19. Реальные газы и пары, их свойства и уравнение состояния.

1. Реальные газы не сохраняют условий идеальности (имеются силы взаимодействия между молекулами).

2. Реальный газ (пар) – неустойчивое рабочее тело, которое при термодинамическом процессе может менять своё агрегатное состояние.

Пары многих жидкостей являются основными видами термодинамических рабочих тел, при помощи которых возможно трансформирование теплоты в механическую работу или обратно в целом ряде теплотехнических установок (паровые турбины, тепловые трубы, холодильные установки, МГД-генераторы).

- уравнение Ван-дер-Ваальса

- внутреннее давление.

(1) уравнение состояния для идеального газа.

Если не видно (Т^((3+2m)/2)

Другие уравнения состояния идеальных газов:

- уравнение Бертло

- уравнение Дитеричи (точно выполняется вблизи критических точек)

уравнение состояния Вукаловича-Новикова для перегретого водяного пара.

уравнение состояния Битти-Бриджмена

20. Первое начало термодинамики для движущихся газов.

Уравнение 1-ого закона термодинамики для газа в дифференц.форме:

dq – подведенное удельное количество тепла от внешней источника теплоты

du – изменение удельной внутренней энергии газа

dl’- работа против внешних сил, называемых l-ной проталкивания

dω²’/2 – изменение внешней кинетической энергии рабочего тела.

Если при перемещении газа по каналу приосходит его расширение с уменьшением давления и увеличением скорости, то такой канал называется соплом.

Если в канале происходит сжатие рабочего тела с увеличением давления и уменьшением скорости, то такой канал называется диффузором.

21 билет! Виды работ, совершаемых движущимся газом, их аналитические выражения и графическое изображение.

Работа-есть функция состояния вещества,т.е. зависит от вида процесса.

Работа совершаемая газом при увеличение объема считается положительной, а работа затраченная на уменьшение объема считается отрицательной.

dl =d(pV)-элементарная работа проталкивания, следовательно

dg=di+dw^2/2 – уравнение показывает,что подведенное количество теплоты в процессе при течении газа(или жидкости) расходуется на изменение внутренней энергии,на работу проталкивания и на изменение внешней кинетической энергии рабочего тела.

Или g = i2 - i1+(w2^2-w1^2)/2

Если отсутствует теплообмен меджу рабочим телом и окружающей средой(адиабатное течение),то уравнение имеет вид:

di+dw^2/2=0 или i2 - i1 = (w2^2-w1^2)/2

Изменение внешней кинетической энергии рабочего тела роисходит за счет уменьшения его удельной энтальпии,когда начальная скорость равно 0,тогда скорость течения определяется:

Распологаемая работа при истечении газа.

dw^2/2 = -Vdp Для обратимого процесса течения газа

Если прямая является политропой,то:

При адиабатном расширение газа:

Адиабатный процесс истечения газа.

Скорость истечения газа при адиабатном процессе определяется:

22 билет! Взаимосвязь термодинамических и геометрических параметров в потоке газа. Уравнение профиля канала.

Термодинамические параметры-это ряд велечин характеризующих, свойства каждой системы.

(Давление, температура, удельный объем, плотность и т.д.)

Геометрические параметры – числовые величины, определяющие размеры, форму, расположение поперечного сечения.

Взаимосвязь термодинамических и геометрических параметров заключается в том, что давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней.

Термодинамические параметры зависят от геометрических параметров, в частности от площади.

Также эта зависимость наблюдается в уравнение профиля канала.

dS/S=1/K((1/(M^2))-1)dp/p

dS-изменение площади S-площадь M-число маха (M=w/wзв) p-давление dp-изменение давления

M<1, то w<wзв M>1, то w>wзв

Билет№23 24

Сопла - специально спроектированные каналы для разгона рабочей среды и придания потоку определенного направления.

Назначение сопла - преобразование потенциальной энергии тела в кинетическую, поэтому для анализа происходящего в нем процесса начальная скорость потока несущественна и можно принять DI=0 , тогда уравнение I з. термодинамики при адиабатном истечении рабочего тела через сопло dp=h₁-h₂.

Билет №25. Исследование процесса дросселирования. Эффект Джоуля-Томсона.

Отношение изменения температур реального газа при дросселировании без подвода и отвода теплоты и без совершения в нём работы к изменению давления в этом процессе называют эффектом Джоуля-Томсона.

Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю, т.к. температура газа в результате процесса дросселирования не изменяется.

Дросселирование (мятие) – необратимый процесс, в котором давление при прохождении газа через суживающееся отверствие уменьшается без совершения внешней работы.

Уравнение процесса дросселирования: при начальной и конечной скорости газа 1 и 2 и внутренней энергией (кин.) U1 и U2:

1 и 2 мало чем отличаются друг от друга, то изменением внешней кинетической энергии можно пренебречь и считать:

Энтальпия в результате дросселирования не измениться.

Билет №26. Прямые и обратные циклы, их назначение.

Циклом называется ряд последовательных процессов, в результате которых вещество возвращается в исходное состояние.

Процесс называют обратимым, если его можно провести в обратном направлении так, что и вещество, и окружающая среда пройдут те же промежуточные состояния.

Обратимый процесс возможен, если выполняются 2 условия:

1.Процесс должен быть равновесным, т.е. при его протекании все параметры скорость, давление и температура в каждой точке вещества одинаковы.

2.Температура источника тепла должна быть близкой к температуре вещества, т.е. температура вещества в процессе изменяется, то требуется бесконечно большое количество источников тепла с близкой температурой.

Т.е. оба условия не выполнимы, обратимый процесс - это научная абстракция, все реальные процессы не обратимы.

Прямой цикл Карно.

1-2 изотермическое расширение газа при подключении к горячему источнику с Т1=Т2 g1= RT1lnV2/V1

2-3 адиабатическое расширение при отключение о горячего источника с изменением температуры Т3/Т2=(V2/V3)^k-1

3-4 изотермическое сжатие при подключении к холодному источнику Т3=Т4, g2= - RT3lnV4/V3=RT3lnV3/V4

4-1 адиабатическое сжатие при отключении от холодного источника с изменением температуры T1/T4=(V4/V1)^k-1

n_t= l_ц/g1= (g1-g2)/g1=1 – g2/g1

l_ц=g1 – g2

n_t=1 – (RT3 lnV3/V4)/(RT1lnV2/V1)=1 - T3/T1

т.к. Т1=Т2, а Т3=Т4, то Т4/Т1=Т3/Т2 (V4/V1)^k-1=(V1/V4)^k-1

V2/V3=V1/V4 V2V4=V1V3 V2/V1= V3/V4

Ln(V2/V1)^k-1=ln(V3/V4)^k-1

n_t=1 – T_хол/Т_гор Формула Карно

Цикл Карно идеальный самый высокий термический КПД, на практике не применяется из-за высоких температур и давления, которые развиваются в цикле, что делает двигатель очень громоздким.

Обраный цикл Карно. То же самое только в другую сторону. Идеальный цикл холодильной машины.

28 Циклы паротурбинных установок (ПТУ)

Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какой-либо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина.

Принципиальная схема ПТУ показана на рис.7.1 и процесс получения работы происходит в следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4). Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1).

Рассмотрим цикл Ренкина на насыщенном паре. Схема установки отличается от предыдущей схемы тем, что в данном случае будет отсутствовать перегреватель. Поэтому на турбину будет поступать насыщенный пар. На рис.7.2,а изображен цикл Ренкина в TS-диаграмме.

Процессы:

3-1 – подвод теплоты от источника в воде q1, состоит из двух процессов: 3-3/ - кипение воды в котле;

3/-1 – испарение воды в пар при постоянном давлении;

1-2 – в турбине пар расширяется адиабатически;

2-2/ - пар конденсируется и отдает тепло q2 охлаждающей воде;

2/-3 – конденсат адиабатически сжимается.

Термический к.п.д. цикла Ренкина определяется по уравнению:

ht = (q1 – q2)/q1 . (7.1)

Так как: q1 = h1 – h3 ; q2 = h2 – h2/ , то

ht = [(h1 – h2) - (h3 – h2/)] /( h1 – h3) = l / q1. (7.2)

Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:

l = lт – lн ,

где: lт = h1 – h2 , lн = h3 – h2/ .

В основном lт >> lн , тогда считая h3 = h2/ , можно записать:

ht = (h1 – h2)/( h1 – h3) . (7.3)

Теоретическуя мощность турбины рассчитывают по формуле:

Nт = (h1 – h2)·D/3600 , [Вт] (7.4)

где: D = 3600·m – часовой расход, [кг/ч]

m – секундный расход, [кг/с]

29 Холодильные установки- устройства для получения и непрерывного поддерживания температуры ниже температуры окружающей среды.

Вопрос №29.Схема и цикл воздушной холодильной установки.

1-2: адиабатное сжатие возд. Компрессором с повышением температуры.

2-3: охлаждение воздуха в теплообменнике до t°окр среды

3-4: адтабатич. Расширение в детандре с резким падением t. T4=T3(p4/p3)^(k-1)/k

4-1: холодный воздух забирает тепло из охлож. Помещения

Эффективность: q2/lц = q2/ q1-q2 nt=l/ q1= q1-q2 /q1

Q=G*q2

Расход воздуха

недостатки: -низкий холодильный коэффициент 2-2,2

-низкая холодопроводимость и большой расход возд.

Используются для получения грубого холода и сжитых газов.

Вопрос №30. Схема и цикл паро-компрессорной холодильной установки.

q1 P

1-2: пар небольшой степенью влажности сжимается компрессором по линейной адиабате.

2-3:конденсац. Пара за счет охлаждения воды.

3-4:драссилирование влажного пара в редукционном вентиле с понижением температуры.

4-1:парообразование в испарителе с поглощением тепла из охл. помещения.

Хладагентом (рабочее тело) является легко кипящей(низко кипящей), у которых при атмосферном давлении температура кипения отрицат.

Ратм SO2 t°кип = - 72 °C

NH = - 34 °C 5 – 5.5

Фрионы = - 30° до - 120°C

31. Устройство компрессора

Сжатый воздух находит широкое применение в различных отраслях техники. Машины, применяемые для сжатия и перемещения газа, называются компрессорами.

По способу сжатия газа компрессоры разделяются на две группы.

К первой группе относятся компрессоры статического действия или объемные компрессоры (поршневые, шестеренчатые, ротационные). Повышение давления в них достигается путем уменьшения объема газа, поступившего в рабочее пространство компрессора.

Ко второй группе относятся компрессоры динамического действия. К ним относятся центробежные, осевые и диагональные компрессоры. В этой группе компрессоров сжатие осуществляется в два этапа. В начале газ приобретает некоторый запас кинетической энергии, затем происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную (энергию давления).

Несмотря на конструктивные различия указанных типов компрессоров, процессы сжатия газа в них с точки зрения термодинамики одинаковы.

Дальнейший анализ проводится применительно к поршневому компрессору.

На рис.3.1 в координатах P-V (V - объем газа в цилиндре при различных положениях поршня) представлена индикаторная диаграмма процесса сжатия газа в одноступенчатом компрессоре и под ней схема компрессора.

Принцип работы компрессора заключается в следующем. При ходе поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) в цилиндр засасывается газ (процесс 0 -1), который при обратном ходе поршня сначала сжимается (процесс 1-2), а потом выталкивается в газосборник (процесс 2-3). В крышке цилиндра компрессора располагаются впускной и выпускной клапаны (8 и 9), работающие под действием перепада давлений.

При засасывании газа (воздуха) впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. В процессе сжатия воздуха, продолжающегося на части обратного хода поршня, оба клапана закрыты. По окончании процесса сжатия выпускной клапан открывается (точка 2), а поршень на оставшейся части пути до верхней мертвой точки выталкивает сжатый газ в газосборник.

Рис. 3.1.

Так как процессы 4-1 и 2-3 не являются термодинамическими, то есть идут с неизменными термодинамическими параметрами (меняется лишь масса газа в цилиндре), то совокупность процессов, изображенных на рис.3.1, строго говоря, не является замкнутым термодинамическим циклом. Однако для удобства анализа эту диаграмму рассматривают как цикл идеального компрессора. Линия сжатия, в зависимости от количества отводимого от газа тепла (интенсивности охлаждения цилиндра охлаждающей жидкостью или воздухом), может быть изотермой , адиабатой , или политропой 1-2. В диаграмме T-S эти процессы изображены на рис.3.2.

3.2. Работа компрессора.

Работа, затрачиваемая на получение 1кг сжатого газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается площадью 4-1-2-3 (рис.3.1), которая является алгебраической суммой площадей:

F01230 = F23562 + F12671 – F01750 ,

где F23562 = l1 = P2V2 - работа нагнетания;

F12671 = l2 = - работа сжатия;

F01750 = l3 = P1V1 - работа наполнения (отрицательная, потому что при всасывании газ сам совершает работу над поршнем).

В соответствии с таким обозначением суммарная работа будет равна:

В этом выражении зависит от характера процесса сжатия.

Рис. 3.2.

При изотермическом сжатии:

. (3.1)

В случае политропного сжатия:

, (3.2)

где n – показатель политропы.

При адиабатном сжатии:

, (3.3)

k - показатель адиабаты.

Вычисленная таким образом величина работы используется при определении энергетических затрат, необходимых для получения определенного количества газа при заданных параметрах начала и конца сжатия.

Как следует из рис.3.1 и сопоставления формул (3.1), (3.2) и (3.3), наименьшая суммарная работа затрачивается при изотермическом сжатии газа. Кроме того, вследствие постоянства температуры в этом процессе создаются благоприятные условия для смазки.

В действительных компрессорах получить изотермическое сжатие практически невозможно, однако, стремятся максимально приблизиться к нему т.е. вести процесс сжатия с показателем политропы (отвод тепла). Поэтому при определении эффективности охлаждаемых поршневых компрессоров величина действительной работы сравнивается с изотермической. Отношение их дает изотермический КПД ().

3.3. Действительная индикаторная диаграмма компрессора.

В рассмотренных выше случаях предполагалось, что весь объем цилиндра является рабочим. В действительности же между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем левом положении (ВМТ) всегда остается так называемое «вредное пространство», в котором остается невытолкнутый в систему сжатый газ. При обратном ходе поршня оставшийся газ расширяется и занимает к моменту открытия впускного клапана часть объема рабочей полости цилиндра. На эту величину уменьшается объем всасываемого газа.

Таким образом, наличие вредного пространства вводит новый процесс в теоретическую индикаторную диаграмму – процесс расширения 3-4