5,1
213,5
422,7
635,0
853,8
1086
2925
3069
3197
3317
3434
3550
3665
s, kJ/(kg·K)
0,000
0,701
1,303
1,887
2,325
2,791
6,210
6,451
6,649
6,820
6,977
7,122
7,259
Literatura
Szargut J., Guzik A., Górniak H.: Zadania z termodynamiki technicznej, Wydawnictwo PŚl, Gliwice, 1996.