Теоретические основы теплотехники
Закономерности переноса и использования теплоты. Сущность термодинамического метода исследования, решение инженерных задач по преобразованию тепловой и механической энергии, определение термического коэффициента полезного действия в физических системах.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 20.10.2012 |
Размер файла | 2,2 M |
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/
Размещено на http://www.allbest.ru/
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время во всех сферах человеческой деятельности используется тепло. Ученые давно изучили основные закономерности переноса и использования теплоты. Но как научиться правильно использовать тепло? Как получить новые и эффективные источники тепла? Именно эти вопросы помогает решить термодинамика. Термодинамика представляет собой науку о закономерностях превращения энергии. Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии.
При изучении термодинамики особое внимание следует уделить усвоению термодинамического метода исследования, который имеет следующие особенности. Во-первых, термодинамика строится по дедуктивному принципу, т. е. от общего к частному. Её основной особенностью являются два закона (начала), установленных опытным путём. Первый из них представляет специфическую форму закона сохранения и превращения энергии и имеет, поэтому всеобщий характер, второй - устанавливает качественную направленность процессов, осуществляемых в физических системах. С помощью математического аппарата термодинамики получают соотношения, позволяющие решать конкретные задачи (например, рассчитывать термодинамические процессы). Во-вторых, термодинамика имеет дело только с макроскопическими величинами. Процессы здесь рассматриваются как непрерывная последовательность состояний равновесия.
Термодинамика рассматривает равновесные процессы и равновесные состояния, так как только равновесные состояния могут быть описаны количественно с помощью уравнений состояния. Лишь равновесные процессы изменения состояния термодинамической системы можно изображать графически.
Цель выполнения работы - закрепление и углубление полученных знаний, ознакомление с необходимой справочной литературой, государственными и отраслевыми стандартами, получение навыков самостоятельного решения инженерных задач и технически грамотного изложения пояснительной записки.
Расчеты в курсовой работе иллюстрированы графиками и рисунками, рассмотрены газовые процессы, циклы, паросиловые установки, а также циклы трансформаторного тепла.
1. ГАЗОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
физический термодинамический теплота энергия
1.1 Задача 1
Газ с начальной температурой Т1 = 300 К и давлением р1 = 0.1 МПа политропно сжимается в компрессоре до давления р2. Определить недостающие начальные параметры v1, u1, h1, s1, конечные параметры T2, v2, u2, h2, s2, тепло q1-2, работу l1-2, изменение параметров в процессе ?u1-2, ?h1-2, ?s1-2. Построить процесс в диаграммах p, v и T, s (в масштабе).
Решение:
Для расчетов неизвестных параметров необходимо рассчитать газовую постоянную. Газовая постоянная является индивидуальной для каждого газа, то есть зависит от молекулярной массы газа и рассчитывается по формуле:
(1.1)
где см - это кажущаяся молекулярная масса, она зависит от пропорции компонентов, из которых состоит смесь газа.
В данном случае имеется газ О2, и для него газовая постоянная будет равна:
Так же понадобится для расчетов изобарная (ср) и изохорная (сv) теплоемкости. Так как данный газ О2 - двухатомный, следовательно изобарная теплоемкость равна:
(1.2)
а изохорная теплоемкость равна:
(1.3)
Объем при нормальных условиях будет равен:
(1.4)
Определение недостающих начальных параметров.
Определим начальный объем v1
Из уравнения Клапейрона:
pv = RT, (1.5)
Для данного случая начальный объем будет равен:
(1.6)
где R - газовая постоянная, кДж/кгК;
Т1 - начальная температура, К;
р1 - начальное давление, Па.
Найдём начальную внутреннюю энергию u1.
Величина внутренней энергии газа зависит как от скорости движения молекул и атомов, так и от расстояния между ними. Скорость движения микрочастиц вещества зависит от температуры тела, а силы взаимодействия между ними - от удельного объема. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде:
(1.7)
где сv - изохорная теплоемкость газа, кДж/кгК;
Определим энтальпию h1 в начале процесса.
Энтальпия газа так же, как и внутренняя энергия, зависит только от температуры. Следовательно, энтальпия h1 в начале процесса рассчитывается по формуле:
, (1.8)
где ср - изобарная теплоемкость газа, кДж/кгК;
Вычислим энтропию s1 в начале процесса.
В уравнении первого закона термодинамики dq = du + pdv только du полным является дифференциалом внутренней энергии u. Введением множителя 1/Т можно привести это уравнение к уравнению в полных дифференциалах:
(1.9)
где ds - полный дифференциал параметра s, то есть энтропии.
Для идеальных газов pv = RT, du = cvdT, поэтому
. (1.10)
После интегрирования (1.10) получаем расчетную формулу для определения энтропии:
(1.11)
где v- начальный объем, м3/кг.
Согласно формуле (1.11) энтропию s1 в данном случае рассчитаем по формуле:
(1.12)
Определение недостающих конечных параметров.
Определим конечную температуру Т2.
Температуру Т2 найдем из соотношения между параметрами политропного процесса:
(1.13)
(1.14)
где Т2 - конечная температура, К;
р2 - конечное давление, Па;
n - показатель политропы.
Найдём конечный объем v2.
Из формулы (1.5) для данного случая найдем конечный объем v2:
(1.15)
Определим конечную внутреннюю энергию u2.
Аналогично u1 найдем конечную внутреннюю энергию u2 по формуле:
(1.16)
Определим энтальпию h2 в конце процесса.
Аналогично h1 найдем энтальпию h2 в конце процесса по формуле:
(1.17)
Найдём энтропию s2 в конце процесса.
Аналогично s1 находим энтропию s2 в конце процесса по формуле:
(1.18)
где v2 - конечный объем, м3/кг,
Определение тепла, работы и изменения параметров внутренней энергии, энтальпии и энтропии.
Определим тепло q1-2 в данном процессе.
Количество тепла в политропном процессе рассчитывается по формуле:
(1.19)
Вычислим работу l1-2 в данном процессе.
Для политропного процесса работа рассчитывается по формуле:
(1.20)
Определим изменение внутренней энергии ?u1-2.
Изменение внутренней энергии можно рассчитать по формулам:
(1.21), (1.22)
?u1-2 находим по формуле (1.22):
Определим изменение энтальпии ?h1-2.
Аналогично изменение внутренней энергии ?u1-2 можно рассчитать изменение энтальпии ?h1-2 по формулам:
(1.23)
(1.24)
?h1-2 находим по формуле (1.24):
Определим изменение энтропии ?s1-2.
Как и изменение внутренней энергии, изменение энтропии ?s1-2 можно рассчитать:
, (1.25)
или
(1.26)
?s1-2 находим по формуле (1.26):
Все ответы приведены в таблице 1.1
Таблица 1.1 - Результаты начальных и конечных параметров, тепло, работа, изменение параметров.
Неизвестные параметры |
Р1, МПа |
Т1, К |
|||||
Полученный результат |
0,1 |
300 |
0,779 |
196,5 |
275,1 |
0,089 |
Неизвестные параметры |
Р2, МПа |
Т2, К |
|||||
Полученный результат |
0,35 |
318,4 |
0,236 |
208,55 |
291,97 |
-0,182 |
Неизвестные параметры |
||||||
Полученный результат |
-85,55 |
-95,6 |
16,87 |
12,052 |
-0,271 |
Таблица 1.2 - Промежуточные точки для p,v - диаграммы.
Точки |
Давление р, Па |
Удельный объём |
|
A |
0,115 |
0,68 |
|
B |
0,136 |
0,58 |
|
C |
0,166 |
0,48 |
|
D |
0,212 |
0,38 |
|
E |
0,282 |
0,29 |
Таблица 1.3 - Промежуточные точки для Т, S- диаграммы.
Точки |
Температура Т, Па |
Энтропия |
|
A |
315 |
-0,135 |
|
B |
311 |
-0,073 |
|
C |
307 |
-0,021 |
|
D |
304 |
0,022 |
|
E |
302 |
0,064 |
Вывод: Политропный процесс носит обобщающий характер, так как здесь не накладывается какого-либо ограничения, например постоянство одного из параметров в изохорном, изобарном и изотермическом процессах или отсутствия теплообмена в адиабатном процессе.
Рисунок 1.1.- Диаграмма в p,v - координатах.
Рисунок 1.2. - Диаграмма в T,S - координатах.
1.2 Задача 2
В процессе 1-2 с показателем политропы n к 1 кг газа с начальными параметрами р1 = 0,1МПа, Т1 = 300 К подводится тепло q. Определить недостающие начальные параметры v1, u1, h1, s1, конечные параметры р2, Т2, v2, u2, h2, s2, изменение параметров в процессе ?u1-2, ?h1-2, ?s1-2 и работу l1-2. Построить процесс в p, v - и T, s - диаграммах.
Решение:
Для расчетов неизвестных параметров необходимо рассчитать газовую постоянную. Газовая постоянная является индивидуальной для каждого газа, то есть зависит от молекулярной массы газа и рассчитывается по формуле:
(1.27)
где см - это кажущаяся молекулярная масса, она зависит от пропорции компонентов, из которых состоит смесь газа. В данном случае имеется газ СО2, и для него газовая постоянная будет равна:
.
Так же понадобится для расчетов изобарная (ср) и изохорная (сv) теплоемкости. Так как данный газ - трёхатомный, следовательно изобарная теплоемкость равна:
(1.28)
а изохорная теплоемкость равна:
(1.29)
.
Объем при нормальных условиях будет равен:
, (1.30)
Определение недостающих начальных параметров.
Определим начальный объем v1
Из уравнения Клапейрона:
pv=RT, (1.31)
можно найти объем, выразив его.
Для данного случая начальный объем будет равен:
(1.32)
где R - газовая постоянная, кДж/кгК;
Т1 - начальная температура, К;
р1 - начальное давление, Па.
Определим начальную внутреннюю энергию u1
Величина внутренней энергии газа зависит как от скорости движения молекул и атомов, так и от расстояния между ними. Скорость движения микрочастиц вещества зависит от температуры тела, а силы взаимодействия между ними - от удельного объема. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде:
, (1.33)
где сv - изохорная теплоемкость газа, кДж/кгК;
Определим энтальпию h1 в начале процесс.
Энтальпия газа так же, как и внутренняя энергия, зависит только от температуры. Следовательно, энтальпия h1 в начале процесса рассчитывается по формуле:
, (1.34)
где ср - изобарная теплоемкость газа, кДж/кгК;
Определим энтропию s1 в начале процесса.
В уравнении первого закона термодинамики dq = du + pdv только du является полным дифференциалом внутренней энергии u. Введением множителя 1/Т можно привести это уравнение к уравнению в полных дифференциалах:
(1.35)
где ds - полный дифференциал параметра s, то есть энтропии.
Для идеальных газов pv = RT, du = cvdT, поэтому
, (1.36)
После интегрирования (1.36) получаем расчетную формулу для определения энтропии:
, (1.37)
где v - начальный объем, м3/кг.
Согласно формуле (1.37) энтропию s1 в данном случае рассчитаем по формуле:
, (1.38)
Определение недостающих конечных параметров.
Определим конечную температуру Т2.
Так как известно количество тепла q и начальная температура Т1, можно найти конечную температуру Т2.
, (1.39)
Из формулы (1.39) температура Т2 будет равна:
, (1.40)
где q1-2 - подводимое тепло, кДж/кг;
n - показатель политропы.
.
Определим конечное давление р2.
Давление р2 в конце процесса найдем из соотношения параметров:
(1,41)
(1.42)
Отсюда давление р2 будет равно:
(1.43)
где Т2 - конечная температура, К.
Определим конечный объем v2.
Из формулы (1.6) для данного случая найдем конечный объем:
, (1.44)
Найдём конечную внутреннюю энергию u2.
Аналогично u1 найдем конечную внутреннюю энергию u2 по формуле:
(1.45)
Определим энтальпию h2 в конце процесса.
Аналогично h1 найдем энтальпию h2 в конце процесса по формуле:
(1.46)
Определим энтропию s2 в конце процесса.
Аналогично s1 находим энтропию s2 в конце процесса по формуле:
(1.47)
где v2 - конечный объем, м3/кг.
Определение работы и изменения параметров: внутренней энергии, энтальпии и энтропии.
Вычислим изменение внутренней энергии ?u1-2.
Изменение внутренней энергии можно рассчитать по формуле:
(1.48)
Определим изменение энтальпии ?h1-2.
Изменение внутренней энергии ?u1-2, можно рассчитать, как и изменение энтальпии ?h1-2:
(1.49)
Вычислим изменение энтропии ?s1-2.
Аналогично изменению внутренней энергии и изменению энтальпии можно рассчитать изменение энтропии ?s1-2.
(1.50)
Найдём работу l1-2 в данном процессе.
Для политропного процесса работа рассчитывается по формуле:
(1.51)
Таблица 1.4 - Результаты начальных и конечных параметров, тепло, работа, изменение параметров.
Неизвестные параметры |
Р1, МПа |
Т1, К |
|||||
Полученный результат |
0,1 |
300 |
0,567 |
200,1 |
257,1 |
0,087 |
Неизвестные параметры |
Р2, МПа |
Т2, К |
|||||
Полученный результат |
34907,25 |
5705 |
0,000031 |
3805,2 |
4889,2 |
0,196 |
Неизвестные параметры |
||||||
Полученный результат |
200 |
-3405,15 |
4632,1 |
3605,14 |
0,109 |
Таблица 1.5 - Промежуточные точки для p,v - диаграммы.
Точки |
Давление р, Па |
Удельный объём |
|
A |
0,118525 |
0,5 |
|
B |
0,157181 |
0,4 |
|
C |
0,228421 |
0,3 |
|
D |
0,387143 |
0,2 |
|
E |
0,955148 |
0,1 |
Таблица 1.6- Промежуточные точки для Т, S- диаграммы.
Точки |
Температура Т, Па |
Энтропия |
|
A |
312 |
0,089 |
|
B |
333 |
0,09 |
|
C |
363 |
0,094 |
|
D |
410 |
0,098 |
|
E |
505 |
0,106 |
Вывод: политропный процесс является обобщающим для всех процессов. При расчётах политропного процесса требуется знание политропы.
Рисунок 1.3. - диаграмма в p,v- координатах.
Рисунок 1.4 - диаграмма в T,S - координатах.
2. ГАЗОВЫЕ ЦИКЛЫ
Рассчитать теоретические циклы ДВС и ГТУ в соответствии с исходными данными.
2.1 Задача 1
Определить:- параметры газа в переходных точках цикла ДВС (результаты расчёта свести в табл.);
- тепло, работу и изменение параметров ?u, ?h, ?s, в каждом процессе;
- полезную работу, подведённое и отведенное тепло в цикле ДВС, его КПД (двумя способами);
- построить цикл в масштабе в диаграммах p,v и T,s.
Решение:
Для расчетов неизвестных параметров необходимо рассчитать газовую постоянную. Газовая постоянная является индивидуальной для каждого газа, то есть зависит от молекулярной массы газа и рассчитывается по формуле:
(2.1)
где см - это кажущаяся молекулярная масса, она зависит от пропорции компонентов, из которых состоит смесь газа.
Для воздуха газовая постоянная будет равна:
Так же понадобится для расчетов изобарная (ср) и изохорная (сv) теплоемкости, показатель адиабаты и объем при нормальных условиях. Так как данный газ воздух - трёхатомный, следовательно, изобарная теплоемкость равна:
, (2.2)
а изохорная теплоемкость равна:
, (2.3)
Показатель адиабаты равен:
, (2.4)
Объем при нормальных условиях будет равен:
, (2.5)
Определение параметров газа в переходных точках цикла.
Определим параметры газа в точке 1.
Найдем объем v1 из уравнения Клапейрона:
(2.6)
Для данной точки объем будет равен:
(2.7)
где R - газовая постоянная, кДж/кг*К;
Т1 - температура в точке 1, К;
р1 - давление в точке 1, Па.
Вычислим внутреннюю энергию u1.
Величина внутренней энергии газа зависит, как от скорости движения молекул и атомов, так и от расстояния между ними. Скорость движения микрочастиц вещества зависит от температуры тела, а силы взаимодействия между ними - от удельного объема. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде:
(2.8)
где сv - изохорная теплоемкость газа, кДж/кгК.
Определим энтальпию h1.
Энтальпия газа так же, как и внутренняя энергия, зависит только от температуры. Следовательно, энтальпия h1 рассчитывается по формуле:
(2.9)
где ср - изобарная теплоемкость газа, кДж/кгК.
Найдем энтропию s1.
В уравнении первого закона термодинамики dq = du + pdv только du является полным дифференциалом внутренней энергии u. Введением множителя 1/Т можно привести это уравнение к уравнению в полных дифференциалах:
(2.10)
где ds - полный дифференциал параметра s, то есть энтропии.
Для идеальных газов pv = RT, du = cvdT, поэтому
(2.11)
После интегрирования (2.11) получаем расчетную формулу для определения энтропии:
(2.12)
где v1 - объем точки 1, м3/кг;
vн - объем при нормальных условиях, м3/кг.
Определим параметры газа в точке 2.
Найдем объем v2 с помощью степени сжатия .
, (2.13)
Отсюда выразим v2:
(2.14)
Найдем температуру Т2 по формуле:
(2.15)
Найдем из уравнения Клапейрона pv = RT давление p2:
(2.16)
где Т2 - температура в точке 2, К;
v2 - объем в точке 2, м3/кг.
Найдем внутреннюю энергию u2 аналогично u1:
(2.17)
Вычислим энтальпию h2 аналогично h1:
(2.18)
Найдем энтропию s2 аналогично s1:
(2.19)
Определим параметры газа в точке z.
Найдем температуру ТZ через степень повышения давления из соотношения:
(2.20)
отсюда выразим ТZ:
(2.21)
Определим давление рZ через степень повышения давления из соотношения:
(2.22)
отсюда выразим рZ:
(2.23)
где р2 - давление в точке 2; МПа.
.
Определим объём
(2.24)
Найдем внутреннюю энергию uZ аналогично u1:
(2.25)
Вычислим энтальпию hZ аналогично h1:
(2.26)
Найдем энтропию sZ аналогично s1:
(2.27)
Определим параметры газа в точке 3.
Найдем температуру Т3 через степень повышения давления из соотношения:
(2.28)
отсюда выразим Т3:
(2.29)
Найдём давление из условия, что процесс z-3 является изобарическим:
, (2.30)
Отсюда
.
Вычислим из уравнения Клапейрона: pv = RT объем v3:
(2.31)
где Т3 - температура в точке 3; К,
р3 - давление в точке 3; МПа.
Найдем внутреннюю энергию u3 аналогично u1:
(2.32)
Определим энтальпию h3 аналогично h1:
(2.33)
Вычислим энтропию s3 аналогично s1:
(2.34)
Определим параметры газа в точке 4.
Найдем температуру Т4 из соотношения:
(2.35)
Отсюда:
, (2.36)
(К).
Вычислим давление р4, выразив его из формулы:
(2.37)
(2.38)
Отсюда
(МПа).
Найдем из уравнения Клапейрона pv = RT объем v4:
(2.39)
Определим внутреннюю энергию u4 аналогично u1:
(2.40)
Найдем энтальпию h4 аналогично h1:
(2.41)
Найдем энтропию s4 аналогично s1:
(2.42)
Определение тепла q, работы l и изменения параметров: внутренней энергии Дu, энтальпии Дh, энтропии Дs, в каждом процессе.
Процесс 1-2 (s = const).
Тепло q1-2 равно нулю:
Найдем работу l1-2:
(2.43)
Вычислим изменение внутренней энергии Дu1-2:
(2.44)
Определим изменение энтальпии Дh1-2:
(2.45)
Найдем изменение энтропии Дs1-2:
(2.46)
Процесс 2 - z (v = const).
Найдем тепло q2-Z:
(2.47)
Работа l2-Z равна нулю:
(2.48)
Найдем изменение внутренней энергии Дu2-Z:
(2.49)
Найдем изменение энтальпии Дh2-Z:
(2.50)
Вычислим изменение энтропии Дs2-Z:
(2.51)
Процесс z - 3 (p = const).
Найдем тепло qZ-3:
(2.52)
Найдём работу lZ-3 :
(2.53)
Определим изменение внутренней энергии ДuZ-3:
(2.54)
Вычислим изменение энтальпии ДhZ-3:
(2.55)
Найдем изменение энтропии ДsZ-3:
(2.56)
Процесс 3 - 4 (s = const).
Тепло q3-4 равно нулю:
(2.57)
Найдем работу l3-4:
(2.58)
Вычислим изменение внутренней энергии Дu3-4:
(2.59)
Определим изменение энтальпии Дh3-4:
(2.60)
В адиабатном процессе 3-4 изменение энтропии Дs3-4 равно нулю:
(2.61)
Процесс 4 - 1 (v = const).
Найдем отведенное тепло q4-1:
(2.62)
Найдём работу
l4-1=о. (2.63)
Найдем изменение внутренней энергии Дu4-1:
(2.64)
Найдем изменение энтальпии Дh4-1:
(2.64)
Найдем изменение энтропии Дs4-1:
(2.65)
Определение полезной работы l, подведённого и отведённого тепла, КПД t (двумя способами).
Найдем подведенное тепло q1:
, (2.66)
Найдем отведенное тепло q2:
, (2.67)
Найдем полезную работу l:
(2.68)
Вычислим КПД:
(2.69)
.
(2.70)
.
Таблица 2.1 - Расчёт параметров в переходных точках циклах.
Точка |
p, МПа |
Т, К |
v, м3/кг |
u, кДж/кг |
h, кДж/кг |
s, кДж/кгК |
|
1 |
0,1 |
300 |
0,39 |
137,4 |
176,7 |
0,057 |
|
2 |
2,707 |
625,2 |
0,03 |
286,3 |
368,2 |
0,057 |
|
Z |
6,632 |
1532 |
0,03 |
701,7 |
902,3 |
0,471 |
|
3 |
6,632 |
1716 |
0,034 |
785,9 |
1011 |
0,539 |
|
4 |
0,283 |
850,3 |
0,39 |
389,4 |
500,8 |
0,534 |
Таблица 2.2 - Результаты расчёта тепла, работы и изменения параметров.
Процесс |
q, кДж/кг |
l, кДж/кг |
Дu, кДж/кг |
Дh, кДж/кг |
Дs, кДж/кг К |
|
1-2 |
0 |
-148,9 |
148,9 |
191,5 |
0 |
|
2-z |
415,3 |
0 |
415,3 |
534,1 |
0,41 |
|
z-3 |
108,4 |
23,92 |
84,27 |
108,4 |
0,067 |
|
3-4 |
0 |
396,5 |
-396,5 |
-509,9 |
0 |
|
4-1 |
-252 |
0 |
-252 |
-324,1 |
-0,477 |
Таблица 2.3 - результаты расчётов полезной работы, подведённого и отведённого тепла в цикле, его КПД
l, кДж/кг |
q1, кДж/кг |
q2, кДж/кг |
t |
|
271,7 |
523,7 |
-252 |
0,518 |
Таблица 2.4- расчёт параметров промежуточных точек.
Точка |
Р, Мпа |
v, м3/кг |
Точка |
s, кДж/кгК |
Т, К |
|
А |
0,138 |
0,36 |
И |
0,2534 |
1087 |
|
Б |
0,1605 |
0,27 |
К |
0,4705 |
1532 |
|
С |
1,1102 |
0,06 |
Л |
0,5085 |
1634 |
|
Д |
6,6339 |
0,003 |
М |
0,527 |
1685 |
|
Е |
2,0731 |
0,084 |
Н |
0,3344 |
549 |
|
Ж |
0,6623 |
0,204 |
О |
0,1882 |
399 |
|
З |
0,3145 |
0,364 |
Вывод: термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом тепла имеет обобщающий характер.
Рисунок - 2.1 Диаграмма в p,v- координатах.
Рисунок 2.2 - диаграмма в T,s - координатах.
2.2 Задача 2
Определить:
- параметры газа в переходных точках цикла ГТУ (результаты расчёта свести в табл.);
- тепло, работу и изменение параметров ?u, ?h, ?s, в каждом процессе;
- полезную работу, подведённое и отведенное тепло в цикле ГТУ, его КПД (двумя способами);
- построить цикл в масштабе в диаграммах p,v и T,s.
Решение:
Для расчетов неизвестных параметров необходимо рассчитать газовую постоянную. Газовая постоянная является индивидуальной для каждого газа, то есть зависит от молекулярной массы газа и рассчитывается по формуле:
(2.71)
где см - это кажущаяся молекулярная масса, она зависит от пропорции компонентов, из которых состоит смесь газа.
Для воздуха газовая постоянная будет равна:
Так же понадобится для расчетов изобарная (ср) и изохорная (сv) теплоемкости, показатель адиабаты и объем при нормальных условиях. Так как данный газ воздух - трёхатомный, следовательно, изобарная теплоемкость равна:
, (2.72)
а изохорная теплоемкость равна:
, (2.73)
Показатель адиабаты равен:
, (2.74)
Объем при нормальных условиях будет равен:
(2.75),
Определение параметров газа в переходных точках цикла.
Найдем объем v1 из уравнения Клапейрона:
(2.76)
Для данной точки объем будет равен:
(2.77)
Где R - газовая постоянная, кДж/кг*К;
Т1 - температура в точке 1, К;
р1 - давление в точке 1, Па.
Найдем внутреннюю энергию u1.
Величина внутренней энергии газа зависит, как от скорости движения молекул и атомов, так и от расстояния между ними. Скорость движения микрочастиц вещества зависит от температуры тела, а силы взаимодействия между ними - от удельного объема. Поэтому внутреннюю энергию можно представить в виде:
(2.78)
где сv - изохорная теплоемкость газа, кДж/кгК.
Вычислим энтальпию h1.
Энтальпия газа так же, как и внутренняя энергия, зависит только от температуры. Следовательно, энтальпия h1 рассчитывается по формуле:
(2.79)
где ср - изобарная теплоемкость газа, кДж/кгК.
Найдем энтропию s1.
В уравнении первого закона термодинамики dq = du + pdv только du является полным дифференциалом внутренней энергии u. Введением множителя 1/Т можно привести это уравнение к уравнению в полных дифференциалах:
(2.80)
где ds - полный дифференциал параметра s, то есть энтропии.
Для идеальных газов pv = RT, du = cvdT, поэтому
(2.81)
После интегрирования (2.78) получаем расчетную формулу для определения энтропии:
(2.82)
Где v1 - объем точки 1, м3/кг;
vн - объем при нормальных условиях, м3/кг.
Определим параметры газа в точке 2
По изобаре 2-3 определяем, что Р2=Р3, отсюда р2=0,5 МПа.
Из условия, что процесс 1-2 является адиабатным, имеем:
(2.83)
Получаем:
(2.84)
Объём найдём из уравнения Клайперона-Менделеева:
(2.85)
Для данной точки объем будет равен:
(2.86)
Где Т2 - температура в точке 2, К;
р2 - давление в точке 2, Па.
Найдем внутреннюю энергию u2 аналогично u1:
(2.87)
Определим энтальпию h2 аналогично h1:
(2.88)
Найдем энтропию s2 аналогично s1:
(2.89)
Определим параметры газа в точке 3
Найдем объем v3 аналогично v1:
(2.90)
.
Вычислим внутреннюю энергию u3 аналогично u1:
(2.91)
Найдем энтальпию h3 аналогично h1:
(2.92)
Вычислим энтропию s3 аналогично s1:
(2.93)
Определим параметры газа в точке 4
Так как процесс 3-4 является адиабатным:
(2.94)
Отсюда
(2.95)
.
Вычислим объем v4 аналогично v1:
(2.96)
Найдем внутреннюю энергию u4 аналогично u1:
(2.97)
Определим энтальпию h4 аналогично h1:
(2.98)
Вычислим энтропию s4 аналогично s1:
(2.99)
Определение тепла q, работы l и изменения параметров: внутренней энергии Дu, энтальпии Дh, энтропии Дs в каждом процессе.
Процесс 1 - 2 (s = const).
Тепло q1-2 равно нулю:
(2.100)
Определим работу l1-2:
(2.101)
Найдем изменение внутренней энергии Дu1-2:
(2.102)
Вычислим изменение энтальпии Дh1-2:
(2.103)
В адиабатном процессе 1-2 изменение энтропии Дs1-2 равно нулю:
(2.104)
Процесс 2 - 3 (р = const)
Найдем подведенное тепло q2-3:
(2.105)
Найдем работу l2-3:
(2.106)
Найдем изменение внутренней энергии Дu2-3:
(2.107)
Определим изменение энтальпии Дh2-3:
(2.108)
Найдем изменение энтропии Дs2-3:
(2.109)
Процесс 3 - 4 (s = const).
Тепло q3-4 равно нулю:
(2.110)
Вычислим работу l3-4:
(2.111)
Найдем изменение внутренней энергии Дu3-4:
(2.112)
Найдем изменение энтальпии Дh3-4:
(2.113)
В адиабатном процессе 3-4 изменение энтропии Дs3-4 равно нулю:
(2.114)
Процесс 4 - 1 (р = const).
Определим отведенное тепло q4-1:
(2.115)
Вычислим работу l4-1:
(2.116)
Найдем изменение внутренней энергии Дu4-1:
(2.117)
Определим изменение энтальпии Дh4-1:
(2.118)
Найдем изменение энтропии Дs4-1:
(2.119)
Определение полезной работы l, КПД t (двумя способами).
Найдем полезную работу l:
(2.120)
гдe
(2.121)
(2.122)
Найдем КПД:
(2.123)
.
(2.124)
.
Таблица 2.5 - Расчёт параметров в переходных точках циклах
Точка |
p, МПа |
Т, К |
v, м3/кг |
u, кДж/кг |
h, кДж/кг |
s, кДж/кгК |
|
1 |
0,1 |
300 |
0,39 |
137,4 |
176,7 |
0,057 |
|
2 |
0,5 |
429,1 |
0,111 |
196,5 |
252,7 |
0,057 |
|
3 |
0,5 |
1000 |
0,26 |
458 |
589 |
0,556 |
|
4 |
0,1 |
699,1 |
0,908 |
320,2 |
411,8 |
0,556 |
Таблица 2.6 - Результаты расчёта тепла, работы и изменения параметров.
Процесс |
q, кДж/кг |
l, кДж/кг |
Дu, кДж/кг |
Дh, кДж/кг |
Дs, кДж/кг К |
|
1-2 |
0 |
-59,13 |
59,13 |
76,04 |
0 |
|
2-3 |
336,3 |
74,22 |
261,5 |
336,3 |
0,498 |
|
3-4 |
0 |
137,8 |
-137,8 |
-177,2 |
0 |
|
4-1 |
-235 |
-51,88 |
-182,2 |
-235 |
-0,498 |
Таблица 2.7 - Результаты расчётов полезной работы, подведённого и отведённого тепла в цикле, его КПД
l, кДж/кг |
q1, кДж/кг |
q2, кДж/кг |
t |
|
78,8 |
261,5 |
-182,2 |
0,301 |
Таблица 2.8- расчёт параметров промежуточных точек
Точка |
Р, Мпа |
v, м3/кг |
Точка |
s, кДж/кгК |
Т, К |
|
А |
0,1193 |
0,34 |
И |
0,2745 |
619,7 |
|
Б |
0,1867 |
0,24 |
К |
0,5563 |
1001 |
|
С |
0,3734 |
0,14 |
Л |
0,4859 |
622 |
|
Д |
0,3312 |
0,36 |
М |
0,3187 |
468 |
|
Е |
0,1876 |
0,56 |
Н |
0,2130 |
391 |
|
Ж |
0,1519 |
0,66 |
О |
0,0841 |
314 |
|
З |
0,1081 |
0,86 |
Вывод: с увеличением степени повышения давления и показателя адиабаты k, КПД ГТУ с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении возрастает. Однако термический КПД еще не может служить мерой экономичности установки. Эту роль выполняет эффективный КПД ГТУ.
Рисунок 2.3 - диаграмма в p,v - координатах.
Рисунок 2.4 - диаграмма в T, s - координатах.
3. ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК
3.1 Задача 1
В цикле паросиловой установки осуществляется одноступенчатый промежуточный перегрев пара до температуры t1. Определить термический КПД цикла при различных значениях давления промперегрева рп (2.0; 1.0; 0.5; 0.2; 0.1 МПа), построить зависимость t = f(рп), сравнить с термическим КПД без промперегрева. Построить цикл в T, s - и h, s - диаграммах.
Решение:
Термический КПД цикла с промежуточным перегревом пара определяем по формуле:
, (3.1)
где h1 - энтальпия в точке 1, кДж/кг;
hа - энтальпия в точке а, кДж/кг;
hв - энтальпия в точке в, кДж/кг;
h2 - энтальпия в точке 2, кДж/кг;
h2' = h3 = 4.19 t2 - энтальпия в точке 3, кДж/кг.
Рассчитаем термический КПД для каждого случая отдельно.
Расчет термического КПД при давлении промперегрева рп = 20 бар.
По h, s - диаграмме для водяного пара находим энтальпии:
h1 = 3172 кДж/кг,
hа = 2937 кДж/кг,
hв = 3226 кДж/кг,
h2 = 2138 кДж/кг,
h2' = 4.19 t2 = 4.19·29=121,51 кДж/кг.
Энтальпии h1 и h2' в каждом рассмотренном нами случае будут одинаковы. Подставим значения энтальпий в формулу (3.1):
Расчет термического КПД при давлении промперегрева рп = 10 бар.
Аналогично находим энтальпии:
hа = 2789 кДж/кг,
hв = 3243 кДж/кг,
h2 = 2240 кДж/кг.
Подставим значения энтальпии в формулу (3.1):
Расчет термического КПД при давлении промперегрева рп = 5 бар.
Аналогично находим энтальпии:
hа = 2659 кДж/кг,
hв = 3252 кДж/кг,
h2 = 2339 кДж/кг.
Подставим значения энтальпии в формулу (3.1):
Расчет термического КПД при давлении промперегрева рп = 2 бар.
Аналогично находим энтальпии:
hа = 2503 кДж/кг,
hв = 3256 кДж/кг,
h2 = 2469 кДж/кг.
Подставим значения энтальпий в формулу (3.1):
Расчет термического КПД при давлении промперегрева рп = 1 бар.
Аналогично найдем энтальпии:
hа = 2396 кДж/кг,
hв = 3258 кДж/кг,
h2 = 2566кДж/кг.
Подставим значения энтальпий в формулу (3.1):
Расчет термического КПД без промперегрева.
По h, s - диаграмме определим энтальпии:
h1 = 3172 кДж/кг,
h2 = 1991 кДж/кг,
t2 = 29оС.
Термическое КПД без промперегрева можно посчитать по формуле:
(3.2)
Найденные значения КПД приведены в табл. 3.1.
Таблица З.1 - Зависимости t = f(рп) и термического КПД без промперегрева.
рп, бар |
20 |
10 |
5 |
2 |
1 |
без п. |
|
зt |
0,3962 |
0,3968 |
0,3914 |
0,3828 |
0,3752 |
0,3872 |
Построение зависимости t = f(рп) и сравнение с термическим КПД без промперегрева.
График зависимости t = f(рп) показан на рисунке 3.1.
Вывод: из T,s - диаграммы видно, что промежуточный перегрев позволяет значительно увеличить сухость пара на выходе из турбины, это сказывается на благоприятные условия турбины.
Рисунок 3.1 - график зависимости t = f(рп).
3.2 Задача 2
Паросиловая установка работает по циклу с двухступенчатым подогревом питательной воды в смесительных теплообменных аппаратах, давление первого отбора р01 = 0.3 МПа, второго отбора р02 = 0.12 МПа. Определить термический КПД регенеративного цикла, построить цикл в T, s - и h, s - диаграммах, сравнить с КПД обычного цикла Ренкина.
Решение:
Термический КПД регенеративного цикла рассчитаем по формулам:
, (3.3)
, (3.4)
, (3.5)
где
, (3.6)
(3.7)
h1 - энтальпия в точке 1, кДж/кг;
h2 - энтальпия в точке 2, кДж/кг;
h01 - энтальпия в точке О1,кДж/кг;
h02 - энтальпия в точке О2, кДж/кг;
h'01 = 4.19 t01,
h'02 = 4.19 t02,
h'2 = 4.19 t2.
По h, s - диаграмме находим нужные для расчета энтальпии и температуры:
h1 = 3247 кДж/кг, t1 = 440 oC,
h2 = 2053 кДж/кг, t2 = 44 оС,
h01 = 2534 кДж/кг, t01 = 134 оС,
h02 = 2390 кДж/кг, t02 = 105 оС.
Расчёт энтальпии h'01, h'02, h'2
h'01 ==561,46кДж/кг,
h'02 == 439,95 кДж/кг,
h'2 == 184,36 кДж/кг.
Расчёт 1 и 2.
1 рассчитаем по формуле (3.6):
,
2 рассчитаем по формуле (3.7):
.
Расчет термического КПД регенеративного цикла.
Рассчитаем термический КПД по формуле (3.3):
.
Теперь рассчитаем термический КПД по формуле (3.4):
.
Найдём термический КПД по формуле (3.5):
.
Расчет термического КПД обычного цикла Ренкина.
Термический КПД цикла Ренкина рассчитаем по формуле:
(3.8)
.
4. ЦИКЛЫ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТЕПЛА
4.1 Задача 1
В газовой холодильной установке в качестве рабочего тела используется воздух с давлением перед компрессором р1 = 0.1 МПа. Определить затрачиваемую в теоретическом цикле работу l, удельную холодопроизводительность q2, и холодильный коэффициент .
Решение:
Для того, чтобы найти затрачиваемую в теоретическом цикле работу, удельную холодопроизводительность и холодильный коэффициент нам необходимо рассчитать молекулярную массу вещества, изохорную и изобарную теплоемкости и показатель адиабаты.
Итак, молекулярная масса воздуха будет равна:
Так как воздух - двухатомный газ, тогда изобарная теплоемкость будет находиться следующим образом:
Изохорная теплоемкость будет равна:
Показатель адиабаты будет равен отношению изобарной теплоемкости к изохорной:
Расчет удельной холодопроизводительности в цикле.
Удельную холодопроизводительность рассчитаем по формуле:
(4.1)
где СР - изобарная теплоемкость, кДж/кгК;
Т1 - температура в точке 1, К;
Т4 - температура в точке 4, К.
Так как процессы 2 - 3 и 4 - 1 -- p = const, тогда следует, что
и .
Тогда можно найти температуры Т2 и Т4.
Температуру Т2 можно рассчитать по формуле:
(4.2)
отсюда Т2 будет равна:
(4.3)
Где р2 - давление в точке 2, Па;
р1 - давление в точке 1, Па;
к - показатель адиабаты.
Температуру Т4 можно рассчитать по формуле:
(4.4)
откуда Т4 будет равна:
(4.5)
где Т3 - температура в точке 3, К.
Теперь рассчитаем удельную холодопроизводительность:
Расчет затраченной работы в цикле.
Затраченная работа рассчитывается по формуле:
(4.6)
где кДж/кг;
кДж/кг.
Подставив q1 и q2 получим следующую формулу:
(4.7)
где Т2 - температура в точке 2, К;
Расчет холодильного коэффициента в цикле.
Холодильный коэффициент можно рассчитать по формуле:
(4.8)
(4.9)
(4.10)
где - степень повышения давления в компрессоре.
Итак, рассчитаем холодильный коэффициент по формуле (4.8):
Рассчитаем холодильный коэффициент по формуле (4.9):
Теперь рассчитаем холодильный коэффициент по формуле (4.10):
Результаты сведены в таблице4.1.
Таблица 4.1
q2, кДж/кг |
l, кДж/кг |
е |
|
67,2357 |
30,4818 |
2,2062 |
Вывод: более низкий холодильный коэффициент цикла газовой холодильной установки объясняется необратимостью теплообмена в изобарных процессах отвода (2 - 3) и подвода (4 - 1) теплоты к рабочему телу, так как эти процессы протекают при конечной разности температур.
4.2 Задача 2
Парокомпрессорная холодильная установка работает на хладоагенте R12 при температуре испарения tИ, оС и температуре конденсации tК, оС. После сжатия в компрессоре пар сухой насыщенный. Расширение сконденсированного фреона осуществляется в дросселе. Определить холодильный коэффициент установки, построить циклы в диаграммах T, s и ln p, h.
Решение:
Холодильный коэффициент рассчитывается по формуле:
(4.11)
где q 0 - удельная холодопроизводительность, кДж/кг;
l - затраченная работа, кДж/кг.
Удельная холодопроизводительность будет равна:
(4.12)
Где h1 - энтальпия в точке 1, кДж/кг;
h4 - энтальпия в точке 4, кДж/кг.
Затраченная работа будет равна:
(4.13)
Где h2 - энтальпия в точке 2, кДж/кг.
Подставим выражения (4.12) и (4.13) в формулу (4.11) и получим:
(4.14)
По ln р, h - диаграмме находим нужные энтальпии:
h1 = 545 кДж/кг;
h2 = 565 кДж/кг;
h3 = h4 = 430 кДж/кг.
Подставим значения энтальпий в формулу (4.14) и рассчитаем холодильный коэффициент:
Вывод: холодильный коэффициент паровой компрессорной холодильной установки значительно выше, чем у газовых холодильных машин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе этой работы я рассмотрела газовые процессы и циклы, паросиловые установки, а также циклы трансформаторного тепла. И выяснила, что в изотермическом процессе изменение внутренней энергии равно нулю и изменение энтальпии равно нулю ; конечная энтропия получилась на много меньше начальной, потому что удельный объём в ходе процесса на много увеличился. Работа получается отрицательной, потому что в ходе процесса температура увеличилась. Энтропия и изменение энтропии в большей степени зависит от температуры, чем от объёма. С увеличением температуры, увеличивается и энтальпия, и внутренняя энергия.
Из анализа работы реального двигателя видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нём присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечной скорости поршня и др.
Паросиловые установки отличаются от газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания тем, что рабочим телом служит пар какой-либо жидкости (обычно водяной пар), а продукты сгорания топлива являются лишь промежуточным теплоносителем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
В.Н. Кузнецов. Транспортная теплотехника. Часть 1. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983.
А.И. Андрющенко. Основы термодинамических циклов теплоэнергетических установок. М.:Высшая школа., 1968.
А.М. Литвин. Техническая термодинамика. Госэнергоиздат, 1963.
В.А. Кудинов. Техническая термодинамика. М.:Высшая школа.,2005.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания и его характеристика. Определение изменения в процессах цикла внутренней энергии и энтропии, подведенной и отведенной теплоты, полезной работы. Расчет термического коэффициента полезного действия цикла.
курсовая работа [209,1 K], добавлен 01.10.2012Устройство и принцип работы теплового газотурбинного двигателя, его схема, основные показатели во всех основных точках цикла. Способ превращения теплоты в работу. Определение термического коэффициента полезного действия через характеристики цикла.
курсовая работа [232,8 K], добавлен 17.01.2011Описание принципиальной тепловой схемы паротурбинной электростанции и определение термического коэффициента её полезного действия. Превращения энергии на ТЭЦ и характеристика технологической схемы котел – турбина. Устройство двухвальных турбогенераторов.
реферат [1,1 M], добавлен 25.10.2013Потребление тепловой и электрической энергии. Характер изменения потребления энергии. Теплосодержание материальных потоков. Расход теплоты на отопление и на вентиляцию. Потери теплоты с дымовыми газам. Тепловой эквивалент электрической энергии.
реферат [104,8 K], добавлен 22.09.2010Пути и методики непосредственного использования световой энергии Солнца в промышленности и технике. Использование северного холода как источника энергии, его потенциал и возможности. Аккумулирование энергии и повышение коэффициента полезного действия.
реферат [18,0 K], добавлен 20.09.2009Порядок определения термического коэффициента полезного действия циклов, исследуемой установки брутто. Вычисление удельного расхода тепла, коэффициента практического использования. Относительное увеличение КПД от применения промперегрева и регенерации.
контрольная работа [1021,7 K], добавлен 12.09.2010Капиталовложения в строительство ТЭЦ. Полезный отпуск теплоты с коллекторов станции. Годовая выработка электрической энергии. Коэффициент полезного действия станции на отпуск электроэнергии. Калькуляции себестоимости электрической энергии и теплоты.
курсовая работа [255,8 K], добавлен 08.02.2011Виды механической энергии. Кинетическая и потенциальная энергии, их превращение друг в друга. Сущность закона сохранения механической энергии. Переход механической энергии от одного тела к другому. Примеры действия законов сохранения, превращения энергии.
презентация [712,0 K], добавлен 04.05.2014Исследование свойств теплопроводности как физического процесса переноса тепловой энергии структурными частицами вещества в процесс их теплового движения. Общая характеристика основных видов переноса тепла. Расчет теплопроводности через плоскую стенку.
реферат [19,8 K], добавлен 24.01.2012Расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей ГТН–16. Определение расчётных зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 07.02.2016