818

УДК 621.311.22.002.5+621.18](075.8) Н90

Рецензенты:

канд. техн. наук И.Я. Сальников (ЗАО «Энергосервис»);

канд. техн. наук, доцент Р.А. Сажин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Нусс, С.В.

Н90 Энергетические установки: учеб. пособие / С.В. Нусс. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 102 с.

ISBN 978-5-398-00708-4

Рассмотрены вопросы устройства и принципов работы основного и вспомогательного оборудования тепловых электрических станций. Излагаются теоретические основы работы паровых турбин, энергетических котлов, парогазовых установок. Рассматриваются вопросы теплофикации городов.

Предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

УДК 621.311.22.002.5+621.18](075.8)

2

1.ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1.Основные понятия и определения

Термодинамическая система. Техническая термодинами-

ка рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. Термодинамика базируется на двух основных законах: первый закон термодинамики – закон превращения и сохранения энергии; второй закон термодинамики устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц. Применение основных законов термодинамики к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них, и т.п.

Объектом исследования является термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией друг с другом и окружающей средой (например, газ, находящийся в цилиндре под поршнем, – термодинамическая система, а окружающая его среда – цилиндр, поршень и все то, что окружает цилиндр с поршнем).

Параметры состояния. Величины, которые характеризуют физическое состояние тела, называются термодинамическими параметрами состояния. К таким величинам относят следующие: удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела однозначно определяется следующими параметрами.

3

1.Удельный объем – отношение объема вещества к его массе, м3/кг,

υ= Vm .

2.Плотность вещества – отношение массы к объему вещества, кг/м3,

ρ= mv .

3.Давление – средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ, Па:

P = FS .

Различают избыточное и абсолютное давление. Избыточное давление – разность между давлением жидкости (газа) и давлением окружающей среды. Абсолютное давление – давление, отсчитываемое от абсолютного нуля или от абсолютного вакуума. Абсолютное давление является параметром состояния термодинамической системы. Абсолютное давление определяется:

– при давлении больше атмосферного:

P = Pи + Pа;

– при давлении сосуда меньше атмосферного:

P = Pв + Pа,

где Pи – избыточное давление; Pа – атмосферное давление; Pв – давление вакуума.

4. Температура – характеризует степень нагретости тела, представляет собой меру средней кинетической энергии посту-

4

пательного движения его молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем выше температура тела. За параметр состояния термодинамической системы принимают термодинамическую температуру Т, т.е. абсолютную температуру. Температура абсолютного нуля Т = 0 является началом отсчета абсолютной температуры. При достижении температуры абсолютного нуля молекулярное движение прекращается.

Уравнение состояния и термодинамический процесс.

Основные термодинамические параметры состояния: абсолютное давление Р, удельный объем υ, температура абсолютного нуля Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаны между собой уравнением состояния:

f (P,υ,T ) = 0.

Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, υ и Т и все другие физические свойства одинаковы. Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое называется термодинамическим процессом. Термодинамические процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными. Если при любом термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д.

1.2. Первый закон термодинамики

Теплота и работа. При протекании термодинамического процесса тела обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому может происходить двумя способами. Пер-

5

вый способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии излучающих тел путем электромагнитных волн. При этом энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому. Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты Q, Дж, а способ – передачей энергии в форме теплоты.

Второй способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления. Передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой L, Дж, а способ – передачей энергии в форме работы.

Количество энергии, полученное телом в форме работы, называется работой, совершенной над телом, а отданная энергия – затраченной телом работой. Количество теплоты, полученное (отданное) телом и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. от характера термодинамического процесса.

Внутренняя энергия. В общем случае внутренней энергией называется совокупность всех видов энергий, заключенных в теле или системе тел. Эту энергию можно представить как сумму отдельных видов энергий: кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами; потенциальной энергии молекул. В технической термодинамике рассматриваются только такие процессы, в которых изменяются кинетическая и потенци-

6

альная составляющие внутренней энергии. При этом знание абсолютных значений внутренней энергии не требуется. Поэтому под внутренней энергией для идеальных газов подразумевают кинетическую энергию движения молекул и энергию колебательных движений атомов в молекуле, а для реальных газов дополнительно учитывают потенциальную энергию молекул.

Внутренняя энергия U является функцией двух основных параметров состояния газа, т.е. U = f(P, T), U = f (υ, T), U = f(P,

υ). Κаждому состоянию рабочего тела (системы) соответствует

вполне определенное значение параметров состояния, и для каждого состояния газа будет характерна своя однозначная, вполне определенная величина внутренней энергии U, т.е. U является функцией состояния газа. И разность внутренних энергий для двух каких-либо состояний рабочего тела или системы тел не будет зависить от пути перехода из первого состояния во второе.

Первый закон термодинамики. Первый закон термодина-

мики является основой термодинамической теории. Закон описывает сохранение и превращение энергии: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение энергии системы и совершение работы. Уравнение первого закона имеет вид

Q =(U2 −U1 ) + L,

где Q – количество теплоты, подведенное к системе (отведенное от нее);

L – работа, совершенная системой (над системой);

(U2 −U1 ) – изменение внутренней энергии в данном процессе.

7

При описании процесса принимаются следующие допущения:

–Q > 0 – теплота подводится к системе,

–Q < 0 – теплота отводится от системы;

–L > 0 – работа совершается системой;

–L < 0 – работа совершается над системой.

Для единицы массы вещества уравнение первого закона термодинамики имеет вид

q = Qm =(u2 −u1 ) +l.

Первый закон термодинамики показывает, что для получения полезной работы в непрерывно действующем тепловом двигателе надо подводить (затрачивать) теплоту. Таким образом, двигатель, постоянно производящий работу и не потребляющий никакой энергии, существовать не может.

Теплоемкость и ее виды. Удельной теплоемкостью с называют количество теплоты q, которое требуется для изменения температуры единицы количества вещества на один градус:

c = ddTq .

В зависимости от способа измерения единицы количества вещества, характера термодинамического процесса и величины интервала температур различают несколько видов теплоемкостей.

1. В зависимости от единицы количества вещества (1 кг, 1 м3, 1 моль) теплоемкость бывает массовой – c, Дж/(кг·К), объемной – с′, Дж/(м3·К), и молярной – с , Дж/(моль·К).

Связь между ними выражается следующей зависимостью:

c = с′ = с , ρн µ

где ρн – плотность при нормальных физических условиях.

8

Количество теплоты соответственно определяется по выражению:

Q = c m(T2 −T1 ) = c′ Vн (T2 −T1 ) = сµ n(T2 −T1 ),

где m – масса газа, кг;

Vн – объем газа, приведенный к нормальным физическим

условиям;

n – число молей газа.

2. Теплоемкость зависит от характера процесса и свойств газа. В зависимости от способа подвода теплоты различают теплоемкость при постоянном давлении (изохорную) сp и тепло-

емкость при постоянном объеме сυ.

Энтальпия. В ряде случаев оказывается целесообразным объединение параметров u и p υ в общий калорический пара-

метр, называемый энтальпией, Дж/кг: i =u + p υ.

Энтальпия – термодинамическая функция, имеющая смысл полной (внутренней и внешней) энергии системы. Она складывается из внутренней энергии u и упругостной энергии p υ,

обусловленной наличием внешнего давления окружающей среды p, т.е. p υ есть работа, которую надо затратить, чтобы вве-

сти рабочее тело объемом υ в среду, имеющую давление p.

Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа и внутренняя энергия, Дж/кг. Поскольку энтальпия, так же как и внутренняя энергия, является функцией состояния, ее абсолютная величина может быть определена только с точностью до некоторой постоянной, условно выбранной для начала отчета.

По международному соглашению за начало отсчета энтальпии, для воды и водяного пара, приняты точка отчета T = 273,16 К, p = 0,0006 Па. При данных параметрах возможно

9

одновременное существование трех фаз: льда, жидкости и пара. За начало отчета энтальпия для газов может быть принята температура T = 0 К.

Энтропия. Одной из функций состояния термодинамической системы является энтропия. Энтропией называется величина, определяемая выражением

dS = dTQ .

Удельная энтропия определится как:

ds = dTq .

Энтропия есть однозначная функция состояния тела, принимающая для каждого состояния вполне определенное значение. Она является экстенсивным параметром состояния (зависит от массы вещества) и в любом термодинамическом процессе полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропию можно определить как функцию основных параметров состояния:

Если энтропия системы возрастает (S > 0), то системе подводится тепло. Если энтропия системы уменьшается (S < 0), то от системы отводится тепло. Если энтропия системы не изменяется (S = 0, S = const), то тепло не подводится и не отводится (происходит адиабатный процесс).

Физический смысл энтропии. Энтропию нельзя измерить,

ее смысл затруднительно продемонстрировать с помощью наглядных пособий, но можно понять по следующим интерпретациям.

10