Основные положения технической термодинамики рассматриваются на примере идеального газа

Поскольку в тепловых машинах и аппаратах весьма часто в качестве рабочего тела выступают смеси газов (например, газообразные топливно-воздушные смеси, продукты сгорания топлива и др.), курс знакомит с методами расчета газовых смесей.

Приступая к изучению термодинамических процессов, следует иметь в виду, что классическая термодинамика рассматривает их как равновесные и обратимые.

При анализе термодинамических процессов (изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного и обобщенного политропного процессов) прежде всего выясняют закономерности изменения основных параметров состояния рабочего тела (р, V и Т), а также количество тепла (q), подведенное к рабочему телу (или отведенное от него) в ходе процесса, работу (l) расширения (или сжатия) рабочего тела, изменение внутренней энергии рабочего тела (DU=U₂ –U₁) в процессе, изменение энтальпии (Dh = h₂ – h₁) и изменение энтропии (DS = S₂- S₁) в ходе процесса.

Для определения количества тепла, участвующего в процессе, важно правильно использовать теплоемкость рабочего тела. Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются массовой (с), объемной (с¢) и мольной (mс) теплоемкостями. Необходимо понять зависимость теплоемкости рабочего тела от физической природы вещества, от температуры и от характера термодинамического процесса, в котором рабочее тело участвует. Необходимо научиться пользоваться таблицами теплоемкостей газов, а также владеть приемом выбора теплоемкости как величины, независимой от температуры. Следует освоить формулы для расчета теплоемкости рабочего тела в политропном процессе и формулы определения теплоемкостей газовых смесей.

В курсе дан вывод формулы для определения работы, выполняемой рабочим телом при расширении или затрачиваемой на его сжатие.

Следует обратить внимание, что при изображении термодинамического процесса в координатах p-V площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение работы 1 кг рабочего тела в этом процессе – работы расширения (если V₂ > V₁) и работы сжатия (если V₂ < V₁). При изображении термодинамического процесса в координатах T-S площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение тепла, участвующего в этом процессе, в расчете на 1 кг рабочего тела – тепла, подводимого к рабочему телу (если S₂ > S₁), или тепла, отводимого от рабочего тела (если S₂ < S₁). При изучении курса необходимо понять физический смысл энтальпии и энтропии, которые также как P, V, Т и U являются параметрами состояния рабочего тела, и освоить их использование в расчетах термодинамических процессов. Введение этих параметрических величин в курс дало возможность применить для анализа термодинамических процессов диаграмму h-S, которая нашла широкое признание в инженерной практике (прежде всего для расчета процессов изменения состояния водяного пара).

Курс технической термодинамики базируется на двух принципиальных положениях – первом и втором законах термодинамики.

Первый закон термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическому процессу. Он устанавливает эквивалентность при взаимных превращениях механической и тепловой энергии и количественное соотношение при переходе одного вида энергии в другой.

Согласно первому закону термодинамики, нельзя построить «вечный двигатель 1-го рода», т.е. тепловую машину, которая бы совершала работу, не расходуя на это никакой энергии.

Необходимо освоить и другие формулировки первого закона термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины.

Уравнение первого закона термодинамики является энергетическим балансом рабочего тела, участвующего в термодинамическом процессе. Оно может быть записано (как для 1 кг вещества, так и для произвольного его количества) в форме, где связаны между собой количество тепла, участвующее в процессе, работа, совершаемая рабочим телом против внешних сил, и изменение внутренней энергии в процессе, а также в форме, где связаны между собой количество тепла, изменение энтальпии и располагаемая работа.

Второй закон термодинамики определяет направление, в котором протекают термодинамические процессы, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет максимальное значение работы, которая может быть произведена тепловым двигателем.

Согласно второму закону термодинамики нельзя создать «вечный двигатель 2-го рода», т.е. тепловую машину, которая бы в течении длительного времени совершала непрерывную работу при условии перехода в «получаемую» механическую энергию всего количества тепловой энергии, подводимой для этой цели к рабочему телу.

Необходимо освоить и другие трактовки второго закона термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины. Следует также знать аналитическое выражение второго закона термодинамики.

Специальный раздел курса посвящен водяному пару. Изучение его свойств и связанных с ним расчетов тем более важно, что водяной пар используется как рабочее тело в теплосиловых установках, а также как теплоноситель в промышленной теплотехнике.

Следует внимательно рассмотреть процесс парообразования в координатах р-V и понять основные состояния водяного пара – состояния влажного насыщенного пара, сухого насыщенного пара и перегретого пара. Нужно освоить понятие степени сухости пара (х).

Для того, чтобы иметь возможность определять параметры состояния водяного пара, очень важно научиться пользоваться таблицами водяного пара – таблицами насыщенного пара и таблицами перегретого пара, которые обычно приводятся в учебных пособиях по технической термодинамике.

Термодинамические процессы водяного пара, в т.ч. и связанные с изменением его агрегатного состояния, изучаются в диаграммах р-V и Т-S. Необходимо понять характер расположения на диаграммах, построенных для водяного пара, пограничных кривых Х=0 и Х=1, соответственно характеризующих состояние кипящей воды и сухого насыщенного пара, а также расположение точки критического состояния водяного пара, выше которой (в указанных диаграммах) существование вещества в двухфазном состоянии невозможно.

Практические задачи, связанные с расчетом водяного пара, наглядно решаются в диаграмме h-S, на которой нанесена сетка изобар, изотерм, изохор и линий х=const, включая Х=1. Следует иметь в виду, что для воды и водяного пара начало расчета h и S принято от состояния вещества в тройной точке, а внутреннюю энергию определяют по формуле U=h-pV.

Диаграмма h-S водяного пара широко используется в инженерной практике, поэтому освоение ее при изучении курса нужно считать обязательным.

В теплотехнике многие расчеты связаны с влажным воздухом, который представляет собой механическую смесь сухого воздуха и водяного пара. В начале изучения свойств влажного воздуха полезно рассмотреть возможные состояния водяного пара в воздухе в координатах р-V. Необходимо понять, почему влажный воздух, несмотря на присутствие в нем водяного пара, рассчитывается как идеальный газ.

Следует разобраться в понятиях влагосодержание воздуха (d), абсолютная влажность воздуха и относительная влажность воздуха (j). Важно понять, почему абсолютная влажность воздуха выражается плотностью водяного пара, содержащегося в нем.

Основные процессы изменения состояния влажного воздуха, встречающиеся на практике, связаны с подводом или отводом тепла при р=const, а также с повышением или понижением его влагосодержания. Расчеты процессов изменения состояния влажного воздуха обычно осуществляют, пользуясь диаграммой H-d. По диаграмме H-d для любого состояния влажного воздуха легко определить основные параметры, а также парциальное давление водяного пара и значение температуры, при которой начинается конденсация из воздуха излишней влаги (точку росы).

Диаграмма H-d влажного воздуха широко используется в инженерной практике, поэтому освоение ее при изучении курса следует считать обязательным.

В разделе курса, связанным с термодинамическими преобразованиями в потоке газообразного рабочего тела, рассматриваются вопросы истечения газов и паров из сопловых устройств, а также вопросы дросселирования.

При изучении процесса истечения газа (пара) следует разобрать обоснование и методику определения скорости истечения, расхода газа (пара) через сопло и размера расчетного сечения соплового устройства. Следует понять характер истечения газа (пара) из простых (цилиндрических или сужающихся) насадок, а также из комбинированного соплового устройства (сопла Лаваля). Необходимо понять условия, при которых скорость истечения газа (пара) из сопла и его расход ограничиваются пределом, равным скорости распределения звука в данной среде.

При рассмотрении процесса дросселирования (мятия) газообразного рабочего тела следует усвоить, почему итоговым результатом этого процесса можно считать условие h-const. Полезно обратить внимание на примеры явления дросселирования, встречающиеся в инженерной практике.

Необходимо уметь выполнять расчеты истечения и дросселирования водяного пара с помощью диаграммы h-S.

В курсе технической термодинамики подробно рассматривается процесс сжатия газообразного рабочего тела в поршневом компрессоре. При этом анализируется возможность и целесообразность сжатия идеального газа по изотерме, по адиабате и политропный процесс сжатия. Необходимо разобрать процессы, связанные с работой компрессора, в индикаторной диаграмме (диаграмме в координатах р-V) и понять причины, вызывающие необходимость создания многоступенчатых компрессоров. Необходимо освоить методику определения мощности привода компрессора. Следует познакомиться с особенностями работы центробежного и осевого компрессоров.

Курс технической термодинамики показывает, что непрерывная работа тепловых машин должна осуществляться на основе циклов, или круговых процессов, при осуществлении которых параметры рабочего тела изменяются от максимального значения до минимального, возвращаясь в каждом цикле к первоначальному значению.

Циклы включают процессы расширения и сжатия рабочего тела, процессы с подводом тепла и процессы с отводом тепла. Процессы, из которых складываются циклы, в теоретическом курсе рассматриваются как равновесные и обратимые. Циклы, в которых работа расширения по абсолютному значению больше работы, затрачиваемой на сжатие, являются циклами тепловых двигателей (прямые циклы). Циклы, в которых работа сжатия по абсолютной величине больше, чем работа расширения, являются циклами холодильных машин или тепловых насосов (обратные циклы).

Необходимо освоить графическое изображение прямых и обратных циклов в координатах р-V и Т-S; понимать значение площадей, получающихся при построении циклов в этих координатах.

Необходимо разобрать принципиальные схемы тепловых машин.

Следует разобрать прямой и обратный циклы Карно, циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с подводом тепла при р=const, с подводом тепла при V=const и при комбинированном способе подвода тепла, циклы газотурбинных установок (ГТУ) при разных условиях подвода тепла, цикл холодильной установки и теплового насоса.

Следует понять значение и способ определения термического КПД цикла теплового двигателя (h_t). Необходимо знать формулу для определения h_t цикла Карно.

Следует детально разобрать теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, в т.ч. графическое изображение его в координатах р-V и T-S, а также изображение теоретического процесса расширения водяного пара в паровой турбине в диаграмме h-S. Необходимо разобрать вывод формул для определения термического КПД цикла паросиловой установки и удельных расходов пара и тепла для выработки единицы энергии при осуществлении энергетического цикла. Следует рассмотреть основные способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина.

Существенное значение при освоении этого материала имеет рассмотрение принципиальных схем и тепловых балансов конденсационной теплоэлектростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Необходимо также понять основные принципы теплофикации.

При разборе цикла холодильной установки следует освоить понятие холодильного коэффициента. При разборе цикла теплового насоса следует освоить понятие отопительного коэффициента.

Литература:[1], [2], [3], [6], [7].

При изучении курса «Теоретические основы теплотехники» студент должен выполнить три контрольные работы и ответить письменно на два теоретических вопроса. Условия задач и номера теоретических вопросов выбираются в соответствии с двумя последними цифрами учебного шифра студента.

Поиск по сайту: