Термодинамические процессы и циклы в тепловых двигателях и установках
Знакомство с термодинамическими процессами и циклами в тепловых двигателях и установках, способы определения изменения внутренней энергии. Рассмотрение особенностей адиабатного процесса сжатия. Этапы расчета производительности эквивалентного компрессора.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | практическая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 24.04.2013 |
Размер файла | 559,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Задача 1
адиабатный сжатие компрессор двигатель
М кг газа сжимается по изобаре, изотерме, адиабате и политропе с показателем n. Определить для всех случаев: конечное давление, конечную температуру, начальный и конечный объем, работу, теплоту, изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии, изобразить в масштабе процессы в диаграммах р - V и Т - S.
Таблица 1
Исходные данные |
Численные значения |
|
1. Газ |
Кислород |
|
2. Масса газа М, кг |
8 |
|
3. Давление р1, МПа |
0,14 |
|
4. Начальная температура t1, єC |
50 |
|
5. Степень сжатия, е |
11 |
|
6. Показатель политропы, n |
1,70 |
Находится начальный объем газа V1, м3, по уравнению состояния идеального газа [1, стр.7]
р1V1=МRT1,
где р1 - начальное давление газа, Па;
М - масса газа, кг;
R=259,8 - газовая постоянная кислорода, Дж/(кг·К);
T1 - абсолютная начальная температура газа, К, определяемая как T1=t1єC+273,15 [1, стр.7]
T1=50+273,15
T1=323,15K
Подставляются все необходимые данные в формулу
V1=,
V1=
Конечный объем газа V2, м3, вычисляется из соотношения степени сжатия [1, стр.34]
е=,
V2=,
V2=
Изобарный процесс сжатия
Конечное давление р2=р1. Температура Т2, К, в конце сжатия определяется из соотношения для изобарного процесса (закон Гей - Люссака)
=.
Из уравнения выражается Т2, К, подставляются все численные значения.
Т2=,
Т2=
Работа изменения объема в изобарном процессе сжатия, МДж, находится по формуле
L=p1(V2 - V1).
Подставляются все данные в формулу
L=140000·(0,436-4,797)=-610540Дж.
Располагаемая работа в изобарном процессе L0=0.
Теплота в изобарном процессе Q согласно первому закону термодинамики равна изменению энтальпии ДН, МДж, т. е.
Q=ДН=Н2 - Н1=срm·М· (T2 - T1)103,
где срm=0,917 - удельная средняя массовая изобарная теплоемкость для кислорода, кДж/(кг·К), принимается по начальной температуре.
Подставляются все данные в формулу
Q=0,917·8· (29,371 - 323,15)103=?2155162.
Определяется изменение внутренней энергии, МДж, по формуле:
ДU=U2 - U1=сumM(T2 - T1)103,
где сvm=0,657 - удельная средняя массовая изохорная теплоемкость для кислорода, кДж/(кг·К), принимается аналогично теплоемкости срm.
Подставляются все данные в формулу
ДU=0,657·8(29,371 - 323,15)103=-1544102,424,
Определяется изменение энтропии, кДж/К, по формуле:
ДS=S2 - S1=сpmM·ln()·103.
Подставляются все данные в формулу
ДS=0,917·8·ln·103=-17,692·103.
Для построения процесса 1 - 2 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле
ДS=сpmM·ln.
Таблица
, К |
, кДж/К |
|
323,15 |
0 |
|
250 |
-1,882 |
|
200 |
-3,519 |
|
150 |
-5,630 |
|
100 |
-8,604 |
|
50 |
-13,689 |
|
29,371 |
-17,592 |
Изотермический процесс сжатия
Температура в конце сжатия Т2=Т1, поскольку в этом процессе Т=const.
Конечное давление р2, МПа, находится из уравнения изотермического процесса (закон Бойля - Мариотта).
р1V1=р2V2 или р2=р1е
Подставляются все данные в формулу:
р2=0,14·11=1,54.
Работа процесса L, МДж, может быть определена по формуле:
L=p1V1·ln().
Подставляются все данные в формулу
L= 140000·4,797·ln()=-1610518,521.
Теплота в изотермическом процессе Q=L.
Изменение внутренней энергии ДU=0, так как Т=const.
Изменение энтальпии ДН=0, потому что Т=const.
Находится изменение энтропии ДS, кДж/К, по формуле
ДS=.
Подставляются все данные в формулу
ДS==-4983,79 .
Для построения процесса 1 - 3 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
p1V1=piVi
Таблица
, МПа |
, м3 |
|
0,14 |
4,797 |
|
0,40 |
1,678 |
|
0,80 |
0,839 |
|
1,20 |
0,559 |
|
1,40 |
0,479 |
|
1,54 |
0,463 |
Адиабатный процесс сжатия
Давление в конце сжатия р2, МПа, определяется по уравнению адиабатного процесса
р1= р2,
где k= - показатель адиабаты для кислорода k=1,4
Выражается р2 и данные подставляются в формулу:
Температура Т2, К, определяется из соотношения адиабатного процесса:
Т1= Т2 или.
Выражается Т2 и данные подставляются в формулу
Работа и изменение внутренней энергии, МДж, может быть определено по следующей формуле:
L= ДU=сumM(T1 - T2)103
Подставляются все данные в формулу
L=ДU=0,657·8(323,15-843,259)103=-2733692,904.
Так как адиабатный процесс осуществляется без теплообмена, то теплота Q=0, и, следовательно, изменение энтропии ДS=0.
Изменение энтальпии ДН, МДж, определяется по формуле:
ДН=срmM(T2 - T1).
Подставляются все данные в формулу
ДН=0,917·8(843,259 - 323,15)=3815,519
Для построения процесса 1 - 4 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле:
р1= рi
Таблица
, МПа |
, м3 |
|
0,14 |
4,797 |
|
0,5 |
1,932 |
|
1,0 |
1,177 |
|
1,50 |
0,881 |
|
2,0 |
0,717 |
|
2,50 |
0,612 |
|
3,0 |
0,537 |
|
3,50 |
0,481 |
|
4,0 |
0,437 |
|
4,018 |
0,436 |
Политропный процесс сжатия
Конечное давление р2, МПа, находится из уравнения политропного процесса:
р1= р2,
где n - показатель политропы.
Выражается р2 и данные подставляются в формулу
Температура Т2, К, определяется из соотношения политропного процесса:
Т1= Т2.
Выражается Т2 и данные подставляются в формулу:
Находится изменение внутренней энергии, ДU, МДж, по формуле:
ДU=сumM(T2 - T1)103
Подставляются все данные в формулу
ДU=0,657·8(1731,326 - 323,15)103=7401373,056.
Находится работа процесса, L, МДж, по формуле:
L=МR(Т1 - Т2)/(n - 1).
Подставляются все данные в формулу
L=8·259,8(323,15 -1731,326)/(1,70 - 1)=-4181075,712.
Находится теплота политропного процесса, Q, МДж, по выражению:
Q=сmM(T2 - T1)103,
где сm - удельная средняя массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К); определяется по выражению [4, стр.12]
сm= сum(n - k)/(n - 1).
Подставляются все данные в формулу:
сm= 0,657(1,70 - 1,4)/(1,70 - 1)=0,281.
Найдя все необходимые параметры, находится теплота политропного процесса
Q=-0,281·8(1731,326 - 323,15)·103=-3165579,648.
Определяется изменение энтальпии, ДН, МДж, по формуле
ДН=срmM(T2 - T1).
Подставляются все данные в формулу
ДН=0,917·8(1731,326- 323,15)=10330,379.
Изменение энтропии, ДS, кДж/кг, находится по формуле [2, стр.45]
ДS=сmM·ln.
Подставляются все данные в формулу
ДS=0,281·8·ln()=-3,773.
Для построения процесса 1 - 5 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
р1= рi,
Таблица
, МПа |
, м3 |
|
0,14 |
4,797 |
|
1,0 |
1,508 |
|
2,0 |
1,003 |
|
3,0 |
0,790 |
|
4,0 |
0,667 |
|
5,0 |
0,585 |
|
6,0 |
0,525 |
|
7,0 |
0,480 |
|
8,250 |
0,436 |
Для построения процесса 1 - 5 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле
ДS= сmM·ln.
Таблица
, К |
, кДж/К |
|
323,15 |
0 |
|
500 |
1,373 |
|
700 |
1,737 |
|
900 |
2,302 |
|
1100 |
2,753 |
|
1300 |
3,129 |
|
1500 |
3,450 |
|
1600 |
3,595 |
|
1731,326 |
3,840 |
Задача 2
В многоступенчатом идеальном компрессоре газ сжимается от давления р1, до давления ркон. Производительность компрессора (по начальным параметрам) V1. После каждой ступени сжатый газ охлаждается в промежуточных холодильниках до начальной температуры Т1. Определить теоретическую мощность, потребляемую Z - ступенчатым компрессором и количество охлаждающей воды, прокачиваемой через промежуточные холодильники и полости охлаждения цилиндров, если температура воды повышается на ДТw.
Сжатие газа во всех случаях происходит по политропе с показателем n. Найти изменение энтропии в процессах сжатии газа в цилиндре и охлаждения в промежуточном холодильнике, а также мощность эквивалентного одноступенчатого компрессора.
Построить в масштабе процессы на диаграммах р - х и Т - S многоступенчатого и эквивалентного одноступенчатого компрессоров.
Таблица 2
Исходные данные |
Численные значения |
|
1. р1, МПа |
0,12 |
|
2. ркон, МПа |
3,0 |
|
3. V1, м3/ч |
30 |
|
4. Т1, К |
310 |
|
5. Z |
2 |
|
6. ДТw, К |
5 |
|
7. n |
1.20 |
|
8. Газ |
азот |
Вычисляется давление на входе во вторую ступень р2, МПа по формуле [2, стр.96]
==л=.
Из формулы выражается р2, подставляются данные в формулу
р2=· р1,
р2=·0,12=0,6.
Находится работа, L, Дж/ч, потребляемая каждой ступенью идеального компрессора [2, стр.459]
L=,
где n - показатель политропы;
р1 - начальное давление, кПа;
V1 - производительность компрессора, м3/ч.
Все данные подставляются в формулу
L=,=6645,466.
Находится мощность Nст, кВт, одной ступени по формуле [2, стр.51]
Nст= L/3600.
Все данные подставляются в формулу
Nст= 6645,466/3600=1,845.
Находится мощность Nк, кВт, z - ступенчатого компрессора [4, стр.14]
Nк = z·Nст.
Все данные подставляются в формулу
Nк = 2·1,845=3,69.
Определяется производительность компрессора V2, м3/ч, по параметрам газа на выходе из первой ступени при помощи уравнения политропного процесса
р1= р2.
Выражается V2, данные подставляются в формулу
V2=,
V2==7,845963.
Для построения процесса 1 - 2 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
p1V1=piVi
Таблица
, Па |
, м3 |
|
120000 |
30 |
|
200000 |
19,5996 |
|
300000 |
13,97992 |
|
400000 |
10,99991 |
|
500000 |
9,133361 |
|
600000 |
7,845963 |
Находится температура Т2, К, на выходе из первой, второй ступени по формуле [2, стр.50]
=.
Выражается Т2, данные подставляются в формулу
Т2=· Т1,
Т2=· 310=405,374.
Определяется производительность компрессора V3, м3/ч, по условиям на входе во вторую ступень с помощью уравнения изобарного процесса охлаждения газа в промежуточном холодильнике от температуры Т2 до Т1
=.
Выражается V3, данные подставляются в формулу
V3=,
V3==6.
Определяется производительность компрессора V4, м3/ч, по параметрам газа на выходе из второй ступени при помощи уравнения политропного процесса
р2= ркон.
Выражается V4, данные подставляются в формулу
V4=,
V4==1,569.
Для построения процесса 3 - 4 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
PконV3=piVi
Таблица
, МПа |
, м3 |
|
600000 |
6 |
|
800000 |
4,721018 |
|
1200000 |
3,367386 |
|
1600000 |
2,649582 |
|
2000000 |
2,199981 |
|
2400000 |
1,889882 |
|
2600000 |
1,767934 |
|
2800000 |
1,662056 |
|
3000000 |
1,569193 |
Находится массовая производительность компрессора М, кг/ч, при помощи уравнения состояния идеального газа
р1V1=МRT1,
где R=296,8 - газовая постоянная азота, Дж/(кг·К).
Их уравнения выражается М, подставляются параметры газа на входе в первую ступень компрессора
М=,
М==39,127.
Количество теплоты, Qст, Дж/ч, отводимое от газа в одной ступени находится по формуле [4, стр.14]
Qст=сmM(T2 - T1),
где сm - удельная средняя массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К); определяется по выражению
сm= сvm(n - k)/(n - 1),
где сvm=0,742 - удельная средняя массовая изохорная теплоемкость для азота, кДж(кг·К) [1, стр.80].
Подставляются все данные в формулу
сm= 0,742(1,20 - 1,4)/(1,20 - 1) 103 = -742.
Находится теплота
Qст=-742·39,127(405,374-310)=-2768920,285.
Определяется количество теплоты Qх, МДж/ч, отводимое от газа в промежуточном холодильнике в процессе изобарного охлаждения по формуле
Qх=М·срm(Т1 - Т2),
где срm=1,040 - удельная средняя массовая изобарная теплоемкость азота, кДж(кг·К), принимается по начальной температуре [1, стр.80].
Данные подставляются в формулу
Qх=39,127·1,040(310 -405,374)·103=-3880966,437.
Находится общее количество теплоты, Q, кДж/ч, отводимое от газа в компрессорной машине [4, стр.14]
Q=z·Qст+m·Qх,
где m - число промежуточных холодильников;
z - число ступеней.
Данные подставляются в формулу
Q=2·(-2768920,285)+1·(-3880966,437)·10-3=-9418,807.
Определяется количество охлаждающей воды, МВ, кг/ч, прокачиваемой в компрессорной машине [4, стр.14]
МВ=|Q|/(срв·ДТw),
где срв=4,19 - удельная средняя массовая изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг·К).
Все необходимые данные подставляются в формулу
МВ=9418,807/(4,19·5) =450,34.
Находится изменение энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе политропного сжатия в ступени компрессора
ДS=cm·М·ln.
Данные подставляются в формулу
ДS=-0,742·39,127·ln=-7,787.
Находится изменение энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе изобарного сжатия в ступени промежуточном охладителе
ДS=сpm·М·ln.
Данные подставляются в формулу
ДS=1,040·39,127·ln=-10,915.
Для построения процессов 1 - 2, 3 - 4 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле
ДS=сm·М·ln.
Таблица
, К |
, кДж/К |
|
405,37475 |
-7787,6 |
|
400 |
-7400,1 |
|
370 |
-5136,7 |
|
340 |
-2681,81 |
|
310 |
0 |
Для построения процесса 2 - 3 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=сpm·М·ln.
Таблица
, К |
, кДж/К |
|
405,374 |
0 |
|
390 |
-1,573 |
|
370 |
-3,715 |
|
340 |
-7,156 |
|
310 |
-10,915 |
Определяется работа L, Дж/ч, эквивалентного одноступенчатого компрессора по формуле :
Lэкв=,
где р1, V1, - начальные параметры газа.
Данные подставляются в формулу
Lэкв==-15335480.
Находится теоретическая мощность Nэкв, Вт, эквивалентного одноступенчатого компрессора :
Nэкв= Lэкв/3600.
Данные подставляются в формулу :
Nэкв= 15335480/3600=4259,86
Вычисляется производительность эквивалентного компрессора V2экв, м3/ч по формуле :
р1= ркон.
Выражается V2экв, данные подставляются в формулу :
V2экв=,
V2экв==2,0519.
Находится температура газа Т2экв, К, в конце политропного сжатия эквивалентного компрессора по формуле:
Т1= Т2экв.
Выражается Т2 и данные подставляются в формулу:
Т2экв=,
Т2экв==530,092.
Определяется полное изменение энтропии ДS, Дж/(кг·К), в политропном процессе сжатия эквивалентного одноступенчатого компрессора по формуле :
ДS=сm·М·ln.
Данные подставляются в формулу :
ДS=-0,742·39,127·ln=-15029,4.
Для построения процессов 1 - 2экв на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=сm·М·ln.
Таблица
Т2i, K |
, кДж/К |
|
530,09254 |
-15029,4 |
|
500 |
-13392,2 |
|
450 |
-10440,5 |
|
405,37475 |
-7787,6 |
|
400 |
-7400,1 |
|
370 |
-5136,7 |
|
340 |
-2681,81 |
|
310 |
0 |
Задача 3
Для идеального цикла ДВС определить параметры р, х и Т во всех характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, работу цикла, изменение энтропии и термический КПД, если известны начальные параметры р1, х1, и Т1 и безразмерные характеристики е, л и с. Рабочее тело - воздух, процессы сжатия и расширения - политропные с показателями соответственно n1 и n2, удельные теплоемкости - независимые от температуры.
Таблица 3
Исходные данные |
Численные значения |
|
1. Показатель политропы сжатия n1 |
1,37 |
|
2. р1, МПа |
- |
|
3. Т1, К |
320 |
|
4. х1, м3/кг |
0,80 |
|
5. Степень повышения давления л |
1,7 |
|
6. Степень сжатия е |
15 |
|
7. Степень предварительного расширения с |
1,6 |
|
8. Показатель политропы расширения n2 |
1,23 |
Определяется начальная температура Т1, К, воздуха по формуле состояния идеального газа :
р1х1=RT1,
где р1 - начальное давление газа, Па;
R=287 - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·К);
х1 - удельный объем, м3/кг.
Выражается р1 и данные подставляются в формулу :
р1=,
p1==0,114.
Из соотношения степени сжатия е находится удельный объем х2, м3/кг, в точке 2 [2, стр.96]
е=.
Выражается х2 и данные подставляются в формулу :
х2=,
х2==0,0533.
При помощи уравнения политропного процесса находится давление р2, МПа в точке 2 :
р1= р2,
где n1 - показатель политропы сжатия.
Выражается р2 и данные подставляются в формулу :
р2=,
р2==4,690.
Температура Т2, К, для точки 2 определяется по уравнению состояния идеального газа :
р2х2=RT2,
Выражается Т2 и данные подставляются в формулу :
Т2=,
Т2==871,573.
Давление р3, МПа, в точке 3 находится из уравнения степени повышения давления л :
л=.
Выражается р3 и данные подставляются в формулу :
р3=л·р2,
р3=1,7·4,690=7,973.
Температура Т3, К, в точке 3 определяется с помощью формулы закона Шарля :
=.
Из формулы выражается Т3 и все данные подставляются в уравнение :
Т3== Т2·л,
Т3=871,573·1,7=1481,674.
Удельный объем х3, м3/кг, в точке 3 равен удельному объему х2, м3/кг в точке 2, так как процесс 2 - 3 - изохорный.
х3= х2=0,0533.
Давление р4, МПа, в точке 4 равно давлению р3, МПа, в точке 3, так как процесс 3 - 4 - изобарный.
р4= р3=7,973.
Из уравнения степени предварительного расширения с находится удельный объем х4, м3/кг, в точке 4 [2, стр.96]
с =.
Из формулы выражается х4 и все данные подставляются в уравнение :
х4= с·х2,
х4=1,6·0,0533=0,085.
Из уравнения Клапейрона находится температура Т4, К, в точке 4
р4х4=RT4,
Выражается Т4 и данные подставляются в формулу :
Т4=,
Т4==2370,678.
Удельный объем х5, м3/кг, в точке 5 равен удельному объему х1, м3/кг в точке 1, так как процесс 5 - 1 - изохорный.
При помощи уравнения политропного процесса находится давление р5, МПа в точке 5 :
р4= р5,
где n2 - показатель политропы расширения.
Выражается р5 и данные подставляются в формулу :
р5=,
р5==0,508.
Определяется температура Т5, К, в точке 5 из уравнения состояния идеального газа :
р5х5=RT5.
Выражается Т5 и данные подставляются в формулу :
Т5=,
Т5==1416.
Находится количество подведенной теплоты q1, кДж/кг, в цикле [4, стр.19]
q1= q1v+ q1p+ q1расш,
где q1v, q1p, q1расш - количество подводимой теплоты соответственно в
изохорном, изобарном процессах и политропном процессе расширения.
Определяется теплота q1v, кДж/кг, подведенная в изохорном процессе 2 - 3
q1v=сvm(Т3 - Т2),
где сvm=0,716 - удельная массовая изохорная теплоемкость, кДж/(кг·К), принятая по начальной температуре газа [1, стр.75].
Данные подставляются в формулу :
q1v=0,716·(1481-871,6)=436,8.
Определяется теплота q1р, кДж/кг, подведенная в изобарном процессе 3 - 4 [4, стр.20]
q1р=срm(Т4-Т3),
где срm=1,003 - удельная массовая изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К), принятая по начальной температуре газа [1, стр.75].
Данные подставляются в формулу :
q1р=1,003·(2370-1481)=891,7.
Определяется теплота q1расш, кДж/кг, подведенная в политропном процессе расширения 4 - 5 [4, стр.20]
q1р=с2(Т5-Т4),
где с2 - удельная массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К) вычисляется по формуле [4, стр.20]
с2= сvm(n2-k)/(n2-1).
Данные подставляются в формулу :
с2= 0,716(1,23-1,4)/(1,23-1)= -0,531.
Данные подставляются в формулу :
q1расш= -0,531·(1416-2370)=504,8
Найдя все необходимые данные, подставляем их в формулу всей подведенной теплоты q1, кДж/кг, в цикле
q1=436,8+891,7+504,8=1833,3.
Находится количество отведенной теплоты, кДж/кг, в цикле [4, стр.19].
= + ,
где , - количество отведенной теплоты соответственно в изохорном процессе отвода теплоты и политропном процессе сжатия.
Определяется теплота , кДж/кг, отведенная в политропном процессе сжатия 1 - 2 [4, стр.20]
=с1(Т1 - Т2),
где с1 - удельная массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К) вычисляется по формуле [4, стр.21].
с1= сvm(n1-k)/(n1-1).
Данные подставляются в формулу :
с1= 0,716(1,37-1,4)/(1,37-1)= -0,058.
Данные подставляются в формулу :
=-0,058·(320-871,6)=32,02.
Определяется теплота, , кДж/кг, отведенная в изохорном процессе 5 - 1 [4, стр.20]
= сvm(Т5 - Т1),
Данные подставляются в формулу :
=0,716·(1416-320)=785,3.
Найдя все необходимые данные, подставляем их в формулу всей отведенной теплоты , кДж/кг, в цикле
=785,3+32,02=817,3.
Вычисляется удельная работа цикла l, кДж/кг по формуле [4, стр.21].
l=q1-.
Данные подставляются в формулу :
l=1833,3-817,3=1015,9.
Определяется термический КПД цикла по формуле [4, стр.21].
зt==1-.
Данные подставляются в формулу :
зt=1-=0,554.
Выводится формула, выраженная через безразмерные коэффициенты е, л, с из формулы приведенной выше
зt=1-=1-.
Все температуры выражаются через температуру Т1, К, точки 1, а теплоемкости выражаются через удельную массовую изохорную теплоемкость сvm, кДж/(кг·К).
Температура Т2, К, точки 2 выражается из уравнения политропного процесса сжатия с показателем политропы n1
Т1=Т2,
Т2== Т1·.
Температура Т3, К, точки 3 выражается из уравнения изохорного процесса
=,
Т3== Т2·л=Т1· л.
Температура Т4, К, точки 4 выражается из уравнения изобарного процесса, причем х3= х2
=,
Т3== Т3·с=Т1· л·с.
Температура Т5, К, точки 5 выражается из уравнения политропного процесса сжатия с показателем политропы n2, причем х5= х1
Т4=Т5,
Т5== Т4= Т4= Т1· л·с·.
Удельная изобарная массовая теплоемкость срm, кДж/(кг·К), имеет следующую зависимость [2, стр.45].
k=,
срm=k· сvm.
Удельные теплоемкости политропных процессов сжатии и расширения с1, с2, выраженные через удельную массовую изохорную теплоемкость, сvm, приведены выше.
Все полученные данные подставляются в формулу :
зt=1-.
Дробь сокращается на сvm и на температуру Т1, К, формула принимает вид
зt=1-.
В результате математических преобразований формула принимает окончательный вид
зt=1-.
В формулу подставляются все числовые значения
зt=1-=0,554.
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 1 - 2 по формуле :
ДS=с1·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=-0,058·ln=-0,058.
Для построения процесса 1 - 2 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=с1·ln.
Таблица
, К |
, |
|
320 |
0 |
|
420 |
-0,015787 |
|
520 |
-0,02819 |
|
620 |
-0,0384 |
|
720 |
-0,04708 |
|
871,573 |
-0,05817 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 2 - 3 по формуле :
ДS=сvm·ln.
В формулу подставляются все числовые значения :
ДS=0,7193·ln=0,379.
Для построения процесса 2 - 3 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS= сvm·ln.
Таблица
Т3i, K |
, |
|
871,573 |
0 |
|
900 |
0,02298 |
|
1200 |
0,228961 |
|
1300 |
0,286271 |
|
1481,674 |
0,37993 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 3 - 4 по формуле :
ДS=срm·ln.
В формулу подставляются все числовые значения :
ДS=1,003·ln=0,471.
Для построения процесса 3 - 4 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=срm·ln.
Таблица
Т4i, K |
, |
|
1481,674 |
0 |
|
1500 |
0,012329 |
|
1600 |
0,077062 |
|
1700 |
0,137868 |
|
1800 |
0,195198 |
|
1900 |
0,249427 |
|
2100 |
0,349811 |
|
2200 |
0,396471 |
|
2370,678 |
0,471414 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 4 - 5 по формуле :
ДS=с2·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=-0,531·ln=0,272.
Для построения процесса 4 - 5 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=с2·ln.
Таблица
Т5i, K |
, |
|
2370,678 |
0 |
|
2000 |
0,089982 |
|
1800 |
0,145741 |
|
1600 |
0,208074 |
|
1416,835 |
0,272415 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 5 - 1 по формуле :
ДS=сvm·ln.
В формулу подставляются все числовые значения :
ДS=0,716·ln=-1,065.
Для построения процесса 5 - 1 на диаграмме Т - S вычисляются расчетные точки по формуле :
ДS=сvm·ln.
Таблица
Т1i, K |
, |
|
1416,835 |
0 |
|
1100 |
-0,18123 |
|
900 |
-0,32491 |
|
800 |
-0,40924 |
|
700 |
-0,50485 |
|
600 |
-0,61522 |
|
500 |
-0,74577 |
|
400 |
-0,90554 |
|
320 |
-1,06531 |
Для построения процесса 1 - 2 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле :
р1= рi,
Таблица
, МПа |
, м3/кг |
|
114800 |
0,8 |
|
500000 |
0,273304 |
|
1000000 |
0,164784 |
|
1500000 |
0,12257 |
|
2000000 |
0,099354 |
|
2500000 |
0,084421 |
|
3000000 |
0,073901 |
|
4000000 |
0,059904 |
|
4690152 |
0,053333 |
р4= рi,
Таблица
, МПа |
, м3/кг |
|
7973258 |
0,085333 |
|
6000000 |
0,107526 |
|
4000000 |
0,149512 |
|
3000000 |
0,188909 |
|
2000000 |
0,262673 |
|
1000000 |
0,461483 |
|
508289,5 |
0,8 |
Задача 4
Для цикла ГТД с изобарным подводом теплоты определить параметры во всех характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, работу цикла, значение термического КПД, изменение энтропии, если для данного газа известны начальные параметры р1, х1 и Т1, степень повышения давления газа в компрессоре в и степень предварительного расширения газа в процессе изобарного подвода теплоты с. Процессы сжатия и расширения - политропные с показателями политроп соответственно n1 и n2. Теплоемкость считать постоянной. Вывести расчетную формулу для определения термического КПД и построить зависимость зt=f(в) при изменении в от 2,0 до 8,0.
Изобразить цикл в диаграммах р - х и Т - S в масштабе.
Таблица 4
Исходные данные |
Численные значения |
|
1. Газ |
Воздух |
|
2. р1, МПа |
0,10 |
|
3. х1, м3/кг |
0,85 |
|
4. Т1, К |
- |
|
5. с |
3,0 |
|
6. в |
7 |
|
7. n1 |
1,45 |
|
8. n2 |
1,28 |
Определяется удельный объем х1, м3/кг, в точке 1 по уравнению состояния идеального газа
р1х1=RT1,
где р1 - начальное давление газа, Па;
R=287 - газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·К);
Т1 - начальная температура, К.
Выражается Т1 и данные подставляются в формулу
Т1=,
Т1==296,167.
Из уравнения степени повышения давления находится давление р2, МПа, в точке 2 [2, стр.96].
в=.
Выражается р2 и данные подставляются в формулу :
р2= в·р1,
р2= 7·0,1=0,7.
По уравнению политропного процесса находится удельный объем х2, м3/кг, в точке 2
р1= р2,
где n1 - показатель политропы сжатия.
Выражается х2 и данные подставляются в формулу
х2=,
х2==0,222.
По уравнению политропного процесса находится температура Т2, К, в точке 2
Т1= Т2.
Выражается Т2 и данные подставляются в формулу :
Т2=,
Т2==367,2486.
Из уравнения степени предварительного расширения находится удельный объем х3, МПа, в точке 3
с=.
Выражается х3 и данные подставляются в формулу :
х3= с·х2,
х3=3·0,222=0,666.
По уравнению изобарного процесса находится температура Т3, К, в точке 3
=.
Из уравнения выражается Т3, К, подставляются все численные значения.
Т3=,
Т3==1625,287.
Давление р3, МПа, в точке 3 равно давлению р2, МПа в точке 2, а так же давление р4, МПа, в точке 4 равно давлению р1, МПа в точке 1 так как процесс 2 - 3 и процесс 4 - 1 - изобарные
р3= р2=0,7.
р4= р1=0,1.
По уравнению политропного процесса находится удельный объем х4, м3/кг, в точке 4
р3= р4,
где n2 - показатель политропы расширения.
Выражается х4 и данные подставляются в формулу
х4=,
х4==3,047.
Определяется температура Т4, К, по формуле состояния идеального газа
р4х4=RT4,
Выражается Т4 и данные подставляются в формулу
Т4=,
Т4==1061,854.
Находится количество подведенной теплоты q1, кДж/кг, в цикле [4, стр.24]
q1=q1p+q1сж+,
где q1p, q1сж - количество подводимой теплоты соответственно в изобарном процессе 2 - 3 и политропном процессе сжатия 1 - 2.
- количество теплоты, отведенное в политропном процессе расширения 3 - 4, кДж/кг.
Определяется теплота q1р, кДж/кг, подведенная в изобарном процессе 2 - 3.
q1р=срm(Т3-Т2),
где срm=1,003 - удельная массовая изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К), принятая по начальной температуре газа
Данные подставляются в формулу
q1р=1,003·(1625,287-541,762)=1086,775.
Определяется теплота q1сж, кДж/кг, подведенная в политропном процессе сжатия 1 - 2
q1сж=с1(Т2 - Т1),
где с1 - удельная массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К) вычисляется по формуле.
с1=сvm(n1-k)/(n1-1),
где сvm=0,716 - удельная массовая изохорная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К), взятая при начальной температуре
Данные подставляются в формулу
с1=0,716(1,45-1,4)/(1,45-1)=0,079.
Данные подставляются в формулу
q1сж=0,079·(541,762-296,167)=19,538.
Определяется теплота , кДж/кг, отведенная в политропном процессе расширения 3 - 4
= с2(Т3 - Т4),
где с2 - удельная массовая теплоемкость политропного процесса, кДж/(кг·К) вычисляется по формуле
с2=сvm(n2-k)/(n2-1),
где сvm=0,716 - удельная массовая изохорная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К), взятая при начальной температуре.
Данные подставляются в формулу :
с2=0,716(1,28-1,4)/(1,28-1)=-0,307.
Данные подставляются в формулу :
=-0,307·(1625,287?1061,854)=172,893.
Найдя все необходимые данные, определяется вся подведенная теплота q1, кДж/кг, в цикле
q1=19,538+1086,775+ 172,893=1279,207.
Находится отведенная теплота , кДж/кг, в цикле
= ,
где - количество теплоты, отведенное в изобарном процессе 4 - 1, кДж/кг;
Определяется теплота , кДж/кг, отведенная в изобарном процессе 4 - 1
= срm(Т4 - Т1).
Данные подставляются в формулу
=1,003·(1061,854-296,167)=767,984.
Найдя все необходимые данные, определяется вся отведенная теплота , кДж/кг, в цикле
=767,984.
Удельная работа цикла l, кДж/кг, определяется по формуле
l= q1-.
Данные подставляются в формулу
l=1279,207-767,984=511,223.
Определяется термический КПД цикла по формуле
зt==1-.
Данные подставляются в формулу
зt=1-=0,399.
Выводится формула, выраженная через безразмерные коэффициенты в, с из формулы приведенной выше
зt=1-=1-.
Все температуры выражаются через температуру Т1, К, точки 1, а теплоемкости выражаются через удельную массовую изохорную теплоемкость сvm, кДж/(кг·К).
Температура Т2, К, точки 2 выражается из уравнения политропного процесса сжатия с показателем политропы n1
Т1=Т2,
Т2== Т1·.
Температура Т3, К, точки 3 выражается из уравнения изобарного процесса
=,
Т3== Т2·с=Т1··с.
Температура Т4, К, точки 4 выражается из уравнения политропного процесса сжатия с показателем политропы n2
Т3=Т4,
Т4==Т3·= Т1··с·= Т1··с·= Т1··с.
Удельные теплоемкости политропных процессов сжатии и расширения, а так же изобарная теплоемкость с1, с2, срm выраженные через удельную массовую изохорную теплоемкость, сvm, приведены выше.
Все полученные данные подставляются в формулу
зt=1-.
Дробь сокращается на сvm и на температуру Т1, К, формула принимает вид
зt=1-.
В результате математических преобразований формула принимает окончательный вид
зt=1-.
В формулу подставляются все числовые значения
зt=1-=0,399.
Для построения графика зt=f(в) вычисляются расчетные точки
Таблица
в |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
зt |
0,173 |
0,257 |
0,310 |
0,347 |
0,376 |
0,399 |
Рис.
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 1 - 2 по формуле
ДS=с1·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=0,079·ln=0,048.
Для построения процесса 1 - 2 вычисляются расчетные точки по формуле
ДS=с1·ln.
Таблица
Т2i, K |
, |
|
296,167 |
0 |
|
370 |
0,017 |
|
470 |
0,036 |
|
541,762 |
0,048 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 2 - 3 по формуле
ДS=срm·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=1,003 ·ln=1,102.
Для построения процесса 2 - 3 вычисляются расчетные точки по формуле
ДS= срm·ln.
Таблица
, К |
, |
|
541,7624 |
0 |
|
600 |
0,102 |
|
700 |
0,257 |
|
800 |
0,390 |
|
900 |
0,509 |
|
1000 |
0,614 |
|
1100 |
0,710 |
|
1200 |
0,797 |
|
1300 |
0,877 |
|
1400 |
0,952 |
|
1625,287 |
1,102 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 3 - 4 по формуле
ДS=с2·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=-0,307·ln=0,131.
Для построения процесса 3 - 4 вычисляются расчетные точки по формуле
ДS=с2·ln.
Таблица
Т4i, K |
, |
|
1625,287 |
0 |
|
1400 |
0,046 |
|
1300 |
0,068 |
|
1200 |
0,093 |
|
1100 |
0,119 |
|
1061,854 |
0,131 |
Находится изменение удельной энтропии ДS, кДж/(кг·К), в процессе 4 - 1 по формуле
ДS=срm·ln.
В формулу подставляются все числовые значения
ДS=1,003·ln=-1,281.
Для построения процесса 4 - 1 вычисляются расчетные точки по формуле
ДS= срm·ln.
Таблица
, К |
, |
|
1061,854 |
0 |
|
900 |
-0,166 |
|
800 |
-0,284 |
|
700 |
-0,418 |
|
600 |
-0,572 |
|
500 |
-0,755 |
|
400 |
-0,979 |
|
296,1672 |
-1,281 |
Для построения процесса 1 - 2 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
р1= рi,
Таблица
, МПа |
, м3/кг |
|
0,10 |
0,85 |
|
0,15 |
0,643 |
|
0,20 |
0,527 |
|
0,30 |
0,398 |
|
0,40 |
0,327 |
|
0,70 |
0,222 |
Для построения процесса 3 - 4 на диаграмме р - V вычисляются расчетные точки по формуле
р3= рi,
Таблица
, МПа |
, м3/кг |
|
0,70 |
0,666 |
|
0,60 |
0,752 |
|
0,50 |
0,867 |
|
0,40 |
1,032 |
|
0,30 |
1,292 |
|
0,20 |
1,773 |
|
0,10 |
3,047 |
Задача 5
Сравнить термический КПД пароэнергетической установки, работающей на сухом насыщенном паре, перегретом паре и при введении промежуточного перегрева пара, если давление пара перед турбиной рн, температура перегретого пара t1, давление промежуточного перегретого пара рпр, температура - tпр, давление в конденсаторе для всех случаев рк. Представить циклы в диаграммах р - х, Т - S и h - S. Определить температуру и степень сухости отработавшего пара, поступившего в конденсатор. Оценить эффективность использования предварительного подогрева воды в водяном экономайзере, если температура воды после подогрева на 50єС ниже температуры насыщения.
Таблица 5
Исходные данные |
Численные значения |
|
1. рн, МПа |
1,4 |
|
2. рпр, МПа |
0,5 |
|
3. рк, МПа |
0,015 |
|
4. t1, єC |
300 |
|
5. tпр, єC |
280 |
Определяется термический КПД независимо от схемы ПЭУ по формуле
зt=,
где lт - удельная работа совершаемая рабочим телом в турбине;
q1 - удельная теплота, подведенная в цикле.
Вычисляется удельная работа lт, кДж/кг, для ПЭУ, работающего на сухом насыщенном паре [4, стр.28]
lт=,
где =2770, =2083 - соответственно энтальпии в начальной и конечной точках адиабатного расширения, принятые по диаграмме h - S, кДж/кг.
Данные подставляются в формулу
lт=2770-2083=687.
Вычисляется подведенная теплота q1, кДж/кг, для ПЭУ, работающего на сухом насыщенном паре [4, стр.28]
q1=,
где =226,1 - энтальпия жидкости при давлении и температуре конденсации принимается по таблице [1, стр.82].
Данные подставляются в формулу
q1=2770-226,1=2808,9.
Найдя все необходимые данные вычисляется термический КПД по формуле приведенной выше
зt==0,244.
Находится термический КПД цикла ПЭУ, работающего на перегретом паре, по формуле [4, стр.29]
зtп=,
где - энтальпии начальной и конечной точек адиабатного процесса расширения в турбине определяются по диаграмме h - S, кДж/кг.
Данные подставляются в формулу
зtп==0,283.
Определяется термический КПД ПЭУ с промежуточным перегревом пара [4, стр.28]
зtпп=,
где - удельная работа в процессе адиабатного расширения соответственно в первой Т1 и второй Т2 ступенях турбины;
- удельная теплота, подводимая соответственно к воде в пароводяном коллекторе, на перегрев пара в пароперегревателе ПП1 и
дополнительный перегрев пара в промежуточном пароперегревателе ПП2.
Определяется удельная работа lт1, кДж/кг, в первой ступени турбины [4, стр.29]
lт1=h1 - h2,
где h2 - энтальпия пара, определяемая по диаграмме h - S, кДж/кг.
Данные подставляются в формулу
lт1=3035 -2820=215.
Определяется удельная работа lт2, кДж/кг, во второй ступени турбины [4, стр.29]
lт2=h3 - h4пп,
где h3, h4пп - энтальпии пара, определяемые по диаграмме h - S, кДж/кг.
Данные подставляются в формулу
lт2=3036 -2400=636.
Вычисляется подведенная теплота qпвк, кДж/кг, подведенная к воде в пароводяном коллекторе по формуле
qпвк=.
Данные подставляются в формулу
qпвк=2770-226,1=2543,9
Вычисляется подведенная теплота qп1, кДж/кг, подведенная на перегрев пара в пароперегревателе ПП1 по формуле [4, стр.29]
qп1=.
Данные подставляются в формулу
qп1=.
Вычисляется подведенная теплота qп2, кДж/кг, подведенная на дополнительный перегрев пара в пароперегревателе ПП2 по формуле [4, стр.29]
qп2=.
Данные подставляются в формулу
qп2=.
Найдя все необходимые данные вычисляется термический КПД ПЭУ с промежуточным перегревом пара
зtпп==0,281.
Находится термический КПД ПЭУ при наличии водяного экономайзера [4, стр.30]
=,
где - энтальпия воды на выходе из водяного экономайзера определяется по формуле
=срв·,
где срв=4,19 - теплоемкость воды, кДж/(кг·К);
=-50єС - конечная температура подогрева воды,
где =198,28 єС - температура насыщения (кипения) при давлении рн.
Данные подставляются в формулу
=198,28-50=148,28.
Данные подставляются в формулу
=4,19·148,28=621,293.
Найдя все необходимые значения, вычисляется КПД
==0,324.
С диаграммы h - S снимаем следующие показатели
х4пп=0,932 - степень сухости точки 4пп;
х4п=0,887 - степень сухости точки 4п;
х4н=0,787 - степень сухости точки 4н;
tk=55єC - температура конденсации.
Очевидно, что эффективность пароэнергетической установки при использовании предварительного подогрева воды в водяном экономайзере повышается, по сравнению с простой схемой ПЭУ.
Список литературы
1. Сборник задач по теплотехнике: Учеб. пособие/ Б. А. Колпаков, В. Д. Сисин, А. М. Пичурин, О. Г. Хатеев. - Новосибирск: Новосиб. госуд. акад. водн. транс., 2006. - 157 с.
2. Селиверстов В. М., Бажан П. И. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты: Учебник для институтов водн. трансп. - М.: Транспорт, 1988. - 287 с.
3. Сисин В. Д. Термодинамика и теплопередача. Контрольные задания и методические указания по их выполнению. Новосибирск, НГАВТ, 2001
4. Сисин В. Д.Анализ термодинамических процессов и циклов в тепловых двигателях и установках. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» для студентов специальности 240500 - «Эксплуатация судовых энергетических установок». Новосибирск, НГАВТ.-2005.
Приложение
Схема многоступенчатого компрессора
где К1, К2 - соответственно первая и вторая ступени компрессора;
ХП1 - промежуточный охладитель рабочего тела.
Схема газотурбинной установки
где ПД - пусковой двигатель;
НУ - нагрузочное устройство;
К - компрессор;
Т - турбина;
НТ - насос топливный;
КС - камера сгорания.
Схема пароэнергетической установки
где ПВК - пароводяной коллектор;
ВЭ - водяной экономайзер;
НП - насос питательный;
Кн - конденсатор;
НЦ - насос циркуляционный;
НУ - нагрузочное устройство;
Т1, Т2 - первая и вторая ступени турбины;
ПП1 - пароперегреватель;
ПП2 - промежуточный пароперегреватель
Схема
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Термодинамический анализ работы теплового двигателя. Основные понятия, используемые в термодинамическом анализе работы ядерных энергетических установок. Промежуточная сепарация и промежуточный перегрев пара в идеальных циклах паротурбинных установок.
контрольная работа [855,1 K], добавлен 14.03.2015Описание процессов получения электроэнергии на тепловых конденсационных электрических станциях, газотурбинных установках и теплоэлектроцентралях. Изучение устройства гидравлических и аккумулирующих электростанций. Геотермальная и ветровая энергетика.
реферат [3,5 M], добавлен 25.10.2013Широкое применение воды и водяного пара в качестве рабочих тел в паровых турбинах тепловых машин, атомных установках и в качестве теплоносителей в различного рода теплообменных аппаратах химико-технологических производств. Характеристика процессов.
реферат [149,6 K], добавлен 25.01.2009Нахождение работы в обратимых термодинамических процессах. Теоретический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с комбинированным подводом теплоты. Работа расширения и сжатия. Уравнение состояния газа. Теплоотдача при свободной конвекции.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 22.10.2011Принцип устройства и действия тепловой трубки Гровера. Основные способы передачи тепловой энергии. Преимущества и недостатки контурных тепловых труб. Перспективные типы кулеров на тепловых трубах. Конструктивные особенности и характеристики тепловых труб.
реферат [1,5 M], добавлен 09.08.2015Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.
реферат [1,5 M], добавлен 01.02.2012Подземная и надземная прокладка тепловых сетей, их пересечение с газопроводами, водопроводом и электричеством. Расстояние от строительных конструкций тепловых сетей (оболочка изоляции трубопроводов) при бесканальной прокладке до зданий и инженерных сетей.
контрольная работа [26,4 K], добавлен 16.09.2010Первый закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамический метод их исследования. Изменение внутренней энергии и энтальпии газа. Графическое изображение изотермического процесса. Связь между параметрами газа, его теплоемкость.
лекция [438,5 K], добавлен 14.12.2013Вывод тепловых сетей и водогрейных котельных на период летнего простоя. Пуск водогрейных котлов и тепловых сетей на зимний режим работы. Режимы оборудования ТЭЦ. Работа тепловых установок с промышленным и теплофикационным отбором пара и конденсацией.
презентация [1,6 M], добавлен 23.07.2015- Термодинамические процессы. Определение работы и теплоты через термодинамические параметры состояния
Взаимосвязь между количеством теплоты, внутренней энергией и работой; методы исследования основных термодинамических процессов, установление зависимости между основными параметрами состояния рабочего тела в ходе процесса; изменения энтальпии, энтропии.
реферат [215,5 K], добавлен 23.01.2012