Основные дифференциальные уравнения термодинамики. Связь между термическими и калорическими величинами в переменных v, Т и р, Т. Энергии Гиббса и Гельмгольца и их свойства. Зависимость теплоемкостей Ср и с, от объема и давления. Уравнения Максвелла.
Методические указания
Дифференциальные уравнения термодинамики являются теоретическим фундаментом для развития термодинамики как науки. По известному уравнению состояния газа с помощью дифференциальных связей можно найти зависимость теплоемкостей Ср и Сv, от давления и объема. Дифференциальные связи позволяют выражать Одни термодинамические функции через другие, в частности, получить дифференциальные уравнения, связывающие калорические параметры (u, h, s) и термические (р, v, Т). С их помощью, используя эксперимент, определяется физическая сущность явлений и процессов, протекающих в природе. Студент должен усвоить методику получения основных дифференциальных соотношений термодинамики и способы их применения.[1, с. 102-108].
Термодинамические процессы идеальных газов
Термодинамические процессы изменения состояния идеальных газов. Общие вопросы исследования процессов изменения состояния' идеального газа: изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного. Политропные процессы. Основные термодинамические процессы как частный случай политропного процесса. Определение показателя политропы и теплоемкости политропного процесса. Определение теплоты и работы процесса. Изображение процессов в p-v и T-s-диаграммах.
Методические указания
Общий метод исследования термодинамических процессов является универсальным. Он не зависит от природы рабочего тела. Метод базируется на применении уравнений первого и второго законов термодинамики, справедливых для любых рабочих тел:
На основании этих уравнений можно определить теплоту и работу любого термодинамического процесса. Студенту необходимо уяснить понятие политропного процесса, под которым понимается любой термодинамический процесс идеального газа с постоянной теплоемкостью с, (или показателем политропы п) в этом процессе. Уяснить общность политропного процесса, выраженного уравнением pvn=const, получить из него уравнения основных процессов (изохорного, изотермического, изобарного, адиабатного). Знать определение показателя политропы п и теплоемкости политропного процесса Cn, как обобщающих величин, из которых получаются частные значения их для основных процессов.: [1, с. 32-36].
Вопросы для самопроверки
1. Основная задача расчета любого термодинамического процесса.
2. Изобразите в р-v и T-s -диаграммах изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный процессы идеального газа.
3. Охарактеризуйте каждый из этих процессов. Чему равен показательполитропы и теплоемкость в каждом из этих процессов?
4. Как определяют теплоту изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного и политропного процессов идеального газа?
Реальные газы и пары. Водяной пар
Термодинамические свойства реальных веществ, р-v и T-s - диаграммы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Парообразование и конденсация. Степень сухости. Теплота фазового перехода. Плавление. Сублимация. Тройная точка. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса Аномалии воды. Удельный объем, энтальпия, энтропия жидкости, влажного, сухого насыщенного и перегретого пара. Сверхкритическая область состояния пара. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. T-s и h-s - диаграммы водяного пара. Расчет процессов изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам.
Методические указания
Водяной пар является рабочим телом в современных теплосиловых установках, а также находит применение в различных технологических процессах. Необходимо разобраться с процессами воды и водяного пара и уметь изображать их в р-v, T-s и h-s -диаграммах. Параметры воды и водяного пара можно определить по таблицам и диаграммам. В области перегретого пара и на кривой сухого насыщенного шара по диаграмме можно определить параметры р,v, Т, h, s; в области влажного пара определяется в дополнение к выше перечисленным еще и степень сухости х<1. Необходимо научиться схематично изображать основные процессы (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный) в р-v, T-s и h-s -диаграммах. [1, с. 160-198].
Вопросы для самопроверки
1. Изобразите процесс парообразования p-v,T-s и h-s-диаграммах.
2. В чем состоит цель расчета термодинамических процессов воды и водяного пара?
3. Изобразите в p-v, T-s и h-s -диаграммах основные термодинамические процессы водяного пара.
4. Как определяют теплоту и работу для основных термодинамических процессов водяного пара?
Влажный воздух
Основные определения. Абсолютная и относительная влажность. Температура точки росы. Влагосодержание. Газовая постоянная и плотность влажного воздуха, h-d -диаграмма влажного воздуха. Термодинамические процессы с влажным воздухом (охлаждение, нагрев, смешение, сушка нагретым воздухом) и др. Психрометр, гигрометр.
Методические указания
Усвоить основные понятия и определения, относящиеся к влажному воздуху. Уметь определять параметры влажного воздуха и производить расчет процессов. Приобрести навыки в пользовании таблицами и h-d-диаграммой влажного воздуха. [1, с. 371-378].
Вопросы для самопроверки
1.Приведите определение влажного воздуха.
2.Что такое абсолютная, относительная влажность, влагосодержание?
3.В каких пределах может изменяться влагосодержание?
4.Что такое точка росы?
5.Как изображают основные процессы влажного воздуха в h-d -диаграмме?
Термодинамика потока
Истечение и дросселирование газов и паров. Уравнение первого законатермодинамики для потока и его анализ. Адиабатное истечение. Скорость адиабатного истечения.
Параметры полного адиабатного торможения потока. Сопло и диффузор. Скорость истечения газа из суживающегося сопла. Максимальный расход и критическая скорость. Критическое отношение давлений и температур. Зависимость скорости и расхода от отношения начального к конечному давлению. Комбинированное сопло Лаваля. Расчет истечения водяного пара. Истечение с учетом необратимости. Коэффициенты скорости и потери энергии. Смешение потоков газов и паров. Сущность процесса дросселирования. Дросселирование идеального газа. Изображение процесса дросселирования в h-s - диаграмме. Потеря эксергии потока при дросселировании. Дифференциальный и интегральный температурный эффект адиабатного дросселирования реальных газов. Температура инверсии. Кривая инверсии.
Методические указания
Уравнение первого закона термодинамики для потока является основой, на которой строится вся теория истечения. Необходимо разобраться в физическом смысле отдельных членов уравнения первого закона термодинамики. Представлять себе, почему в суживающихся цилиндрических каналах скорость потока не может превзойти скорости звука; в каких случаях следует делать сопло сужающимся, а в каких - расширяющимся; уметь анализировать изменение параметров рабочего тела при движении его по соплу Лаваля. Понять принципиальную разницу в расчете скорости истечения идеального газа и водяного пара. Необходимо усвоить, что аналитические зависимости, выведенные для идеального газа, неприменимы для реального газа, а тем более для пара. Скорость истечения пара и реального газа следует рассчитывать по формуле
где h1 и h2 - значения энтальпии, в Дж/кг. Необходимо отчетливо представлять себе влияние трения на адиабатный процесс истечения идеального газа и водяного пара и уметь изображать реальный процесс истечения в T-s и h-s - диаграммах. При изучении адиабатного процесса дросселирования следует обратить внимание на то, что при дросселировании перепад давлений расходуется на преодоление сил трения, а увеличением кинетической энергии газа можно пренебречь, т.е.
При этом условии, как следует из первого закона термодинамики, энтальпия начала и конца процесса дросселирования одинакова (h1 = h2). Но процесс дросселирования нельзя отождествлять с процессом, протекающим при постоянной энтальпия. Уяснить разницу между адиабатным дросселированием и адиабатным процессом, при котором dq=O и ds=O. Понять, почему в результате дросселирования реального газа температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной. [1, с. 229-211; 203-211].
Вопросы для самопроверки
1. Какие допущения лежат в основе вывода уравнения первого закона термодинамики для потока?
2. На что расходуется работа расширения газа в потоке?
3. Что такое сопло и диффузор?
4. Какая связь между изменением профиля канала и изменением скорости адиабатного течения рабочего тела?
5. Как вычислить действительную скорость истечения газа на выходе из сопла?
6. Какой процесс называется дросселированием?
7. Где используется процесс дросселирования?
8. Как изменяется температура реального газа при дросселировании?
Методические указания
Ознакомившись с конструктивной схемой и работой поршневых компрессоров, необходимо обратить внимание на то, что процессы всасывания и выталкивания, изображённые на индикаторной диаграмме, не являются изобарными, т.к. в этих процессах не происходит изменения состояния, а меняется только количество всасываемого и выталкиваемого рабочего тела. Обратить внимание, что на конечную температуру в конце сжатия и на работу привода компрессора значительно влияет показатель политропы сжатия. Необходимо уделить внимание изображению термодинамических процессов р-v и T-s -диаграммах. В связи с применением высокого давления в некоторых технологических аппаратах, необходимо разобраться в принципах работы многоступенчатых компрессоров. [4, с. 220-357].
Вопросы для самопроверки
1. Назначение компрессоров.
2. Принцип действия поршневого компрессора и изображение работы компрессора в р-υ - диаграмме.
3. Какой процесс сжатия наиболее выгодный?
4. Можно ли получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре?
5. Как определяется работа, затрачиваемая на привод компрессора?
6. Чем вызвано применение нескольких ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре?
7. Как определяется эффективная мощность, затрачиваемая на привод компрессора?
8. Как определяется внутренний относительный КПД компрессора?
9. Расчет отводимой теплоты при охлаждении компрессора.
Процессы компрессоров
Компрессор. Работа, затрачиваемая на привод компрессора. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Многоступенчатый компрессор. Оптимальное распределение давлений по ступеням. Изображение в p-v и T-s -диаграммах процессов в компрессорах для одно- и двухступенчатого сжатия. Определение эффективной мощности, затрачиваемой на привод компрессора и отводимой при охлаждении теплоты. Понятия эксергетического, внутреннего относительного, изотермического КПД компрессора.
Газовые циклы
Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы с подводом тепла при постоянном давлении, при постоянном объеме, со смешанным подводом тепла. Сравнение циклов по термическому КПД. Зависимость термического КПД от средних температур подвода и отвода тепла. Расход тепла и топлива, эффективный КПД двигателя внутреннего сгорания.
Циклы газотурбинных двигателей и установок. Схема и цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении. Термический КПД обратимого цикла. Действительный цикл газотурбинной установки и система КПД для оценки потерь в ней. Влияние степени повышения давления воздуха в компрессоре на термический КПД цикла, на эффективный КПД установки. Методы повышения КПД: применение регенерации тепла, многоступенчатого сжатия воздуха в компрессоре и ступенчатого расширения продуктов сгорания в турбине. Замкнутые циклы газотурбинных установок. Циклы воздушно - реактивный и ракетных двигателей.
Методические указания
При термодинамическом исследовании циклов ДВС делается допущение о применимости в качестве рабочего тела идеального газа с постоянной теплоемкостью, а также допущение о термодинамической обратимости процессов, составляющих цикл. В двигателях внутреннего сгорания осуществляются циклы с подводом теплоты при постоянном объеме, с подводом теплоты при постоянном давении и цикл со смешанным подводом теплоты. Необходимо уметь изобразить любой цикл в р-v и T-s -диаграммах, определить подведенную и отведенную теплоту, работу и термический КПД цикла. При сравнении тепловой экономичности рассматриваемых циклов при одинаковых степенях сжатия наиболее экономичным будет цикл с изохорным подводом теплоты. Если же сравнение тепловой экономичности производить при одинаковых максимальных давлениях, то максимальный КПД имеет цикл с изобарным подводом теплоты, а наименьший - цикл с изохорным подводом теплоты.
При изучении циклов газотурбинных установок обратить внимание на преимущества их перед поршневыми ДВС. Необходимо разобраться в принципе работы газотурбинных установок, знать схемы установок, уметь анализировать их работу, используя диаграммы p-υ и T-s.
Уметь вычислить термический КПД обратимого цикла, внутренний КПД действительного цикла; эффективный КПД газотурбинной установки. Обратить внимание на физический смысл этих КПД. Помнить, что термический коэффициент полезного действия повышается за счет введения регенерации теплоты, ступенчатого сжатия и ступенчатого подвода теплоты. [1, с. 264-285; с. 252-258].
Вопросы для самопроверки
1. Назовите три основных вида циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания.
2. Изобразите цикл ДВС с подводом теплоты при v = const в р-v и T-s - диаграммах.
3. Как вычислить количество теплоты отводимой от рабочего тела и термический КПД цикла с подводом теплоты при v= const?
4. Изобразите цикл ДВС с подводом теплоты при р= const в р-v и T-s -диаграммах. Как вычисляется подведенная и отведенная теплота, термический КПД такого цикла?
5. Изобразите цикл ДВС со смешанным подводом теплоты в р-v и T-s -диаграммах. Как определяется подведенная и отведенная теплота и термический КПД такого цикла?
6. Какие преимущества имеют газотурбинные установки по сравнению с двигателями внутреннего сгорания?
7. Приведите принципиальную схему и цикл ГТУ в р-v и T-s -диаграммах с подводом теплоты при р= const.
8. Как вычислить термический КПД обратимого цикла, внутренний КПД действительного цикла газотурбинной установки?
9. Что называется эффективным КПД газотурбинной установки и как он определяется?
10. Назовите методы повышения термического КПД в газотурбинных установках.
Паровые циклы
Циклы паротурбинных установок. Принципиальная схема и теоретический цикл ПТУ. Влияние начальных и конечных параметров пара на термический КПД. Действительный цикл ПТУ. Система КПД для оценки потерь в паротурбинной установке. Уравнение теплового и эксергетического балансов. Понятия эксергетических КПД турбины, парового котла. Удельные расходы пара, тепла и топлива.
Промежуточный перегрев пара и причины его применения. Схема ПТУ с промежуточным перегревом в T-s -диаграмме, термический КПД обратимого цикла.
Регенеративные циклы. Схема и цикл ПТУ в T-s -диаграмме с регенеративным подогревом питательной воды в подогревателях воды за счет тепла отборов пара из турбины. Термический КПД регенеративного цикла. Зависимость термического КПД от числа отборов.
Комбинированные циклы. Преимущества и недостатки водяного пара как рабочего тела. Бинарный цикл и его КПД. Парогазовый цикл и его КПД.
Схемы и циклы теплофикационных паротурбинных установок.
Циклы атомных электростанций.
Методические указания
При изучении темы следует уделить внимание основному циклу паротурбинной установки - циклу Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе, поэтому для подачи питательной воды в паровой котел используется питательный насос, который имеет малые габариты и высокий КПД по сравнению с громоздким малоэффективным компрессором. Исследование основного цикла осуществляется спомощью p-v, T-s и h-s -диаграмм. Необходимо уметь анализировать циклы с помощью диаграмм, разобраться в выводе уравнения для определения термического КПД цикла Ренкина. Уяснить, что рост КПД паротурбинной установки, возможно осуществить за счет изменений в самом цикле: введения промежуточного перегрева пара, использования регенеративных, парогазовых и бинарных циклов. [1, с. 293-323].
Вопросы для самопроверки
1. Приведите принципиальную схему паротурбинной установки.
2. Изобразите обратимый цикл Ренкина в р-υ, T-s и h-s -диаграммах.
3. В чем отличие цикла Ренкина от цикла Карно?
4. Как определить термический КПД цикла Ренкина?
5. Как и почему изменяется КПД цикла Ренкина при увеличении начальных параметров водяного пара?
6. Каково влияние давления в конденсаторе на величину термического КПД цикла Ренкина?
7. Как изменяется влажность пара в конце адиабатного расширения при повышении начального давления, если начальная температура и конечное давление пара остаются неизменными?
8. Для каких целей в паротурбинной установке используют промежуточный перегрев пара?
9. В чем состоит выгодность регенеративного цикла паротурбинной установки?
10.Что такое внутренний относительный КПД паротурбинной установки, как его определяют?
11.В чем преимущество и недостатки комбинированной выработки теплоты и электроэнергии?
12.Как определяют удельный расход пара в паротурбинной установке?
13.Как определяют эффективный КПД паротурбинной установки?
14.В чем состоят преимущества парогазовых циклов?
Дата: 2016-10-02, просмотров: 182.
