Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (исправлено)

грев рабочего тела, которое расширяется в сопле, приобретая зна-
чительную кинетическую энергию, и только затем эта кинетическая
энергия преобразуется в канале МГД-генератора в электроэнергию,
тогда как в термоэлектрических установках и в термоэлектронных
преобразователях промежуточные стадии нагрева и ускорения ра-
бочего тела отсутствуют. Поэтому МГД-генераторы правильнее
называть устройствами безмашинного преобразования тепла в элек-
троэнергию, т.е. в отличие от обычных турбогенераторов в МГД-
генераторах отсутствуют движущиеся части.
	На рис. 16.3.1 представлена схема МГД-генератора, принцип дей-
		ствия которого состоит в следую-
	1	2
		щем. Газ, служащий рабочим те-
		лом, совместно с небольшим коли-
		чеством легко ионизирующейся до-
		бавки (щелочными металлами, на-
		пример, калием или цезием), нагре-
B		вается за счет подвода тепла от
	3	горячего источника до столь высо-
		ких температур, что частично иони-
		Ðèñ. 16.3.1
		зируется, т.е. переходит в плазмен-
ное состояние. В этом состоянии он представляет собой смесь сво-
бодных электронов с электрически нейтральными атомами и иона-
ми, т.е. является электропроводящей средой. Затем этот газ расши-
ряется в сопле 1, где приобретает высокую скорость (порядка 1000
м/с) и поступает в канал 2 МГД-генератора. Канал МГД-генератора
находится в магнитном поле, силовые линии которого перпендикуляр-
ны оси канала. Поскольку частично ионизированный газ является
электропроводящей средой, то при движении этого газа в магнитном
поле также возникает эдс и электрический ток. Таким образом, в
рабочем объеме МГД-генератора генерируется электроэнергия,
отводимая с электродов 3, подключаемых к потребителю электро-
энергии.
	Удельная мощность, вырабатываемая МГД-генератором, пропор-
циональна величине Υw2, ãäå Υ – удельная электропроводность ра-
бочего тела, w – его скорость в канале.
	Генератор, изображенный на рис. 16.3.1, называется линейным
кондукционным МГД-генератором.
	Теплосиловые электрические установки с МГД-генератором мо-
гут выполняться по двум схемам – по схеме открытого цикла или

251

по схеме замкнутого цик-		Топливо
ла. Схема МГД-установ-
			2	3
ки, работающей по откры-
тому циклу, представлена
íà ðèñ. 16.3.2.
Атмосферный воздух		4
сжимается компрессором			#
1 до давления P и пода-				В атмосферу
	1
ется в камеру сгорания 2,
куда поступает топливо.
Сгорание в камере проис-
ходит при постоянном		1	8
			7
давлении P	= const. Èç			6
	1
камеры сгорания горячие		Воздух
продукты сгорания посту-		из атмосферы
пают в МГД-генератор 3.			Ðèñ. 16.3.2
Перед МГД-генератором
в поток рабочего тела вводится упоминавшаяся выше ионизирован-
ная добавка. В МГД-генераторе рабочее тело – ионизированные
продукты сгорания – адиабатно расширяется от состояния с давле-
нием P и температурой T на входе до состояния P , T на выходе,
1	1		2	2
совершая при этом техническую работу (производя электроэнергию).
Продукты сгорания, выходящие из МГД-генератора и имеющие весь-
ма высокую температуру, превышающую 2000°С, поступают в ре-
генеративный теплообменник – воздухоподогреватель 4, где они
охлаждаются, подогревая воздух, подаваемый в камеру сгорания.
Продукты сгорания, выходящие из воздухоподогревателя, имеют еще
высокую температуру, поэтому они поступают в парогенератор 5, где
отдают тепло воде, циркулирующей в пароводяном контуре установ-
ки. Пар, полученный в этом парогенераторе, поступает в паровую
турбину 6, где, расширяясь, производит работу. Затем пар конденси-
руется в конденсаторе 7, и далее насосом 8 вода снова направляет-
ся в парогенератор 5. Продукты сгорания охлаждаются в парогене-
раторе 5 примерно до 150°С, после чего выбрасываются в атмосферу.
Установка, выполненная по рассмотренной схеме, представляет
собой по существу разновидность бинарной теплосиловой установ-
ки, с той лишь разницей, что в качестве верхнего цикла использован
не ртутный цикл Ренкина, а МГД-цикл с частичным использовани-
ем тепла на регенерацию.

252

	4		Цикл МГД-установки, ра-
T	q
			ботающей по открытой схе-
	1
			ме, изображен на TS-диаграм-
		5	ìå (ðèñ. 16.3.3).
	3
			Как и в случае бинарного
2	6	I
			цикла, здесь циклы 1-2-3-4-5-
	7
			6-7-1 и I-II-III-IV-V-I постро-
	IV		ены для различных количеств
1		V
			рабочего тела – пароводяной
	III	II	öèêë äëÿ 1 êã âîäû, à ÌÃÄ-
		S	цикл для m кг рабочего тела.
			Величина кратности расхода
	Ðèñ. 16.3.3		рабочего тела МГД-контура
			по отношению к расходу
воды определяется следующем образом.
На нагрев рабочего тела нижней ступени цикла расходуется теп-
ло, отводимое на участке 6-7 изобары P = const верхней ступени
			2
цикла, следовательно,

m h6	h7	hI		hIII ,		(16.3.1)
откуда
m	hI	hIII
	h6 h7					(16.3.2)
èëè
m	hI hIII			1	,
	h6 h7					(16.3.3)
				Κt,Ï

ãäå Κ – к.п.д. парогенератора 5 (рис. 16.3.2), учитывающий неиз-

t,Ï

бежные потери.

Термический к.п.д. этого цикла определяется соотношением, ана-

логичным для Κ бинарного цикла:

t

ÌÃÄÓ	m lÌÃÄÓ lÏ
Κ		,	(16.3.4)
t	mq1

ãäå lÌÃÄÓ è lÏ – работа, производимая в МГД-цикле и паротурбинном

цикле соответственно; q – тепло, подводимое к 1 кг рабочего тела

1

МГД цикла.

253

Применительно к открытому циклу, уравнение (16.3.4) записывается следующим образом:

ÌÃÄÓ	m h4 h5 h2 h1 hI	hII
Κ				.
	m h4 h3
t

Для МГД-установок, которые должны работать по открытому

циклу, принимаются такие параметры: P = 3 ψ 5 бар (как в газотур-

1

бинных установках); P = 1 бар; в компрессоре сжимается воздух,

2

отбираемый из окружающей среды T | 20°С; температура на выходе из компрессора однозначно определяется по значениям P, T. Тем-

пература подогрева воздуха T | 1500 ψ 2000°С; температура в ка-

3

мере сгорания МГД-установки T | 2500 ψ 2600°Ñ; T | 2100 ψ 2200°Ñ

4	5
– эта величина однозначно определяется значениями P , P и T ;
	1	2	4

T | 1700 ψ 1800°С – эта температура определяется степенью реге-

6

неративного подогрева воздуха; температура газов на выходе из па-

рогенератора T | 150°Ñ.

7

Как показывает анализ, при этих параметрах верхней ступени цикла параметры нижней (пароводяной) ступени цикла целесообраз-

но выбрать следующими: P = 245 бар, T = 570°С, P = 4 кПа. Эти

1 1 2

параметры являются стандартными для крупных паросиловых установок.

Термический к.п.д. цикла МГД-установки при этих параметрах

составляет примерно Κ = 0,7.

t

254

ЛИТЕРАТУРА

1.Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Èçä-âî ÌÝÈ, 1999.

2.Бородянский В.М. Эксергический метод термодинамического анализа. – М.: Энергия, 1973.

3.Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. – М.: Машиностроение, 1972.

4.Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Наука, 1979.

5.Ландау Л.Ф., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Èçä-å 2-å.

– М.: Физмаггиз, 1964.

6.Долгов В.В. Энергоблоки на основе ВВЭР с закритическим параметрами теплоносителя//Атомная энергия. –2002. – Ò. 92. – Âûï. 4.

7.Новиков И.И. Термодинамика. – М.: Машиностроение, 1984.

255

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................	3
1. Основные понятия и определения.
Термодинамическая система, окружающая среда, рабочее тело ..........	4
2. Термические (основные) и калорические параметры состояния
системы и их единицы измерения .............................................................	5
3. Общие свойства параметров состояния ...............................................	10
4. Процесс. Цикл ........................................................................................	11
Глава 1. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ...........................................	13
1.1. Равновесные и неравновесные процессы .........................................	13
1.2. Внутренняя энергия и энтальпия рабочего тела как функции
состояния ...................................................................................................	14
1.3. Работа изменения объема рабочего тела ..........................................	16
1.4. Первый закон термодинамики ...........................................................	17
1.5. Уравнение первого закона термодинамики для потока ....................	19
Глава 2. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ...........................................	24
2.1. Выражение для теплоты в виде произведения
двух множителей ........................................................................................	24
2.2. Математическое выражение второго закона термодинамики
для обратимых процессов .........................................................................	25
2.3. Вычисление абсолютной температуры и энтропии .........................	27
2.4. Тепловая TS-диаграмма ......................................................................	28
2.5. Понятие об энтропии ..........................................................................	30
2.6. Схема работы теплового двигателя ....................................................	30
2.7. Цикл Карно ..........................................................................................	32
2.8. Особые свойства теплоты ...................................................................	38
2.9. Общая формулировка второго закона термодинамики....................	39
2.10. Математическое выражение второго закона термодинамики
для необратимых процессов .....................................................................	40
2.11. Пределы применимости второго закона термодинамики ..............	41
2.12. Энтропия и термодинамическая вероятность .................................	42
Глава 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕУРАВНЕНИЯТЕРМОДИНАМИКИ .......	47
3.1. Основные математические методы ...................................................	47
3.2. Уравнения Максвелла .........................................................................	49
3.3. Частные производные внутренней энергии и энтальпии .................	50
3.4. Теплоемкость .......................................................................................	52
Глава 4. ОБРАТИМОСТЬ И ПРОИЗВОДСТВО РАБОТЫ ...............................	56

256

Глава5.ПРИМЕНЕНИЕОСНОВНЫХЗАКОНОВ
ТЕРМОДИНАМИКИ К ИДЕАЛЬНЫМ ГАЗАМ ...........................................	64
5.1. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа .....................	64
5.2. Газовые смеси. Закон Дальтона .........................................................	66
5.3. Методы задания газовой смеси ..........................................................	67
5.4. Теплоемкость .......................................................................................	71
5.5. Зависимость теплоемкости от температуры.
Истинная и средняя теплоемкости ............................................................	73
5.6. Теплоемкость в процессе при постоянных давлении и объеме .......	74
5.7. Расчет теплоемкости газовой смеси
идеальных газов .........................................................................................	77
Глава 6. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗА .......	79
6.1. Изохорный процесс.............................................................................	79
6.2. Изобарный процесс ............................................................................	81
6.3. Изотермический процесс ...................................................................	83
6.4. Адиабатный процесс ..........................................................................	85
6.5. Политропный процесс ........................................................................	87
6.6. Дросселирование. Эффект Джоуля–Томсона...................................	90
Глава 7. РЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
РЕАЛЬНОГО ГАЗА ........................................................................................	97
7.1. Опыты Эндрюса. Критическая точка.
Уравнение Ван-дер-Ваальса ......................................................................	97
7.2. Уравнение состояния реального газа ...............................................	103
Глава8. ПАРЫ.ИСПАРЕНИЕ,КИПЕНИЕ ....................................................	107
8.1. Парообразование в Pv-диаграмме ...................................................	108
8.2. Определение количества тепла,
затрачиваемого на образование пара ....................................................	110
8.3. TS- и hS-диаграммы водяного пара .................................................	113
Глава9. РАВHОВЕСИЕТЕРМОДИHАМИЧЕСКИХСИСТЕМ
ИФАЗОВЫЕПЕРЕХОДЫ .............................................................................	117
9.1. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы ..........	117
9.2. Термодинамическое равновесие .....................................................	117
9.3. Условия устойчивости и равновесия в изолированной
однородной системе ................................................................................	121
9.4. Условия фазового равновесия ..........................................................	123
9.5. Фазовые переходы .............................................................................	125
9.6. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса ..................................................	127
9.7. Устойчивость фаз ..............................................................................	131

257

Глава10.ТЕРМОДИHАМИЧЕСКИЕСВОЙСТВАВЕЩЕСТВ .....................	133
10.1. Термические и калорические свойства твердых тел .....................	133
10.2. Термические и калорические свойства жидкостей .......................	139
Глава 11. СПОСОБЫПОЛУЧЕHИЯHИЗКИХТЕМПЕРАТУР .....................	145
11.1. История получения низких температур .........................................	145
11.2. Сжижение газа .................................................................................	146
11.3. Адиабатное расширение реального газа в вакуум
(процесс Джоуля) ....................................................................................	148
Глава 12. ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕHИЯ ГАЗОВ, ПАРОВ И ЖИДКОСТЕЙ ..........	152
12.1. Основные уравнения процессов течения ......................................	152
12.2. Скорость звука .................................................................................	155
12.3. Форма насадки.................................................................................	158
12.4. Истечение из суживающихся сопел ...............................................	159
12.5. Адиабатное течение с трением ......................................................	164
12.6. Общие закономерности течения.
Закон обращения воздействий ................................................................	166
12.7. Температура адиабатного торможения .........................................	171
Глава 13. ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК ..................	173
13.1. Процессы сжатия в компрессоре ...................................................	173
13.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания ..................	183
13.2.1.ЦиклОтто ...........................................................................	184
13.2.2. Цикл Дизеля .......................................................................	187
13.2.3. Цикл со смешанным сгоранием .......................................	190
13.3. Циклы газотурбинных установок ...................................................	194
13.4. Циклы реактивных двигателей ........................................................	204
Глава14. ТЕПЛОСИЛОВЫЕПАРОВЫЕЦИКЛЫ ........................................	213
14.1. Цикл Карно.......................................................................................	213
14.2. Цикл Ренкина ...................................................................................	215
14.3. Цикл с промежуточным перегревом пара ....................................	219
14.4. Регенеративный цикл ......................................................................	220
14.5. Теплофикационные циклы .............................................................	222
14.6. Бинарные циклы ..............................................................................	224
14.7. Циклы парогазовых установок .......................................................	226
14.8. Циклы ядерных энергетических установок ....................................	228
14.8.1. Циклы промышленных ядерных энергетических
установок ......................................................................................	228
14.8.2. Пути увеличения к.п.д. ЯЭУ.
Установки на сверхкритических параметрах ..............................	234

258

Глава 15. ХОЛОДИЛЬНЫЕЦИКЛЫ..............................................................	238
15.1. Обратные тепловые циклы и процессы.
Холодильные установки ..........................................................................	238
15.2. Цикл воздушной холодильной установки ......................................	240
15.3. Цикл парокомпрессионной холодильной установки ....................	241
Глава 16. ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ....................................................................	244
16.1. Цикл термоэлектрической установки.............................................	244
16.2. Цикл термоэлектронного преобразователя ...................................	248
16.3. Циклы МГД-установок ....................................................................	250
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................	255

259

Редактор З.И. Сныкова Компьютерная верстка С.К. Девятилова

ËÐ ¹ 020713 îò 27.04.1998

Подписано к печати		Формат бум. 60х84/16
Печать ризограф	Бумага KYMLUX	Ïå÷. ë. 16,25
Заказ ¹	Тираж 100 экз.	Цена договорная

Отдел множительной техники ИАТЭ, 249035 г. Обнинск, Студгородок, 1

260