|
Процессы изменения состояния вещества
Теоретические основы
Термодинамическим процессом называется любое изменение состояния вещества, например, газа. Вид процесса обычно определяется тем, что задано условие постоянства какой-либо функции состояния (например, и = idem, i = idem, s = idem и т. п.) или какого-либо параметра (например, P =idem, t=idem, υ=idem). В ряде случаев процесс может быть задан условием о равенстве нулю какого-либо эффекта в процессе (например, равенство нулю теплообмена, δq=0 ).
Большинство процессов описывается общим уравнением политропы с постоянным показателем
Соотношения между парамет
зависимости термодинами
Наименова-ние процесса
| Уравнение процесса
| Показатель политропы
| Связь между параметрами
| Термодинами-ческая работа
| Политропный
| PVn=idem
|
|
|
| Изобарный
| P=idem
| n = 0
|
|
| Изохорный
| V=idem
| n = ±¥
|
|
| Изотерми-ческий
| PV=idem
| n = 1
|
|
| Адиабатный
| PVк=idem
| n = к=
|
|
|
Таблица 3.1.3.
рами состояния, расчетные и проверочные
ческих величин в процессах
Потенциальная работа
| Теплоем-кость процесса
| Количество тепла
| Изменение энтропии
|
|
|
|
|
| Срm
|
|
|
| Cvm
|
q1,2=Сvm(T2-T1)
|
|
| ¥
|
|
|
|
|
|
|
(3.1.29).
или
(3.1.30).
где n - показатель политропы, являющийся постоянной величиной для данного процесса, который может в зависимости от вида процесса иметь численные значения от - ∞ до 0 и от 0 до + ∞. С и С1 - постоянные, характеризующие прохождение процесса через какую-либо точку процесса, например, точку 1, 2 . . .n.
(3.1.31).
(3.1.32).
Из уравнения (3.1.29) и (3.1.30) следуют различные простейшие процессы: Р=idem (изобарический) при n = 0 из уравнения (3.1.29); υ=idem (изохорический) при n=±∞ из уравнения (3.1.30); Рυ=idem (изопотенциальный, а для идеальных газов Рυ=RT, изотермический, t=idem) при n=1 из уравнений (3.1.29) либо (3.1.30) и т.п.
Следовательно, политропический процесс это любой процесс и он становится определенным только после того, как задано значение показателя п.
Решение задач на процессы обычно сводится к нахождению численных значений Р, υ, t в характерных точках, процесса (1,2), определению эффекта процесса (величины работы, подведенного или отведенного тепла и т. п.).
Основные соотношения между параметрами состояния, расчетные и проверочные зависимости термодинамических величин в процессах указаны в табл. 3.1.3.
Примеры решения задач
Пример 3.1.11. 1 кг метана при постоянной температуре t1=+15°С и начальном давлении P1=3,5 МПа сжимается до давления P2=5,5 МПа. Определить удельный конечный объем и количество тепла, отводимого в процессе сжатия, затрачиваемую работу.
Решение
1. Процесс изотермический, то есть по условию задачи температура газа в процессе сжатия остается неизменной t = + 15°С = idem.
2. Удельный начальный объем газа определяют из уравнения состояния
м3/кг,
где R — газовая постоянная метана
Дж/(кг∙К).
Так как в изотермическом процессе, когда n = 1
(3.1.33)
то конечный объем газа равен
м3/кг.
3. Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг метана, определяется из уравнения
кДж/кг.
4. Количество тепла, отводимого от газа, численно равно работе, затраченной на сжатие. Следовательно
q = - 67,527 кДж/кг.
Пример 3.1.12. Метан массой 1 кг адиабатически расширяется с давления Р1=5,5 МПа и температуры 50°С до давления Р2=1 МПа. Найти конечные объем, температуру, потенциальную и термодинамическую работу, изменение внутренней энергии и энтальпии. Показатель процесса расширения принять равным k = 1,4.
Решение
1.Начальный удельный объем находится из уравнения Клапейрона. Газовая постоянная для метана 518,3 Дж/кг∙К.
м3/кг.
2. Для адиабатического процесса справедливы уравнения вида
.
Отсюда
К;
t2=T2-273,2≈75 oC.
3. Конечный объем в процессе расширения равен
м3/кг.
4. Определение удельных значений работ осуществляется с помощью следующих уравнений
Термодинамическая работа
Потенциальная работа
кДж/кг.
5. Изменение внутренней энергии и энтальпии в обратимом адиабатическом процессе соответственно равно термодинамической и потенциальной работам.
кДж/кг;
кДж/кг.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 3.1.29.В компрессоре сжимается воздух (молекулярная масса μ = 28,96) от начального состояния Р1 = 0,102 МПа и t1 = + 15°С до P2 = 0,408 МПа и t2=184,3°С. Теплоемкость воздуха принимается равной Cp = 1 кДж/кг°С. Определить удельную потенциальную работу сжатия w1,2, изменение энтальпии и полный теплообмен по балансу рабочего тела (q1,2= q*1,2+ q**1,2).
Ответ: w1,2=-145,8 кДж/кг; i2 – i1=169,3 кДж/кг; q1,2=23,5 кДж/кг.
Задача 3.1.30.Воздух в количестве 3 м3 расширяется политропно от Р1= 0,54 МПа и t1=45 0С до P2= 0,54 МПа. Объем, занимаемый при этом воздухом, становится равным 10 м3. Найти показатель политропы, конечную температуру, полученную работу и количество подведенной теплоты.
Ответ: n = 1,06; t2= 21,4 0С;L = 1875 кДж; Q = 1575 кДж.
Задача 3.1.31. В процессе политропного сжатия затрачивается работа, равная 195 кДж, причем в одном случае от газа отводится 250 кДж, а в другом – газу сообщается 42 кДж. Определить показатели общих политроп.
Ответ: n = 0,9; n = 1,49.
Пары
Теоретические основы
Различают следующие понятия паров разного рода жидкостей: воды, фреонов, углекислоты.
1. Влажный насыщенный пар - это смесь жидкости и сухого пара, то есть в такой смеси частицы жидкости равномерно распределены в паре.
Состояние влажного насыщенного пара характеризуется параметрами Р и υ, Р и х, t и х. Параметры Р — t не определяют состояния влажного насыщенного пара, так как в этой области изобара (Р = idem) и изотерма (t = idem) совпадают.
Параметр х характеризует так называемую сухость пара, то есть отношение количества пара G” к количеству смеси в целом G = G’ + G”
. (3.1.34)
При рассмотрении паров индексом ' обозначают все, что относится к воде (в данном случае G' — это количество воды в смеси), индексом “ обозначают все то, что относится к пару (в данном случае G” — это количество пара в смеси).
Величину у = 1 - х называют влажностью пара
. (3.1.35)
Величина х изменяется в диапазоне от 0 до 1
(3.1.36)
Если х = 0, то это вода (G = G’), пара в этом состоянии нет (G” = 0), если x = 1, то это сухой насыщенный пар, то есть пар полностью освобожден от примесей воды (G’ = 0, G = G”). Тепло, расходуемое на превращение 1 кг воды, предварительно нагретой до температуры кипения или, как ее иногда называют, до температуры насыщения (ts), в пар той же температуры (ts) и того же давления, называют скрытой теплотой парообразования или просто теплотой парообразования и обозначают буквой r.
После того как жидкость полностью переведена в пар, и мы имеем сухой насыщенный пар, дальнейший подвод тепла вызывает повышение температуры пара и он становится перегретым паром. Таким образом, перегретым паром называется пар, температура которого выше температуры сухого насыщённого пара (t>ts) при том же давлении.
Решение задач на пары обычно осуществляется с помощью i-s диаграммы или таблиц, характеризующих состояние насыщенного пара в зависимости от давления или от температуры на кривой насыщения.
Примеры решения задач
Пример 3.1.13.Определить состояние пара при следующих параметрах:
1) Р=0,5 МПа и υ=0,30 м3/кг,
2) P=1,0 МПа и t=200° С,
3) Р =2,0 МПа и t=212,4°С.
Решение
1. Из данных табл. 3.1.4 видно, что давлению Р = 0,5 МПа соответствует удельный объем насыщенного пара υ’’ = 0,3749 м3/кг. Это же можно видеть и на i-s диаграмме, на линии х = 1. Величина υ’’ = 0,3749 м3/кг больше данного по условию задачи объема υ = 0,30 м3/кг. Это значит, что пар с объемом υ = 0,30 м3/кг является влажным насыщенным паром, а степень его сухости можно найти из соотношения объемов
.
Влажность пара
y = 1- x = 1 – 0,78 = 0,22.
2. Из данных табл. 3.1.4 видно, что давлению Р = 1 МПа соответствует температура насыщения = 179,9 °С. Это видно и из диаграммы i-s на линии х = 1. Так как в данном случае пар имеет температуру 200 °С, то он перегрет, а температура перегрева
tm = t - ts = 200 - 179,9 =20,1oC.
3. Давлению Р = 2,0 МПа соответствует температура насыщения ts = 212,4 °C. Следовательно, пар влажный насыщенный. Однако сказать, влажный он или сухой, то есть определить величину х и у нельзя, так как параметры Р и t здесь совпадают между собой и представляют в нижней части i-s диаграммы (где ) одну линию.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 3.1.32. Определить состояние водяного пара с давлением Р = 1 МПа, если его энтальпия i = 2680кДж/кг.
Ответ: влажность пара y = 1 - x = 0,05.
Задача 3.1.33. В резервуаре объемом 1,5 м3 содержится 5 кг воды и 8 кг сухого пара. Определить давление в резервуаре.
Ответ: МПа.
Задача 3.1.34. Определить массу и энтальпию 0,6 м3 пара влажностью у = 1-х = 0,2 при давлении Р = 0,3 МПа.
Ответ: G=1,24 кг; I=2843,1 кДж.
Задача 3.1.35.С помощью диаграммы i-s определить конечную температуру, термодинамическую и потенциальную работу процесса расширения, когда пар массой G = 10 кг расширяется от начальных параметров Р1 = 3,0 МПа и t1 = 350°С в изохорном процессе (υ=idem) до давления P2 = 2,0 МПа. Определить также количество отводимого тепла и конечную температуру.
Ответ: t2=210 оС; Q1,2=-3,8 МДж.
Задача 3.1.36. Пар массой G = 10 кг при степени сухости х = 0,90 и давлении Р = 1 МПа подогревается в процессе P=idem до температуры t2 = 300°С. С помощью диаграммы i-s определить начальные и конечные параметры пара, количество подведенного тепла, термодинамическую и потенциальную работу, изменение внутренней энергии.
Ответ: Δи=0,39 МДж/кг; Q1,2=4,8 МДж; L1,2=900 кДж; W1,2=0.
Задача 3.1.37. Пар с температурой 200°С расширяется изотермически (t=idem) от давления Р1 = 0,5 МПа до Р2 = 0,1 МПа. Определить количество тепла, сообщаемое пару, изменение внутренней энергии и работу расширения с помощью диаграммы i-s.
Ответ: Δи=20 кДж/кг; количество тепла q1,2=373,8 кДж/кг; работа расширения q1,2=353,8 кДж/кг.
Таблица 3.1.4
Параметры сухого насыщенного пара и воды в зависимости
от давления на кривой насыщения
Р,
МПа
| ts, °C
| υ’, м3/кг
| υ’’,м3/кг
| ρ’’, кг/м3
| i’, кДж/кг
| i”, кДж/кг
| r, кДж/кг
| s’, кДж/кг∙К
| s”, кДж/кг∙К
| 0,001
| 6,94
| 0,0010001
| 130,0
| 0,0077
| 29,18
| 2513,4
| 2484,2
| 0,1053
| 8,975
| 0,002
| 17,49
| 0,001001
| 67,24
| 0,01487
| 73 ,40
| 2533,1
| 2469,7
| 0,2603
| 8,7227
| 0,003
| 24,08
| 0,001003
| 45,77
| 0,02185
| 100,9
| 2545,3
| 2444,4
| 0,3547
| 8,5784
| 0,005
| 32,89
| 0,001005
| 28,24
| 0,03541
| 137,8
| 2560,9
| 2423,1
| 0,4764
| 8,3943
| 0,010
| 45,82
| 0,00101
| 14,70
| 0,06805
| 191,8
| 2583,9
| 2392,9
| 0,6496
| 8,1494
| 0,020
| 60,08
| 0,00102
| 7,652
| 0,1307
| 251,5
| 2609,2
| 2357,7
| 0,8324
| 7,9075
| 0,040
| 75,87
| 0,00108
| 3,999
| 0,2501
| 317,6
| 2336,3
| 2319,7
| 1,0261
| 7,6710
| 0,080
| 93,50
| 0,00104
| 2,089
| 0,4787
| 391,8
| 2665,3
| 2273,5
| 1,2331
| 7,4342
| 0,10
| 99,62
| 0,00104
| 4,696
| 0,5896
| 417,5
| 2674,9
| 2257,5
| 1,3026
| 7,3579
| 0,14
| 109,3
| 0,00105
| 1 ,237
| 0,8083
| 458,4
| 2690,1
| 2231,7
| 1,4109
| 7,2460
| 0,20
| 120,2
| 0,00106
| 0,8860
| 1,129
| 504,7
| 2706,8
| 2202,0
| 1,5306
| 7,1279
| 0,26
| 128,7
| 0,00107
| 0,6929
| 1,443
| 5,41,2
| 2718,9
| 2177,7
| 1,6213
| 7,0399
| 0,30
| 133,5
| 0,00107
| 0,6055
| 1 ,652
| 561,7
| 2725,5
| 2163,9
| 1,6716
| 6,9922
| 0,40
| 143,6
| 0,00108
| 0,4623
| 2.163
| 604,6
| 2738,7
| 2134,1
| 1,7766
| 6,8969
| 0,50
| 151,8
| 0,00109
| 0,3749
| 2,667
| 640,1
| 2748,8
| 218,7
| 1,8605
| 6,8221
| 1,0
| 179,9
| 0,00113
| 0,1945
| 5,143
| 762,4
| 2777,8
| 2015,3
| 2,1383
| 6,5867
| 2,0
| 212,4
| 0,00118
| 0,0996
| 10,04
| 908,6
| 2799,2
| 1890,7
| 2,4471
| 6,3411
| 4,0
| 250,3
| 0,00125
| 0,0498
| 20,09
| 1078,5
| 2800,6
| 1713,2
| 2,7965
| 6,0689
| 8,0
| 295,0
| 0,00138
| 0,023
| 42,52
| 1317,3
| 2758,6
| 1441,2
| 3,2079
| 5,7448
| 16,0
| 347,3
| 0,0017
| 0,0093
| 107.3
| 1649,6
| 2581 ,7
| 932,1
| 3,756
| 5,2478
| 22,0
| 373,7
| 0,0027
| 0,0038
|
| 2009,7
| 2195,6
| 185,9
| 4,294
| 4,5814
| Параметры критической точки: давление Рк=221,3 бар, температура tк=374,15° С, удельный объем υк= 0,00326 м3/кг,
Таблица 3.1.5
Параметры сухого насыщенного пара и воды в зависимости
от температуры на кривой насыщения
t,
°C
| Р,
бар
| υ’, м3/кг
| υ’’,м3/кг
| ρ’’, кг/м3
| i’, кДж/кг
| i”, кДж/кг
| r, кДж/кг
| s’, кДж/кг∙К
| s”, кДж/кг∙К
|
| 0,0061
| 0,0010
| 206,3
| 0,0048
| 0,0
| 2500,8
| 2600,8
| 0,0
| 9,1544
|
| 0,0123
| 0,0010
| 106,4
| 0,0094
| 42,04
| 2510,2
| 2477,3
| 0,1511
| 8,8995
|
| 0,0234
| 0,0010
| 57,84
| 0,0173
| 83,90
| 2537.2
| 2453,4
| 0,2964
| 8,6663
|
| 0,1234
| 0,0010
| 12,05
| 0,0830
| 209,3
| 2591 ,6
| 2382,3
| 0,7038
| 8,0751
|
| 1 ,0132
| 0,0010
| 1,673
| 0,5977
| 419,10
| 2675,8
| 2256 ,7
| 1,3071
| 7,3545
|
| 4,760
| 0,0011
| 0,3926
| 2,547
| 632,2
| 2746,5
| 2114,3
| 1,8418
| 6,8383
|
| 15,550
| 0,0012
| 0,1272
| 7.863
| 852,4
| 2793,0
| 1940,6
| 2,3308
| 6.4318
|
| 39,78
| 0,0013
| 0,0500
| 19,98
| 1086,1
| 1714.9
| 714,9
| 2,7934
| 6,0721
|
| 85,92
| 0,0014
| 0,'0216
| 46,21
| 1344,8
| 2779,1
| 1404.3
| 3,2548
| 5,7049
|
| 165,37
| 0,0017
| 0,0088
| 113,6
| 1671,4
| 2564,4
| 893,0
| 3,7786
| 5,2117
|
| 220,87
| 0,0028
| 0,0036
| 227,0
| 2031,9
| 2171,7
| 139,8
| 4 ,3258
| 4,5418
| Параметры критической точки: температура tк=374,15°C, давление Рк=221,30 бар, удельный объем υк=0,00326 м3/кг,
Задача 3.1.38. Перегретый пар по адиабате расширяется с давления Р1 = 0,5 МПа и температуры t1 = 250°С до давления P2 = 0,05 МПа. Определить с помощью i-s диаграммы параметры пара в начальной и конечной точках процесса, работу расширения, изменение внутренней энергии.
Ответ: l1,2=Δи=370 кДж/кг; w1,2=Δi1,2=435 кДж/кг.
Термодинамические циклы
Циклом называется определенная последовательность процессов, образующих замкнутый контур, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние. Цикл называется термодинамическим, если в нем не учитываются потери, а массовый расход рабочего тела во всех стадиях цикла остается одним и тем же.
Степень совершенства работы цикла характеризуется термическим КПД
, (3.1.37)
где q2 –количество отводимого тепла в цикле Дж/кг; q1 –количество подведенного тепла в цикле Дж/кг.
Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия является функциями состояния, поэтому в круговых процессах изменение этих величин равно нулю.
(3.1.38)
Работа цикла
(Дж/кг), (3.1.39)
где - суммарное количество тепла в процессах, составляющих цикл; - суммарная термодинамическая работа; - суммарная потенциальная работа.
Примеры решения задач
Пример 3.1.14. Определить параметры состояния (Р, υ, t, u, i, s) в крайних точках цикла газотурбинной установки простейшей схемы, работающей при следующих исходных данных (рис. 3.1.3):
начальное давление сжатия Р1 = 0,1 МПа,
конечное давление сжатия Р2 = 0,5 МПа,
начальная температура сжатия t1 = + 15 °С,
начальная температура процесса расширения t3 = 750 °С.
Рис. 3.1.3. Схема простейшей газотурбинной установки
1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина; 4 – нагрузка
Рис. 3.1.4. Цикл газотурбинной установки в координатах Р-υ и Т-S
Внутреннюю энергию u, энтальпию i определить относительно Т0 = 0 К, а энтропию s определить относительно состояния при Т0 = 273,2 К, Р0=0,101 МПа.
Для каждого процесса цикла определить работу, количество подведенного или отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпию и энтропию.
Определить работу цикла, количество подведенного и отведенного тепла, термический КПД цикла, сравнить его с КПД цикла Карно, имеющего одинаковые с расчетным циклом максимальную и минимальную температуры.
Построить цикл в координатах Р-υ и Т-S. Рабочее тело — 1 кг воздуха (R=0,287 кДж/кг∙К, СP=1,006 кДж/кг∙К; СV=СP – R=0,719 кДж/кг∙К).
Для воздуха применимо уравнение состояния идеального газа Pυ = RT.
Решение
1. Определение параметров состояния в крайних точках цикла.
Точка 1.
P1=0,1 МПа; t1=+ 15°С; Т1=t1 + 273,2=288,2 К;
м3/кг;
кг/м3;
i1=СP T1=1,006∙288,2 = 289,9 кДж/кг;
ul = CV T1=0,719∙288,2 = 207,2 кДж/кг;
кДж/кг∙К.
Следует заметить, что если определение энтропии в точке идет при совпадающем значении давления P1=Р0, то уравнение упрощается и принимает вид
Точка 2.
К;
;
t2=T2 - 273,2 = 183,5 °С;
м3/кг;
кг/м3;
i2=CP∙T2=1,006∙456,7=459,4 кДж/кг;
и2=CV∙T2=0,719∙456,7=328,4 кДж/кг;
кДж/кг∙К.
Точка 3.
Р3=Р2=0,5 МПа; Т3=t3 + 273,2 = 1023,2 °К;
м3/кг;
кг/м3;
i3=CP∙T3=1,006∙1023,2=1029,3 кДж/кг;
и3=CV∙T3=0,719∙1023,2=735,7 кДж/кг;
кДж/кг∙К.
Точка 4.
Р4=Р1=0,1 МПа;
К;
t4=T4 - 273,2 = 376,6 °С;
м3/кг;
кг/м3;
i4=CP∙T4=1,006∙645,8=649,7 кДж/кг;
и4=CV∙T4=0,719∙645,8=470,8 кДж/кг;
кДж/кг∙К.
2. Построение цикла в координатах Р-υ и Т-s.
Процессы, изображаемые в Р-υ и Т-s координатах, необходимо строить не менее чем по трем точкам.
Для нахождения параметров промежуточных точек вначале надо принять произвольно значение одного какого-либо параметра таким образом, чтобы это значение находилось между его численными значениями в крайних точках процесса. Последующий параметр определяется из уравнения, характеризующего данный процесс, составленного для одной (любой) из крайних точек процесса и для промежуточной точки.
Процесс 1-2. Точка «а». Принимаем Ра=0,3 МПа. По уравнению адиабаты идеального газа Pυk =C для точек «а» и 1 имеем Ра∙υkа = Р1∙υk1 или
м3/кг;
К;
ta=120,9 oC;
ia=CP∙Ta=1,006∙394,1=396,5 кДж/кг;
иa=CV∙Ta=0,719∙394,1=283,4 кДж/кг;
кДж/кг∙К.
Аналогично определяются параметры на всех других процессах рассматриваемого цикла. По найденным значениям строится цикл в координатах Р-υ и Т-s. Масштаб выбирается произвольно исходя из численных значений параметров.
3. Определение работы, количества подведенного или отведенного тепла, изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии для каждого процесса цикла.
Процесс 1-2 (адиабатический, δq = 0)
q1,2 = Δu + l1,2 = Δi + w1,2 = 0
Потенциальная работа
w1,2 = i1 – i2 = CP(T1 – T2) = 1,006(288,2 – 456,7) = - 169,5 кДж/кг –
работа затрачивается.
Термодинамическая работа
l1,2 = u1 – u2 = CV(T1 – T2) =0,719(288,2 - 456,7) = - 121,2 кДж/кг;
Δi = i2 – i1 = 169,5 кДж/кг;
Δu = u2 – u1 = 121,2 кДж/кг,
Δs1,2 = 0, так как q1,2 = 0.
Процесс 2-3 (изобарический, Р = idem)
l2,3 = P2(υ3 – υ2) = 0,5∙105(0,587 – 0,262) = 0,162∙105 кДж/кг;
w2,3 = 0;
q2,3 = i3 – i2 = CP(T3 – T2) = 1,006(1023,2 — 456,7) = 569 кДж/кг, -
тепло подводится
Δu2,3 = CV(T3 – T2) = 0,719(1023,2 - 456,7) = 407,3 кДж/кг;
l2,3 = q2,3 + Δu2,3 = 569,7 - 407,3 = 162 кДж/кг,
кДж/кг∙К,
кДж/кг∙К.
Процесс 3-4 (адиабатический, δq = 0)
q3,4 = Δu3,4 + l3,4 = Δi3,4 + w3,4 = 0;
w3,4 = i3 – i4 = CP(T3 – T4) = 1,006(1023,2 – 645,8) = 379,7 кДж/кг;
l3,4 = u3 – u4 = CV(T3 – T4) =271,4 кДж/кг;
Δs3,4 = 0, так как q3,4 = 0.
Процесс 4-1 (изобарический, Р = idem)
w4,1 = 0;
q4,1 = Δi4,1 + w4,1 = CP(T1 – T4) ==1,006(288,2 - 645,8)= - 359,7 кДж/кг –
тепло отводится.
Δu4,1 = CV(T1 – T4) = 0,719(288,2 - 645,8) = - 257,1 кДж/кг;
l4,1 = P (υ1 – υ4) = 0,5∙105(0,827 - 1,85) = - 0,102∙105 кДж/кг;
из первого начала термодинамики q4,1 =Δu4,1 + l4,1 имеем:
l4,1 = q4,1 – Δu4,1 = - 359,7 - (-257,1) = - 102,6 кДж/кг – работа подводится
кДж/кг∙К,
или
кДж/кг∙К.
Данные вычислений сводятся в табл. 3.1.6, 3.1.7.
Таблица 3.1.6
Результаты вычислений по точкам
Точки
| Параметры
| Р, МПа
| υ, м3/кг
| t, °С
| Т, К
| l, кДж/кг
| и, кДж/кг
| s, кДж/кг∙К
|
| 0,1
| 0,827
|
| 288,2
| 289,9
| 207,2
| 0,057
|
| 0,5
| 0,262
| 183,5
| 456,7
| 459,4
| 328,4
| 0,057
|
| 0,5
| 0,587
|
| 1023,2
| 1029,3
| 735,7
| 0,869
|
| 0,1
| 1,85
| 372,6
| 645,8
| 649,7
| 470,8
| 0,869
|
Таблица 3.1.7
Результаты вычислений по процессам
Процессы
| l, кДж/кг
| w, кДж/кг
| Δi, кДж/кг
| Δи, кДж/кг
| q, кДж/кг
| Δs, кДж/кг∙К
| 1-2
| -121,2
| -169,5
| 169,5
| 121,2
|
|
| 2-3
|
|
| 567,7
| 407,3
| 569,7
| 0,812
| 3-4
| 274,4
| 379,7
| -379,4
| 271,4
|
|
| 4-1
| -109,6
|
| -359,7
| -257,1
| -359,7
| -0,812
|
Работа цикла
Термодинамическая работа
lц = l1,2 + l2,3 + l3,4 + l4,1 = - 121,2 + 162 + 271,4 - 102,6 ≈ 210 кДж/кг.
Потенциальная работа
wц = w1,2 + w2,3 + w3,4 + w4,1 = - 169,5 + 379,7 = 210 кДж/кг.
В круговых процессах lц = wц.
Количество полезно использованного тепла в цикле
qпол = q2,3 – q4,1 = 210 кДж/кг.
В круговом термодинамическом процессе количество подведенного тепла численно равно работе:
q = lц = wц = 210 кДж/кг.
Термический КПД цикла
.
КПД цикла Карно, имеющего одинаковые с расчетным циклом максимальную и минимальную температуры
.
> ηt.
Пример 3.1.15. Провести термодинамический расчет цикла паросиловой установки (цикл Ренкина), работающей при следующих исходных данных.
Начальное давление пара, то есть давление перед турбиной Р1 = 5 МПа = 50 Бар. Начальная температура пара, то есть температура пара перед турбиной t1 = 500 °С; T1 = t1 + 273,2 = 773,2 К. Конечное давление отработанного пара, т.е. давление пара за турбиной, в конденсаторе Р2 = 0,01 МПа = 0,1 бар.
Требуется определить:
1) параметры пара в крайних точках цикла и представить цикл в координатах Р-υ и T-s и i-s;
2) внутренний абсолютный КПД цикла;
3) удельный часовой расход пара;
4) удельный часовой расход тепла;
5) количество охлаждающей воды, необходимой для конденсации пара в течение 1 часа, если вода нагревается при этом на 10°C.
Мощность паросиловой установки принимается равной N = 2500 кВт.
Решение
Паросиловая установка по циклу Ренкина работает следующим образом (рис. 3.1.5). Вода насосом V подается в паровой котел I, при этом давление ее повышается с величины Р2 до Р1. Так как вода практически не сжимается (υ=const), то в координатах Р-υ (рис. 3.1.6) этому процессу соответствует процесс 3-4 (υ=idem), а в координатах Т-s и i-s этот процесс из-за малости масштаба практически выглядит как совмещенная точка 3-4 (Слишком близко друг от друга здесь расположены изобары P1 и Р2).
Рис. 3.1.5. Принципиальная схема паросиловой установки
В паровом котле вода подогревается вначале от температуры точки 4 до температуры точки 5, где она достигает величины температуры кипения. Эта температура будет больше или меньше в зависимости от давления P1. Так при давлении P1 = 0,1 МПа температура в точке 5 будет равна ≈ 100°С; а при Р = 0,2 МПа кипение, воды будет начинаться уже при температуре ≈ 120°С и т.д. Таким образом, отрезок изобары 4-5 в координатах Р-υ -соответствует процессу нагревания воды при постоянном давлении до температуры кипения. Температуру кипения, при которой вода превращается в пар, называют температурой насыщения, а пар, образующийся при этом, — влажным насыщенным паром.
Рис. 3.1.6. Цикл паросиловой установки в координатах Р-υ и T-s и i-s
При дальнейшем подводе тепла в паровом котле 1 количество жидкой фазы постепенно уменьшается, а количество пара увеличивается. Температура смеси остается постоянной (рис. 3.1.6), так как все подводимое тепло идет на испарение жидкой фазы. Этот процесс на рис. 3.1.6 изображается отрезком 5-6, который одновременно является изобарой и изотермой. То есть процесс парообразования 5-6 является изобарно-изотермическим.
В точке 6 последняя капля воды превращается в пар и пар теперь называется сухим насыщенным паром. При дальнейшем подводе тепла в пароперегревателе II (q’’1) при том же давлении P1 происходит увеличение температуры пара, пар перегревается. Точка 1 на рис. 3.1.6 соответствует, состоянию перегретого пара и, в зависимости от температуры T1, может лежать дальше или ближе от точки 6.
Далее пар с параметрами P1, T1, поступает в паровую турбину, где расширяется адиабатически до давления Р2. После расширения пара в паровой турбине и получения полезной работы от турбины отработанный пар поступает в холодильник-конденсатор IV, где за счет внешнего охлаждения полностью конденсируется. Вода вновь поступает на вход насоса V и цикл повторяется.
Для цикла Ренкина характерно, прежде всего, то, что в нем не учитываются какие-либо потери в различных стадиях цикла, присутствует одно и то же количество вещества и, главное, происходит полная конденсация водяных паров в холодильнике-конденсаторе на линии 2-3. При этом отводится тепло в количестве q2.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2025 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|