- •Министерство образования, науки, молодёжи и спорта украины
- •Оглавление
- •3.1 Общий анализ термодинамических процессов в реальном газе 38–39
- •Введение
- •1. Термодинамические процессы в идеальном газе
- •1.2. Политропное расширение, изобарное сжатие и изохорный подвод теплоты
- •1.3. Изохорный подвод теплоты, изобарное расширение и политропное сжатие
- •1.4. Адиабатное сжатие, изохорный подвод теплоты, изобарное и политропное расширение
- •2. Расчет и исследование термодинамических циклов двигателей внутреннег сгорания и газотурбинных установок
- •2.1. Термодинамический цикл двс со смешанным подводом теплоты
- •2.2. Термодинамические циклы газотурбинных установок
- •2.2.1. Простой цикл гту
- •2.2.2. Цикл с регенерацией теплоты
- •2.2.3. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха
- •2.2.4. Цикл с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и регенерацией теплоты
- •3. Расчет термодинамических процессов в реальном газе
- •3.1. Общий анализ термодинамических процессов в реальном газе
- •3.2. Изохорный процесс
- •3.3. Изобарный процесс
- •3.4. Изотермический процесс
- •3.5 Изоэнтропный процесс
- •3.6. Процесс дросселирования
- •3.7. Процесс течения
- •4. Расчет и исследование термодинамических циклов паротурбинных установок
- •4.1. Установка, работающая по циклу Ренкина
- •4.2. Паротурбинная установка с промежуточным перегревом пара
- •4.3. Установки с регенеративным подогревом питательной воды
- •4.3.1. Пту с регенеративным подогревом питательной воды в подогревателе смесительного типа
- •4.3.2. Пту с регенеративным подогревом питательной воды в подогревателе поверхностного типа
- •4.3.3. Пту с промежуточным перегревом пара и регенеративным подогревом питательной воды в поверхностном и смесительном подогревателях
- •4.3.4. Исследование влияния последовательности использования типов регенеративных подогревателей на эффективность пту
- •5. Термодинамика влажного воздуха
- •5.1. Основные понятия, определения и соотношения, характеризующие термодинамические свойства влажного воздуха
- •5.2. Примеры расчета процессов тепломассообмена во влажном воздухе
- •6. Методические указания по выполнению лабораторных работ
- •Изотермического процесса.
- •Контрольные вопросы
- •Контрольные вопросы
- •Образец
1.3. Изохорный подвод теплоты, изобарное расширение и политропное сжатие
Выполним расчёт и анализ указанной совокупности процессов на примере решения следующей задачи.
Задача. 1 кг воздуха, находящегося при температуре минус 10,3°С и разрежении 50 мм рт. ст изохорно нагревается до манометрического давления 1,0 кгс/см2, а затем изобарно расширяется до такого объёма, чтобы политропно возвратиться в начальное состояние. Показатель политропы п = –1,3. Атмосферное давление 100,5 кПа.
Изобразить цикл, образованный этими процессами, на термических и тепловой диаграммах. Определить параметры воздуха в характерных точках цикла, а также степень его совершенства.
Решение:
Термические параметры рабочего тела в характерных точках:
Точка 1
давление ,
так как 750 мм рт. ст.=1 бар
температура
удельный объем ,
где – удельная газовая постоянная воздуха;
Точка 2
давление
,
так как 1 кг/см2 = 98066,5 Па
удельный объем
, (по условию задачи процесс 1-2 изохорный)
температура
;
Точка 3
давление (по условию процесс 2-3 изобарный)
удельный объем (процесс 3-1 политропный)
Рис.1.3. Изображения заданного цикла на термических и тепловой диаграммах: 1-2 – изохорный подвод теплоты, 2-3 – изобарное расширение, 3-1 – политропное сжатие.
температура
Результаты расчетов записываем в таблицу:
Точки |
р, МПа |
v, м3/кг |
Т, К |
1 |
0,093833 |
0,80424 |
262,85 |
2 |
0,198566 |
0,80424 |
556,25 |
3 |
0,198566 |
1,4316 |
990,10 |
Отводимая в цикле теплота
,
где изохорная теплоёмкость сv по упрощенной МКТ для воздуха как двухатомного газа рассчитывается из соотношения:
Подводимая в цикле теплота
где изобарная теплоёмкость ср в соответствии с МКТ равна
.
Термический КПД рассматриваемого цикла
,
Термический КПД предельного цикла Карно
Степень совершенства рассчитанного цикла
Итак, рассмотренный термодинамический цикл значительно уступает по эффективности соответствующему предельному циклу Карно. Это обусловлено тем, что количества подводимой и отводимой в цикле теплоты близки.
1.4. Адиабатное сжатие, изохорный подвод теплоты, изобарное и политропное расширение
Выполним исследование заданной совокупности процессов на примере решения следующей задачи.
Задача. 1 нм3 метана адиабатно сжимается до 1/5 первоначального объема, затем изохорно нагревается при подводе 200 кДж теплоты, затем изобарно расширяется с подводом 100 кДж теплоты, наконец, политропно возвращается в начальное состояние.
Изобразить цикл на термических и тепловой диаграммах. Определить параметры газа в характерных точках образовавшегося цикла и его степень совершенства. Начальные параметры рабочего тела р1 = 1 бар,t1 = 100°С.
Решение
Прежде всего изобразим цикл на диаграммах
Затем рассчитываем:
удельную газовую постоянную метана (СН4):
Рис. 1.4. Изображения исследуемого цикла на термических и тепловой диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты, 3-4 – изобарный подвод теплоты, 4-1 – политропный отвод теплоты.
,
удельный объем метана в точке 1:
параметры метана в точке 2 (процесс 1-2 – адиабатный)
удельный объём
температура
давление ,
где k = 1,33 – показатель адиабаты для газов, молекулы которых содержат три либо большее количество атомов.
Для дальнейших расчетов необходимо определить массу одного нм3 с помощью уравнения состояния
При определении параметров точки 3 используем заданное значение теплоты, подводимой в процессе. Теплота в изохорном процессе 2-3 рассчитывается из соотношения
, тогда ,
где qv = Qv/М = 200/0,7139 = 280,15 кДж/кг — удельная теплота, подводимая в изохорном процессе;
cv — изохорная теплоёмкость сv, которая по упрощенной МКТ рассчитывается из соотношения
,
здесь j — количество вращательных степеней свободы атомов в молекуле (для трёх- и многоатомных газов j = 3).
В изохорном процессе температура и давление изменяются прямо пропорционально:
, отсюда
Параметры точки 4 (процесс 3-4 – изобарный)
р4 = р3 = 1,0912 МПа
Удельная теплота в изобарном процессе рассчитывается из соотношения:
,
отсюда ,
где qp=Qp/М=100/0,7139=140,08 кДж/кг — удельная теплота, подводимая в изобарном процессе (см. условие задачи),
cp — изобарная теплоёмкость метана, рассчитываемая из соотношения:
.
В изобарном процессе температура и удельный объём изменяются прямо пропорционально:
, отсюда
Результаты расчетов записываем в таблицу:
Точки |
р, МПа |
v, м3/кг |
Т, К |
1 |
0,1 |
1,9390 |
373,15 |
2 |
0,8504 |
0,3878 |
634,66 |
3 |
1,0912 |
0,3878 |
814,37 |
4 |
1,0912 |
0,4199 |
881,76 |
Свидетельством о точности выполненных расчётов является равенство суммы работ Σl, рассчитанных через параметры p и v и суммы теплот Σq, рассчитанных через Т, ср и сv для всех процессов, образующих цикл.
Рассчитываем значения работы во всех термодинамических процессах, образующих исследуемый цикл:
— деформационнаяработа в адиабатном процессе сжатия 1-2
—деформационная работа в изохорном процессе 2-3 ,
— работа расширения в изобарном процессе 3-4
,
— работа в политропном процессе расширения 4-1
где п — показатель политропы расширения, рассчитанный из соотношения
, отсюда .
Далее рассчитываем значения теплоты в процессах, образующих цикл:
— в адиабатном процессе сжатия 1-2
— в изохорном процессе 2-3 (см. стр. 18)
— в изобарном процессе 3-4 (стр. 18)
— в политропном процессе 4-1
Результаты расчетов сводим в таблицу:
Процессы |
Деформационная работа l, кДж/кг |
Теплота q, кДж/кг |
1-2 — адиабатный |
–411,78 |
0. |
2-3 — изохорный |
0. |
280,15 |
3-4 — изобарный |
34,05 |
140,08 |
4-1 — политропный |
470,19 |
–327,39 |
Сумма |
92,46 |
92,84 |
Из таблицы видно, что сумма работ отличается от суммы теплот на 0,38 кДж/кг, то есть на 0,41 %. Это свидетельствует об удовлетворительной точности расчетов.
Термический КПД исследуемого цикла
,
где q1= q2-3 + q3-4 = 280,15 + 140,08 =420,23 кДж/кг – теплота, подводимая в цикле.
Термический КПД предельного цикла Карно
Степень совершенства рассматриваемого цикла
.
Следовательно, эффективность заданного цикла ниже эффективности соответствующего предельного цикла Карно почти на 62 %