- •Конспект лекций
- •3.1. Термодинамика
- •3.1.1. Содержание и метод термодинамики
- •3.1.2. Основные понятия термодинамики
- •3.1.3. Газовые смеси
- •3.1.4. Законы идеальных газов
- •3.1.5. Первое начало термодинамики
- •3.1.5.1. Первое начало термодинамики как математическое выражение закона сохранения энергии
- •3.1.5.2. Первое начало термодинамики простого тела
- •3.1.6. Понятие теплоёмкости
- •3.1.7. Первое начало термодинамики для идеальных газов
- •3.1.7.1. Закон Майера
- •8314 Дж/(кмольк).
- •3.1.7.2. Принцип существования энтропии идеального газа
- •3.1.8. Термодинамические процессы
- •3.1.8.1. Классификация термодинамических процессов
- •3.1.8.2. Работа в термодинамических процессах
- •3.1.9. Круговые процессы (циклы)
- •3.1.9.1. Тепловые машины, понятие термического к.П.Д.,
- •3.1.9.2. Цикл Карно
- •3.1.10. Второе начало термодинамики
- •3.1.11. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания
- •3.1.11.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •3.1.11.2. Циклы газотурбинных установок
- •3.1.12. Типовые задачи к разделам курса «термодинамика»
- •3.1.12.1. Параметры, уравнение состояния идеального газа
- •3.1.12.2. Газовые смеси
- •3.1.12.3. Первое начало термодинамики
- •3.1.12.4. Процессы изменения состояния вещества
- •3.1.12.5. Термодинамические циклы
- •4.1.Теплопередача
- •4.1.1. Теплопередача, её предмет и метод, формы передачи теплоты
- •4.2. Теплопроводность
- •4.2.1. Температурное поле
- •4.2.2. Температурный градиент
- •4.2.3. Тепловой поток. Закон Фурье
- •4.2.4. Коэффициент теплопроводности
- •4.2.5. Дифференциальные уравнения теплопроводности
- •4.2.6. Условия однозначности для процессов теплопроводности
- •4.2.7. Отдельные задачи теплопроводности при стационарном режиме
- •4.3. Конвективный теплообмен
- •4.3.1. Основные понятия и определения
- •4.3.2. Теория размерностей
- •Размерности и показатели степени при конвективном теплообмене
- •4.3.3. Теория подобия
- •4.3.4. Критериальные уравнения
- •4.3.5. Некоторые случаи теплообмена
- •4.3.6. Расчетные зависимости конвективного теплообмена
- •4.3.7. Теплообмен при естественной конвекции
- •4.3.8. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах
- •4.3.9. Теплоотдача при поперечном обтекании труб
- •4.4. Тепловое излучение
- •4.4.1. Основные понятия и определения
- •4.4.2. Виды лучистых потоков
- •4.4.3. Законы теплового излучения
- •4.4.4. Особенности излучения паров и реальных газов
- •4.5. Теплопередача
- •4.5.1. Теплопередача между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку
- •4.5.2. Оптимизация (регулирование) процесса теплопередачи
- •4.5.3. Теплопередача при переменных температурах (расчет теплообменных аппаратов)
3.1.12.5. Термодинамические циклы
Задача 1. Определить параметры состояния (Р,V,t) в крайних точках цикла ГТУ простейшей схемы, работающей при следующих исходных данных: начальное давление сжатия Р1=0,1 МПа; начальная температураt1=27С; степень повышения давления в компрессоре=7; температура газа перед турбинойt3=700С. Определить для каждого процесса цикла работу, количество подведенного и отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию. Определить теоретическую мощность ГТУ при расходе воздухаG=35 кг/с, термический к.п.д. цикла. Рабочее тело1 кг воздуха (R=0,287 кДж/(кгК); Ср=1,004 кДж/(кгК); Сv= =СрR=0,717 кДж/(кгК)). Построить цикл вP-VиT-Sкоординатах.
Рис. 3.21. Цикл ГТУ в P-V и T-S координатах (к задаче 1)
Решение.
1. Определение параметров состояния в крайних точках цикла.
Точка 1. Из уравнения состояния м3/кг.
Точка 2. Р2=Р1=70,1 МПа, процесс 1-2 — адиабатное сжатие, поэтомум3/кг.
К.
Точка 3. Процесс 2-3 изобарный, следовательно,
Р2=Р3=0,7 МПа;
Т3=(700+273)=973 К по заданию.
м3/кг.
Точка 4. Процесс 4-1 изобарный, значит Р4=Р1=0,1 МПа. Процесс 3-4 адиабатный, поэтомуV4можно определить из уравнения адиабаты:
м3/кг;
К.
2. Определение работы, количества тепла, изменения внутренней энергии, изменения энтальпии и энтропии для каждого процесса цикла.
Процесс 1-2 (адиабатное сжатие q1,2=0).
Термодинамическая работа
кДж/кг;
потенциальная работа
= -223,89 кДж/кг;
изменение внутренней энергии
U1,2=Cvm(T2-T1)=0,717(523-300)=160 кДж/кг ;U1,2=l1,2;
изменение внутренней энергии S1,2=0;
изменение энтальпии h1,2=w1,2=223,89 кДж/кг.
Процесс 2-3 (изобарный Р2=Р3).
l2,3=R(T3-T2)=0,287(973-523)=129 кДж/кг;
w2,3=0;
U2,3=Cvm(T3-T2)=0,717(973-523)=323 кДж/кг;
q2,3=Cpm(T3-T2)=1,004(973-523)=452 кДж/кг;
кДж/кг;
h2,3=q2,3=452 кДж/кг.
Процесс 4-3 (адиабатное расширение).
q3,4=0;S3,4=0;
кДж/кг;
l3,4=U3,4=298,0 кДж/кг;
кДж/кг.
Процесс 4-1 (изобарный Р=idem).
w4,1=0;
l4,1=R(T1-T4)=0,287(300-558)=74,05 кДж/кг;
U4,1=Cvm(T1-T4)=0,717(300-558)=185 кДж/кг;
q4,1=Cpm(T1-T4)=1,004(300-558)=259 кДж/кг;
кДж/(кгК);
h4,1=q4,1=259 кДж/кг.
Данные вычислений по процессам сводим в таблицу результатов (см.)
Условия замыкания круговых циклов выполнены:
Суммарная термодинамическая работа
кДж/кг;
Таблица результатов вычислений по процессам
Процессы |
l (кДж/кг) |
w (кДж/кг) |
h (кДж/кг) |
U (кДж/кг) |
q (кДж/кг) |
S (кДж/(кгК)) |
1-2 |
160 |
223,9 |
223,9 |
160 |
0 |
0 |
2-3 |
129 |
0 |
452 |
323 |
452 |
0,623 |
3-4 |
298 |
416,9 |
416,9 |
298 |
0 |
0 |
4-1 |
74,05 |
0 |
259 |
185 |
259 |
0,623 |
|
193 |
193 |
0 |
0 |
193 |
0 |
кДж/кг.
Тепло в цикле, превращенное в полезную работу
.
Термический к.п.д. цикла
3. Построение цикла в P-VиT-Sкоординатах.
Процессы, изображенные в P-VиT-Sкоординатах, необходимо строить не менее чем по трем точкам. Для нахождения параметров промежуточных точек вначале надо принять произвольно значение одного какого-либо параметра таким образом, чтобы это значение находилось между его численными значениями в крайних точках процесса.
Последующий параметр определяется из уравнения, характеризующего данный процесс, составленного для одной (любой) из крайних точек процесса и для промежуточной точки. По найденным значениям строится цикл в координатах P-VиT-S. Масштаб выбирается произвольно, исходя из численных значений параметров.
Задача 2. 1 кг воздуха совершает цикл Карно в пределах температурt1=627Cиt3=27C, причем наивысшее давление равно 6 МПа, а наинизшее составляет 0,1 МПа. Определить параметры состояния воздуха в характерных точках цикла, работу, количество подведенного и отведенного тепла, термический к.п.д..
Решение.
1. Находим параметры крайних точек цикла.
Точка 1. Удельный объем точки 1 находим по уравнению состояния:
м3/кг.
Рис. 3.22. Цикл Карно в P-V и T-S координатах (к задаче 2)
Точка 2. Процесс 1-2 изотермический (T=idem), поэтому Т1=Т2=900 К. Процесс 2-3 адиабатный (q2,3=0), поэтому Р2находим по уравнению адиабатного процесса:
МПа;
из уравнения изотермы 1-2:
м3/кг.
Точка 3. Процесс 3-4 изотермический Т3=Т4=300 К.
м3/кг.
Точка 4. Т4=Т3=300 К. Из уравнения адиабаты (процесс 4-1)
МПа;
из уравнения изотермы 3-4
м3/кг.
2. Подведенное количество тепла (процесс 1-2)
кДж/кг.
3. Отведенное количество тепла (процесс 3-4)
кДж/кг.
4. Полезная работа цикла l0=q1,2q3,4=69,621,5=42,1 кДж/кг.
5. Термический к.п.д. цикла
Задача 3. На рис. 1.23 показан процесс работы двигателя, в котором рабочим телом является сжатый воздух. Определить необходимый массовый расход воздуха, если теоретическая мощность воздушного двигателя 10 кВт. Начальные параметры воздуха: Р1=1 МПа,t1=15С. Процесс расширения воздуха принять политропным с показателемn=1,3. Конечное давление воздуха Р2=0,1 МПа.
Решение.
1. Работа 1 кг сжатого воздуха в двигателе изображается площадью 1234, т. е.
2. Значения удельных объемов V1иV2определяют из уравнений:
м3/кг;
Рис. 3.23. Расширение в двигателе
м3/кг.
Таким образом, Дж/кг.
3. Массовый расход воздуха кг/ч.