Добавил:

Vik962 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Саяно-Шушенский Филиал Сибирского Федерального Университета

Предмет:

Общая энергетика

Файл:

Лекции общяя энергетика.docx

Скачиваний:

Добавлен:

15.10.2019

Размер:

4.53 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 124 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

10. Внутренняя энергия и энтальпия

Энергетические характеристики, параметры:

Внутренняя энергия термодинамической системы – есть полная энергия системы за исключением кинетической энергии системы в целом и потенциальной энергии положения всей системы

Составляющие внутренней энергии:

совокупность кинетической энергии микрочастиц.
потенциальная энергия взаимодействия микрочастиц.
энергия электронных оболочек атомов.
внутриядерная энергия.

Величина внутренней энергии определяется состоянием внутренней энергии – поэтому внутреннюю энергию называют функцией состояния.

Изменение внутренней энергии в термодинамическом процессе не зависит от пути процесса, зависит от исходного и конечного состояния системы.

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры.

Энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии и потенциальной энергии, внешнего давления.

Функция состояния

11. Работа расширения и сжатия рабочего тела

работа

Величина работы зависит от пути работы, поэтому работа является функцией процесса и не является функцией состояния.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии.

Теплота, подведенная к термодинамической системе, расходуется на увеличение внутренней энергии и совершение работы.

Аналитические выражения первого закона термодинамики:

где теплота, подведенная термодинамической системе.

работа.

процесс адиабатный.

в изохорном процессе.

для бесконечно малого процесса.

располагаемая (техническая) работа. (пар в паровой турбине).

Выведем уравнение первого закона термодинамики во второй форме, то есть через энтальпию:

для элементарного процесса.

для конечного процесса.

располагаемая работа.

Энтропия. Ее физический смысл и свойства

1850г - немецкий ученый Клаузиус ввел понятие энтропии.

Энтропия есть мера диградации энергии, мера рассеяния энергии.

Тепловая энергия – наименее качественная (рассеянная) энергия.

Высокопотенциальная энергия – это качественная тепловая энергия, (она превращается в другую энергию).

Энергия солнца – высокопотенциальная энергия.

Увеличение энтропии термодинамической системы в элементарном обратимом процессе.

где теплота, передаваемая термодинамической системе.

температура.

Приращение энергии в конечном обратимом процессе.

Энтропия изолированной системы не изменяется, когда в системе протекают обратимые процессы.

Энтропия возрастает, когда в системе протекают необратимые процессы.

Переход термодинамической системы от неравновесного состояния к равновесному, сопровождается ростом энтропии.

В равновесном состоянии энтропия достигает максимума.

Энтропия сложной системы равна сумме энтропий компонентов.

Изменение энтропии в различных процессах

изохорный процесс

изобарный процесс

изотермический процесс

адиабатный обратимый процесс

политропный процесс

Изменение энтропии идеального газа:

Нетрудно представить (выразить) изменение энтропии газа через другие основные параметры состояния:

значения параметров в начале процесса.

значения параметров в конце процесса.

Если условно принять уровень отсчета на котором энтропия равна нулю, то, пользуясь формулами можно вычислить абсолютную энтропию в любом состоянии термодинамической системы. За уровень отсчета обычно принимают нормальные условия.

Энтропия является функцией состояния.

диаграмма

Круговые термодинамические процессы (циклы)

При однократном расширении рабочего тела можно выполнить органическую работу. Для повторного расширения рабочее тело нужно вернуть к исходному состоянию (сжать).

При многократном расширении и сжатии, то есть совершении кругового термодинамического процесса можно получить любое количество работы.

Необходимые условия работы тепловой машины:

наличие рабочего тела.
Наличие теплоисточника и теплоприемника.
Цикличность работы.

Изображение цикла в координатах:

расширение рабочего тела с теплоподводом

сжатие рабочего тела с теплоотводом

При расширении - совершается работа расширения.

При сжатии – затрачивается работа или расходуется энергия.

в прямом цикле работа положительна.

По прямому циклу работают двигатели.

Прямой цикл идет по часовой стрелке.

В результате полного цикла после возвращения системы к исходному состоянию, все параметры, включая внутреннюю энергию, примут первоначальные значения. Поэтому, на основании первого закона термодинамики работа цикла равна теплоте переданной рабочему телу.

работа цикла.

Термодинамическая характеристика- это термический КПД равный отношения полезной работы к подведенной теплоте:

Изобразим обратный цикл в координатах:

График процесса расширения ниже графика процесса сжатия.

По обратному циклу работают компрессионные установки, холодильные установки.

Основная термодинамическая характеристика – холодильный коэффициент:

Идеальный цикл теплового двигателя. Цикл Карно

Прямой цикл Карно в и координатах:

изотермическое расширение с теплоподводом .

адиабатное расширение.

изотермическое сжатие с теплоотводом .

адиабатное сжатие.

Термический КПД цикла Карно:

Теорема Карно: термический КПД обратимого цикла не зависит от физических свойств рабочего тела, зависит от температуры теплоподвода и теплоотвода.

Цикл Карно – идеальный (эталонный) цикл.

Рассмотрим обратный цикл Карно:

Идеальный цикл холодильной установки

Второй закон термодинамики

в самопроизвольном тепловом процессе теплота может передаваться лишь от более нагретого тела к менее нагретому телу. Для осуществления обратного процесса необходимы затраты энергии.
невозможно осуществить тепловой двигатель, в котором вся теплота, подведенная от источника, будет преобразована в полезную работу, часть теплоты неизбежно перейдет теплоприемнику и будет потеряна. Иными словами, вечный двигатель второго рода невозможен.
любой реальный самопроизвольный процесс протекает в термодинамической системе до наступления равновесия.
все термодинамические реальные процессы не обратимы и протекают с ростом энтропии.

теплота, переданная системе извне.

теплота, появившаяся внутри системы.

Второй закон термодинамики распространяется на термодинамические системы конечных размеров.

Для бесконечной вселенной второй закон термодинамики не работает.

Эксэргия

Эксэргия – это максимально полезная работа, которая может быть получена в результате расходования какого-нибудь энергоресурса.

Эксэргия – это работоспособность термодинамической системы.

Эксэргия – это максимальная полезная работа, которая может быть получена в обратимом термодинамическом процессе, если процесс довести до конца (до достижения термодинамического равновесия).

Аналитическое выражение эксэргии в общем виде:

обобщенная координата

обобщенная сила (потенциал термодинамической системы).

обобщенная сила (потенциал окружающей среды).

Эксэргия электрического заряда:

величина заряда

потенциал системы

электрический потенциал

Эксэргия поднятой воды:

вес воды

геометрический уровень поднятой воды

уровень окружающей среды (для водохранилища, уровень нижнего бьефа).

Эксэргия энтропии:

энтропия термодинамической системы

температура термодинамической системы

температура окружающей среды

Эксэргия теплоты:

количество теплоты

температура термодинамической системы

температура окружающей среды

Эксэргетический КПД двигателя:

реализованная эксэргия

затраченная эксэргия

Эксэргетический КПД теплообменного аппарата:

Теплообменный аппарат – устройство, предназначенное для обмена температурами.

Водяной пар

Парообразование – переход вещества из жидкого состояния в газообразное

Конденсация – обратный процесс парообразования.

Температура насыщения – функция давления.

Насыщенный пар – это пар, образующийся над кипящей жидкостью, имеющий температуру равную температуре кипящей жидкости и находящийся с жидкостью в термодинамическом равновесии.

Сухой насыщенный пар- это насыщенный пар, не содержащий капель жидкости, представляющий собой реальный газ.

Влажный насыщенный пар - насыщенный пар, в котором присутствуют капли жидкости, представляет собой смесь жидких капель и сухого пара.

…………..

……

………

…………….

……………………………………………………………………..

сухой пар влажный пар

Степень сухости – равна отношению массы сухого пара входящего в состав влажного пара к суммарной массе влажного пара.

Удельная теплота парообразования - это теплота, которую необходимо передать 1 кг кипящей жидкости, чтобы полностью превратить ее в сухой насыщенный пар.

где энтальпии, соответственно кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

- чем выше давление, тем ниже

Перегретый пар имеет температуру выше температуры насыщенного пара при данном давлении, полученного из сухого насыщенного пара в результате теплоподвода.

Тройная точка воды – особое состояние, при котором в равновесии находится лед, жидкая вода, водяной пар (все три агрегатных состояния).

Параметры тройной точки:

(глубокий вакуум)

Критическое состояние воды характеризуется параметрами:

При давлении выше критического кипения воды не бывает.

Нагрев воды сопровождается плавным изменением свойств, постепенным переходом воды из жидкого состояния в газообразное.

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии независимо от давления.

Диаграммы водяного пара:

P С T

t=const

K 4

4 p=const

1 2

2 3 x=0.9

x=0.1 x=0.9 3

A B A x=0.1 B

V S

P=const t=const

K х=0,9

2 B

х=0,1 3

A s

критическая точка.

линия кипящей жидкости.

линия сухого насыщенного пара.

линия таянья льда.

область льда.
область жидкости.
область насыщенного пара.
область перегретого пара

тройная точка.

----х- линии постоянной степени сухости.

Тройная точка воды – это значение параметров воды, при которых вода может одновременно находиться в трех агрегатных состояниях (т. )

Критическое состояние воды (т.)

При температуре выше критической, вода может находится только в газообразном состоянии не зависимо от давления.

При давлении выше критического, кипения не бывает, но при нагреве происходит плавный переход воды из жидкого состояния в газообразное, подобно изменению свойств аморфных тел.

Газотурбинные установки и цикл Брайтона

Газовая турбина – тепловой двигатель, в котором рабочим телом являются продукты сгорания органического топлива, жидкого или газообразного, получаемые в камере сгорания, расположенной перед турбиной.

Мощность газовой турбинной установки - до 150МВт.

Термический КПД цикла Байрона:

;

компрессор.

камера сгорания.

турбина.

электрогенератор.

адиабатное сжатие воздуха в компрессоре.

изобарный процесс в камере сгорания с теплоподводом

адиабатное расширение газа в турбине.

изобарный процесс с теплоотводом (выхлоп).

степень сжатия воздуха в компрессоре.

Паротурбинные установки. Цикл Ренкина для ПТУ

ПТУ – тепловой двигатель или тепловая машина, в которой рабочим теплом является пар, полученный в котельном агрегате.

Схема:

паровой котел.

паровая турбина.

электрогенератор.

конденсатор.

насос.

адиабатное расширение пара в турбине.

изобарно-изотермический процесс в конденсаторе.

адиабатное повышение давления конденсата в насосе.

изобарный процесс в паровом котле.

Достоинства цикла Ренкина:

цикл Ренкина включает два адиабатных процесса, один изотермический и еще один частично изотермический, то есть по форме цикла Ренкина близок к циклу Карно.
вода перекачивается насосом в жидком состоянии, поэтому расход энергии на привод насоса относительно мал.

;

Термический коэффициент полезного действия:

Влияние параметров цикла на термический коэффициент полезного действия:

давление в конденсаторе.

При снижении давления в конденсаторе, термический коэффициент полезного действия увеличивается.

давление пара перед турбиной.

При увеличении давления пара перед турбиной, термический коэффициент полезного действия увеличивается.

Анализ цикла Ренкина с учетом потерь необратимости:

действительный процесс расширения в турбине.

действительный процесс в насосе.

Потери энергии в турбине и насосе обусловлены трением рабочей среды, учитываются с помощью внутренних КПД:

Механический КПД учитывает потери энергии на: трение в подшипниках и расход энергии на привод масленого насоса, для смазки подшипников .

КПД электрогенератора учитывает электрические и механические потери электрогенератора .

Абсолютное электрическое КПД турбогенератора:

Если учесть тепловые потери в котле и паропроводе, то КПД современной КЭС составляет 38-40%.

Паротурбинные установки с промежуточным перегревом пара

Сухость пара на выходе из турбины составляет 0,86-0,88

паровой котел.

электрогенератор.

конденсатор.

насос.

пароперегреватель.

дополнительный пароперегреватель.

цилиндр высокого, низкого давления соответственно.

Благодаря тому, что увеличение средней температуры теплоподвода возрастает величина цикла.

адиабатное расширение пара в .

перегрев пара в .

адиабатное расширение в .

изобарно-изотермический процесс в конденсаторе.

адиабатный процесс в насосе.

изобарный процесс в паровом котле.

Иногда применяют двукратный промежуточный перегрев

Паротурбинные установки с регенерацией теплоты

Регенерация теплоты – это перераспределение теплоты в цикле, то есть теплота забирается от рабочего тела в одном процессе и возвращается ему в другом процессе.