Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Циклы паротурбинных установок.

Методические указания

Студент должен узнать, что для превращения теплоты в работу в непрерывно действующей машине нужно тело, от которого можно получить теплоту (горячий источник) с температурой ; рабочее тело (газ), совершающее термодинамический процесс, и тело с температурой , забирающее от рабочего тела теплоту, не превращенную в работу (холодный источник).

Теплота от горячего источника к рабочему телу подводится изотермически. Охладить рабочее тело от температуры горячего до температуры холодного источника  можно путем адиабатного расширения с совершением работы. Процесс теплоотдачи от рабочего тела к холодному источнику - тоже изотермический, а процесс повышения температуры рабочего тела от  до  - это адиабатное сжатие с затратой работы. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, называется циклом Карно и является примером цикла идеального теплового двигателя.

Степень совершенства цикла теплового двигателя оценивается коэффициентом полезного действия.

Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла – отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника:

,

где  - теплота, забираемая рабочим телом от горячего источника;

 - теплота, отводимая от рабочего тела к холодному источнику.

При изучении цикла Карно студент должен твердо усвоить, что КПД этого цикла всегда меньше единицы, не зависит от рода рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с  любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур. Никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле всю подведенную теплоту превратить в полезную работу. Для увеличения  нужно стремиться к таким процессам, образующим цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты как можно меньше.

Рассматривая циклы паротурбинных установок, необходимо обратить внимание на следующие вопросы:

1)  почему для пара цикл Карно не применяется?;

2)  сопоставить цикл Ренкина с циклом Карно, в чем преимущество первого цикла?;

3)  каким образом можно повысить термический КПД  паротурбинного цикла?

Необходимо рассмотреть методы повышения термического КПД паротурбинного цикла; каким образом и с какой целью на ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепловой и электрической энергии.

При изучении идеальных циклов газовых двигателей нужно обратить внимание на то, что все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же количеством рабочего тела, химический состав которого постоянен. Принимается, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры. В качестве рабочего тела целесообразно использовать газы, получающиеся при сгорании топлива. Это удается осуществить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.

В связи с тем, что технические процессы, протекающие с большими скоростями, можно в первом приближении считать адиабатными, процессы расширения и сжатия в любых газовых двигателях (в поршневых и газотурбинных) можно принимать адиабатными.

Принципиально циклы газотурбинных установок отличаются от циклов двигателей внутреннего сгорания лишь процессом отвода теплоты. В газотурбинных установках и реактивных двигателях осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, поэтому процесс отвода теплоты принимается изобарным. В поршневых двигателях газы выбрасываются из цилиндра с давлением в 2 – 4 раза большим атмосферного. Поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным. Процесс подвода теплоты не характеризует принадлежность рассматриваемого теплового двигателя к той или иной группе (как для газотурбинного, так и для поршневого он может быть и изохорным). Термический КПД любого цикла растет с увеличением степени сжатия. Анализ термодинамических циклов различных тепловых двигателей показывает, что любой цикл может рассматриваться, как частный случай обобщенного цикла. При изучении циклов различных холодильных установок следует обратить внимание на то, что как для тепловых двигателей, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Холодильный цикл используется для передачи теплоты от тел менее нагретых к более нагретым при помощи холодильных установок или тепловых насосов. Необходимо уяснить, почему в воздушных компрессорных установках не применяется процесс дросселирования, почему паровые компрессорные установки имеют холодильный коэффициент значительно больше, чем воздушные.

Теория тепломассообмена

Способы передачи теплоты. Теплопроводность, закон Фурье. Конвективный теплообмен, уравнение Ньюто-Рихмана. Виды теплоотдачи. Расчеты коэффициентов теплоотдачи с помощью теории подобия. Лучистый теплообмен. Теплопередача. Тепловая изоляция.

Методические указания

При знакомстве с теорией тепломассообмена студент должен понять, что процессы передачи теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты. Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры. Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум. При этом поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Существуют три различных по своей природе элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность в чистом виде встречается только в твёрдых телах. Перенос теплоты в этом случае происходит как за счёт распространения упругих колеблющихся атомов и молекул, так и перемещения свободных электронов и колебания атомов кристаллической решетки. Согласно закону Фурье - основному закону теплопроводности - вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры

,

где - коэффициент теплопроводности.

Это уравнение - аналитическое выражение основного закона теплопроводности. Рассматривая теплопроводность элементарных тел (пластинка, труба, шар), студент должен уметь применять закон Фурье для каждого случая, т.е. вывести уравнения, определяющие закон распределения температур по толщине стенки и количество теплоты, передаваемой через стенку. При изучении процесса теплопроводности через стенку нужно уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, а также знать способы уменьшения термических сопротивлений. Рассмотреть теплопроводность одно- и многослойной стенки.

Процесс конвективного теплообмена определяется переносом теплоты в движущейся среде и описывается системой дифференциальных уравнений. Уравнение сплошности или непрерывности выводится из баланса масс, втекающих в дифференциально малый объем. Дифференциальное уравнение энергии выводится аналогично уравнению сплошности, но на основе закона сохранения энергии. Дифференциальное уравнение движения для несжимаемой жидкости физически представляет собой запись второго закона Ньютона, в котором сила инерции вещества в единичном объеме приравнена к сумме сил тяжести, давления и вязкости, действующих на этот объект. Студент должен уяснить, что система дифференциальных уравнений описывает практически любой процесс конвективного теплообмена. Для выделения конкретной задачи из множества необходимо задать условия однозначности, включающие:

1) физические условия, характеризующие теплофизические свойства среды ;

2) геометрические условия, определяющие форму и размеры системы, в которой протекает процесс;

3) временные (или начальные) условия, задающие состояние системы в определенный (обычно начальный) момент времени;

4) граничные условия, определяющие протекание процесса на внешних границах рассматриваемой системы.

Граничные условия могут быть заданы тремя способами. Граничное условие первого рода задается распределением температуры на поверхности тела для любого момента времени. Граничное условие второго рода задается поверхностной плотностью теплового потока в каждой точке поверхности тела для любого момента времени. Граничное условие третьего рода задается температурой среды, окружающей тело, и законом теплоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой. Необходимо получить понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях.

Конвективный теплообмен наиболее труден для исследования. Для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи . Он характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой, для каждого конкретного случая. При этом  не является физической константой, так как этот коэффициент характеризует тепловое взаимодействие двух тел. Система уравнений, определяющая конвективный теплообмен и, следовательно, позволяющая (в принципе) определить , может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с определенными допущениями. Получение числовых значений из эксперимента на натуре экономически нецелесообразно. Выход из положения дает теория подобия. Она, во-первых, дает возможность проводить эксперименты не на натуре, а на модели, и результаты опытов на модели распространить на все подобные явления. Во-вторых, основываясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, она четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Обработка экспериментальных данных в критериальной форме позволяет выявить главные факторы, влияющие на величину , и отбросить второстепенные. Конвективный теплообмен характеризуется следующими числами (критериями) подобия:  (Нуссельта); Pr (Прандтля);  (Грасгофа) и Re (Рейнольдса). Число  характеризует конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела и содержит неизвестный коэффициент теплоотдачи. Число Pr определяет физические свойства жидкости. Число  характеризует соотношение подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей жидкости и силы молекулярного подобия. Число Re представляет собой соотношение сил инерции и сил вязкости и определяет характер течения жидкости. Существует еще целый ряд других критериев подобия, характеризующих более конкретные условия течения жидкости и протекания процесса теплообмена. При конвективном теплообмена уравнения подобия могут быть представлены в следующем виде:

.

Зависимость между числами подобия, в основном, определяется опытным путем. В случае вынужденного движения жидкости им при развитом турбулентном режиме свободная конвекция в сравнении с вынужденной очень мала, поэтому уравнение подобия теплоотдачи упрощается:

.

При свободном движении жидкости, когда вынужденная конвекция отсутствует, вместо числа Re в уравнение подобия теплоотдачи необходимо ввести критерий , тогда получим:

.

С учетом направления теплового потока с помощью отношения общее уравнение подобия для конвективного теплообмена принимает следующий вид:

.

В такой форме можно представить все уравнения для частных случаев. Количественная связь между критериями подобия определяется экспериментально. Студент должен четко уяснить физический смысл основных критериев и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи: теплоотдача при свободной и вынужденном движении теплоносителя; продольное и поперечное омывание труб; теплоотдача при кипении и конденсации жидкости.

Переходя к изучению отдельных видов теплообмена необходимо внимательно изучить те предложения и допущения, на базе которых строится их решение. Поэтому одной из основных задач студента при изучении этой темы является четкое усвоение ответов на следующие вопросы:

1. С помощью каких исходных аналитических зависимостей находятся определяющие критерии?

2. Какой критериальной зависимостью следует воспользоваться для конкретного случая расчета коэффициента теплоотдачи? (Для ответа на этот вопрос необходимо определить характер (ламинарное или турбулентное) и природу возникновения (естественное или вынужденное) движения).

3. Каковы определяющий размер и определяющая температура? (За определяющую температуру при экспериментах выбирается температура поверхности стенки или средняя температура жидкости и стенки. Соответствующий выбору индекс должен проставляться у критериев).

4. Находятся ли параметры задачи в интервале значений критериев, для которого справедлива выбранная формула?

При изучении лучистого теплообмена студент должен, прежде всего, уяснить принципиальное отличие теплообмена излучением от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное превращение энергии – сначала тепловая энергия переходит в энергию электромагнитного излучения, а затем энергия электромагнитного излучения в тепловую. Так как тела частично поглощают энергию электромагнитного излучения, а также частично отражают и пропускают её через себя, то основным вопросом при исследовании лучистого теплообмена является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергиями. Решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом позволяют основные законы излучения (Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана-Больцмана) и экспериментальные данные свойств отдельных тел. Студенту необходимо изучить методику и границы их применения.

Разделение общего процесса переноса теплоты на элементарные составляющие (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение) сделано для облегчения расчетов. На практике эти явления протекают одновременно.

Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен. Процесс теплообмена между стенкой и омывающим её газом является типичным примером сложного теплообмена - совместного действия конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим (суммарным) коэффициентом теплоотдачи  - суммой коэффициентов теплоотдачи конвекцией  и излучением .

В теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передается через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена называется теплопередачей. Передача теплоты в этом случае – процесс сложного теплообмена, состоящего из трех этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости или газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде. Плотности тепловых потоков на всех этапах одни и те же (стенка плоская и режим теплообмена стационарный). Интенсивность такого процесса характеризуется коэффициентом теплопередачи, представляющим собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м² поверхности стенки за 1 с. при разнице температур между средами 1ºС.

Для уменьшения потерь теплоты многие сооружения, агрегаты, коммуникации приходится теплоизолировать, покрывая стенки слоем материала с малой теплопроводностью . Такие материалы называют тепловой изоляцией.