Тема 2.3 Термодинамічні властивості газів і пари.

Водяна пара як робоче тіло у термодинамічних процесах. Діаграма PV для водяної пари. Суха насичена пара. Волога пара. Перегріта пара. Діаграма hs для водяної пари.

Методичні вказівки

При вивчені даної теми передусім необхідно вияснити області застосування водяної пари у техніці і способи його отримання. Необхідно детально ознайомитися с термодинамічними таблицями води и водяної пари, hs - діаграмою водяної пари, и навчитися користуватися таблицями і діаграмами при рішенні задач 1,21 - 1.30 [I[ с.320, додаток 5; с.326, додаток 7; додаток 8 - hs - діаграма водяної пари.

При розрахунках, які пов’язані з термодинамічними процесами, які відбуваються за допомогою пари, загалом ставляться ті ж самі завдання, що і при розрахунках, які пов’язані з процесами, які відбуваються за допомогою газів, тобто визначаються початкові та кінцеві параметри пари, зміна її внутрішньої енергії і ентальпії. Кількість підведеної або відведеної теплоти, роботу зміни об’єму, зміни тиску.

Таблиця 1 - Основні формули для термодинамічних процесів ідеальних газів

Назва процесу	Умови протікання процесу	Співвідношення між параметрами	Питома робота		Питома теплота, Дж/кг
			зміни об’єму, Дж/кг	зміни тиску, Дж/кг
Ізохорний
Ізобарний
Ізотермічний
Адіабатний
Політропний	Ті ж самі формули, що і для адіабатного процесу, але з заміною показника адіабати К на показник політропи n

Задача

Водяна пара масою 20 т., з початковими параметрами Р₁=0,8 МПа і X₁=0,84 ізотермічно розширюється до питомого об’єму V₂=0,23 м³/кг. Найти інші початкові і кінцеві параметри пари, Підведену теплоту і роботу, яку здійснює пара. Задачу вирішуємо за допомогою hs - діаграми. (Додаток I)

Рішення:

I Знаходимо на hs - діаграмі водяної пари точку I перетину ізобари Р₁ = 0,8 МПа и кривої постійного паровмісту X₁ = 0,84. Для цієї точки, яка характеризує початковий стан пари, знаходимо потрібні початкові параметри: V₁ =0,200 м3/кг;

s₁ = 5,98 кДж/ (кг·К); h₁ = 2440 кДя/кг.

Початкову температуру пари знаходимо на перетині ізобари Р₁= 0,8 МПа з граничною кривою пари. Через цю точку проходить ізотерма 170°С, тобто, t₁=170°С.

2 Обчислюємо початкову питому внутрішню енергію

U₁ =h₁-P₁·V₁=(2,44·10⁶-0,8 10⁶·0.200)Дж/кг = 2,28·10⁶ Дж/кг = 2,28 МДж/кг

3 Знаходимо, на hs - діаграмі точку 2, яка відповідає кінцевому стану пари. З цією метою в області насиченої пари по ізобарі Р₁=0,8 МПа ( в цій частині ізотерма співпадає з ізобарою) піднімаємося до перетину з ізохорою V₂=0,23 м³/кг . Через те що точка перетину 2 лежить в області вологої пари, то в кінцевому стані пара є вологою насиченою. (Як би перетину з заданою ізохорою в області вологої пари не відбулося то необхідно було піднятися по ізобарі Р₁ = 0,8 МПа до граничної лінії і від неї далі підніматися в область перегрітої пари по ізотермі t₁ = I70°C, яка вже не буде ізобарою, до перетину з заданою ізохорою).

4 Для точки 2 знаходимо необхідні параметри пари:

Х₂ = 0,95; Р₂ = 0,8 МПа; h₂ ~ 2670 кДж/кг; s₂=6,43 кДж/(кг·К; V₂= 0,23 м³/кг

5 Кінцева питома внутрішня енергія U₂ =h₂-P₂·V₂=(2,67·10⁶-0,8 10⁶·0.230)Дж/кг = 2,49·10⁶ Дж/кг = 2,49 МДж/кг

6 Надана теплота

Q_1,2=m·T(s₂-s₁)==20000(170+273)·(6,43-5,92)·10³ Дж=4,52ГДж

В зв’язку з тим, що процес ізотермічного переходу теплоти протікає в області вологої насиченої пари, можна визначати кількість тепла, що підводиться як для ізобарного процесу (оскільки в області насиченої пари ізотерма співпадає з ізобарою): Q_1,2=m·(h₂-h₁)==20000(2,67-2,44)·10³ Дж=4,6 ГДж

7 Робота зміни об’єму

L_1,2=ml_1,2=Q_1,2-m(U₂-U₁)=[4,52·10⁹-20000(2,49-2,2,28)10⁶] Дж=0,32 ГДж

8 Робота зміни тиску W_1,2=0, через те що в даному процесі тиск величина постійна.

З метою набуття навичок в роботі з таблицями и діаграмами водяної пари, проводиться практична робота по дослідженню процесів водяної пари.

[I] с.156-186, 320-326;[2] с.124-134; [З] с.44-50;[5] с.110-125; [6] c.69-72.

Питання для самоконтролю:

I Якими явищами супроводжується перетворення води в перегріту пару?

2 Від чого залежить температура насичення пари?

3 Які особливості має робоче тіло в критичній точці?

4 Чим пояснюється широке застосування графічного і графоаналітичного методів вирішення задач на термодинамічні процеси парів?

5 Які величини, які зустрічаються при вирішенні задач на процеси парів, можна знайти безпосередньо на hs - діаграмі, а які слід розраховувати за формулами?

6 Як визначити стан пари, якщо відомі його тиск і температура?

7 Як визначити стан пари по таблицям, якщо відомі його температура і питомий об’єм?