Уравнение первого закона термодинамики для потока и его анализ. Адиабатное истечение. Скорость адиабатного истечения. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Воздействие на поток геометрии канала. Сопло Лаваля. Особенности определения скорости истечения для водяного пара. Влияние потерь на скорость истечения. Сущность процесса дросселирования. Изменение параметров рабочего тела при дросселировании. Понятие об эффекте Джоуля – Томсона. Температура инверсии. Техническое применение эффекта дросселирования. Условное изображение процесса дросселирования водяного пара в hs-диаграмме. Потеря работоспособности рабочего тела при дросселировании.

Методические указания

Тщательно разберите физический смысл отдельных членов уравнения первого закона термодинамики для потока. Уясните, за счет чего совершаются различные виды работ при течении рабочего тела, почему в суживающихся и цилиндрических каналах скорость потока не может превзойти скорости звука. Разберитесь в воздействии профиля канала на скорость потока и проанализируйте изменение параметров рабочего тела при течении его по соплу Лаваля. Поймите принципиальную разницу в расчете скорости истечения идеального газа и водяного пара. Необходимо отчетливо представлять себе влияние трения на адиабатный процесс истечения идеального газа и водяного пара и уметь изображать реальный процесс истечения в Ts - и hs-диаграммах. Из-за явной необратимости адиабатного процесса дросселирования последний нельзя отождествлять с процессом, протекающим при постоянной энтальпии. Уясните принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором dq = 0, а Ds>0, и адиабатным обратимым процессом расширения рабочего тела, при котором dq=O и Ds = 0. Понять, почему в результате дросселирования водяного пара температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной.

Вопросы для самопроверки

1. Какие допущения лежат в основе вывода уравнения первого закона термодинамики для потока? 2. Объясните физический смысл каждого члена уравнения первого закона термодинамики для потока. 3. На что расходуется работа расширения газа в потоке? 4. Что такое работа проталкивания и какой она может иметь знак? 6. Что такое располагаемая работа, как показать ее на рv  -диаграмме? 6. Что такое сопло и диффузор? 7. Каков физический смысл критической скорости? 8. Какая связь между изменением профиля канала, изменением плотности рабочего тела и изменением скорости его течения? 9. Каким условиям должны отвечать диффузор и сопло для дозвукового и сверхзвукового режимов течения? 10. Какой процесс носит название дросселирования? 11. Как протекает процесс адиабатного дросселирования? 12. Как и почему меняется температура водяного пара при его дросселировании? 13. Возможно ли осуществить сжижение газа в процессе дросселирования?

Тем а 7. Термодинамический анализ процессов в компрессорах.

Назначение и классификация компрессоров. Техническая работа в компрессоре. Работа, затрачиваемая на привод компрессора. Изотермическое и политропное сжатие. Индикаторная диаграмма. Отличие индикаторной диаграммы действительного цикла от теоретического. Понятие о.многоступенчатом сжатии. Изображение в pv- и Ts-диаграммах процессов в компрессорах для одно- и многоступенчатого сжатия. Определение эффективной мощности, затрачиваемой на привод компрессора, и понятие о внутреннем относительном к.п.д.

Методические указания

Из-за широкого распространения в промышленности компрессоров термодинамический анализ их работы имеет большое значение в подготовке студентов. Ознакомившись с конструктивной схемой и работой поршневых и центробежных компрессоров, обратите внимание на то, что процессы всасывания и выталкивания, изображенные на индикаторной диаграмме горизонтальными линиями, нельзя рассматривать как изобарные, так как в этих процессах не происходит изменения состояния, а происходит изменение количества всасываемого или выталкиваемого рабочего тела. Уделите внимание изображению термодинамических процессов в pv- и Ts-диаграммах. Сравните изотермическое, адиабатное и политропное сжатие рабочего тела. Уясните влияние вредного пространства на работу поршневого компрессора. В связи с применением высокого давления в некоторых технологических аппаратах разберите принципы работы многоступенчатых компрессоров.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение компрессоров? 2. Какова классификация компрессоров? 3. Каковы принципы действия поршневого компрессора и изображение работы компрессора в pv-диаграмме? 4. Какой процесс сжатия в поршневом компрессоре наиболее выгодный?

5. Можно ли получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре? 6. Как определяют работу, затрачиваемую на привод компрессора? 7. Как определяют техническую работу компрессора? 8. Чем вызвано применение нескольких ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре? 9. Чем отличаются центробежные компрессоры от поршневых? 10. Приведите описание многоступенчатого компрессора. 11. Как влияет вредное пространство на работу компрессора? 12. Как определяют эффективную мощность, затрачиваемую на привод компрессора? 13. Как определяют внутренний относительный к.п.д. компрессора?

Т е м а 8. Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Изображение циклов ДВС в рv- и Ts -диаграммах. Анализ и сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Определение термического к.п.д. и влияние параметров цикла ДВС на увеличение к.п.д. Преимущества газотурбинных установок по сравнению с поршневым ДВС. Циклы газотурбинных установок. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном объеме. Изображение циклов в pv- и Ts-диаграммах. Анализ и сравнение циклов газотурбинных установок. Определение термического к.п.д. и методы повышения к.п.д. газотурбинных установок. Методы анализа циклов теплоэнергетических установок. Эксергетический метод анализа циклов.

Методические указания

Термодинамический анализ циклов двигателей внутреннего сгорания проводится при допущении термодинамической обратимости процессов, составляющих цикл. Для простоты анализа циклов ДВС в качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом считают бесконечно малой, а подвод теплоты к рабочему телу осуществляют от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. Следует научиться анализировать различные циклы, пользуясь при этом рv  и- и Ts-диаграммами. При рассмотрении действительных процессов обратите внимание на отличие индикаторных диаграмм от теоретического идеального цикла. Проанализируйте уравнение для определения термического к.п.д. различных циклов и влияние основных параметров на термический к.п.д.

Разберитесь в экономичности циклов ДВС. При сравнении экономичности рассматриваемых циклов при одинаковых степенях сжатия следует помнить, что наиболее экономичным будет цикл с изохорным подводом теплоты. Если же сравнение экономичности производить при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то максимальный к.п.д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты, а наименьший — цикл с изохорным подводом теплоты.

При рассмотрении газотурбинных установок (ГТУ) обратите внимание на преимущества их перед поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Уясните принцип работы газотурбинных установок, запомните схемы установок и научитесь анализировать их работу, используя pv - и Ts-диаграммы. Поймите принцип получения уравнения термического к.п.д., внутреннего относительного к.п.д. и эффективного к.п.д. газотурбинных установок, обратите внимание на физический смысл этих понятий. Запомните, что при сравнении циклов ГТУ при различных степенях повышения давлений и одинаковых максимальных температурах наибольший к.п.д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты. Разберите методы повышения термического к.п.д. и запомните, что регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и ступенчатый подвод теплоты значительно повышают к.п.д. газотурбинной установки, а идеальный цикл при этом приближается к обобщенному циклу Карно.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определение понятия «двигатель внутреннего сгорания». 2. Как классифицируют теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания? 3. Изобразите тепловой процесс цикла ДВС с подводом теплоты при v = const в рv и- и Ts-диаграммах. 4. Как определить термический к.п.д. цикла ДВС с подводом теплоты при v = const? 5. Почему в циклах ДВС с подводом теплоты при v = const нельзя применять высокие степени сжатия? 6. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const в рv- и Ts-диаграммах. 7. Как определить термический к.п.д. цикла ДВС с подводом теплоты при р = const? 8. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты в pv- и Ts-диаграммах. 9. Как определить термический к.п.д. и полезную работу в цикле? 10.Почему термический к.п.д. цикла ДВС при р = const больше, чем в цикле при v = const ? 11. Какие преимущества имеют газотурбинные установки по сравнению с двигателями внутреннего сгорания? 12. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при v = const. Изобразите тепловой процесс в pv- и Ts-диаграммах. 13. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при р = const. Изобразите тепловой процесс в pv- u Ts-диаграммах. 14. Что называют внутренним относительным к.п.д. газотурбинной установки и как его определяют? 15. Что называют эффективным к.п.д. газотурбинной установки и как его определяют? 16. Назовите методы повышения термического к.п.д. газотурбинной установки. 17. Приведите сравнительную характеристику идеальных циклов газотурбинных установок. 18. В чем сущность эксергетического метода анализа циклов?