Мошкарин А.В., Барочкин Е.В., Зорин М.Ю. Тепловые процессы в энергетических установках. Часть 1 - файл n1.doc

Мошкарин А.В., Барочкин Е.В., Зорин М.Ю. Тепловые процессы в энергетических установках. Часть 1
скачать (1991.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1992kb.19.11.2012 20:06скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7
Министерство образования Российской Федерации

Ивановский государственный энергетический университет

____________________________________________________

А.В.Мошкарин, Е.В.Барочкин, М.Ю.Зорин.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Курс лекций по «Энергетическим установкам

электрических станций» (часть I)
Под редакцией доктора технических наук, профессора

А.В. Мошкарина


Рекомендовано Учебно-методическим объединением по

образованию в области энергетики и электротехники в качестве

курса лекций для студентов, обучающихся по специальностям

100200 и 100100.

Иваново 2000

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Техническая термодинамика составляет один из разделов теоретических основ теплотехники. Её основная задача заключается в обосновании условий превращения тепла в работу, осуществляемого в тепловых двигателях.

Большую роль в процессе совершенствования работы играют газ либо пар - рабочие тела в двигателе. В соответствии с условиями изменения состояния рабочего тела и его энергетического взаимодействия с окружающей средой в технической термодинамике изучаются термодинамические системы, а также термодинамические процессы или изменения состояния термодинамической системы. При этом устанавливаются соотношения между физическими величинами, которые характеризуют систему и изменение её состояния.

1.2. РАБОЧЕЕ ТЕЛО И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

РАБОЧЕГО ТЕЛА

Рабочими телами для преобразования тепловой и механической энергии служат газы и пары различных жидкостей.

Газообразное тело вследствие способности к большому расширению при нагревании является наиболее удобным для использования в качестве рабочего тела при превращении в работу тепла, сообщаемого телу извне. Принципиального различия между газом и паром не имеется. Газ можно рассматривать как пар определенной жидкости, находящейся далеко от состояния насыщения. Для каждого газа существует некоторый температурный предел, так называемая критическая температура, выше которой никаким повышением давления газ не может быть превращен в жидкое состояние. Обычно под газом понимают пар при температуре выше его критической температуры.

Изменение состояния газа обычно происходит в результате сообщения или отнятия тепла или от внешних механических причин. Состояние рабочего тела определяется совокупностью параметров, основными из которых являются - давление Р, температура Т, и удельный объём . В общем виде состояние между ними или уравнение состояния может быть представлено  (P, , T) = 0

Это уравнение можно выразить также в виде

P = 1 (T1, );  = 2 (P, T); T = 3 (P, ).

Состояние определяется заданием двух из трёх величин P, , Т. Исходя из этого, состояние тела может быть изображено в двухосной системе координат, чаще с Р по оси ординат и  - по оси абсцисс; в каждой точке на диаграмме соответствует одно определённое его состояние.

Давление Р измеряется в Н/м2, (Па), где 1 Н (ньютон) = 1 кг·м/с2 (единица силы в системе СИ). Более крупными единицами для измерения давлений служат:

1 кН/м2 (кПа) = 103 Н/м2 (Па) ,

1 МН/м2 (МПа) = 106 Н/м2 (Па) .

Ньютон на квадратный метр называется Па - Паскаль.

Давление столба воды высотой 10 м на площадь 1м2 (в системе МКГСС соответствует одной технической атмосфере) равно:

10·103·9,8066 кг·м/с2·м2 = 1 ат = 9,8066·104 Н/м2 = 0,0981 МН/м2

При этом 1 мм вод.ст. = 9,81 Н/м2 (Па). Так как плотность ртути в 13,596 раз больше плотности воды, то1 мм рт.ст. = 133,322 Н/м2 = 133 Па., 1ат. тех.=735,6 мм.рт.ст

1 бар = 105 Н/м2 (Па). 1 бар= 750 мм.рт.ст

Исходя из практических условий измерения давления с помощью манометра, величина давления Р определяется как

Р = Ризб + Ратм ,

где Ризб - избыточное давление сверх атмосферного, измеряемое манометром;

Ратм - атмосферное или барометрическое давление.

Если давление Р ниже атмосферного, то

Р = Ратм - Рвак ,

где Рвак - разрежение (или вакуум), измеряемое вакууметром.

Объём V - это объём массы тела в м3 произвольного количества m кг. При этом объём одной единицы массы или удельный объём тела равен

=  м3/кг,

а плотность тела или масса в единице объёма равна

 = кг/м3 .

Между удельным объёмом и плотностью существует обратная зависимость

 = .

Термодинамическая (абсолютная) температура Т измеряется в градусах шкалы Кельвина (К).

Различают также термодинамическую температуру по стоградусной шкале (Цельсия) с обозначением t C.

За параметр состояния в термодинамике принимают термодинамическую температуру (абсолютную), которая задается соотношением

Т К = С + 273,15 .

1.3. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА.

Упрощенной моделью газообразного тела служит так называемый идеальный газ.

Под идеальным газом понимают воображаемый газ, состоящий из вполне упругих молекул, между которыми не действуют силы взаимного притяжения, а объем, занимаемый молекулами, исчезающе мал по сравнению с объемом пространства между молекулами.

Изучение законов идеального газа помогает определять поведение реального газа в различных условиях. Степень расхождения свойств идеального и реального газов зависит от условий, в которых находится газ. Чем ниже давление и выше температура, тем ближе свойства реального газа к свойствам идеального. Все газовые законы наиболее просто формулируются для идеального газа.

Составление уравнения состояния реальных газов является исключительно слож- ной задачей, полностью не разрешенной еще и в настоящее время. Эта задача в полной мере разрешена лишь для разреженных газов, имеющих небольшую плотность, и для идеальных газов. Уравнение состояния идеальных газов, явившееся вообще первым уравнением состояния, было установлено в 1834 г. Клапейроном на основании опытных законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Уравнение Клапейрона содержит константу, зависящую от природы газа, и относится к 1 кг или произвольному количеству газа. В 1874 г. Менделеев на основании уравнения Клапейрона и закона Авогадро вывел общее уравнение состояния для идеальных газов, которое не содержало индивидуальной константы. Это послужило основанием уравнение состояния идеальных газов называть уравнением Клапейрона-Менделеева.

Для 1 кг однородного идеального газа уравнение состояния имеет вид

 = R ,

где R - газовая постоянная для 1 кг данного газа.

Здесь величины имеют следующие размерности:

Р - Н/м2 (Па),  - м3/кг, Т - К, R - Дж/кгград.

Для произвольного количества однородного газа массой m уравнение состояния примет вид

P = mRT

Для 1 кмоля идеального газа уравнение состояния можно записать в таком виде

РV = RT ,

где  - молекулярная масса газа в кг/кмоль,

V - объем 1 кмоля идеального газа.

По закону Авогадро объем 1 кмоль идеального газа любого химического состава при одинаковых Р и t один и тот же. Известно, что при давлении Ро = 0,10133 МН/м2 (760 мм рт.ст.) и температуре То = 273,15 К (нормальные физические условия) объем 1 кмоль газа равен V = 22,4146 м3. Подставив эти значения в уравнение получим:

R = R = = 8315 Дж/кмольград ,
а в системе МКГСС

R = R = = 848 кГм/кмольград .

Здесь R - одинакова для всех газов и называется универсальной газовой постоянной.

Таким образом R = .

1.4. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Если телу массой m кг, объёмом V и с температурой t, находящемуся под некоторым внешним давлением на его поверхности, сообщается извне бесконечно малое количество тепла dQ, то в общем случае температура тела повысится на dt и тело расширится, увеличивая свой объем на dV.

Повышение температуры означает увеличение кинетической энергии молекулярного и внутримолекулярного движения частиц тела, а именно возрастает скорость этих движений. Другими словами, получается приращение внутренней кинетической энергии тела (dK).

Увеличение объёма тела обусловливает увеличение расстояния между молекулами. Между молекулами действуют силы взаимного притяжения, поэтому увеличение расстояния между ними связано с производством некоторой внутренней работы. так называемой работы дисгрегации (разъединения), идущей на увеличение потенциальной энергии частиц тела - другими словами, внутренней потенциальной энергии тела (dP).

В некоторых случаях увеличение расстояния между молекулами связано с изменением физического состояния тела - плавлением или парообразованием.

В результате увеличения объёма тело, кроме того, совершает работу преодоления внешнего давления - внешнюю работу (dL).

В предположении отсутствия в теле каких-либо других изменений - химических, электрических, по закону сохранения энергии и по принципу эквивалентности тепла и работы получим уравнение теплового баланса

dQ = dK + dP + dL = (dK + dP) + dL .

Обозначим dK + dP = dU - приращение внутренней потенциальной и внутренней кинетической есть приращение внутренней энергии тела. Тогда dQ = dU + dL.

Это уравнение является частным случаем закона сохранения и превращения энергии - аналитическим выражением первого закона термодинамики.

Следовательно, теплота dQ, сообщаемая телу, расходуется в двух направлениях, а именно, часть её идёт на приращение внутренней энергии тела dU, а остальная dL на совершение внешней работы. Каждый из этих трёх членов может быть положительным, отрицательным или равен нулю.

Если тело, которому мы сообщаем тепло, может всей своей массой перемещаться в пространстве с переменной скоростью C, например, при истечении газа или пара, то в этом случае сообщение телу тепла dQ связано, кроме увеличения внутренней энергии на dU и совершения работы преодоления внешнего давления dL, ещё с изменением кинетической энергии видимого движения тела на d (), где m - масса тела. Тогда получим

dQ = dU + dL + d () .
  1   2   3   4   5   6   7


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации