Контрольная работа 6 (вторая часть курса)

1. Из парогенератора двухконтурной паротурбинной установки с атомным реактором сухой насыщенный пар с давлением p₁=4 МПа подается в первую группу ступеней турбины, где адиабатно расширяется до влажности 12%. Затем, пар отделяется от влаги в сепараторе (при постоянном давлении) и с влажностью 2% подаётся во вторую группу ступеней турбины, где адиабатно расширяется до давления p₂=0,004 МПа и поступает в конденсатор. Отсепарированная влага дросселируется и также направляется в конденсатор. Конденсат отработавшего пара подаётся насосом в парогенератор. Чем замыкается цикл. Изобразить схему описанной установки и определить термический К.П.Д. её цикла.

Дано: Найти:

p₁=4 МПа; =?

=12%;

=2%;

p₄=0,004 МПа;

Решение:

Пользуясь is-диаграммой и таблицами насыщенного пара делаем:

1) Расчет первой точки:

p₁=4 МПа; х=1; =0,4977 (); =2804 (кДж/кг); =6,07 (кДж/кг*К).

Давлению p₁=4 МПа соответствует температура =250,3.

2) Расчет второй точки:

х=(1-0,12)=0,88; т.к.расширение адиабатное ,то =6,07 (кДж/кг*К);

спустившись по адиабате до кривой сухости х=0,88 определяем

=2532 (кДж/кг) и p₂=0,8 МПа; по таблице определяем =170,5 °С.

3) Расчет третей точки:

х=(1-0,02)=0,98;т.к. сепарация проходит при постоянном давлении, то поднявшись по изобаре p₂=0,8 МПа до кривой сухости х=0,98 находим:

=6,53 (кДж/кг*К) и =2736 (кДж/кг); =170,5 °С.

4) Расчет четвертой точки:

p₄=0,004 МПа; т.к.расширение адиабатное ,то =6,53 (кДж/кг*К);

спустившись по адиабате до изобары p₄=0,004 МПа определяем

=1972 (кДж/кг); давлению p₄=0,004 МПа соответствует температура

=28,98 °С.

=720,9 (кДж/кг);

=0,899.

Т.о. термический КПД:

=0,357

Ответ: =0,357 .

16. Воздушная холодильная установка должна обеспечить в охлаждаемом помещении температуру t₁=–5 С при температуре окружающей среды t₃=20 C. Холодопроизводительность установки Q₂=150 кДж/с, давление воздуха перед компрессором p₁=0,1 МПа, на выходе из компрессора p₂=0,5 МПа. Определить расход мощности на установку, расход хладоагента, холодильный коэффициент и количество тепла, передаваемое окружающей среде. Считать, что установка работает по идеальному циклу.

Дано: Найти:

t₁=–5 С; М=?

t₃=20 C; N=?

Q₂=150 кДж/с; =?

p₁=0,1 МПа; =?

p₂=0,5 МПа;

Решение:

Температуру воздуха , поступающего в холодильную камеру , определяем из соотношения параметров адиабатного процесса 3-4:

=184 (К).

Температуру сжатого воздуха, выходящего из компрессора, определяем из соотношения параметров процесса 1-2:

=424 (К).

Работу, затраченную в компрессоре, определяем по формуле:

=157,9 (кДж/кг).

Работу, полученную в детандере, находим по формуле:

=110,3 (кДж/кг).

Следовательно, работа цикла:

=157,9-110,3=47,6 (кДж/кг).

Удельная холодопроизводительность воздуха по формуле:

=85 (кДж/кг).

Холодильный коэффициент установки:

1,786 .

Расход хладоагента М:

=1,765 (кг/с).

Расход мощности на установку:

=1,765*47,6=84,01 (кВт).

Количество тепла, передаваемое окружающей среде:

132,6 (кДж/кг).

Ответ: М=1,765 (кг/с); N=84,01 (кВт); =1,786; =132,6 (кДж/кг).

27)Парокомпрессионная теплонасосная установка с редукционным вентилем служит для поддержания температуры в помещении t₂=20 С при температуре наружного воздуха t₁=–10 С.В качестве рабочего используется фреон-12, который выходит из компрессора в виде сухого насыщенного пара. Рассчитать идеальный цикл установки, определив удельное тепло, отдаваемое рабочим телом помещению, отопительный коэффициент цикла и работу, затрачиваемую на цикл.

Дано: Найти:

t₂=20 С; q₂=?

t₁=–10 С; =?

=?

Решение:

На рис. 6.4 представлена схема парокомпрессионной теплонасосной установки, где

К – компрессор

КД – конденсатор

Др – дроссель

И – испаритель

Удельное тепло, отдаваемое рабочим телом помещению:

[3, с. 301, ф-ла 21.6]

Энтальпии определяем по таблицам свойств фреона-12.

кДж/кг

Работа, затрачиваемая на цикл:

[3, с. 302]

кДж/кг

Отопительный коэффициент представляет собой отношение:

Ответ: кДж/кг, кДж/кг,

36. В результате смешения окиси углерода с водяным паром при высокой температуре происходит реакция восстановления водорода СО+Н₂О=СО₂+Н₂ и образуется смесь, которая по достижении равновесия имеет объёмный состав: СО–18%, Н₂О–34%, Н₂–24%, СО₂–24%. Определить константу равновесия К_с и объёмный состав исходной смеси.

Дано: Найти:

r₂(СО)=18%; r₁(СО)=?;

r₂(Н₂О)=34%; r₁(Н₂О)=?;

r₂(Н₂)=24%; r₁(Н₂)=?;

r₂(СО₂)=24%; r₁(СО₂)=?;

К_с=?;

Решение:

Если объем газовой смеси составляет V м³, то концентрация реагентов в состоянии равновесия :

; ; ; .

Подставив эти значения концентраций в формулу для константы равновесия, получаем:

1,0625 .

Обозначим объемные доли СО и водяного пара до реакции соответственно за X и Y (объемные доли Н₂ и СО₂ до реакции равны 0). Тогда до наступления равновесия прореагировало (X-0.18) СО и (Y-0.34) водяного пара. Т.к. вещества реагируют в эквивалентных количествах , то

.

Следовательно, можем составить следующую систему уравнений:

, решив которую получаем .

Ответ: константа равновесия К_с=1,0625; объемный состав исходной смеси:

r₁(СО)=0,42 ; r₁(Н₂О)=0,58 ; r₁(Н₂)=0 ; r₁(СО₂)=0.

1. Изобразите схему парогазовой установки, опишите её работу и представьте её идеальный цикл в Ts-диаграмме. Какие преимущества даёт применение такого цикла по сравнению с циклом Ренкина? Как определить кратность расхода газа в такой установке?

Одним из основных вопросов современной энергетики является вопрос повышения экономичности. На паротурбинных электро­станциях сверхвысоких параметров уже получены КПД 40—41%. Однако такие установки необходимо выполнить из дорогих жаро­стойких и высокопрочных материалов. Увеличение КПД газовых турбин ограничивается в связи с невоз­можностью увеличения температуры рабочего тела, поступающего в турбину, выше 970—1070 К, а их единичная мощность — из-за воз­растающей затраты энергии на собственные нужды. Первое ограничение устранить сложно из-за отсутствия в настоящее время термически прочных и стойких металлов, а второе — может быть снято полностью или частично добавлением к продуктам сгорания высокоэнтальпийного вещества, приводящего к общему увеличению энтальпии рабочего тела, или применением установок с двумя турбинами, причем одна газоводная , а другая с высокоэнтальпийным рабочим телом (водой). Газотурбинные установки, работающие с рабочим телом, состоя­щим из смеси пара и газа, или использующие в тепловой схеме стан­ции газ и пар, называются парогазовыми установками , а их циклы — парогазовыми. В парогазовых установ­ках сочетаются паровой и газовый циклы, при этом используются основные термодинамические преимущества газового цикла — высокая начальная температура рабочего тела (t₁ = 750—800° С) и низкая температура рабочего тела в конце цикла (t₂= 25— 30° С). Парогазовые установки могут быть с высоконапорным парогенератором со сбросом газов газотурбинной уста­новки в топку низконапорного (обычного) парогенератора и с га­зовыми турбинами, работающими на парогазовой смеси.

В зависимости от начальных и конечных параметров газа и пара, а также от температуры окружающего воздуха мощность газотурбинной части парогазовой установки составляет от 15 до 35 % установленной мощности паровых турбин. Такие уста­новки по сравнению с паротурбинными позволяют снизить на 25— 30% первоначальные капитальные вложения, сократить на 25— 30% расход металла, получить экономию топлива. Высоконапор­ный парогенератор работает с избыточным давлением в топке. Процессы горения и теплообмена протекают наиболее интенсивно, поэтому габаритные размеры высоконапорного парогенератора в 2—3 раза меньше, чем у низконапорных (обычных) парогенера­торов.

Рис.6.4. Парогазовая энергетическая установка со смешанным рабочим телом :

схема и цикл на Ts-диаграмме.

Сжатый воздух в таких установках из компрессора 1 (рис. 6.4) направляется в камеру сгорания 2, куда насосом 5 через регенератив­ный подогреватель 4 подается химически очищенная вода. В конце камеры сгорания происходит смешение горячих продуктов сгорания (газов) и регенеративно подогретой воды. Таким образом, камера сго­рания 2 выполняет две функции: сжигание топлива и смешение продук­тов сгорания с водой. Образовавшаяся при этом парогазовая смесь из камеры сгорания 2 поступает в турбину 3, а затем через регенера­тивный подогреватель 4 выбрасывается в атмосферу или направляется в специальный конденсатор. Произведенный впрыск воды в продукты сгорания камеры 2 снижает температуру газов до приемлемых значе­ний и повышает удельную энтальпию рабочего тела.

Парогазовый цикл можно представить в виде совокупности двух циклов—газовоздушного и парового (рис. 6.4). Полезная удель­ная работа всей установки определяется суммой пл. парового а-b-с--d-e-k (l) и газового 1-2-3-4 (l_газ) циклов. Указанные циклы построены для 1 кг продуктов сгорания и а кг водяного пара. Если m_п·в —масса водяного пара, а т_газ — масса продуктов сгорания, то их отно­шение m_п·в / т_газ = d называется относительным расхо­дом пара. Пусть в регенеративном подогревателе вода нагревается до температуры кипения, тогда необходимую для этого удельную теплоту можно представить пл. аbтп. Она отбирается от отработавшего рабочего тела, состоящего из паровой и газовой составляющих. В sT-диаграмме удельная теплота, отданная газовой составляющей, изображается пл. 2578, а паровой составляющей'— пл. efhg. В сумме эти две площади равны пл. аbтп, т. е. удельной теплоте, затраченной на подогрев воды. Общая подведенная теплота в парогазовом цикле слагается из подведенной теплоты газовой составляющей q_{1 газ} (пл. 1564) и паровой составляющей q_1пар (пл. mbdf),

поэтому термичес­кий КПД парогазового (двойного) цикла можно определить в виде отношения:

, где и - удельная работа соответственно газового и парового циклов; и - затраченная теплота в газовом и паровом циклах.

Рис. 6.5. Парогазовая энергетическая установка с разделенным рабочим телом:

а- схема ; б- цикл на Ts-диаграмме.

В период освоения циклов с раздельными рабочими телами было ар-робовано и осуществлено несколько различных тепловых схем. Наиболее эффективной оказалась схема, в которой паровой цикл по отношению к газовому циклу явился полностью утилизационным. В такой схеме паровая часть установки работает без дополнительной затра­ты топлива. Такая установка (рис. 6.5, а) состоит из высокотемпера­турной газовой турбины 3 с потребителем 4 котла-утилизатора 5 и паровой турбины 6 с потребителем 9. Из компрессора 1 сжатый воз

27. Какой величиной характеризуется интенсивность протекания химической реакции? Что такое скорость химической реакции и каково её математическое выражение? Почему для определения скорости в данный момент производная концентрация во времени берется с обратным знаком? (6)

Интенсивность протекания химической реакции характеризуется скоростью.

Скорость гомогенной реакции определяется изменением концентрации исходных веществ или продуктов реакции в единице объема системы за единицу времени:

, .

Скорость гетерогенной реакции определяется изменением числа моль исходного вещества или продуктов реакции на единице поверхности за единицу времени:

, .

Средняя скорость реакции определяется изменением концентрации исходных веществ или продуктов реакции за определенный отрезок времени:

.

Истинная скорость есть скорость в данный момент времени. Истинную скорость реакции находим из уравнения:

.

Знак минус относится к случаю, когда с обозначает концентрацию одного из исходных веществ, количество которых в ходе реакции уменьшается.

Скорость химической реакции пропорциональна кон­центрации веществ, принимающих участие в реакции. Если для реакции вида:

A+BC+D

начальные концентрации элементов A, В, С и D обозна­чить соответственно через С_А, С_в, С_с и C_D, то на осно­вании закона действующих масс скорость прямой реак­ции, идущей слева направо,

= k₁C_AB_B ,

а скорость обратной реакции, идущей справа налево,

= k₂C_CB_D,

где k₁ и k₂— коэффициенты пропорциональности, назы­ваемые константами скорости химической реакции. Для реакции вида:

aA+bBcC+dD,

где а, b, с, d — число молей элементов A, В, С и D, скорости прямой и обратной при хими­ческом равновесии реакций выражаются соответственно уравнениями:

=

= .

Скорость реакции зависит от:

1) природы реагирующих веществ;

2) от концентрации реагирующих веществ;

3) от температуры;

4) от степени раздробленности (дисперсности) реагирующих веществ в гетерогенных реакциях;

5) от катализатора.

36. Как определяется максимальная работа изохорно-изотермических и изобарно-термических реакций? Каким уравнением связана максимальная работа с тепловым эффектом химической реакции? (2,4)

Рассмотрим изобарно-изотермическую систему, характеристическая функция которой Ф=H-TS. , и, следовательно, изобарно-изотермический потенциал может быть представлен в виде

.

Для начального и конечного состояний изобарно-изотермического процесса (dp=0, dT=0) можно написать:

;

.

Т.к. , то :

.

Последнее уравнение, которое в общем виде представляет математическое выражение двух основных законов термодинамики (уравнения Гиббса-Гельмгольца).

;

;

;

.

Максимальная работа связана с тепловым эффектом химической реакции следующим уравнением:

для T,V=const ;

для T,p=const .

Список используемой литературы:

1. Конспект лекций по технической термодинамике.

2. «Техническая термодинамика», под редакцией В.И. Крутова,М., Высшая школа, 1981г.

3. «Сборник задач по технической термодинамике», Л.А. Разуменко,

Ю.В. Волковыцкий, М., Энергоиздат., 1981г.

4. «Техническая термодинамика»,В.А. Кириллин, В.В. Сычев,А.Е. Шейндлин,

М., Энергоатомиздат., 1983г.

5. Теоретическая часть для лабораторного практикума (часть 1,часть 2).