- •1. Задачи и методы термодинамики. Современное состояние и перспективы развития теплоэнергетики.
- •2.Термодинамическая система. Параметры состояния термодинамической системы. Уравнение состояния.
- •3. Термодинамический процесс. Равновесные, неравновесные, обратимые и необратимые процессы.
- •4. Первый закон термодинамики. Энтальпия.
- •6 . Цикл Карно. T-s - диаграмма. Изображение процессов в t-s- диаграмма.
- •7. Второй закон термодинамики. Изменение энтропии в термодинамических процессах. Статистическое толкование 2-ого закона термодинамики
- •8. Теплоемкость газов. Зависимость теплоемкости от температуры и процесса.
- •9. Политропный процесс. Обобщающее значение политропного процесса.
- •14. Паросиловые установки.
- •15.Элементарный и сложный теплообмен. Сложный теплообмен
- •16. Основной закон теплопроводности.
- •1.Геометрические; 2.Физические; 3.Граничные; 4. Начальные.
- •18. Стационарная теплопроводность через плоскую стенку
- •19. Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •20. Теплопередача через плоскую однослойную стенку.
- •22.Физическая сущность явления теплоотдачи.
- •23. . Основы теории подобия. (тп)
- •24) Теплоотдача при вынужденном течении по трубам и каналам.
- •29. Лучистый теплообмен между твердыми телами.
8. Теплоемкость газов. Зависимость теплоемкости от температуры и процесса.
Отношение количества теплоты dQ, полученного телом при бесконечно малом изменении его состояния, к отношение количества теплоты dQ, полученного телом при бесконечно малом изменении его состояния, к связанному с этим изменению температуры тела dT называется теплоемкостью тела в данном процессе: C = dQ/dT.
Обычно теплоемкость относят к единице количества вещества и в зависимости от выбранной единицы различают:
1) удельную массовую теплоемкость с, отнесенную к I кг газа, Дж/(кг-К);
2) удельную объемную теплоемкость с, отнесенную к количеству газа, содержащегося в 1 м3 объема при нормальных физических условиях, Дж/(мэ-К);
3) удельную мольную теплоемкость, отнесенную к одному кило-молю, Дж/(кмоль-К).
Изменение температуры тела при одном и том же количестве сообщаемой теплоты зависит от характера происходящего при этом процесса, поэтому теплоемкость является функцией процесса.
cp = cv + R.
Это соотношение называется уравнением Майера и является одним из основных в технической термодинамике идеальных газов.
В процессе v = const теплота, сообщаемая газу, идет лишь на изменение его внутренней энергии, тогда как в процессе р= const теплота расходуется и на увеличение внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Поэтому ср больше сv на величину этой работы.
Средней теплоемкостью Сср данного процесса в интервале температур от Т1 до Т2 называется отношение количества теплоты, сообщаемой газу, к разности конечной и начальной температур:
9. Политропный процесс. Обобщающее значение политропного процесса.
Любой произвольный процесс можно описать в р, v координатах уравнением pvn = const (1), подбирая соответствующее значение n. Процесс, описываемый уравнением (1,) называется политропным. Показатель политропы n может принимать любое численное значение в пределах от — оо до + оо, но для данного процесса он является величиной постоянной. Работа расширения газа в политропном процессе имеет вид
Количество подведенной (или отведенной) в процессе теплоты можно определить с помощью уравнения первого закона термодинамики:
Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает в сю совокупность основных термодинамических процессов.
На рисунке показано взаимное расположение на р, v- и Т,s-диаграммах политропных процессов с разными значениями показателя политропы. Процессы, расположенные правее и выше адиабаты, идут с подводом теплоты к рабочему телу; процессы, лежащие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты.
10. Цикл одноступенчатого компрессора. Если процесс сжатия газа в компрессоре происходит без теплообмена с окружающей средой
C1 = C2 что всегда можно обеспечить надлежащим выбором сечений всасывающего и нагнетательного воздухопроводов, то
(5.9)
В отличие от предыдущего случая здесь , те. техническая работа в адиабатном компрессоре затрачивается на увеличение энтальпии газа.
Процессы сжатия в идеальном компрессоре. Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газов. Принцип действия поршневого компрессора таков (рис. 5.8):
А) при движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления р1, открывается всасывающий клапан. Цилиндр заполняется газом. Всасывание изображается на индикаторной диаграмме линией 41. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2. Давление в цилиндре увеличивается до тех пор, пока не станет больше р2. Нагнетательный клапан открывается, и газ выталкивается поршнем в сеть (линия 2-3). Затем нагнетательный клапан закрывается, и все процессы повторяются. Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора .
И ндикаторную диаграмму не следует смешивать с р,v-диаграммой, которая строится для постоянного количества вещества. В индикаторной диаграмме линии всасывания 4-1 и нагнетания 2-3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остается постоянным — меняется только его количество. На сжатие и перемещение I кг газа затрачивается работа , которую производит двигатель, вращающий вал компрессора. Обозначим ее через lк(lк=-lк)- Из (5.8)
следует, что на индикаторной диаграмме lк изображается площадью 4-3-2-1.Техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия. На рис. 5.9 изображены изотермический (n=1), адиабатный (n = k) и политропный процессы сжатия. Сжатие по изотерме дает наименьшую площадь, т. е. происходит с наименьшей затратой работы, следовательно, применение изотермического сжатия в компрессоре является энергетически наиболее выгодным. Рис. 5.9. Сравнение работы адиабатного, изотермического и политропного сжатия
1 1.Цикл ДВС. Цикл поршневого двигателя с подводом теплоты при V=const. Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2-3 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и изохорного
Рис. 6.2. Циклы ДВС:
а — в р-v-координатах; б — в T-s-координатах; в — схема цилиндра с поршнем отвода теплоты 4-1 (рис. 6.2). В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется путем сжигания топлива. Чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления p1, а до более высокого давления р4, а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горячие (с температурой Т4) продукты сгорания в атмосферу. Избыточное давление p4—р1 при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется изобарным отводом теплоты
4-1. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя е. Применительно к идеальному циклу (см. рис. 6.2)
(6.3) Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический КПД цикла. Рассмотрим два цикла с одинаковыми точками 1 и 4, один из которых (1'-2'-3'-4) имеет большую степень сжатия г, чем другой {1-2-3-4). Большему значению е соответствует более высокая температура в конце сжатия 1-2. Следовательно, изохора 2'-3' расположена в T, s-диаграмме выше, чем изохора 2-3. Из рис. 6.2, б видно, что количество теплоты q1, подведенной в цикле 1-2'-3'-4 (площадь 2'-3'-5-6), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 (площадь 2-3-5-6). Количество отведенной теплоты q2 в обоих циклах одинаково (площадь 4-5-6-1). Следовательно, термический КПД больше в цикле 1-2'-3'-4.
Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия ε. Нетрудно получить аналитическую
зависимость nt от ε, например, для цикла со сгоранием при v = const. При постоянной теплоемкости
При одинаковых показателях адиабаты K. Тогда для рассматриваемого цикла
(6.4)
На рис. 6.3 приведены кривые зависимости термического КПД цикла со сгоранием при U = const от степени сжатия при различных показателях адиабаты.
12 Цикл поршневого двигателя с подводом теплоты при P=const и смешанный цикл. Однако при о динаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты при p = const, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл с подводом теплоты при v = const, поскольку при одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной при v = const (пo линии 2-3 на рис. 6.2, 6) теплоты больше, чем при p = const (линия 2-7). При сгорании при р=const максимальная температура горения, как это видно из рис. 6.2, б, оказывается меньше, чем при V — const, а значит, потери энергии от неравновесного горения выше. Используя в качестве рабочего тела неразбавленные продукты сгорания (с максимальной энергией), ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД.
13.Цикл газотурбинной у становки
Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 6.4. Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от p1 до р2 и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой Тз и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р3=р2). Следовательно, горение топлива (т, е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Г продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до T4, а давление уменьшается до атмосферного р1. Весь перепад давлений р3 — р1, используется для получения технической работы в турбине Большая часть этой работы 4 расходуется на привод компрессора; разность lтех —lк, является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении сто можно не учитывать).
Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 6.5), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной.установки 1-2-3-4,
Полезная работа lц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т- s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. 6.5, б).
Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной g1 (площадь 8-2-3-7) и отведенной g2
( площадь 1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ (6.5) При этом теплоемкость ср принята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре я, равная отношению давления воздуха после компрессора p2 к давлению перед ним p1, т. е. π=p2/p1 и получим Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением л. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия Т2 и соответственно температуры газов перед турбиной T3. На рис. 6.5, б отчетливо видно, что цикл 1-2'-3'-4, в котором я больше, экономичнее цикла 1-2-3-4, либо по линии 2'-3' подводится больше теплоты g1, чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты q-2. При этом T2 и T3 больше, чем соответственно Т2 и Тз.Дело в том, что с увеличением Т3 возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной е3 = ср(Т3-То)— T0(S3-so) , т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла. В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиаций и на морском флоте, а так же в маневренных стационарных энергетических установках.