- •Техническая тЕрмодинамика
- •Содержание
- •Введение
- •Основные понятия и определения
- •Предмет технической термодинамики и ее методы
- •Рабочее тело. Основные параметры состояния.
- •Термодинамическая система и окружающая среда.
- •Уравнение состояния
- •Термодинамический процесс. VP-диаграмма и термодинамические процессы в ней /равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые, круговой процесс/.
- •Теплота и работа как формы передачи энергии.
- •Идеальные и реальные газы
- •2.1 Определения и основные законы идеальных газов.
- •Уравнение состояния идеальных газов. Газовая постоянная.
- •Газовая постоянная одного килограмма газа:
- •Смеси идеальных газов
- •Основные определения. Способы задания газовых смесей
- •Вычисление параметров состояния смеси
- •Реальные газы
- •Первый закон термодинамики
- •Сущность первого закона термодинамики
- •Основные формулировки 1 закона
- •3.2 Внутренняя энергия. Аналитическое выражение 1 закона термодинамики.
- •3.3 Энтальпия. Энтропия.
- •4 Теплоемкость газов
- •4.1 Основные определения. Массовая, объемная и молярная теплоемкости
- •4.2 Теплоемкость при постоянном давлении и при постоянном объеме. Уравнение Майера.
- •Теплоемкость смеси газов
- •Основные термодинамические процессы идеальных газов.
- •Общие принципы исследования термодинамических процессов.
- •Вычисление энтропии идеального газа.
- •Изохорный процесс
- •Изобарный процесс
- •Изотермический процесс
- •Адиабатный процесс
- •Политропный процесс
- •6. Второй закон термодинамики
- •Термодинамические циклы тепловых машин. Прямые и обратные циклы, обратимые и необратимые
- •Термический кпд и холодильный коэффициент циклов
- •Прямой и обратный циклы Карно и их свойства
- •Прямой цикл Карно
- •Обратный цикл Карно
- •Аналитическое выражение iIзакона термодинамики.
- •Определение термического кпд цикла через среднеинтегральные температуры.
- •Методы сравнения термических кпд обратимых циклов
- •Обобщенный цикл Карно
- •Водяной пар
- •Фазовые переходы веществ
- •Диаграммы воды и водяного пара в vPиvTкоордината. Пограничные кривые. Критические точки
- •7.3 Определение параметров состояния воды и водяного пара
- •Основные параметры сухого насыщенного пара
- •Основные параметры перегретого пара
- •Основные параметры влажного насыщенного пара
- •Диаграмма sTдля водяного пара
- •7.8 Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара
- •7.8.1.1Изохорный процесс
- •Изобарный процесс
- •Изотермический процесс
- •7.8.4Адиабатный процесс
- •8.Влажный воздух
- •Основные понятия и определения
- •Расчет основных параметров влажного воздуха
- •Течение газов
- •Уравнения движения
- •Уравнение первого закона термодинамики для потока газа
- •Располагаемая работа газа в потоке
- •Уравнение неразрывности
- •Скорость истечения
- •Секундный расход идеального газа через сопло
- •Истечение газа из сосуда неограниченной емкости
- •Основные условия течения идеального газа по каналам переменного сечения
- •Сопло Лаваля
- •При дозвуковом и сверхзвуковом течении
- •Истечение газов и паров с учетом трения
- •Дросселирование газов и паров
- •Дросселирование водяного пара
- •Компрессоры
- •Классификация и принципы действия компрессоров
- •Одноступенчатый поршневой компрессор
- •Ротационный (пластинчатый) компрессор
- •10.1.3 Центробежный компрессор
- •Компрессора
- •10.2 Теоретическая индикаторная диаграмма поршневого компрессора
- •Компрессора
- •10.3 Влияние процесса сжатия на величину работы одноступенчатого компрессора
- •В компрессоре в зависимости от способа сжатия:
- •Действительная индикаторная диаграмма компрессора
- •Многоступенчатое сжатие
- •Охлаждением рабочего тела
- •Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (двс)
- •1Цикл двс с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)
- •Теплоты при постоянном объеме:
- •С подводом теплоты при и
- •11.2 Цикл двс с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)
- •С подводом теплоты при постоянном давлении:
- •Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
- •Сравнение циклов двс
- •Сравнение циклов поршневых двс с подводом теплоты при и
- •При одинаковой степени сжатия
- •С различной степенью сжатия .
- •При и регенерацией теплоты:
- •Циклы паросиловых установок
- •Обратные термодинамические циклы
- •14.1 Цикл воздушной холодильной установки
- •14.2 Цикл парокомпрессорной холодильной установки
- •Список использованной и рекомендуемой литературы
Сравнение циклов двс
Сравнение циклов поршневых двс с подводом теплоты при и
На рис. 11.8 а изображены рассматриваемые циклы при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах отведенной теплотыпл.7146. Из рисунка видно, что количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 (пл.7236), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-5-4 (= пл. 7256). Поэтому, согласно формуле (11.3), цикл 1-2-3-4 с подводом теплоты приимеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при, т.е..
Рис. 11.8. Сравнение циклов с подводом теплоты при и
При одинаковой степени сжатия
На рис. 11.8 б представлены оба цикла при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты(пл.7238 = пл.7259). Из рисунка видно, что количество отведенной теплоты в цикле 1-2-5-6 (= пл.7169) больше, чем количество отведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 (= пл.7148). Следовательно, цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты приимеет больший КПД, т.е..
На рис. 11.9 а приведены оба цикла при одинаковых максимальных давлениях и температурах и различных степенях сжатия. При(пл.а14b) количество подведенной теплоты в цикле 1-5-3-4 (= пл. а53b) больше, чем количество подведенной теплоты в цикле 1-2-3-4 (пл. а23b). Поэтому цикл 1-5-3-4 с подводом теплоты при постоянном давлении имеет больший термический КПД, чем цикл 1-2-5-4 с подводом теплоты при постоянном объеме, то есть .
Рис. 11.9. Сравнение циклов с подводом теплоты при и
С различной степенью сжатия .
На рис. 11.9 б представлены оба цикла при одинаковых количествах подведенной теплоты (= пл. а78с =пл . а23b) и при различных степенях сжатия . Как видно, количество теплоты, отведенной в цикле 1-2-3-4 (пл. . а14b), больше, чем количество теплоты, отведенной в цикле 1-7-8-5 (пл. а15с). Следовательно, цикл 1-7-8-5 с подводом теплоты при имеет больший термический КПД, то есть.
Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты при ,и со смешанным подводом теплоты
На рис. 11.10 видно, что при одинаковых степенях сжатия и одинаковых количествах подведенной теплоты(пл.а23b = пл. а265с = пл. а28d) максимальный термический КПД имеет цикл 1-2-3-4- с подводом теплоты при , а минимальный – цикл 1-2-8-9 с подводом теплоты при. Термический КПД цикла 1-2-5-6-7 со смешанным подводом теплоты имеет промежуточное значение.
а |
б |
Рис. 11.10. Сравнение циклов ДВС с подводом теплоты
при ,и со смешанным подводом теплоты
Из рис. 11.10 б видно, что при одинаковых конечных давлениях и температурах () во всех трех циклах и одинаковом количестве отведенной теплоты= пл. а14b =,.
Действительно, пл. а73b а56b а23b, то есть . Поэтому. При этих условиях наибольшая степень сжатия будет у двигателей с подводом теплоты при.
Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
Циклы ГТУ с изобарным подводом теплоты
Рис. 12.1. Принципиальная схема газотурбинной установки
с подводом теплоты при постоянном давлении
Принципиальная схема ГТУ показана на рис. 12.1. Компрессор 1, газовая турбина 4, топливный насос 2 и электрогенератор 5 имеют общий вал. Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до требуемого давления и направляет его в камеру сгорания 3. Топливо в камеру сгорания подается насосом 2. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине, производя работу.
В газовой турбине, как и в ДВС, рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением колеса под действием струи газа. Кроме того, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы (пл. 1441 на рис. 12.2,а)
Рис. 12.2. Термодинамический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении:
а – в vP- диаграмме; б – в sT-диаграмме.
Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты к рабочему телу при постоянном давлении; 3-4 адиабатное расширение рабочего тела в турбине до давления окружающей среды; 4-1 – изобарный процесс отдачи рабочим телом теплоты в окружающую среду.
Параметры цикла:
- степень повышения давления при адиабатном сжатии;
- степень предварительного расширения.
Термический КПД цикла определяется по формуле:
. (12.1)
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в процессе изобарном процессе 2-3:
. (12.2)
Количество теплоты, отводимое в изобарном процессе 4-1:
. (12.3)
Количество подведенной теплоты и отведеннойможно определить через параметры цикла. Для этого температурыивыражаются через температуруи параметры циклаи.
Таблица 12.1 - Определение температуры в характерных точках цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты
Процесс |
Формулы |
1-2 - адиабатный | |
2-3 – изобарный |
Т.к.и, получаем: |
3-4- адиабатный |
После преобразований:
; .
, (12.4)
где - степень адиабатного сжатия в компрессоре. Из выражения (11.6) видно, чтозависит от работы компрессора. Чем выше показатель адиабатыи чем больше значение, тем выше.
Цикл ГТУ с подводом теплоты при P=const и регенерацией
Регенерация теплоты состоит в использовании теплоты отработавших газов турбины для подогревания воздуха, поступающего в камеру сгорания. Из рис. 12.1 и 12.3 видно, что основное отличие ГТУ с регенерацией теплоты от установки без регенерации состоит в том, что сжатый воздух из компрессора 1 поступает в воздушный регенератор-теплообменник 2, в котором он подогревается за счет теплоты отработавших в турбине продуктов сгорания. Из регенератора-теплообменника воздух поступает в камеру сгорания 3. Таким образом, в газотурбинных установках с регенерацией часть теплоты, ранее уносившаяся отработанными продуктами сгорания в атмосферу, полезно используется.
Рис. 12.3. Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении и регенерацией теплоты:
компрессор; 2 – воздушный регенератор-теплообменник ; 3 – камера сгорания; 4 – турбина.
Термодинамический цикл ГТУ со сгоранием топлива при и регенерацией теплоты (рис. 12.4) состоит из следующих процессов: 1-2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 5-3 – изобарный процесс подвода теплоты в камере сгорания топлива; 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине; 4-6 – изобарное охлаждение рабочего тела в регенераторе; 6-1 – изобарная отдача рабочим телом теплоты окружающему воздуху.
На sT-диаграмме (рис.12.4,б) теплота, отдаваемая продуктами сгорания на участке изобары 4-6 (пл.с64dc), подводится в регенераторе к сжатому воздуху на участке изобары 2-5. Регенерация будет полной, если охлаждение продуктов сгорания в регенераторе-теплообменнике происходит до температуры воздуха, то есть от , до. При этом количество теплоты, воспринятое воздухом от регенератора, равно количеству теплоты, отдаваемому в нем продуктами сгорания:
.
При имеем:.
Термический КПД при полной регенерации определяется выражением:
.
Количество подведенной теплоты в цикле с полной регенерацией:
. (12.5)
Количество отводимой теплоты в цикле с полной регенерацией:
. (12.6)
Тогда
. (12.7)
Согласно уравнениям, приведенным в таблице 12.1, имеем:
.
а |
б |
Рис.12.4. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты