1.5 Адиабатный процесс

Адиабатным процессом называется такой процесс, который протекает без теплообмена с внешней средой.

При адиабатном процессе выполняется условие q=0 , ds=0

Уравнение адиабатного процесса выводят из уравнения первого за­кона термодинамики dq =C_v dT +Pdv при dq =0 ; C_v dT+ Pdv=0

З ная, что RT=Pv и Pdv+vdp =RdT подставив это выражение получим + dP +Rpdv=0 C_ppdv+ C_vvdp=0 _; k=

Интегрируя это выражение получим при k= const ; PV^k= const

Так как показатель адиабаты k всегда больше единицы, то в vp координатах адиа­бата соответствует отрезку смещенной гиперболы, проходящей круче изотермы (рис. 11)

Р

V

Рис.11 PV-диаграмма адиабатного процесса

При адиабатном расширении совершается полезная работа, но теплота к газу не под­водится и работа совершается за счет внутренней энергии. Температура газа понижается. Это приводит к более быстрому, чем в изотермическом процессе, понижению давления газа. При адиабатном процессе сжатия происходит обратное изменение этих параметров состояния.

Соотношение между параметрами состояния может быть получено из уравнение адиабаты и состояния газа ^k P=

^k или ^k-1 ; V= ^k или =

Работа в процессе

В ST-koординатах адиабатный процесс можно представить в виде линии, параллельной оси ординат (рис.12)

Т 2'

1

2

S

Рис.12 ST-диаграмма адиабатного процесса

dU

L

Рис.13 Схема распределения

теплоты в адиабатном процессе

1.6 Политропный процесс

Политропными процессами называются процессы,происходящие за счет подвода (отвода) теплоты совершенное (затраченном)работы к рабочему телу при постоянной теплоемкости.

Обозначим через С - теплоемкость политропного процесса, тогда dq=CdT уравнение первого закона термодинамики для, это­го процесса будет

dq = C_vdT +Pdv или CdT = C_vdT+ Pdv откуда (C-C_v)dT -Pdv ;

из уравнения состояния dT = a R =C_p -C_v , тогда после подстановки значений dT и Р

получим (C- C_p)Pdv+(C- C_v)VdP=0

деление обоих членов на (C- C_v)PV последнего выражения и пос­ледующее интегрирование даст

const откуда PV =const

где - показатель политропы. Тогда окончательное уравне­ние политропы

PVⁿ=const

Политропный процесс является обобщающим по отношению к пре­дыдущим основным процессам. При определенных значениях n уравнение политропы соответст­вует уравнениям четырех основных термодинамических процессов.

n= ±∞ n=0	V-const
n=0 n=1,0 n=k	P-const PV-const PVk- const

Соотношение начальных и конечных параметров для политропических процессов имеют вид:

_{n n-1}

; ;

Аналогично уравнение работы газа в процессе

L=

Теплота политропного процесса

Q = ΔU +L = C_v(T₂-T₁)+k(T₂-T₁)/n-1 = C_v *(_T2-_T1)

Теплота в политропном процессе в общем случае расходуется на изменение энергии и совершение работы.Долю теплоты φ иду­щей на изменение энергии внутренней в процессе можно предста­вить в виде отношения

φ= = =

подставив значение С получим φ =

Доля теплоты φ идущей на совершение работы состоят

φ = =1- = 1- =

Если все рассмотренные термодинамические процессы представить

в VP -координатах (рис.14),то можно установить, что процессы расширения при ( -q < n< 1 )расположены выше изотермы (n=I) и протекают с повышением температуры, а при ( 1 <n<∞ ) с ее понижением. Следовательно, по знаку температуры политропные про­цессы подразделяются на две группы: процессы расширения при (-∞<n<k ) расположены выше адиабаты и происходят с под­водом теплоты, а процессы расширения при ( 1<n<∞ ) - с от­водом теплоты.

Следовательно, по знаку теплоты все процессы подразделяются так же на две группы. Необходимо учитывать, что знаки изменения температуры, теплоты и работы при переходе от процесса расширения к процессу

сжатия изменяются на обратные.

Р

Рис.14 VP –диаграмма политропных процессов

Например,в процессе расширения при ( 0<n<1 ) температура по­вышается (знак +), теплота подводится к рабочему телу (знак+) и работа положительная (знак + ).

В обратном процессе (сжатия) температура понижается (знак -), теплота отводится (знак -) и работа отрицательная (знак -).

Политропные процессы при (1<n<k) имеют различные знаки изменения температуры и теплоты. Это значит, что если в таком про­цессе подводится теплота, то температура его понижается, так как совершаемая газом работа больше подводимой теплоты и на совер­шение работы затрагивается часть внутреннем энергии. При анало­гичном процессе сжатия - наоборот: работа сжатия больше отводи­мой теплоты ,то температура газа повышается. Политропные процес­сы этой группы ( 1<n<k) происходят при отрицательной теплоем -кости рабочего тела. Так как теплоемкость C = ,то при различных знках dq и dT теплоемкость отрицательна.

следующим образом: зная,что dS = и под­ставив значение C= C_v * ) получаем ds = C_v

после интегрирования имеем

ΔS = S₂- S₁ = C_v )

В ST -координатах политропные процессы разделяют все поле на восемь зон (рис. 15).

T

		VIII n=0
	VII	I II
VI
		III
V
	IV

n=1,0

S

Рис. 15

В зонах (1,2,8) dT >0 dq>0 ,а в зонах (4,5,6) dq <0 ; dT<0

так как в этих зонах изменение темпера­туры и теплоты имеют одинаковые знаки, то С >0.В зонах (3 и 7) изменения тем­пература и теплоты имеют различные зна­ки, поэтому в этих зонах С<0.

Р ис.1Схемы распределения теплоты в политропных процессах предс­тавлены на рис.16,17,18.

L

Рис.16 Схема распределения теплоты в I группе политроп­ных процессов при расширении газа.

L

Рис.18 Схема распределения теплоты в 3 группе политропных процессов при расширении газа.

L

Рис.17 Схема распределения теплоты во 2 группе политропи­ческих процессов при расширении газа.

Первая группа процессов при n <1 расположена между изохорой и изотермой (рис.14). В этой группе процессов расширения газа осуществляется с подводом тепла,которое идет на увеличение внут­ренней энергии газа и на совершение работы.С увеличением показа­теля политропы п у процессов этой группы закон распределения теплоты сохраняется, но φ - уменьшается,а ψ - увеличивается.

Ко второй группе процессов относятся процессы 1<n<k рас­положенные между изотермой и адиабатой.В этой группе,несмотря на сообщение газу теплоты,его внутренняя энергия,а с ней и темпера­тура уменьшаются.

К третьей группе процессов относятся процессы у которых n>k.В случае расширения газа процессы осуществляются с уменьшением внутренней энергии,с совершением работы и отдачей теплоты в холодильник .

Из задания на контрольную работу записываете исходные данные:

Последовательность процессов

1 – 2 2 – 3 3 – 4 4 – 5 5 – 6 6 – 1

T – con S – con P – con V – con S – con non

P₁ = 0,6 МПа t₁ = 100 ^o C V₁/V₂ = 2 V₂/V₃= 1,8 V₄/ V₃= 2,5 V₅=4

V₆/ V₅ = 1,8 m = 4 кг Газ – О₂

По данным изобразите процесс графически в системе координат PV и приступаете к определению параметров.

P

V

В точке 1 неизвестен объем, который находим из уравнения P₁V₁ = mRT₁

V₁ = для чего определяем газовую постоянную для нашего примера R₀₂ = = = 260 Дж /Кг К

V₁ = = 0, 643 м³

Из данных = 2 определяем объём в точке 2

V₂ = = = 0,323 м³

Из уравнения P₁V₁=P₂V₂ определяем давление в точке 2

P₂ = = 0,6* 2 = 1,2 МПа

Определяем работу в процессе

L=mRT₁ ln V₁/V₂= 4*0,26*373 ln2 = 268,9 кДж

Определяем изменение энтропии в процессе

S₂ – S₁ = = = 0,72 кДж/к

Изображаем схему трансформации энергии в процессе

Q L U = 0

Дальше изображаем графически в координатах PV второй процесс и производим вычисления.

По данным задачи = 1,8 определяем объём в точке 3

P

V

V₃ = = = 0,179 м³

Давление в точке 3 определяем из уравнения

P₂V₂^K = P₃V₃^K P₃ = P_{2 *} ( )^K = 1,2*1,8^1,4 = 2,73 МПа

K = 1,4 показатель адиабаты для кислорода

Из уравнения P₃V₃= mRT₃ определяем температуру в точке 3

T₃ = = = 470,3 K

Работу в процессе определяем по формуле

L = = = 253 кДж

Изменение энтропии в процессе S₃-S₂ = 0

Изображаем схему трансформации энергии

Q = 0 U

L

Дальше изображаем графически в координатах PV третий процесс и производим вычисления.

P

3 4

V

По данным задачи = 2,5 определяем объём в точке 4

V₄= 2,5V₃ = 0,179*2,5 = 0,447 м³

Температуру в точке 4 определяем из соотношения = T₄ = = 2,5*470,3 = 1175,7 K

Работу в процессе определяем по формуле

L = m R ( T₄ – T₃ ) = 4*0,26 ( 1175,7 – 470,3) = 733,6 кДж

Изменение внутренней энергии в процессе определяем по формуле

U = m C_V (T₄ – T₃) C_V – теплоемкость кислорода определяем

C_V = = = 0,653

U = 4*0,653(1175,7 – 470,3) = 1842,5 кДж

Теплоту, участвующую в процессе определяем

Q = m C_p(T₄ – T₃) C_p - теплоемкость кислорода при постоянном давлении определяем

C_p = = = 0,916

Q = 4*0,916(1175,7 – 470,3) = 2584,6 кДж

Изменение энтропии в процессе

S₄ – S₃ = mC_pln = 4*0,916 ln 2,5 = 3,36 кДж /к

И зображаем схему трансформации энергии

2 584,6 Q U 1842,5

L 733,6

Дальше изображаем графически в координатах PV четвертый процесс и производим вычисления

P 5

4

V

По условию задачи P₅ = 4 МПа

Температуру в точке 5 определяют из соотношения = T₅ = = = = 1722,6 K

Изменение внутренней энергии в процессе определением

U = m C_V (T₅ – T₄) = 4*0,653 (1722,6 – 1175,7) = 1428,6 кДж

Изменение энтропии в процессе

S₅ – S₄ = m C_V ln = 4*0,653ln 1722,6/1175,7 = 1 кДж/к

Изображаем схему трансформации энергии

Q U

L=0

Дальше изображаем графически в координатах PV пятый процесс и производим вычисления

P

V

По условию задачи = 1,8

Определяем объём в точке 6

V₆ = 1,8 V_{5 =} 1,8*0,447 = 0,804 м³

Определяем давление в точке 6 из уравнения P₅V₅^K = P₆V₆^K

P₆ = P₅( )^K = 4*( )^1,4 = 1,756 МПа

Температуру в точке 6 определяем из уравнения P₆V₆= m RT₆

T₆= = = 1358,8 K

Работа в процессе определяется по формуле

L = = 945,9 кДж

Изменение энтропии в процессе

S₆ – S₅ = 0

Схема трансформации энергии в процессе

Q = 0 U

L

Дальше изображаем графически в координатах PV процесс 6-1

P 6 Определяем показатель

n = = = - 4,9

1

V

Работу определяем по формуле

L = = = 173,7 кДж

Изменение внутренней энергии в процессе

U = m C_V(T₆ – T₁) = 4*0,653(1358,8 – 373) = 2574,8 кДж

Теплота в процессе определяется по формуле

Q = m C_V (T₆ – T₁)=4*0,653 (1358,8 – 373) = 2749,5 кДж

Изменение энтропии в процессе

S₁ – S₆ = m C_V ln = 4*0,653 ln = 3,6 кДж/к

Схема трансформации энергии в процессе

2 749,5º U 2574,9

L 173,7

П роверка вычислений ∑ S = (S₂ – S₁) + (S₃ – S₂) + (S₄ – S₃) + (S₅ – S₄) + (S₆ – S₅) + (S₁ – S₆) = - 0,72 + 0 + 3,36 + 1 + 0 – 3,6 = - 4,32 + 4,36 = 0

По результатам расчётов строим на миллиметровке в масштабе все процессы в координатах PV и ST.

Задача 2

По заданию контрольной работы изображаем цикл в координатах PV и записываем исходные данные

P 3 4

2

5

1

V

P₁ = 0,096 МПа t₁ = 17º C E = 15 λ= 1,6 ρ = 1,8 газ-воздух

Определяем параметры в характерных точках

Для точки 1

P₁V₁ = R T₁ V₁ = определяем газовую постоянную воздуха

R₆ = = = 287

V₁ = = 0, 867 м³/кг

Для точки 2

V₂= = = 0, 0578 м³/г

P₂ = P₁ * E^K = 0,096 * 15^1,4 = 4,25 МПа

T₂= T₁ * E^K-1 = 290 * 15^0,4 = 856,7 K

Для точки 3

V₃ = 0,0578 м³/кг

P₃ = P₂ * λ = 4,25 * 1,6 = 6,8 МПа

T₃ = T₂* λ = 856,7*1,6 = 1370,7 K

Для точки 4

V₄ = V₃*ρ = 0,0578 * 1,8 = 0,104 м³/кг

T₄ = T₃*ρ= 1370,7*1,8=2467 K

Для точки 5

V₅ = 0,867 м³/кг

P₅ = P₁ * λ * ρ^k = 0,096 * 1,6 * 1,8^1,4 = 0,35 МПа

T₅ = T₁* λ* ρ^K = 290 * 1,6 *1,8^1,4 = 1056,6 K

Определяем теплоту в цикле

Подведенная теплота определяется по формуле

q₁₌ C_V(T₃ – T₂) + C_P(T₄ – T₃) = 0,72(1370,7 – 856,7) + 1,01(2467 – 1370,7) = 1477,3 кДж/кг

C_V = = = 0,72 кДж/кг К C_P = = = 1,01

Отведенная теплота определяется по формуле

q₂₌ C_V(T₅ – T₁) = 0,72(1056,6 – 290) = 551,9 кДж/кг

Полезноиспользованная теплота

q = q₁ – q₂ = 1477,3 -551,9 = 925,4 кДж/кг

Термический кпд цикла определяется

η_t = = = 0,626

Работа в цикле определяется

Для сжатия l_cm = = = 406,6 кДж/кг

Для расширения l_p = R(T₄-T₃)+ = 0,287(2467 – 1370,7) + = 1326,5 кДж/кг

Полезная работа в цикле определяется

lц = l_p – l_cm = 1326,5 – 406,6 = 920 кДж/кг

Для построения графика цикла в координатах PV задаемся углом α = 20 ºС tyβ = ( 1+ tg 20)^1,4- 1 = 0,54 и по способу Брауэра строим на миллиметровке цикл в масштабе

Для построения графика цикла в координатах ST определяем

S₁ – S₀ = C_V ln = 0,72 ln =0,043 кДж/кг к

S₃ – S₂ = C_V ln = 0,72 ln1,6=0,043 кДж/кг к

T₃' =1000 K S₃' – S₂ = C_V ln = 0,72ln = 0,11 кДж/кг к

S₄ – S₂₃= C_p ln = 1,01 ln1,8=0,59 кДж/кг к

T₄' = 2000 K S₄' – S₃ = C_P ln = 1,01 ln =0,27 кДж/кг к

T₅' = 800 K S₅' – S₃₁= C_P ln = 0,72 ln =0,73 кДж/кг к

Для решения третьей задачи контрольной работы изображаем цикл Ренкина в координатах h-S водяного пара

h В цикле Ренкина КПД определяется

1 t₁ по формуле

P₂ n_t =

X=1

2 S

Где h_1-энтальпия начального состояния пара определенная на пересечении изобары Р₁ и изотермы t₁

h₂-это энтальпия конечного состояния пара определяемая на пересечении адиабаты 1-2 и изобары Р₂

h_{пв -} энтальпия питательной воды определяемая давлением Р₂

Для Р₁=10 МПа и t₁=600 ^oC P₂=0.05 МПа по диаграмме h-s водяного пара находим

h₁=3620 кДж/кг h₂=2400 кДж/кг h_пв=340 кДж/кг

η_t=

Изображаем цикл с повторным перегревом пара в координатах h-s

водяного пара

s

В цикле с повторным перегревом пара кпд определяется по формуле

η_t =

где h₂-энтальпия пара на лопатках первой ступени турбины определяется на пересечении адиабаты 1-2 и изобары Р_п

h_3-энтальпия пара в пароперегревателе определяемая на пересечении изобары Р_п и изотермы t₁

h₄-энтальпия пара на лопатках второй ступени турбины определяемая на пересечении адиабаты 3-4 и изобары Р₂

для Р_п=2_мпе по диаграмме h-s водяного пара находим

h₂=3100кдж/кг h₃=3690кдж/кг h₄=2680 кдж/кг

η_t =

по результатам расчетов видим, что цикл с повторным перегревом пара более экологичен чем цикл Ренкина, так как

η_t =0.405 > η_t =0.372

В четвертой задаче контрольной работы потери тепла с 1м. длины горизонтально расположенной цилиндрической трубы за 1час определяем по формуле

Q=αА(t_cт-t_в)*T

Где α-коэфициент теплоотдачи от стенки трубы к окружающему воздуху, Вт/м²гр

А-площадь теплоотдачи, м²

t_ст-температура стенки трубы, ^оС

t_в-температура окружающего воздуха, ^оС

Т-время теплоотдачи ,С

Коэфициент теплоотдачи определяем по формуле

α=

где Nu-критерий теплового подобия Нуссельта

λ-коэфициент теплопроводности воздуха при t_ср определяем по таблице сухого воздуха

если t_cт=175^оС t_в=25^oC то t_cр= ^оС

λ100=3.21*10^-2Вт/мгр

критерийтеплового подобия Нуссельта определяем по формуле

Nu=0.47(Gr)^0.25

Критерий Грасгофа определяем по формуле

Где

Δt=tс_ст-t_в=175-25=150^оС

ν-кинетическая вязкость воздуха при t_cр определяем по таблице сухого воздуха

ν 100=23/13*10^-6м²/с d=210мм

Gr = =68.22*10⁶

Критерий Нуссельта

Nu=0.47(68.22*10⁶)^0.25=42.71

Коэфициент теплоотдачи

α= вт/м²гр

потери тепла с 1 м трубы за 1час составляет

Q=6.53*3.14*0.21*150*3.6=2325кДж

Для определения площади рекуперативного теплообменника необходимо знать количество тепла передаваемого от дымовых газов к воде. Количество тепла полученное водой от газов определяем по формуле

Q=mср(t_в^''-t_в^')

Где m-секундный расход воды через теплообменник,кг/с

Ср-массовая теплоемкость воды Ср =4190 Дж/кгК

t_в'',t_в'-температуры выходящей и входящей воды в теплообменник,^оС

Q= *4190(96-40)=156426Вт

Площадь теплообменника определяем по формуле

Q=kA Δt

Где k-коэфициент теплопередачи от газов к воде, Вт/мК

А-площадь теплообменника,м²

Δt=средний температурный напор,^оС

Коэффициент теплопередачи определяем по формуле

K

dв dв

=

Где α_г-коэффициент теплоотдачи от газов к воде

d₂-наружный диаметр трубы,м

d₁-внутренний диаметр трубы,м

λ-коэфициент теплопроводности стали,вт/мгр

α_в- коэфициент теплоотдачи от стенки трубы к воде, вт/м²к

средний температурный напор определяется по формуле

Δt=

При прямоточной схеме движения теплоносителя

Δtб=t’r-t’в=950-40=910^oC

Δtм=t”r-t”в=400-96=306^oC

Δt= =552,7^oC

При противоточной схеме движения теплосносителя

Δtб=t’r-t”в=950-96=854^oC

Δt=t”r-t’в=400-40=360^oC

Δt= =571.7^oC

Площадь теплообменника при прямоточной схеме

А= = =146.8м²

Площадь теплообменного аппарата при противоточной схеме

А= = =142м²

Графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменника

прямоток противоток

Противоточная схема движения теплоносителей более аналогичная, так как А=142 м²<А=146.8м²

10