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 Р23, 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 01.10.2012

  • Устройство 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 17.01.2011

  • Описание 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 25.10.2013

  • Потребление 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 22.09.2010

  • Пути 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 20.09.2009

  • Порядок 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 12.09.2010

  • Капиталовложения 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 08.02.2011

  • Виды 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 04.05.2014

  • Исследование 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 24.01.2012

  • Расчет 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

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.