Расчетно-графическая работа - ЖРД, ВРД, машина Ренкина, дросселирование - файл n1.docx

Расчетно-графическая работа - ЖРД, ВРД, машина Ренкина, дросселирование
скачать (317.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx318kb.03.11.2012 15:18скачать

n1.docx


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Уфимский государственный авиационный технический университет





































Расчетно-графическая работа

По дисциплине «Термодинамика»






















Выполнил:

студент гр. ТЭз-301







Проверил:





































г. Уфа

2011 г.

Содержание










Практическая часть

Задача № 26

  1. Водяной пар с начальным давлением Р1= 3.5 бар и степенью сухости Х1=0.85 адиабатно расширяется до степени сухости Х2 = 0.65. Определить параметры пара в начальном и конечном состояниях при помощи i,s диаграмм. Определить изменение внутренней энергии и работу процесса.

Дано:

P1= 3.5 бар

X1= 0.85

X2= 0.65

i1-?

i2-?

l-?

?U-?

Решение:

S

i

P1

P2

X1

X2

i1

i2

точки 1 и 2 лежат на пересечении изобар Р и линии степени сухости Х, находим точки и определяем значение энтальпии
















i1?2410 кДж/кг

i2?1550 кДж/кг

удельная работа процесса l = i1 - i2 = 2410 – 1550 = 860 кДж/кг

Процесс адиабатный подведённая теплота q = 0

Удельное изменение внутренней энергии

?U = q - l = -l = -860 кДж/кг

Задача № 30

  1. Определить скорость истечения воздуха из суживающегося канала, если истечение происходит с давлением P1= 1,3 бар в атмосферу с давлением Р2= 0,99 бар. Температура в баллоне t1= 27°c. Как измениться скорость истечения, если баллон поднять в горы, где давление Р2= 0,5 бар? Каковы буду расходы воздуха и температуры на выходе из канала в первом и во втором случае?




Дано:

P1= 1.3 бар

Р2= 0,99 бар

t1= 27°c

= 0.5 бар

Q-?

T1-? T2-?





-?




Решение:

Скорость истечения





Для воздуха R = 287.1 Дж/кг·K

Т1 = 273+27 = 300 К

Показатель адиабат k=1.4

  1. P2 = 0.99 бар









  1. = 0.5 бар.



Соответственно расход Q=C2·S (S – площадь выходного сечения) увеличится в 379,5/212,5 = 1,79 раз.

Процесс истечения – адиабатный процесс



T1 и P1 в обоих случаях одинаковы










Задача № 35

  1. В идеальной воздушной холодильной машине повышается давление воздуха от Р1=0,98 бар с температурой t=18°C до Р2=2,3 бар. Каковы температуры в конце сжатия и холодильный коэффициент ??




Дано:

Р1=0,98 бар

t=18°c

Р2=2,3 бар

T1-? T2-?

?-?




Решение:

Холодильный коэффициент



k = 1.4 – показатель адиабаты для воздуха



С другой стороны



T1 = 273+18=291 K















Теоретическая часть

1. Паровая машина Ренкина, её элементы и цикл в системе координат i-s. КПД цикла.




Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 1.

n8psu1

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

На рис. 2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

n8pt2

Рис. 2. Схема одноступенчатой турбины активного типа

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

Цикл Ренкина

В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.

Различают цикл Ренкина с сухим насыщенным паром и с перегретым паром (рис.3). В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p1, T1, i1 поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 3), где адиабатно расширяется от давления p1 до давления p2 (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p2, T2, i2 поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p1, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p1, T2, i4. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется

n8renkin3

Рис. 3. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

4?-1 – процесс парообразования в котле при постоянном давлении;

1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;

2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;

3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p2 до давления p1;

4-4' – процесс подвода теплоты к воде при давлении p1 в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.

Термический к. п. д. цикла .

nimage8001 (1)

Теплота q1 в цикле подводится в процессах: 4-4' – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4?-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q1 в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла:

nimage8002 (2)

Отвод теплоты q2 происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно.

nimage8003 (3)

Подставив (2) и (3) в (1), получим.

nimage8004 (4)

Так как i3?i4, можно записать.

nimage8005 (5)

Термический к. п. д. цикла Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных и конечных параметрах пара, так как в цикле Карно теплота q1 затрачивается только на процесс парообразования (то есть q1?r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.

В цикле Ренкина с перегретым паром добавляется ещё один процесс: 1-1' – перегрев пара.

Влияние параметров пара на термический к. п. д. цикла Ренкина

Анализ термического к. п. д. цикла Ренкина показывает, что термический к. п. д. паросиловой установки возрастает при увеличении начального давления p1 и начальной температуры пара t1.

При увеличении температуры пара на выходе из котлоагрегата (давление пара не изменяется) увеличивается i1. Если остальные энтальпии, входящие в выражение (5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (5), увеличение температуры пара на выходе из котлоагрегата сопровождается ростом ?t.

При увеличении давления пара на выходе из котлоагрегата (температура перегретого пара не изменяется) уменьшается i1 (смотри таблицы термодинамических свойств воды и перегретого пара). Если остальные энтальпии, входящие в выражение (5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (5), увеличение давления перегретого пара на выходе из котлоагрегата сопровождается уменьшением ?t. Следовательно, давление на выходе котлоагрегата целесообразно повышать только с целью увеличения температуры пара.







2. Процессы дросселирования. Цикл паровой холодильной машины (в системе координат i-s) и ее элементы.

Дросселированием или мятием называется процесс, происходящий при течении потока пара или газа через местное сопротивление в трубопроводе, например при прохождении различных диафрагм. Рассмотрим этот процесс при отсутствии внешнего теплообмена, т.е. будем исследовать адиабатное дросселирование dq=0 (рис. 4).

2

Рис. 4 адиабатное дросселирование

Установлено, что давление р2 после прохождения потока через местное сужение в канале оказывается меньше давления р1 до сужения диафрагмы (р21).

В технике процесс дросселирования возникает при прохождении потока пара или газа через вентили, задвижки и вообще при прохождении суженных сечений в канале. В этих случаях процесс дросселирования является вредным, ухудшающим состояние текущего газа или пара как рабочего тела в теплосиловых установках. В других же случаях процесс дросселирования осуществляется как необходимый рабочий процесс, преследующий определенные цели. Так, например, дросселирование в двигателях внутреннего сгорания, в паровых турбинах применяется как метод регулирования мощности этих двигателей. В холодильных машинах дросселирование применяется для охлаждения ТРТ.

При дросселировании скорость газа или пара в узком сечении отверстия увеличивается за счет внутренней энергии текущего газа, температура текущего газа в этом сечении уменьшается. Пройдя узкое сечение, газ, внезапно расширяясь, приходит в вихревое движение, причем для образования вихрей затрачивается часть энергии истечения, которая затем за счет диссипации энергии вихрей опять почти полностью превращается в тепло. Все это тепло идет на повышение температуры газа после дросселя (после сужения потока) почти до первоначального значения Т1. Таким образом, после прохождения газом узкого сечения температура этого газа или пара нередко возвращается почти к первоначальному значению.

Для процесса дросселирования идеального газа это утверждение является абсолютно строгим и при дросселировании идеального газа Т12. Для реальных же газов и паров это утверждение является приближенным и в общем случае при дросселировании Т1?Т2. Это соотношение температур Т1 и Т2 при дросселировании реальных газов рассмотрим более подробно несколько ниже, а вначале применим уравнение первого закона термодинамики к случаю адиабатного процесса дросселирования. В общем случае при адиабатном течении газа в канале уравнение первого закона термодинамики имеет вид, выражение которого было получено при анализе процессов течения и истечения газов в каналах:



Обычно изменение кинетической энергии потока при дросселировании весьма невелико по сравнению с абсолютными значениями энтальпии h1 и h2 и составляет лишь доли процента от абсолютных значений h. Например, если энтальпия водяного пара равна h1=3079 кДж/кг, то изменение энтальпии при дросселировании равно лишь

h1– h2=1,9 кДж/кг.

Поэтому с достаточной для практики точностью в процессе дросселирования можно пренебречь изменением кинетической энергии потока и считать, что W1=W2. При этом условии основное уравнение первого закона термодинамики для процесса дросселирования примет вид

h1–h2=0

или

h1=h2,

то есть h=const.

Следовательно, с достаточной степенью точности можно полагать, что в процессе дросселирования энтальпия газа h остается величиной постоянной и оба состояния газа до дросселирования и после дросселирования в hs - диаграмме расположатся на горизонтальной прямой (рис. 5).

2

Рис.5 hs диаграмма

Однако линию 1-2 нельзя рассматривать как какой-то определенный термодинамический процесс с h=const. При дросселировании промежуточные точки не соответствуют промежуточным состояниям газа из-за имеющихся реальных необратимых явлений трения, завихрения и пр. Поэтому сама линия 1-2 уже не будет отвечать термодинамическому процессу с h=const. Только условно дросселирование можно называть изоэнтальпийным процессом. На самом деле никакого термодинамически обратимого процесса с h=const при дросселировании не существует и линию 1-2 следует рассматривать лишь как графический прием для нахождения конечного состояния при дросселировании.

Поскольку дросселирование из-за действия сил трения представляет собой необратимый термодинамический процесс (при отсутствии внешнего теплообмена необратимый адиабатный процесс), энтропия газа в результате дросселирования должна увеличиваться (s2>s1). Чтобы найти изменение энтропии газа при дросселировании, воспользуемся соотношениями первого и второго законов термодинамики. Пусть в результате дросселирования газ переходит из состояния 1, характеризуемого значениями давления р1 и энтальпии h1, в состояние 2 с давлением р2 и энтальпией h2=h1=const.

Вообразим некоторый термодинамический обратимый переход из состояния 1 в состояние 2, при котором энтальпия газа не меняется (что всегда может быть выполнено за счет соответствующего подвода тепла к газу извне).

Для такого обратимого перехода мы можем написать уравнения I и II законов термодинамики, а именно:

dq=dh-?dp, (2)

так как

dq=Tds, (3)

то получим

Tds=dh-?dp. (4)

Так как энтропия есть функция состояния, то изменение ее не зависит от пути, по которому идет процесс (обратимый или действительный необратимый), а определяется лишь конечными и начальными параметрами состояния. Начальные и конечные параметры газа в обоих процессах (в обратимом и действительном) те же самые, поэтому последнее уравнение (4) определяет изменение энтропии и в действительном процессе дросселирования.

Таким образом, в применении к процессу дросселирования (h=const, dh=0) последнее уравнение примет следующий вид:

Tds=-?dp

или



Так как энтропия потока газа или пара при дросселировании может только возрастать (ds>0), то, следовательно, у dp должен быть свой собственный знак «минус» (dp<0). Отсюда видно, что давление при дросселировании может только уменьшаться (р21).

Из последнего уравнения следует, что энтропия при дросселировании возрастает тем сильнее, чем больше перепад давлений dp(?p) и чем меньше температура дросселируемого газа Т.

Падение давления (?p=р21) при дросселировании зависит от ряда причин:

а) от природы и состояния текущего газа;

б) от скорости его движения W;

в) от относительной величины сужения сечения канала, а также от ряда других факторов.

Поскольку давление при дросселировании всегда уменьшается, то его удельный объем ? всегда при этом увеличивается, т.е.

??=(?2-?1)>0,

?2>?1.

Поскольку при дросселировании dp<0, а d?>0, то, следовательно, p=f(?) при дросселировании (h=const) представляет собой убывающую функцию и ее производная всегда отрицательна:

.

Паровые холодильные машины являются наиболее распространенным типом холодильных машин. Они применяются для получения искусственного холода в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины).

Холодопроизводительность паровых холодильных машин охватывает диапазон от нескольких сот ватт до нескольких тысяч киловатт. Главной отличительной особенностью паровых холодильных машин является то, что рабочее вещество в процессе совершения обратного кругового цикла меняет свое фазовое состояние и может находиться в состоянии насыщенной или «переохлажденной» жидкости, сухого насыщенного, перегретого или влажного пара. Основными элементами паровой холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего вещества. Для сжатия рабочего вещества в паровых холодильных машинах применяются различные типы компрессоров: поршневые, винтовые, центробежные, осевые и ротационные.

В качестве конденсатора и испарителя могут применяться тепло-обменные аппараты различного типа. Выбор цикла паровой холодильной машины зависит прежде всего от температуры источника низкой температуры и от температуры окружающей среды. Существенное влияние на цикл имеют тип компрессора и теплообменных аппаратов, рабочее вещество и схема холодильной машины.

























Цикл воздушной холодильной установки

Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, применяемых на практике.



Рис.6 Принципиальная схема холодильной установки

Хладагент (воздух) расширяется в детандере 1 от давления р1 до давления р2, совершая работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю. Воздух, охлажденный от температуры Т1 до Т2, поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает тепло. Этот процесс происходит при постоянном давлении. Затем воздух направляется в компрессор 3, где его давление повышается от р2 до р1 (при этом температура воздуха возрастает от Т3 до Т4). Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель 4. процесс в охладителе происходит при постоянном давлении воздуха (р1=const).

Цикл воздушной холодильной установки в р, v - диаграмме изображен на рис.7.



Рис.7 p,v диаграмма

1-2 - адиабатный процесс расширения воздуха в детандере, 2-3 - изобарный процесс отвода тепла из охлаждаемого объема, 3-4 - процесс сжатия в компрессоре, 4-1 - изобарный процесс охлаждения воздуха в охладителе.

3-4-1 - линия сжатия воздуха, а 1-2-3 - линия расширения. Работа, затрачиваемая на привод компрессора, изображается площадью m-4-3-n-m, а работа, производимая воздухом в детандере - m-1-2-n-m. Следовательно, работа, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной установки, lц, изображается площадью 1-2-3-4-1.































  1. Цикл жидкостного реактивного двигателя. Основные элементы ЖРД. Воздушно- реактивные двигатели (турбореактивные, прямоточные) и их элементы, циклы в p,v и T,s координатах.

В реактивных двигателях теплота, полученная в результате сгорания топлива, преобразуется в кинетическую энергию газообразных продуктов сгорания и используется непосредственно для получения тяги. Поэтому реактивные двигатели называются еще двигателями прямой реакции.

По способу осуществления горения топлива реактивные двигатели бывают:

  1. Двигатели, в которых для горения используется жидкое топливо, запасенное на борту летательного аппарата, - называются жидкостные реактивные двигатели (ЖРД).

  2. Двигатели, в которых для горения используется атмосферный воздух,- воздушный реактивные двигатели (ВРД)

Топливом для ЖРД служат водород, его соединения с углеродом и др. в качестве окислителя применяются жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота и др.





















Рис. 8 - Принципиальная схема ЖРД

1,2 – емкости для жидкого топлива;

3,4 – питательные насосы;

5 – камера сгорания

6 – сопло.








Рис. 9 – Диаграмма в p,v – координатах

Цикл в p,v – координатах содержит следующие процессы:

1'-2' – изохорный процесс сжатия топлива в питательных насосах;

2'-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания;

3-4 – адиабатное расширение газов в сопловом аппарате;

4-1' – линия, условно замыкающая цикл и соответствующая охлаждению газов в атмосфере.

В Воздушно- реактивных двигателях (ВРД) для сжигания жидкого топлива используется атмосферный воздух. Бывают бескомпрессорные (со сжатием воздуха только за счет скоростного напора воздушного потока) и компрессорные ВРД.

Рассмотрим бескомпрессорные ВРД - прямоточные (сгорания топлива при p=const). Летательные аппараты, имеющие бескомпрессорные двигатели, нуждаются в принудительном запуске, так как эти двигатели работают лишь в набегающем потоке воздуха.

В зависимости от скорости движения летательного аппарата бывают две схемы ВРД – для сверхзвуковых и дозвуковых скоростей полета. Рассмотрим схему ВРД для сверхзвуковых скоростей полета, а также характер изменения скоростей w и давлений p в различных сечениях двигателя


































Рис. 10 Принципиальная схема сверхзвукового ВРД

В сечении I воздух поступает в канал со сверхзвуковой скоростью. Для осуществления его сжатия канал на участке I-II суживается, а на участке II-III расширяется. Вследствие этого давление на участке I-III возрастает, а скорость уменьшается до величины, меньшей скорости звука. На участке III-IV расположена камера сгорания, где происходит сгорание топлива с выделением теплоты q1 при постоянном давлении. Скорость на этом участке остается постоянной.

Скорость на выходе из камеры сгорания оказывается меньшей скорости звука. Для ее увеличения канал двигателя сначала суживается (участок IV-V), а затем расширяется (участок V-VI). В сечении V газ имеет скорость, равную скорости звука. На участке V-VI происходит дальнейшее увеличение скорости до сверхзвуковой и падение давления от критического значения до давления окружающей среды.



















Цикл процесса в pv координатах

























Рис. 11 p,v диаграмма прямоточного ВРД

1-2 – сжатие в диффузоре потока воздуха;

2-3 – изобарный процесс подвода теплоты q1 в камере сгорания;

3-4 – адиабатическое расширение газов в сопловом аппарате;

4-1 – охлаждение газов в атмосфере.




Анализируя цикл, можно заметить, что по конфигурации он совпадает с циклом газотурбинного двигателя со сгоранием топлива при p=const.

Поэтому КПД цикла ВРД будет



где 21степень увеличения давления воздуха в диффузоре.




Среди компрессорных ВРД наибольшее распространение получил турбореактивный двигатель, в котором сжатие воздуха осуществляется как за счет скоростного напора, так и с помощью своего компрессора, находящегося на одном валу с газовой турбиной.

Рассмотрим принципиальную схему компрессорного ВРД, а также характер давления и скорости потока.





































Рис. 12. Принципиальная схема компрессорного ВРД

1 – диффузор; 2 – осевой компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – сопло




Давление набегающего потока воздуха первоначально повышается в диффузоре, а затем в компрессоре. Газовая турбина предназначена для привода компрессора.

Рассмотрим процессы цикла, изображенного на рис. 13































Рис. 13 p,v диаграмма цикла компрессорного ВРД

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в диффузоре;

2-3 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

3-4 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания;

4-5 – адиабатическое расширение газов на лопатках турбины;

5-6 – адиабатическое расширение газов в сопловом аппарате;

6-1 – охлаждение газов в атмосфере.




Термический КПД турбореактивного двигателя определяется по той же формуле, что и КПД ВРД со сгоранием топлива при постоянном давлении.

Благодаря наличию компрессора турбореактивный двигатель имеет более высокую степень сжатия и, следовательно, более высокий термический КПД. Этот тип двигателя позволяет летательному аппарату уже на старте развивать необходимую силу тяги, в связи с чем он стал одним из основных двигателей для скоростных самолетов.




Список литературы

  1. Бондарюк М. М., Ильяшенко С. М., Прямоточные воздушно-реактивные двигатели, М., 1958.

  2. Техническая термодинамика. Под. ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1991. 384 с.

  3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. 512 с.

  4. Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1984. 592 с.

  5. Ястржембский А.С. Техническая термодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1980.

  6. Техническая термодинамика. Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 2000.- 261 с.: ил.



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