Теоретические основы теплотехники -УКР

Тепер розглянемо цикл двигуна:

q1= l1+ u Внутрішня енергія визначається тільки параметрами -q2= - l2- u стану в крапках 1 і 2.

q1-q2=l1-l2=l4

lц - корисна робота циклу; q1-q2 - використане тепло.

4.2. Термічний ККД.

Термічний ККД (ТККД) визначається як відношення корисної роботи циклу до підведеного тепла.

4.3. Цикл Карно.

С. Карно досліджував цикли двигунів з метою перебування оптимального з погляду максимуму ТККД.

1.При підведенні тепла по ізотермі все тепло переходить у роботу. Тіло знаходиться в контакті з тепловіддатчиком.

2.При розширенні по адіабаті робота відбувається тільки за рахунок енергії.

3.При стиску по ізотермі (ізотермічному стиску) тіло контактує з теплоприймачем. Уся робота стиску переходить у віддаваєме тепло q2.

4.Стиск по адіабаті. Робота стиску дорівнює збільшенню внутрішньої енергії тіла. Робоче тіло повертається з вихідний стан.

Тепловіддатчик і теплоприймач мають постійну температуру (Т1 і Т2).

t 1 T2

T1

У термодинаміку доводиться, що ТККД циклу Карно не залежить від природи робочого тіла (теорема Карно).

Порівняння ТККД будь-якого циклу з ТККД циклу Карно дозволяє судити про ступінь досконалості даної машини. Цикл Карно служить еталоном при оцінці теплових двигунів, хоча він реально нездійсненний через ряд складностей технічного характеру.

4.4. Зворотний цикл Карно.

З постулату Клаузіуса випливає, що передача теплоти від джерела з низькою температурою до джерела з високою температурою обов'язково вимагає витрат енергії.

процесах підведення і відводу тепла.

4.6.Узагальнений (регенеративний) цикл Карно.

Знагрівачем і холодильником робоче тіло обмінюється теплом тільки в ізотермічних процесах 1-2 і 3-4.

В даний час створені двигуни Стірлінга, що працюють по циклі, близькому до регенеративного циклу Карно (дві ізотерми, дві ізохори).

4.7. Аналітичне вираження другого закону термодинаміки. Зміна ентропії в необоротних процесах.

1. Алгебраїчна сума приведених теплот для будь-якого оборотного циклу дорівнює нулю.

dqT 0 1й інтеграл Клаузіуса

Оборотний цикл містить тільки оборотні процеси.

2. Алгебраїчна сума приведених теплот для будь-якого необоротного циклу менше нуля.

dqT 0 2й інтеграл Клаузіуса

Цикл є необоротним, якщо він містить хоча б один необоротний процес. Іноді обидва інтеграли Клаузіуса поєднують

dq

T 0 узагальнений інтеграл Клаузіуса

Цей інтеграл є аналітичним вираженням другого закону термодинаміки.

T1 T2 ; q1 q2

Якщо в ізольованій системі відбуваються необоротні процеси, то ентропія системи зростає.

Звідси висновок Клаузіуса - ентропія світу безупинно зростає - теплова смерть очікує всесвіт. Критику цьому дала Ф. Енгельс (Діалектика природи).

4.8. Фізичний зміст ентропії.

Ентропію не можна вимірити безпосередньо. Її зміст можна зрозуміти по наступним інтерпретаціях.

1.. Ентропія - міра цінності тепла - його працездатності і технологічної ефективності. Якщо робоче тіло робить роботу при температурі навколишнього середовища Т0 , то

l=q1-q0=q1-T0·S0

Для оборотного процесу в ізольованій системі S0 = S1

Звідси видно, що чим більше Т1, тим більше робота, чинена системою. Максимальне значення ентропії відповідає температурі навколишнього середовища

q

S0max T0

Цю теплоту не можна використовувати.

2. Ентропія - міра втрати роботи внаслідок необоротності реальних процесів. Ніж більш необоротний процес, тим більше зростає ентропія

S2

dq TdS; q = Tds - для энергии, рассеянной в окружающей среде.

S1

3. Ентропія - міра безладдя.

При підведенні теплоти збільшується хаотичність теплового руху, при відводі - зростає упорядкованість. При Т 0 у системі встановлюється максимальний порядок.

limS 0 Практично це перевірити не можна через недосяжність абсолютного нуля

T 0

температур.

4.9. Ексергія теплоти.

Ексергія теплоти - максимально можлива робота, яку можна одержати з теплоти за умови, що теплоприймачем є навколишнє середовище

де q - підведена теплота.

Якщо робоче тіло має температуру Т1* < Т1 унаслідок необоротності підведення тепла, то робота необоротного циклу Карно складе

Гюі М. - французький фізик, вивів рівняння Гюі-Стодоли в 1889 р.

Стодола Аурель (1859-1942) - словацький теплотехнік. Роботи присвячені створенню наукових основ розрахунку турбін, ТАП. Одним з перших початків займатися газовими турбінами, створив теорію інерційного регулятора.

Застосував рівняння Гюі-Стодоли для рішення теплотехнічних задач, при аналізі ефективності роботи силових установок.

Термін "Эксергія" запропонований у 1956 р. Раніше для позначення цієї величини використовувалися терміни "технічна працездатність", "максимальна технічна робота".

4.10.Теоретичний цикл універсальної теплової машини Стірлінга.

У1816 р. (до Карно!) шотландський священик Р.Стірлінг запропонував цикл і конструкцію універсальної теплової машини. Її можна використовувати як двигун, чи холодильника теплового насоса.

Конструкція "Стірлінга" досить складна. Розвиток техніки тільки в 50-і роки нашого сторіччя дозволила створити машини, придатні для практичних цілей.

Цикл Стірлінга є власне кажучи регенеративним циклом Карно, що складається з двох ізотерм і двох ізохор.

1-2 - ізотермічне розширення газу за рахунок підведення теплоти від нагрівача.

2-3 - ізохорний відвід теплоти в регенератор великої ємності з розвитий поверхнею теплообміну і малим гідравлічним опором.

Як регенератор може бути використана тонка мідна сітка.

3-4 - ізотермічний стиск газу з відводом теплоти в холодильник

4-1 - ізохорне підведення теплоти від регенератора.

Якщо допустити, що в циклі Стірлінга здійснюється повна регенерація, то його ККД дорівнює ККД циклу Карно, тобто

t 1 T2

T1

Холодильний і опалювальний коефіцієнти Стірлінга дорівнюють відповідним коефіцієнтам циклу Карно.

Відродження інтересу до машини Стірлінга порозумівається підвищенням загального рівня технічної культури, тенденцією до розвитку багатопаливних двигунів, розвитком холодильної техніки, ядерних установок.

В останні десятиліття розроблялися стірлінги з замкнутим робочим циклом. Як робоче тіло використовують чи гелій водень, що володіють високими теплопередаточними властивостями.

У дійсному циклі протікають процеси, що приводять до скругленню кутів циклу.

Зразкові параметри циклу:

В зовнішній камері згоряння можна спалювати різні палива. До переваг відносять також малу токсичність відпрацьованих газів, малошумність і ін.

Недоліки - складність конструкції, гірші в порівнянні з ДВЗ масові характеристики.

5. ВОДЯНА ПАРА.

Порома називається газ, що знаходиться в стані, близькому до киплячого рідині. Паротворення – процес перетворення рідкої речовини в пароподібне Випар – паротворення, що відбувається при будь-якій температурі з поверхні рідини.

Кипіння - паротворення у всій масі рідини при підведенні до цієї рідини теплоти. Конденсація – зворотний процес.

Сублімація (сублімація) – перехід твердої речовини безпосередньо в пару. Десублімація – зворотний процес.

5.1.Фазова p – t діаграма і потрійна крапка.

Уp – v діаграмі зображені криві фазових

переходів.

ав – нагрівши твердого тіла вс – нагрівши рідини

cd – перегрівши пари

АВ, АК, AD – криві рівноважних станів А – потрійна крапка речовини.

Відповідає рівновазі твердої, рідкої і газоподібної фаз.

Для води ta = 0.01 0C, рідка фаза а = 0.001 м3 / кг ра = 610 Па

Температура кипіння зростає з підвищенням

тиску.

Температура, при якій рідина закипає при заданому тиску, називається температурою насичення. Тн, tн

Відповідне їй тиск називається тиском насичення Рн Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі з киплячою рідиною, називається

вологою насиченою парою. Т. о. Волога насичена пара є сумішшю дрібнодисперсних часток рідини і сухого насиченої пари.

Паровміст (ступінь сухості пари) – масова кількість рідини, що перейшла в пару.

Ступінь вологості пари в = 1- х Перегріта пара – пар з температурою, більшої, ніж температура насичення.

Розглянемо процес паротворення при постійному тиску і його зображення в р – v координатах.

Ркр = 22.13 МПа Ткр = 647.3 ДО υкр = 0.00326 м3 / кг

у – нагрівши рідини

з – паротворення при Рн = const, Tн = const c-d – перегрівши пари

АК – нижня прикордонна крива (Х = 0) – залежність ?1 від р КВ – верхня прикордонна крива (Х = 1) – залежність ?4 від р

Між ними звичайно проводять лінії рівної сухості пари (Х = const). Процес паротворення (у – е) є ізобарно – ізотермічним.

Усі параметри стану на нижній прикордонній кривій позначають з одним штрихом, на верхньої – двома штрихами.

Для зручності і спрощення розрахунків думають, що в потрійній крапці води.

S0 0

i0 0 Тоді u0 = i0 – p0υ0 = - 0.6 Дж / кг 0

Тоді питома теплота рідини на нижній прикордонній кривій визначиться так q` = cp tн = 4.19 tн ; q` u` тому що υ 0

При подальшому підведенні теплоти до рідини почнеться її перетворення в пару. Питома теплота паротворення – кількість теплоти, необхідне для перетворення 1кг

води при температурі насичення в суху насичену пару.

ρ = u`` – u` – робота дисгрегації (роз'єднання) молекул рідини.

Ψ = рн (υ`` – υ`) – зовнішня теплота паротворення (робота розширення). 5.2. Питомий обсяг вологої пари.

υх = υ` (1 - х) + ?`` х υ`` х при х > 0.7

Очевидно, що в критичній крапці r = 0.У цій крапці зникає розходження між рідиною

іпарою.

5.3.Ентропія рідини визначається так

5.4. Паротворення в TS – координатах.

r = S Tн

S r

Тн

Теплота сухої пари ?`` = q` + r Теплота вологої пари ?х = q` + r x Теплота перегрітої пари ?пер = q` + r +qпер

5.5. Рівняння Кланейрона – Клазіуса.

Елементарна робота в процесі паротворення dl = (υ'' – ?') dp

Витрачене на цю роботу кількість теплоти складе dq = (S`` – S`) d

Т. к. у цих елементарних циклах dl = dq, те одержимо рівняння Кланейрона – Клаузіуса

5.6. Таблиці водяної пари

Для розрахунків термодинамічних процесів водяної пари використовуються таблиці водяної пари. У цих таблицях даються для різних значень температури і тиск величини ?; υ; i; i; r; s; s;.Інші параметри обчислюють.

Для інженерних розрахунків замість таблиць часто використовують i – s – діаграму водяної пари.

5.7. i – S діаграма водяної пари.

Запропонована Мольє в 1904 р. Основна перевага – робота і теплота, що бере участь у процесі зображуються відрізками ліній, а не площами. Не потрібний планіметр, як для підрахунку по TS та Pυ діаграмам.

dS dqp di T T

T ( i)p - ізобари прямі лінії

s

При низьких тисках ізотерми дуже близькі до горизонтальних прямих. Для ідеального газу ізотерми в і – s діаграмі є горизонтальними відрізками.

Звичайно на i –s діаграми наносять також ізохори, що йдуть крутіше ізобар i – s діаграми дозволяють давати грубу оцінку теплоти і роботи в різних процесах. Для більш точних розрахунків користаються таблицями М. П. Вукаловича.

З i – s діаграмою більш докладно можна познайомиться на практичних заняттях.

6.ВОЛОГЕ ПОВІТРЯ

6.1.Основні визначення і характеристики.

В атмосферному повітрі завжди міститься волога у виді водяної пари, тобто Атмосферне повітря являє собою їхню суміш.

Вологе повітря – суміш сухого повітря з водяною парою.

Тиск водяної пари в атмосферному повітрі невелико, причому пара знаходиться в перегрітому стані, тому вологе повітря можна вважати сумішшю ідеальних газів.

За законом Дальтона тиск вологого повітря дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря і водяної пари

pбар = p + pп

На р - ? діаграмі водяної пари крапка А відповідає стану перегрітої пари, крапка В – стану сухого насиченої пари.

Очевидно, що при постійному парціальному тиску перегріта водяна пара, що міститься у вологому повітрі, може стати насиченим тільки при зниженні температури повітря, тому що tВ < tА.

Суміш сухого повітря і насиченої водяної пари називається насиченим вологим повітрям.

Суміш сухого повітря і перегрітої пари – ненасичене вологе повітря.

Температура, до якої необхідно прохолоджувати ненасичене вологе повітря, щоб він став насиченим, називається температурою крапки роси. При подальшому охолодженні повітря утвориться туман (частина пари переходить у крапельно – рідкий стан).

Звичайно вологе повітря має низький тиск (близьке до атмосферного), а парціальний тиск водяної пари в ньому невелико. Тому його властивості близькі до властивостей ідеального газу.

Усі питомі величини, що характеризують вологе повітря, відносять до 1 кг сухого повітря (а не суміші!).

6.2.Основні параметри вологого повітря.

1.Абсолютна вологість – кількість водяної пари, що міститься в 1м3 вологого повітря

2.Відносна вологість – відношення абсолютної вологості до максимально можливого при тій же температурі

т. к. співвідношення щільностей дорівнює співвідношенню тиску для ідеальних газів.

3.Вологовміст – відношення маси пари до маси сухого повітря