Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по учебной дисциплине «Термодинамика» icon

Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по учебной дисциплине «Термодинамика»


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Читинского лесотехнического...
Программа, методические указания и контрольные задания по учебной дисциплине “ экология” для...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салав атского...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по спец...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников По дисциплине...
Методические указания и контрольные задания для студентов -заочников Салават,2000...
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по специальности 240404...
Методические указания и контрольные задания для студентов заочников средних специальных учебных...



страницы:   1   2   3   4   5   6



Термодинамика

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания и контрольные задания для студентов–заочников по учебной дисциплине «Термодинамика» по специальности 130502 «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», 130503“Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений”, 130504 “Бурение нефтяных и газовых скважин” составлены в соответствии с примерной программой дисциплины «Термодинамика», соответствующей государственным требованиям к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников.

Дисциплина «Термодинамика» является общепрофессиональной, устанавливающей базовые знания для освоения специальных дисциплин.

Программа, в соответствии с которой составлены методические указания и контрольные задания, предусматривает изучение основных свойств газов, законов газов, а также способы практического применения этих законов.

В результате изучения дисциплины студент должен: знать:

- основные физические свойства газа;

- первый и второй законы термодинамики;

- термодинамические процессы;

- законы тепловых процессов;

- классификацию конструкций, принципы действия установок;

уметь:

- производить расчеты требуемых величин;

- пользоваться таблицами и диаграммами, пользуясь справочной литературой и вычислительной техникой.

Дисциплина «Термодинамика» имеет тесную связь с такими дисциплинами как «Газотурбинные установки», «Гидравлические и пневматические системы» и др.

Основная форма изучения курса – самостоятельная работа студента над учебной литературой и материалами периодической печати, технической документации.

Изучение дисциплины следует начинать с изучения литературы, указанной в каждой теме. При этом рекомендуется последовательность в изучении программного материала. Приступая к изучению темы, необходимо внимательно прочитать ее от начала до конца, найти в рекомендованной литературе соответствующие параграфы и проработать их.

Все это дает возможность составить себе ясное представление о содержании темы. После этого следует приступать к более глубокому изучению темы. При изучении отдельного параграфа, прежде всего, нужно весь его медленно прочитать, обдумывая каждое предложение.

При повторном чтении параграфа следует записать основное содержание рассматриваемых вопросов в конспект.

Для текущего контроля качества усвоения дисциплины студент предоставляет в техникум одну контрольную работу.

К выполнению контрольной работы можно приступать только после изучения соответствующей темы и получения навыка решения задач. Все задачи и расчеты должны быть доведены до окончательного числового результата.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради в клетку. Работа выполняется аккуратным почерком, шариковой ручкой или чернилами, с интервалом между строками. После каждой решенной задачи необходимо оставлять чистую страницу для замечаний преподавателя. При выполнении контрольной работы можно также использовать любые доступные средства информационных технологий, в том числе компьютерные.

Решение задач следует делить на пункты. Каждый пункт должен иметь подзаголовок с указанием, что и как определяется, по каким формулам, на основе каких теорем, законов и правил.

Выполненную контрольную работу следует своевременно предоставить в техникум.

После получения зачетной работы, студент должен изучить все замечания, ошибки и доработать материал.

Работа, выполненная не по своему материалу или не полностью, проверке не подлежит.

В техникуме, во время лабораторно-экзаменационной сессии для студентов – заочников будут прочитаны обзорные лекции и подведены практические занятия по наиболее сложным темам.


Раздел 1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ.

Тема 4.1. Основные определения и законы идеальных газов.

Содержание и определения термодинамики как науки. Понятие рабочего тела и параметры его состояния. Идеальный газ. Применение понятия для реальных газов. Законы Шарля, Авогадро, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта. Уравнение газового состояния. Универсальная газовая постоянная, ее физический смысл.

Литература: 6 стр. 3 –12; 9 стр. 16 - 31

^ Тема 4.2. Газовые смеси. Теплоемкость.

Понятие газовой смеси. Свойства, применение, способы задания газовых смесей. Парциальное давление и объем компонентов смеси. Основные характеристики смеси. Закон Дальтона. Понятие теплоемкости, ее виды. Связь между теплоемкостями. Зависимость теплоемкости от температуры. Понятие истинной и средней теплоемкости. Определение количества тепла. Теплоемкость газовой смеси.

Литература: 6 стр. 18 – 25; 9 стр. 31 – 53

^ Тема 4.3. Законы термодинамики

Внутренняя энергия. Энтальпия, как функция температуры. Математическое выражение первого закона. Первый закон для реальных процессов, для замкнутого пространства и потока, для обратимых процессов. Основное уравнение термодинамики. Уравнение Майера, его анализ.

Понятие об энтропии. Энтропия изолированных и неизолированных систем. Изменение энтропии в простейших термодинамических процессах изменения состояния рабочего тела. Диаграмм T-S, h-S. Второе начало термодинамики. Сущность и математическая запись закона.

Литература: 6 стр. 12 – 42; 9 стр. 53 – 100

^ Тема 4.4. Термодинамические процессы изменения состояния

Классификация термодинамических процессов изменения состояния рабочего тела. Изохорный, изотермический, изобарный, адиабатный, политропный процессы, их изображение. Расчетные выражения для определения тепла, работы, изменения внутренней энергии. Зависимость между параметрами состояния в процессах. Круговые процессы. Понятие о циклах тепловых и холодильных машин. КПД циклов.

Литература: 6 стр. 25 – 34; 9 стр. 65 - 88

^ Тема 4.5. Процессы парообразования и термодинамические свойства водяного пара

Водяной пар как рабочее тело. Процессы нагревания, кипения и парообразования. Основные характеристики воды и водяного пара, их определение. Таблицы паров. Процессы изменения состояния водяного пара.

Литература: 3 стр. 101 - 117

^ Тема 4.6. Иссечение и дросселирование газов и паров.

Понятие об истечении. Сопла и диффузоры. особенности истечения из суживающихся и комбинированных сопел. Режимы истечения. Дросселирование газов и паров.

Литература: 3 стр. 120 - 133

^ Тема 4.7. Циклы двигателей внутреннего сгорания.

Назначение теоретических циклов, их особенности.

Цикл Дизеля, Отто, Тринклера. Их изображение в координатах P-V и T-S, КПД циклов. Сравнение циклов ДВС, их значение для практики.

Литература: 6 стр. 175 –181; 9 стр. 271 – 278

^ Раздел 5. Основы теплообмена

Основные понятия теории теплообмена. Тепловой поток. Стационарные и нестационарные процессы.

Формы передачи тепла, их сущность. Основные законы Фурье, Ньютона-Рихмана, Стефана-Больцмана. Физический смысл коэффициента теплопроводности, теплоотдачи. Основное уравнение теплоотдачи. Коэффициент теплопередачи. Схемы и принцип действии теплообменных аппаратов.

Литература: 3 стр. 145 - 188

^ Раздел 6. Топливо, продукты сгорания

Классификация видов топлива, элементный состав топлива и его определение. Теплота сгорания и другие характеристики топлива. Условное топливо, его значение. Топливный эквивалент. Расход воздуха при горении.

Литература: 3 стр 189 – 200


^ ГЛАВА ПЕРВАЯ

СОСТОЯНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Все процессы в теплотехнике связаны с использованием рабочих тел, в качестве которых применяются газы и пары.

Физическое состояние рабочего тела определяется тремя параметрами состояния: температурой, давлением и удельным объемом.

Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Численное значение температуры зависит от принятой температурной шкалы. Используются температурные шкалы: абсолютная или термодинамическая - Т º К, Цельсия или стоградусная, называемая также международной практической шкалой – t ºС, шкала Фаренгейта - t ºF и др.

^ Абсолютная температура тела


(К)

Давление представляет силу, действующую по нормали на единицу поверхности. Единицей давления в системе СИ является давление силы в 1 ньютон на площадь в 1 м², т.е. 1 н/м². Давление измеряется манометрами, если оно больше атмосферного, или вакуумметрами, если меньше.

^ Абсолютное давление рабс, если оно больше барометрического ρ б, определяется :

,

где рм – показание манометра, измеряющего избыточное давление.

Если рабсб, то

,

где ρ в – показания вакуумметра, изиеряющего разряжение.

1 бар = 1 ат = 105 Па

1 кПа = 103 Па

1 мПа = 106 Па

1 кгс/см2 (атмосфера) = 9.8067104 Па

1мм. рт. ст (миллиметр ртутного столба) = 133,3 Па

1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9.8067 Па

Удельный объем тела или объем единицы массы




где V и m- соответственно полный объем тела и его масса.

Плотность газа ρ ( кг/м3)в зависимости от давления и темпе­ра­туры можно определить по формуле Клапейрóна


,

где pст — статическое давление в газе, Па (аналогично гидроста­ти­ческому);

Rг газовая постоянная, Дж/(кг· K);

T абсолютная температура газа в градусах Кéльвина (К), вычис­ляемая через температуру t° в градусах Цельсия (°C) по формуле

T = t°+273,15°.

Например, плотность воздуха при t°=+20 °C, нормальном атмос­ферном давлении pст = pатм = 101325 Па и соответствующей газовой по­стоянной Rг=287 Дж/(кгK) составит по формуле Клапейрона

ρ = 101325/287(20+273) = 1,2 кг/м3 .

В практических расчётах воздухообмена в зданиях, в частности при самоудалении нагретого воздуха из помещений по каналам естественной вытяжной вентиляции наружу плотность воздуха определяется упрощённо при условии постоянства давления (изобарный процесс): pст= pатм=101325 Па. Это означает, что плотность воздуха считается зависящей только от его температуры Т. В дальнейшем будем иметь ввиду только такую простейшую зависимость.

Удельный вес газа (Н/м3) находится по формуле:

g.

Нормальные физические условия (н.ф.у.) соответствуют tн=0ºС и =101325 н/м²=760 мм рт. ст.


^ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

Закон Бойля- Мариотта.

Т = const

Для данной массы газа устанавливается эмпирическая зависимость между P~1/V , PV = const




При одном V но разном P температура выше там, где выше давление.


^ Закон Гей-Люссака

P = const или V/T = const

1 моль любого газа при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.


^ Закон Шарля




V или P/T = const


Уравнение Клапейрона – Менделеева

Уравнение состояния тела устанавливает зависимость между параметрами состояния. Для идеального газа уравнение состояния получено Клапейроном:

а) для 1 кг газа

ρν=RT,

где:

P - давление

v - удельный объем

T - температура

R - газовая постоянная (у каждого газа свое значение)

б) для m кг газа

ρV=mRT

Для моля идеального газа уравнение состояния предложено Менделеевым:

ρVμ =μRT


где – объем моля газа; μ –молекулярная масса.

При нормальных физических условиях =22,4 м³.

Универсальная газовая постоянная




Газовая постоянная




Объем газа V, находящегося при произвольных физических условиях (ρ и T), может быть приведен к нормальным условиям (ρн и Tн) по формуле


^ СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

Рабочее тело двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, компрессоров и т.п. представляет смесь газов. По закону Дальтона давление ρ смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений ρi.

Парциальным называется давление, создаваемое отдельным компонентом в полном объеме при температуре смеси. Если объем смеси Vм³ и давление ρ н/м², то парциальное давление отдельного компонента




где ^ Vi –приведенный объем отдельного компонента при параметрах смеси, м³.

Состав смеси может быть задан одним из следующих способов.

  1. Массовый состав смеси:

а) в абсолютных единицах массы


m= m1+m2+…+mn, кг,


где m1 и m2 и т.д. – массы отдельных компонентов смеси в кг;

б) в относительных массовых долях


где gi= mi/ m – массовая доля отдельного компонента смеси.

2. Объемный состав смеси:

а) в абсолютных единицах объема

V=V1+ V2+…+Vn, м³ ,

где V1 и V2 и т.д. – приведенные объемы отдельных компонентов смеси , м³ ;

б) в относительных объемных долях




где ri – объемная доля отдельного компонента.

где – молекулярная масса отдельных компонентов смеси.


^ Формула для расчета газовых смесей

Задание

состава смесей

Перевод из

одного состава

в другой

Кажущаяся

молекулярная

масса смеси

Газовая постоянная смеси

массовыми долями









Объемными долями











ТЕПЛОЕМКОСТЬ

Теплоемкостью называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1 градус. Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной теплоемкостью. Различают удельные теплоемкости: массовую – с, кдж/(кг·град): объемную – С, кдж/(м³·град); мольную – μc, кдж/(кмоль·град):



В теплотехнике принято удельную теплоемкость называть просто теплоемкостью. Теплоемкость зависит от природы рабочего тела, его температуры и характера процесса, в котором происходит подвод или отвод тепла.

Теплоемкость газов с повышением температуры увеличивается. Если 1 кг газа нагревается от t1ºC до t2ºC с подводом тепла q кдж, то средняя теплоемкость с газа в рассматриваемом интервале температур t1 – t2 определяется по формуле




Теплоемкость тела , соответствующая определенной температуре, называется истинной теплоемкостью.

Зависимость истинной теплоемкости газа от температуры имеет вид:

с=а+bt+dt²+…,

где a,b,d- постоянные для каждого газа коэффициенты.

Средняя теплоемкость в интервале температур t1 – t2



Если известны табличные значения средней теплоемкости с в интервале ^ 0 –t, то средняя теплоемкость в интервале t1 – t2


Особое значение в термодинамике имеют теплоемкости газа при постоянном давлении, т.е. в изобарном процессе – сρ и при постоянном объеме, т.е. в изохорном процессе – сν. Эти теплоемкости связываются формулой Майера


сρ= сν+R

Отношение теплоемкостей





где k – показатель адиабаты.

^ Таблица приближенных значений мольных теплоемкостей газов при невысоких температурах.

Газ

μcv, кДж/кмоль К

Одноатомный

12,6

Двухатомный

20,9

Трех и более атомный

29,1


Массовая, объемная и мольная теплоемкости связаны между собой зависимостями:

, Дж/кг град;

, Дж/м3 град;

, Дж/кмоль град.

Теплоемкость смеси идеальных газов:

а) массовая теплоемкость смеси



б) объемная теплоемкость смеси




Теплоемкость рабочего тела в политропном процессе



где n – показатель политропы.


Теплота нагревания газа



где M –число молей газа.


^ ГЛАВА ВТОРАЯ

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Первый закон термодинамики является частным случаем общего закона сохранения и превращения энергии применительно к процессам взаимного превращения теплоты и работы; он утверждает, что сумма всех видов энергии W изолированной системы при любых происходящих в системе процессах остается постоянной:

W=const; dW=0.


При осуществлении термодинамического процесса подводимое к телу тепло Q идет на изменение его внутренней энергии ∆U и совершение механической работы L:


Q=∆U+L. (Дж)


Для 1 кг рабочего тела

q‎=∆u+l. (Дж/кг)


^ ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Изменение состояния тела при взаимодействии его с окружающей средой называется термодинамическим процессом. В общем случае в термодинамическом процессе могут изменяться все три параметра состояния. В технической термодинамике рассматриваются следующие основные термодинамические процессы:

Изохорный – при постоянном объеме (ν= const).

Если поршень зафиксирован и объем не меняется, то произойдет повышение давления в сосуде. Такой процесс называется изохорным (v=const), идущий при постоянном объеме;


Изохорные процессы в P - T координатах:

v1>v2>v3



^ Зависимость между параметрами:



Количество теплоты:

, Дж

где СVm – средняя изохорная теплоемкость в интервале температур, кДж/кг∙град; m – масса тела, кг.

Изобарный – при постоянном давлении (p= const).

Если поршень свободен, то нагреваемый газ будет расширяться, при постоянном давлении такой процесс называется изобарическим (P=const), идущим при постоянном давлении.

Изобарные процессы в v - T координатах

P1>P2>P3



^ Зависимость между параметрами:



Количество теплоты:

, (Дж)

где СР,m – средняя изобарная теплоемкость в интервале температур, кДж/кг∙град; m – масса тела, кг.

^ Работа:

, (Дж)


Изотермический – при постоянной температуре (T= const).

Если, перемещая поршень, изменять объем газа в сосуде то, температура газа тоже будет изменяться, однако можно охлаждая сосуд при сжатии газа и нагревая при расширении можно достичь того, что температура будет постоянной при изменениях объема и давления, такой процесс называется изотермическим (Т=const).

Изотермические процессы в P-v координатах

Т1>T2 >T3




^ Зависимость между параметрами:




Количество теплоты:

, (Дж)

Процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой, называется адиабатным, при этом количество теплоты в системе остается постоянными (Q=const). В реальной жизни адиабатных процессов не существует поскольку полностью изолировать систему от окружающей среды не возможно. Однако часто происходят процессы, при которых теплообменном с окружающей средой очень мал, например, быстрое сжатие газа в сосуде поршнем, когда тепло не успевает отводиться за счет нагрева поршня и сосуда.

Примерный график адиабатного процесса в P - v координатах.




Зависимость между параметрами:

; ;

Работа:

, Дж

Политропный процесс, происходит при постоянной теплоемкости рабочего тела.



; ;

Изменение внутренней энергии в термодинамических процессах с идеальным газом


U =Сv(T2-T1), кд/кг,

Энтальпия

I=u+pv


Изменение энтальпии в любом термодинамическом процессе с идеальным газом

i=Сp(T2-T1),кдж/кг.


^ ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Второй закон термодинамики устанавливает направление самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия превращения тепла в работу. Он утверждает, что тепло в природе самопроизвольно переходит от тел более нагретых к менее нагретым.

Второй закон термодинамики является опытным статистическим законом и строго справедлив только для макросистем, т.е. систем, содержащих большое число частиц.

В соответствии с вторым законом термодинамики для превращения тепла в работу в любом тепловом двигателе необходимо иметь два тела с различными температурами. Более нагретое тело будет источником тепла для получения работы, менее нагретое – теплоприемником. При этом к.п.д. теплового двигателя всегда будет меньше единицы.

Термический к.п.д. теплового двигателя




где Q1 и Q2 – соответственно тепло , подведенное в цикле и отданное теплоприемнику; температуры в числителе и знаменателе дроби, соответственно -средние температуры подвода и отвода тепла.

Для идеального цикла теплового двигателя, т.е. для прямого обратимого цикла Карно


где T1=Tмакс –температура горячего источника теплоты; T2=Tмин – температура холодного источника теплоты или теплоприемника.

Термический к.п.д. любого реального цикла теплового двигателя всегда меньше термического к.п.д. цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур.

Важнейшим параметром состояния вещества является энтропия S. Изменение энтропии в бесконечно малом обратимом модинамическом процессе определяется уравнением, являющимся аналитическим выражением второго закона термодинамики:





где dq – бесконечно малое количество тепла, подводимого или отводимого в элементарном процессе при температуре T , в кдж/кг .

Для конечного обратимого процесса




Энтропия является функцией состояния, поэтому ее изменение ∆s в термодинамическом процессе определяется только начальными и конечными значениями параметров состояния.

Изменение энтропии в основных термодинамических процессах:

а) в изохорном


б) в изобарном


в) в изотермическом

, кдж/кг

г) в адиабатном




д) в политропном





^ ВОДЯНОЙ ПАР

Вода — самое распространенное на Земле вещество, представляет собой химическое соединение водорода с кислородом. Вода является прекрасным растворителем, и поэтому все природные воды — это растворы, содержащие разнообразные вещества — соли, газы и другие примеси.

Вода и водяной пар получили наибольшее применение в промышленности в качестве рабочего тела и теплоносителя. Это объясняется, в первую очередь, доступностью благодаря распространению воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками.

Так, удельная теплоемкость воды выше по сравнению с многими жидкостями и твердыми телами (при повышении температуры до температуры кипения, т.е. в интервале температур 0... 100 °С при атмосферном давлении с = 4,19 кДжДкгК). В отличие от других жидких и твердых тел теплопроводность воды с повышением температуры до 120... 140 °С увеличивается в зависимости от давления, а при дальнейшем повышении температуры — уменьшается. Наибольшая плотность воды (1,000 г/см3) достигается при 4 °С. Температура плавления (таяния льда) 0 оС.

Изменение агрегатного состояния воды из жидкого в газообразное называется парообразованием, а из газообразного в жидкое — конденсацией.

Превращение жидкой воды в пар — парообразование — возможно при испарении и при кипении воды

Испарение воды — процесс парообразования путем отрыва и улетучивания молекул воды с открытой ее поверхности, происходящий при температуре ниже точки кипения при данном давлении. При испарении с поверхности жидкости отрываются и улетают молекулы, обладающие повышенными относительно равновесного значения скоростями движения, вследствие чего средняя скорость движения молекул в массе жидкости снижается и, как следствие, снижается температура всей массы воды.

При подводе теплоты к массе жидкости, т.е. при нагревании воды, ее температура и интенсивность испарения увеличиваются, и наступает момент, соответствующий определенным значениям температуры и давления, когда испарение начинается в объеме воды — вода закипает.

Кипение воды — процесс интенсивного испарения не только на ее свободной поверхности, но и внутри образующихся пузырьков пара, при определенной температуре нагрева воды, называемой температурой кипения. При атмосферном давлении температура кипения составляет приблизительно 100 °С, с повышением давления температура кипения возрастает.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг воды для ее превращения из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования r. С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается (табл.).

Конденсация — обратный процесс превращения пара в жидкость. Такую жидкость называют конденсатом. Данный процесс сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся при конденсации 1 кг пара, называется теплотой конденсации пара, она численно равна скрытой теплоте парообразования r.

Водяной пар — вода в газообразном агрегатном состоянии. Водяной пар, имеющий максимальную плотность при данном давлении, называется насыщенным. Насыщенным является пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкой фазой, т.е. имеющий одинаковые температуру и давление с кипящей водой. Насыщенный водяной пар может быть влажным и сухим. В объеме влажного насыщенного пара в виде мельчайших капелек находится вода, которая образуется при разрыве оболочек паровых пузырьков. Сухой насыщенный пар не содержит капелек воды, он характеризуется температурой насыщения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением. Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретым и сухим насыщенным паром при том же давлении называется перегревом пара.

^ Насыщенный пар, пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью (или твёрдым телом) того же химического состава. Между жидкостью и её Насыщенный пар существует динамическое равновесие: число молекул, вырывающихся в единицу времени из жидкости и переходящих в паровую фазу, равно числу молекул пара, возвращающихся в жидкость за то же время. Насыщенный пар, не содержащий взвешенных частиц жидкости, называют сухим, а содержащий капельки жидкости, - влажным Насыщенный пар Состояние сухого Насыщенный пар крайне неустойчиво, так как при малейшем отводе от него теплоты пар частично конденсируется и превращается во влажный, а при малейшем подводе теплоты превращается в перегретый. В интервале температур и давлений, в котором возможно термодинамическое равновесие жидкости с паром (между тройной точкой и критической точкой), каждому давлению соответствует определённая температура насыщения пара. Кривая, представляющая зависимость давления Насыщенный пар от температуры, выражает в то же время зависимость температуры кипения (или конденсации) от давления. Определённая зависимость связывает также плотности жидкости и Насыщенный пар С увеличением температуры увеличиваются давление и плотность Насыщенный пар и уменьшается плотность жидкости.

Перегретый пар, пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении. Водяной ^ Перегретый пар, служащий рабочим телом паровых двигателей, получают в пароперегревателях котлоагрегата. Чем выше температура водяного Перегретый пар, тем выше термический кпд этих двигателей. Конструкционные материалы — стали, обычно используемые в котло- и турбостроении,— допускают перегрев пара до температуры 570 °С при давлении до 25 Мн/м2 (250 кгс/см2), а отдельные установки работают при температуре Перегретый пар 650 °С и давлении 30 Мн/м2.

Отношение массы сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара называется паросодержанием, или степенью сухости пара х. Эта важная характеристика влажного насыщенного водяного пара определяет долю пара в пароводяной смеси, где у — доля жидкости:


х = 1 - у.

Отделение капель воды от пара называется сепарацией, а устройства, предназначенные для этой цели, — сепараторами.

Энтальпия влажного насыщенного пара hx, кДж/кг, выражается через степень сухости следующим образом:


hx = h' + rx


где h' — энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг.

Энтальпия перегретого пара hn,n, кДж/кг:


hп.п = h" + cp (tп.п - tн)


где h" — энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг; ср — удельная теплоемкость пара, кДж/(кг- °С); tп.п, tн — температура перегретого и насыщенного пара, °С.

Пар- это реальный газ, находящийся в состоянии, близком к конденсации. Пар может быть влажный, сухой, насыщенный и перегретый.

Удельный объем влажного пара




где и ν˝ - удельный объем кипящей жидкости и сухого насыщенного пара, м³/кг ; x – степень сухости пара.

Теплота, энтальпия, энтропия:

сухого насыщенного пара





влажного пара


перегретого пара


где qпер=сpm(T-Tн)- тепло перегрева пара, кдж/кг; T- температура перегретого пара, °К; сpm- средняя изобарная теплоемкость перегретого пара в интервале температур от до T, кдж/(кг·град).

Расчеты термодинамических процессов с водяным паром производятся с помощью термодинамических таблиц и диаграмм состояний водяного пара. Особое значение для расчета процессов с водяным паром имеет is-диаграмма, каждая точка на которой соответствует определенным значениям параметров состояния p¸ν¸T¸i¸s . На is-диаграмме нанесены изобары, изотермы и изохоры. Адиабатный обратимый процесс изображается отрезком вертикальной прямой ( s=const).

Изменение внутренней энергии ∆u и работа l в любом процессе


u=u2-u1=(i2-i1)-(p2v2-p1v1), кдж/кг;


l=q-∆u=q-( i2-i1)-(p2v2-p1v1), кдж/кг.


Подведенное или отведенное тепло:

в изохорном процессе


qv= ∆u=(i2-i1)-ν(p2-p1), кдж/кг;

в изобарном процессе


qp=∆i= i2-i1, кдж/кг

в изотермическом процессе

qt=T∆s=T(s2-s1), кдж/кг

В этих формулах индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному и конечному состояниям водяного пара.


^ ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина.

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в барабан - сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке.

Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей.

Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк 0,04-0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.




5-4-1 линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре, соответствующим точкам, лежащим на диаграмме выше этой линии, существует только пар, ниже пароводяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p2=const (точка 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2-3 ºС, и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной криво (5-4-1); поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина.

Из насоса вода под давлением P2 поступает в барабан сепаратор, а затем в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P1=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-3 изобары P2=const). Пароводяная смесь поступает в барабан-сепаратор, где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

С точки зрения термического к.п.д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше, поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре.

Для того чтобы увеличить термический к.п.д. цикла Ренкина, часто применяют так называемый перегрев пара в специальном элемент установки - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P1. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к.п.д. цикла возрастает. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.

Термический к.п.д. цикла паросиловой установки



где i1 и i2 – энтальпия пара до и после адиабатного расширения; i´2 и i˝3 – энтальпия конденсата до и после сжатия в насосе; i´3 - i˝2 – работа насоса.

Удельный расход пара а цикле паросиловой установки





где i´I – энтальпия конденсата, поступающего в котел.


^ ИСТЕЧЕНИЕ И ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВ И ПАРОВ

Истечение газов и паров рассчитывается на основе первого закона термодинамики для движущегося газа, учитывающего работу проталкивания газа и изменение его кинетической энергии в потоке.

Для идеального газа




При адиабатном течении q=0.

Теоретическая скорость в выходном сечении сопла




где i1 и i2 – энтальпия пара или газа соответственно на входе и выходе из сопла, кДж/кг ; c1 – скорость на входе в сопло , м/сек.

Теоретический расход газа через сопло при установившемся движении


где сt, f¸ν – теоретическая скорость, площади сечения и удельный объем пара или газа в рассматриваемом сечении сопла.

Для выходного сечения сопла




Для минимального сечения сопла Лаваля



Критическое отношение давлений для сопла




Значения βкр :

Двухатомный газ ……….. 0,528

Перегретый водяной пар…0,546

Насыщенный пар ……… ...0,577

Давление в горловине сопла Лаваля

pr=pкр=p0βкр.

При расчете истечения идеальных газов можно также пользоваться формулами



Если β=βкр., то при течении газов скорость и расход газа можно определить по формулам


Дросселированием или мятием называется необратимый процесс понижения давления в потоке при прохождении им суженного канала. При адиабатном дросселировании газа или пара справедливо равенство




Если c1 ≈c2, что практически всегда может быть обеспечено, получим основное соотношение для процесса дросселирования

i2=i1

Идеальный газ дросселируется без изменения температуры. При дросселировании реального газа с начальной температурой, равной температуре инверсии Tи, процесс также будет изотермическим. Если начальная температура T1<Tи, то дросселирование реального газа происходит с понижением температуры, если T1>Tи – с повышением. Значение Tи определяется природой газа и его давлением.

Возрастание энтропии при адиабатном дросселировании идеального газа




где p- начальное давление; ∆p – понижение давления при дросселировании.

Потеря работоспособности рабочим телом при дросселировании




где T0 – низшая температура в рассматриваемой системе тел (например, температура окружающей среды), °K.


^ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН


Термический к.п.д. цикла двигателя внутреннего сгорания

здесь ε=ν1/ν2 – степень сжатия, где ν1,ν2 – соответственно объемы в начале и конце сжатия ; λ=p3/p2 –степень повышения давления в процессе изохорного подвода тепла; ρ=ν4/ν3 – степень предварительного расширения.


При ρ=1 – только изохорный подвод тепла:


при λ=1 – только изобарный подвод тепла:


Термический к.п.д. цикла газотурбинной установки (ГТУ) с адиабатным сжатием и изобарным подводом тепла:


При условии предельной регенерации в цикле




степень подвода теплоты


Теплота, передаваемая в регенераторе,







где σ – степень регенерации (σ<1),


^ МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ


Индикаторная мощность двигателя

где pi –среднее индикаторное давление, бар;

Vh –рабочий объем цилиндра, л;

n –частота вращения вала, об/мин;

k –коэффициент, учитывающий тактность двигателя (k=0,5 – для четырехтактных и k=1,0 – для двухтактных);

z –число цилиндров.

Среднее индикаторное давление

Индикаторная мощность может быть определена по формуле


Эффективная мощность двигателя



36




Крутящий момент двигателя




^ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ



Тепловой баланс может быть записан:

Потеря от химической неполноты сгорания может быть значительна только в карбюраторных двигателях, когда в выпускных газах содержится значительное количество окиси углерода (СО).

Прочие потери тепла




Если принять



^ Циклы тепловых и холодильных машин, их эффективность.

Еще более 200 лет назад развитие промышленности поставило перед учеными и инженерами задачу непрерывного получения механической работы, работы упорядоченного движения рабочего тела. А на 100 лет позже пришлось поставить задачу непрерывного «получения холода» за счет работы (т.е. переноса теплоты от тел с нижнего температурного уровня на верхний).

Однако, получать работу или трансформировать ее в теплоту непрерывно в разомкнутом, одностороннем процессе – невозможно, хотя бы потому, что односторонне движущийся поршень в цилиндре неработоспособен (должен быть ∞ ход его). Поэтому необходимость циклов, как замкнутой системы процессов, для человеческой практики была давно понята, особенно при переходе к непрерывным технологическим процессам.

Определение. Циклом называется замкнутый (круговой) процесс.

Применение циклов создает условия возвращения рабочего тела в исходное состояние. Рассмотрим рис. 4.1.



Рис. 4.1. Иллюстрация работы тепловой машины (Т1 > Т2).


В точке 1 на диаграммах p – v и T – s рабочее тело начинает контактировать с источником теплоты (верхний температурный уровень). Далее, в процессе 1а2 происходит расширение рабочего тела и одновременно приход теплоты q1 от источника к рабочему телу. В точке 2 прекращается контакт с источником, который отдал теплоту q1, и организуется контакт рабочего тела со стоком теплоты (холодильником). В процессе 2в1 происходит сжатие рабочего тела с затратой работы и одновременно отдача теплоты q2 холодильнику. Так, организуя контакт то с источником, то с холодильником, рабочее тело возвращается в исходное состояние т. 1 (здесь тепловой машине не требуется длинных цилиндров, будет короткий ход поршня).

Отметим важное обстоятельство на рис. 4.1: линия расширения 1а2 расположена на диаграмме p – v выше линии сжатия 2в1, следовательно, работа расширения будет больше работы сжатия (по абсолютной величине), следовательно, работа за цикл w > 0. Такие циклы получили название циклов тепловых машин (двигателей) или прямые циклы (а будут еще обратные). Просто в прямых циклах теплота превращается в работу, а в обратных (холодильных) работа в теплоту.

Рассматривая свойства внутренней энергии в лекции 1, было показано, что

q1 – q2 = q = w кДж/кг (4.3)

Определение. Термическим коэффициентом полезного действия технического устройства называется отношение количественно выражаемых пользы и затрат.

Следовательно, термический коэффициент полезного действия ηt теплового цикла равен

ηt = w/q1 = (q1 – q2)/q1 = 1 – q2/q1 кДж работы/кДж затраченной теплоты. (4.4)

Здесь q1 – количество теплоты, взятого из источника рабочим телом, q2 – количество теплоты, отданного холодильнику.

Величина ηt является количественной мерой совершенства, эффективности термодинамического цикла. Из (4.4) следует, что, чтобы ηt → 1, необходимо или q2 → 0 и / или q1 → ∞. Первое требование проблематично, второе – практически не реализуемо.

Рассмотрим цикл холодильной машины (или обратный цикл) на рис. 4.2.



Рис. 4.2. Иллюстрация работы холодильной машины (Т1 > Т2).


В состоянии 1 рабочее тело приводится в контакт со стенками холодильной камеры, отводя из нее теплоту q2 при совершении работы расширения в процессе 1в2. В состоянии 2 рабочее тело уже начинает контактировать с источником теплоты и в процессе 2а1 отдает теплоту q1, забирая из внешней среды работу сжатия w. Таким образом, создавая контакт то с холодильной камерой, то с источником теплоты рабочее тело возвращается в исходное состояние т.1. При этом теплота q2 переносится с нижнего температурного уровня Т2 на верхний Т1.

В этих циклах (их назвали холодильными) процесс расширения 1в2 в диаграмме p – v расположен ниже процесса сжатия 2а1 рабочего тела. Поэтому приходится подводить к циклу работу w из внешней среды. Это обстоятельство обусловило название холодильных циклов как обратных по отношению к тепловым (прямым).

Количественной мерой совершенства холодильного цикла является аналог термического коэффициента полезного действия, который в холодильной технике носит название холодильного коэффициента:


εх = польза/затраты = q2/w = q2/(q1 – q2) кДж «холода»/кДж работы. (4.5)

Замечание. Холодильный цикл на рис. 4.2 термодинамически ничем не отличается от цикла теплового насоса, но последний называют такой цикл, который используется для отопления подводом теплоты q1 за счет работы.

Холодильный коэффициент идеальной холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно,



где ^ Tмин и Tмакс – соответственно низшая и высшая температуры в цикле.

Холодильный коэффициент воздушной холодильной машины

где ^ T1 ,T2 – соответственно температуры начала и конца адиабатного сжатия;

T3 ,T4 – температуры начала и конца адиабатного расширения в детандере.

Работа сжатия в компрессоре воздушной холодильной машины

Работа расширения в детандере



Холодопроизводительность




(2.51)

Отводимое в цикле тепло


(2.52)

Холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной машины


где i1 ,i2 – энтальпия хладагента в начале и конце процесса сжатия в компрессоре, кдж/кг; i3 = энтальпия жидкого хладагента после конденсации, кдж/кг.


^ ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ




Скачать 1.19 Mb.
оставить комментарий
страница1/6
Дата27.09.2011
Размер1.19 Mb.
ТипМетодические указания, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6
плохо
  2
средне
  2
хорошо
  2
отлично
  5
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх