
- •Техническая термодинамика
- •Введение
- •1. Основные понятия
- •1.1. Термодинамическая система, параметры состояния, уравнение состояния
- •1.2. Термодинамический процесс
- •1.3. Смеси газов, теплоемкость газов и газовых смесей
- •2. Первый закон термодинамики
- •2.1. Внутренняя энергия, работа изменения объема, теплота
- •2.2. Аналитическое выражение первого закона термодинамики
- •2.3. Энтальпия. Уравнение первого закона термодинамики через изменение энтальпии. Техническая работа
- •2.4. Уравнение первого закона термодинамики для потока газа
- •3. Второй закон термодинамики
- •3.1. Содержание и формулировки второго закона термодинамики. Круговые процессы или циклы. Цикл Карно
- •3.2. Энтропия. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Физический смысл энтропии. Тепловая диаграмма т, s
- •4. Термодинамические процессы идеального газа
- •4.1. Метод исследования процессов
- •4.2. Изохорный, изобарный, изотермический процессы
- •4.3. Адиабатный процесс
- •4.4. Политропный процесс
- •5. Равновесие термодинамических систем Термодинамические потенциалы.
- •6. Дифференциальные уравнения термодинамики
- •7. Реальные газы
- •8. Водяной пар
- •8.1. Основные понятия и определения
- •8.2. Процесс парообразования при постоянном давлении Диаграмма p, для пара. Расчет параметров
- •8.3. Таблицы водяного пара t, s и h, s-диаграммы для пара
- •8.4. Термодинамические процессы для пара Уравнение Клапейрона - Клаузиуса
- •9. Влажный воздух
- •10. Истечение и дросселирование газов и паров
- •10.1 Истечение газов. Основные понятия и математическое описание Адиабатное истечение из суживающегося сопла. Сопло Лаваля
- •10.2 Истечение пара. Истечение с учетом трения
- •10.3. Дросселирование газов и паров
- •11. Сжатие газов. Компрессоры.
- •11.1. Одноступенчатый компрессор объемного действия
- •11.2. Многоступенчатый компрессор
- •12. Циклы паросиловых установок
- •12.1. Цикл Карно для насыщенного пара
- •12.2. Цикл Ренкина
- •12.3. Цикл с промежуточным перегревом пара
- •12.4. Регенеративный цикл паросиловой установки
- •12.5. Теплофикационный цикл
- •13. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •13.1. Цикл двс с изохорным подводом теплоты
- •13.2 Цикл двс с изобарным подводом теплоты
- •13.3 Цикл двс со смешанным подводом теплоты
- •14. Циклы газотурбинных установок
- •14.1 Цикл гту с изобарным подводом теплоты
- •14.2 Цикл гту с изобарным подводом теплоты и регенерацией
- •14.3 Цикл гту с изохорным подводом теплоты
- •15. Циклы парогазовых установок
- •Библиографический список
8.2. Процесс парообразования при постоянном давлении Диаграмма p, для пара. Расчет параметров
График процесса парообразования складывается из следующих процессов: ав - изобара подогрева воды от 0 оС до ts; вс - является одновременно изобарой и изотермой при ts = const и представляет собственно процесс парообразования, т.е., другими словами, процесс кипения жидкости; cd - изобара перегрева пара, которая уже не является изотермой, т.к. на участке cd происходит увеличение температуры от ts до t.
При некотором, вполне определенном для каждого вещества, давлении пограничные кривые сходятся в точке к, называемой критической (см. гл.7). Точка к принадлежит одновременно нижней и верхней пограничной кривой, т.е. линиям жидкости при ts и сухого пара, и соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, при котором отсутствует различие между жидкостью и паром. Параметры вещества при этом состоянии называются критическими и обозначаются ркр, кр и tкр. Для воды критические параметры: ркр = 221,15 бар, tкр = 374,12 оС и кр = 0,003147 м3/кг.
Пограничные кривые делят p, - диаграмму на три области. Левее нижней пограничной кривой находится область жидкости, между верхней и нижней пограничной кривой находится область влажного насыщенного пара, правее и выше верхней пограничной кривой - область перегретого пара. Нужно помнить, что области сухого пара нет, есть только линия сухого пара - это верхняя пограничная кривая.
Расчет параметров. Найдем вначале параметры насыщенной жидкости. Параметры насыщенной жидкости обозначаются: , u, h, s и т.д. Параметры воды при 0 оС обозначаются: 0, u0, h0, s0 и т.д.
Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости, чтобы при постоянном давлении повысить ее температуру от 0 оС до ts, называется теплотой жидкости и обозначается q.
Для воды с достаточной для технических расчетов точностью принимают: h0 = 0, u0 = 0 и s0 = 0.
Теплота жидкости может быть найдена по формулам
q = cрж (ts - t0), (8.1)
или q = cржts , (8.2)
где срж - средняя теплоемкость воды в интервале температур от 0 оС до ts оС.
Так как в изобарном процессе q = h2 - h1, то для нагрева воды получим q = h - h0, а поскольку h0 = 0, то
q = h. (8.3)
По первому закону термодинамики
q = u - u0 + p( - 0). (8.4)
Поскольку u0 = 0, а величиной p( - 0) можно пренебречь за ее малостью, то получим с учетом (8.3)
q = u = h. (8.5)
Из общего выражения для энтальпии h = u + p следует:
u = h- p . (8.6)
Изменение энтропии в процессе нагрева жидкости
. (8.7)
Так как s0 = 0, то из (8.7) следует:
, (8.8)
где Ts - температура насыщения по шкале Кельвина.
Значения , s, h приводятся в таблицах, о которых будет сказано ниже.
Параметры сухого насыщенного пара. Параметры сухого насыщенного пара обозначаются: , u, h, s.
Количество теплоты, которое надо подвести к 1 кг насыщенной жидкости, чтобы при постоянном давлении превратить ее в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования и обозначается буквой r.
В соответствии с первым законом термодинамики теплота парообразования r расходуется на изменение внутренней энергии и работу изменения объема. Первая составляющая называется внутренней теплотой парообразования. Она затрачивается на преодоление сил притяжения между молекулами (работу дисгрегации - разъединения молекул) = u - u. Вторая составляющая называется внешней теплотой парообразования. Она расходуется на изменение объема от до . = ( - ). Следовательно,
r = + = u - u + ( - ). (8.9)
Поскольку процесс парообразования (кипения) является изобарным, то r будет равна разности энтальпий:
r = h - h, (8.10)
отсюда энтальпия сухого насыщенного пара
h = r + h. (8.11)
Так как h = u + p, то
u = h - p. (8.12)
Изменение энтропии в процессе парообразования
. (8.13)
Из выражения (8.13) найдем энтропию сухого пара
. (8.14)
Значения , h, s и r приводятся в таблицах.
Параметры влажного насыщенного пара. Параметры влажного пара обозначаются: х, hх, ux, sх . Удельный объем влажного пара подсчитывается по уравнению
x = x + (1-x), (8.15)
где x - объем, занимаемый сухим паром в 1 кг влажного;
(1-x) - объем, занимаемый насыщенной жидкостью в1 кг влажного пара.
Формулу (8.15) можно записать в виде
x = + (-)x. (8.16)
Из рис. 8.2 можно видеть, что отношение отрезков вг/вс = (x - )/( - ) = x. Тогда и вг/вс = х. Следовательно х может быть найдена по положению точки г на диаграмме p, . Учитывая это положение, строят линии постоянной степени сухости в диаграммах p, и T,s.
Аналогично удельному объему на основании свойства аддитивности термодинамических функций можно найти выражение для ux, hx и sх влажного насыщенного пара.
Внутренняя энергия влажного пара
ux = u + (u - u) x . (8.17)
Энтальпия влажного пара
hx = h + (h - h) x = h + rx . (8.18)
Энтропия влажного пара
sx = s + (s - s) x. (8.19)
Так как s - s = r/Ts, то
. (8.20)
Параметры перегретого пара. Параметры перегретого пара обозначают: , h, u, s. Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг сухого насыщенного пара, чтобы превратить его в перегретый пар заданной температуры Тп при p = const, называется теплотой перегрева и обозначается qп. Теплота перегрева
qп = ср(Тп - Тs) = h - h, (8.21)
где ср - средняя теплоемкость перегретого пара в интервале температур от Ts до Тп.
Энтальпия, внутренняя энергия и энтропия перегретого пара будут найдены из следующих выражений:
h = h + ср(Тп - Тs), (8.22)
u = h - p, (8.23)
. (8.24)
Параметры , h, s перегретого пара приводятся в таблицах.