Основы теплотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ГОУ ВПО Вологодская государственная

Молочно -хозяйственная академия им. Н.В.Верещагина

инженерный факультет

Кафедра тракторов, автомобилей и теплотехники

ТЕПЛОТЕХНИКА

Методические указания и задания к выполнению КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ для студентов инженерного факультета по с п е ц и а л ь н о с т я м 110301 и 110304

г. Вологда-Молочное 2011 г.

УДК 62.112.9

ББК 31.36

Авторы: доцент Зефиров И.В., старший преподаватель Шевкопляс Л.А., старший преподаватель Ножнин С.Р., старший преподаватель Бирюков А.Л.

Рецензенты: Зав. кафедрой теоретической механики профессор Туваев В.Н., Шевкопляс Л.А., Ножнин С.Р., Бирюков А.Л.

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по теплотехнике для студентов инженерного факультета составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования от 2000г и УМК по дисциплине для специальностей 110301 "Механизация сельского хозяйства", и 110304 "Технология ремонта и обслуживания машин в АПК"

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по теплотехнике для студентов инженерного факультета рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства (протокол № __ от ___________2011года)

Таблица вариантов контрольных заданий

№ вари- анта	№№ Задач и вопросов	№ вари- анта а	№№ задач и вопросов	№ вари- анта	№№ задач и вопросов	№ вари- анта а
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25	1;11;21;31 2;12;22;32 3;13;23;33 4;14;24;34 5;15;25;35 6;16;26;36 7;17;27;37 8;18;28;38 9;19;29;39 10;20;30;40 1;12;23;34 2;13;24;35 3;14;25;36 4;15;26;37 5;16;27;38 6;17;28;39 7;18;29;40 8;19;30;31 9;20;21;32 10;11;22;33 1;13;25;37 2;14;26;38 3;15;27;39 4;16;28;40 5;17;29;31	26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50	6;18;30;32 7;19;21;33 8;20;22;34 9;11;23;35 10;12;24;36 1;14;27;40 2;15;28;31 3;16;29;32 4;17;30;33 5;18;21;34 6;19;22;35 7;20;23;36 8;11;24;37 9;12;25;38 10;13;26;39 1;15;29;33 2;16;30;34 3;17;21;35 4;18;22;36 5;19;23;37 6;20;24;38 7;11;25;39 8;12;26;40 9;13;27;31 10;14;28;32	51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75	1;16;22;36 2;17;23;37 3;18;24;38 4;19;25;39 5;20;26:40 6;11;27;31 7;12;28;32 8;13;29;33 9;14;30;34 10;15;21;35 1;17;24;39 2;18;25;40 3;19;26;31 4;20;27;32 5;21;28;33 6;22;29;34 7;23;30;35 8;24;21;36 9;15;22;37 10;16;23;38 1;18;26;32 2;19;27;33 3;20;28;34 4;11;29;35 5;12;30;36	76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100	6;13;21;37 7;14;22;38 8;15;23;39 9;16;24;40 10;17;25;31 1;19;28;35 2;20;29;36 3;11;30;37 4;12;21;38 5;13;22;39 6;14;23;40 7;15;24;31 8;16;25;32 9;17;26;33 10;18;27;34 1;20;30;38 2;11;21;39 3;12;22;40 4;13;23;31 5;14;24;32 6;15;25;33 7;16;26;34 8;17;27;35 9;18;28;36 10;19;29;37

Введение

Студент-заочник, руководствуясь программой курса и методическими указаниями к ней, самостоятельно изучает материал учебника и учебных пособий и выполняет письменные контрольные работы. Со всеми непонятными вопросами нужно обращаться за консультацией на кафедру. В период экзаменационной сессии по наиболее сложным вопросам преподаватели читают лекции.

Курс теплотехники рекомендуется изучать в указанной последовательности. Следует иметь в виду, что математические приемы, применяемые в курсе, должны помогать глубокому пониманию разбираемых явлений и процессов, но ни в коем случае не заслонять собой их физической сущности.

При изучении теоретического материала, как и при решении задач, необходимо обращать внимание на единицы измерения величин, с которыми производятся математические операции. Следует помнить, что проверка единиц в процессе математических выкладок помогает не допускать ошибки. Единицы измерения отражают физический смысл величины.

Критерием усвоения темы после изучения теоретического материала является Умение решать задачи и дать правильные ответы на вопросы для самопроверки.

Для лучшего усвоения материала курса рекомендуется составлять конспект (реферат) по каждой теме.

Обязательный элемент изучения курса теплотехники -- посещение лекций и выполнение студентом лабораторно-практических заданий под руководством преподавателей.

Цель лабораторно-практических занятий -- более прочное и глубокое усвоение студентами теоретических положений курса, а также приобретение ими расчетных и экспериментальных навыков.

К сдаче экзамена допускают студентов, успешно выполнивших контрольные работы и требуемый объем лабораторных работ.

Литература основная

1) Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980.

2) Щукин А. А., Сушкин И. Н., Бахмачевский В. И., Лызо Г. П. Теплотехника. М., 1973.

3) Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче / Под ред. Б. Н. Юдаева. М., 1968.

4) Краснощеков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. М., 1975.

5) Панкратов Г. П. Сборник задач по общей теплотехнике. М., 1977.

Программа, методические указания к изучению тем курса и вопросы для самопроверки

Методические указания

Теплотехника -- общетехническая дисциплина, предмет изучения которой способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых и холодильных машин, аппаратов и устройств.

Теоретическими основами теплотехники являются техническая термодинамика и теория тепло- и массообмена.

Теплотехническая подготовка студентов инженерных специальностей имеет ряд особенностей, которые обусловлены характером их будущей практической деятельности. Большинство технологических процессов, применяемых на предприятиях отрасли, протекает с выделением или поглощением теплоты, а также с широким использованием электрической и механической энергий, которые вырабатываются в различных теплосиловых установках и тепловых двигателях.

Инженер в своей практической деятельности имеет дело с различными тепловыми процессами и с их конструктивным оформлением в виде теплотехнического оборудования, встроенного в технологические процессы. Поэтому он должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое оборудование, которое применяется в данной отрасли народного хозяйства, руководить эксплуатацией энерготехнологических систем производства, заниматься выявлением и использованием вторичных энергоресурсов и активно участвовать в экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятии. Особую важность теплотехническая подготовка инженеров приобретает в связи с рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов нашей страны. Для этого он должен хорошо разбираться в тепловых процессах, конструкциях теплоэнергетических установок и способах экономного использования теплоэнергетических ресурсов в условиях предприятия. Все возрастающее использование топливно-энергетических ресурсов в промышленности с особой остротой ставит проблему защиты окружающей среды от загрязнения ее продуктами сгорания топлива. Без достаточной теплотехнической подготовки инженер не сможет принимать активное участие в эффективном решении этой проблемы для конкретного предприятия, конкретного производства.

Основная задача курса теплотехники -- дать необходимую квалифицированную теплотехническую подготовку будущему инженеру.

1. Техническая термодинамика

1.1 Основные понятия и определения

Программа

Предмет технической термодинамики и ее метод. Термодинамическая система и ее виды. Рабочее тело и внешняя среда. Теплота и работа как формы энергетического взаимодействия внешней среды и рабочего тела. Основные параметры состояния рабочего тела. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы. Обратимый и необратимый процессы. Графическое изображение обратимых процессов в термодинамических диаграммах. Понятие о круговом обратимом процессе.

Идеальный газ. Уравнения состояния идеального газа. Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей. Определение средней молярной массы и удельной газовой постоянной смеси. Парциальные давления и объемы.

Методические указания

Техническая термодинамика -- наука, изучающая взаимопревращения энергии (теплоты и работы) и условия, при которых эти превращения совершаются наиболее эффективно. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми и механическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.

Теоретическим фундаментом, на котором базируются все выводы технической термодинамики, является первый и второй законы термодинамики, представляющие собой обобщение опыта познания человеком природы. Основная особенность метода термодинамики -- логически последовательное применение аналитических выражений первого и второго законов термодинамики совместно с уравнением состояния рабочего тела. При изучении темы студент должен внимательно разобрать такие понятия, как термодинамическая система, рабочее тело и внешняя среда, равновесное и неравновесное состояния рабочего тела, термодинамический процесс.

Необходимо усвоить определения и физическую суть таких понятий, как равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый термодинамические процессы. Понять, что равновесное состояние рабочего тела, так же как равновесный и обратимый процессы, является научной абстракцией, как некоторые идеализированные модели реальных состояний и процессов. Реальные состояния и процессы приближаются к идеализированным при условии очень малых изменений параметров состояния и когда время между последовательными изменениями состояния достаточно велико. Однако именно введение этих идеализированных понятий позволило построить стройный математический аппарат термодинамики, позволяющий получать результаты, достаточно близкие к практике.

Для усвоения последующего материала необходимо уяснить, что теплота и работа представляют собой определенные формы энергии -- тепловую и механическую, причем работа может переходить в теплоту, а теплота в работу, т. е. они взаимопревращаемы.

Работа всегда полностью превращается в теплоту, в то время как переход теплоты в работу имеет определенные ограничения даже в идеальном процессе. Взаимное превращение теплоты и работы в тепловой машине осуществляется ^с помощью рабочего тела, которое благодаря тепловому и механическому воздействию должно обладать способностью значительно изменять свой объем. Поэтому в качестве рабочего тела в тепловых машинах используется газ или пар. Усвоить, что физическое состояние рабочего тела в термодинамике определяется тремя параметрами: абсолютным давлением р(Па), удельным объемом v(м³/кг) и абсолютной температурой Т(К). Эти три параметра называются основными и связаны между собой уравнением состояния F(p, v, Т) = 0. Независимые, т. е. выбираемые произвольно - два любых параметра, а третий определяют из уравнения состояния. Например, если р и v -- независимые параметры, то Т=f (р, v), где f(р, v) -- функция, определяемая при решении уравнения состояния относительно зависимого параметра Т.

Для четкого понимания физической сути изучаемых закономерностей термодинамики и принципов работы различных теплотехнических устройств нужно овладеть принципом графического изображения любых процессов, включая круговые (т.е.циклы) в термодинамических диаграммах. Необходимо уяснить, что графически можно изображать только равновесные обратимые процессы и циклы, которые совершаются рабочим телом.

Во всех теплотехнических установках, в которых в качестве рабочего тела используют газ, он считается идеальным, т. е. газом, состоящим из молекул -- материальных точек, не имеющих размеров и между которыми отсутствуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), кроме упругих соударений. Как известно из физики, такой газ подчиняется уравнению состояния Клапейрона, которое может быть записано для m кг газа (pV = mRT) и для 1 кг газа (pv =RT, где v = V/m -- удельный объем газа, м³/кг).

Понятие идеального газа является научной абстракцией, моделью реального газа, дающей хорошую сходимость с практикой, когда состояние газа далеко от состояния сжижения и силы взаимодействия практически равны нулю, т.е. потенциальная энергия молекул намного меньше их кинетической Применение этой модели позволяет построить достаточно простые аналитические зависимости термодинамики, применение которых к тепловым машинам дает, как правило, приемлемую сходимость с практикой.

Для насыщенного пара, т. е. для состояния, близкого к состоянию сжижения, модель идеального газа неприемлема. В этом случае приходится применять очень сложные модели и уравнения реальных газов, в которых учитывают собственные размеры молекул, а также силы взаимодействия между ними.

При изучении материала необходимо разобрать получение уравнения состояния Клапейрона--Менделеева для 1 моля идеального газа. Важно понять различие между удельной газовой постоянной, принимающей определенное значение для каждого газа, и универсальной газовой постоянной, одинаковой для всех газов и равной R_m=8314 Дж/(Кмоль*К).

При изучении газовой смеси необходимо понять, что основным здесь является умение определять газовую постоянную смеси газов, заданной массовым и объемным составом. Знание газовой постоянной смеси позволяет при исследовании термодинамических процессов пользоваться уравнением Клапейрона так же, как и для отдельного газа.

Литература: [1], с. 5--20, 22--26, 28--32, 54--56.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определение термодинамической системы.

2. Что такое рабочее тело?

3. Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? почему?

4. В чем состоит энергетическое воздействие внешней среды на рабочее тело?

5. Какой процесс называют термодинамическим?

6. Какие процессы называют равновесными и какие неравновесными?

7. Какие процессы называют обратимыми, а какие необратимыми?

8. Какая разница между разомкнутым термодинамическим процессом и круговым (циклом)?

9. Какой газ называют идеальным?

10. Какие известны уравнения состояния идеального газа?

11. Что такое моль газа? Что называют нормальными физическими условиями? 12. Какое соотношение между удельной газовой постоянной и универсальной газовой постоянной и в каких единицах их выражают?

13. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную массовыми долями?

14. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную объемными долями?

1.2 Первый закон термодинамики

Программа

Сущность первого закона термодинамики. Внутренняя энергия. Работа процесса. Графическое изображение работы в pv-диаграмме. Теплота процесса. Принцип эквивалентности теплоты и работы. Аналитическое выражение и формулировка первого закона термодинамики. Энтальпия. Теплоемкость газов. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкость смеси идеальных газов. Применение первого закона термодинамики к идеальному газу. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и при постоянном объеме. Энтропия. Вычисление изменения энтропии идеальных газов. Диаграмма Ts. Графическое изображение теплоты в диаграмме Ts.

Методические указания

Студент должен понять особенности применения в термодинамике общего закона сохранения и превращения энергии. Энергетические изменения, происходящие в термодинамической системе, определяют по изменению параметров рабочего тела, которое является объектом анализа.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики имеет две формы: и . Следует четко разобраться в разнице понятий „работа расширения" и „располагаемая работа" и уметь дать геометрическую интерпретацию их в диаграмме pv.

Уяснить принципиальную разницу между внутренней энергией, однозначно определяемой данным состоянием рабочего тела, а также работой и теплотой, которые появляются лишь при наличии процесса перехода рабочего тела из одного состояния в другое и, следовательно, зависят от характера этого процесса. Следует понять разницу между функцией состояния и функцией процесса.

При изучении темы необходимо разобраться с вопросом, что внутренняя энергия функция (параметр) состояния, которая называется энтропией. Здесь этот параметр служит лишь для упрощения термодинамических расчетов, а главное позволяет графически изобразить теплоту, участвующую в процессе, в диаграмме Ts. Нужно понять, как из выражения можно установить знак теплоты, участвующей в процессе. Знание этого вопроса поможет при пользовании Ts-диаграммой, в которой , т. е. площадь под кривой процесса в диаграмме Ts определяет в масштабе количество теплоты, подведенной к рабочему телу (если ds > 0) или отведенной от него (если ds < 0).

Уяснить, почему для всех процессов, в которых рабочим телом является идеальный газ, всегда .

Литература: [1], с. 45--78.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое внутренняя энергия рабочего тела?

2. Что такое теплота и работа процесса?

3. В чем сущность первого закона термодинамики?

4. Что такое энтальпия и энтропия? в чем они выражаются?

5. В чем разница между функцией состояния и функцией процесса?

6. Как доказать на примере идеального газа, что энтальпия и энтропия являются функциями состояния?

7. Как графически изобразить работу и теплоту процесса?

8. Что такое теплоемкость? какие существуют теплоемкости?

9. В чем разница между средней и истинной теплоемкостями?

10. Как вычислить теплоемкость смеси идеальных газов?

11. Каков физический смысл удельной газовой постоянной? в чем физический смысл уравнения Майера?

12. Как вычислить изменение энтропии идеального газа?

1.3 Второй закон термодинамики

Программа

Круговые термодинамические процессы (циклы). Прямой и обратный (обратимый) цикл Карно. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Сущность второго закона термодинамики и его основные формулировки. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии изолированной термодинамической системы. Максимальная работа и понятие об эксергии.

Методические указания

Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе. Поэтому следует тщательно изучить все вопросы, относящиеся к циклам, особенно к циклу Карно, который имеет большое значение в термодинамике, так как с его помощью выводят все аналитические зависимости, относящиеся ко второму закону термодинамики, а формула для к. п. д. этого цикла, по существу, является "техническим выражением существа второго закона термодинамики в применении к тепловым машинам.

Обратимый цикл Карно при выбранных температурах Т_mах горячего источника теплоты и T_mhn холодильника имеет наивысший термический к. п. д. среди любых других обратимых циклов.

Первый закон термодинамики не устанавливает условий, при которых теплота в машине превращается в работу. Это легко уяснить из следующих рассуждений.

Если применить уравнение первого закона термодинамики к циклу и проинтегрировать его по замкнутому контуру цикла, то получим

поскольку и -- функция состояния. Отсюда вытекает, что теплота, подведенная к рабочему телу в цикле (#_ц), равна работе, полученной в результате совершения цикла (/_ц). Последнее может привести к неверному выводу о полном превращении теплоты в работу цикла, что равносильно возможности создания вечного двигателя второго рода. Это противоречие легко устранить с помощью понятия энтропии, как функции состояния. Проинтегрировав выражение по замкнутому контуру цикла, получим , так как S -- функция состояния. Учитывая, что абсолютная температура Т не может быть величиной отрицательной, приходим к выводу, что интеграл может быть равен нулю только в том случае, если на отдельных участках цикла будет иметь место неравенство , т. е. будет осуществляться отвод теплоты. Следовательно, при совершении цикла наряду с подводом теплоты к рабочему телу () обязательно должны быть процессы с отводом теплоты (). Именно это и означает, что подведенную к рабочему телу теплоту в цикле нельзя полностью превратить в работу.

Несмотря на наличие в литературе большого количества формулировок второго закона термодинамики, сущность этого закона сводится к двум положениям: 1) теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему без затраты работы; 2) для превращения теплоты в работу в периодически действующей машине необходимо наличие не менее двух источников теплоты: теплоотдатчика (горячего) и теплоприемника (холодного). При этом только часть теплоты, переданной телу от горячего источника, может быть превращена в работу, остальная часть должна быть отдана холодному источнику.

В отличие от первого закона термодинамики, являющегося абсолютным законом природы, справедливым как для макромира, так и для микромира, второй закон термодинамики таковым не является. Объясняется это тем, что он получен из наблюдений над объектами, имеющими конечные размеры в окружающих нас земных условиях, и не может произвольно распространяться как на бесконечную Вселенную, так и на бесконечный микромир.

Следует иметь в виду, что если рассматривается изолированная система, состоящая из теплоотдатчика, рабочего тела, совершающего обратимый цикл Карно, и теплоприемника, то: а) в случае обратимых процессов передачи теплоты (т. е. при бесконечно малой разнице температур) от теплоотдатчика рабочему телу и от него теплоприемнику энтропия системы остается постоянной (As_c = 0); б) в случае если один из процессов, например теплоотдача от источника к рабочему телу, протекает при конечной разнице температур, энтропия системы возрастает (As_c > 0).

Независимо от обратимости процесса энтропия рабочего тела в цикле (как функция состояния) всегда остается неизменной (As_p.T -- 0).

Все реальные процессы являются необратимыми, поэтому энтропия изолированной системы, в которой протекают такие процессы, всегда возрастает (As_c>0). Возрастание энтропии в необратимых процессах само по себе ни о чем не говорит. Однако возрастание энтропии () приводит к уменьшению работоспособности изолированной системы. Необходимо разобраться в том, что для количественной оценки потерн работоспособности системы вводится понятие удельной эксергии, под которой понимают максимальную удельную работу, совершаемую системой при ее переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой. Следует понимать, почему потеря эксергии, ведущая к уменьшению работоспособности системы из-за необратимости процесса, определяется произведением наименьшей температуры системы на приращение энтропии.

Литература: [1], с. 96--123.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое термодинамический цикл?

2. В чем состоят термическая и механическая необратимости процессов?

3. Что такое прямой и обратный (обратимые) циклы Карно?

4. Что называется термическим к. п. д. и холодильным коэффициентом произвольного цикла, чему они равны для цикла Карно?

5. Почему обратимый цикл Карно является самым эффективным среди других циклов, осуществляемых в заданном интервале температур?

6, В чем сущность второго закона термодинамики? Приведите основные формулировки &того закона.

7. Приведите аналитическое выражение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов.

8. Как изменяется энтропия изолированной системы при протекании в ней обратимых и необратимых процессов?

9. Что такое эксергия? Чем определяется уменьшение работоспособности изолированной системы?

1.4 Термодинамические процессы

Программа

Общие вопросы исследования процессов изменения состояния любых рабочих тел. Термодинамические процессы идеальных газов. Политропные процессы. Уравнение политропы. Определение показателя политропы и теплоемкости политропного процесса. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный как частные случаи политропного процесса. Изображение политропных процессов в pv- и fs-диаграммах. Отличие реального газа от идеального. Термодинамические процессы изменения состояния водяного пара как реального газа. Процессы парообразования в pv- и Ts-диаграммах. Понятие об уравнении Вукаловича -- Новикова. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью таблиц и hs-диаграммы.

Методические указания

В термодинамике переход рабочего тела из одного равновесного состояния в другое совершается в обратимом термодинамическом процессе. Следует уяснить, что задание начального и конечного состояний рабочего тела означает полное знание всех термодинамических параметров состояния начальной и конечной точек процесса.

Основная задача исследования термодинамического процесса -- определение теплоты ()» участвующей в процессе, и работы изменения объема рабочего тела (), Такие величины, как изменение внутренней энергии ()_, энтальпии (), энтропии (), являются вспомогательными, служащими для решения основной задачи.

Общий метод исследования термодинамических процессов является универсальным, не зависящим от природы рабочего тела. Метод базируется на применении уравнения первого закона термодинамики, записанного в двух разнозначных формах:

которое справедливо для любых рабочих тел.

Различие в применении общего метода исследования к идеальным газам и водяному пару обусловлено отсутствием для пара такого простого уравнения состояния, как уравнение Клапейрона для идеального газа, и сложной зависимостью теплоемкости пара от температуры и давления. Поэтому решение основной задачи для идеального газа опирается на конечные аналитические зависимости, в то время как для пара применение общего метода требует использования таблиц или диаграммы hs. Например, в случае изотермического процесса изменения состояния 1 кг рабочего тела общими формулами будут:

В случае идеального газа:

.

В случае реального газа (пара):

где величины берутся из таблиц или снимаются с диаграммы для точек, определяющих начальное и конечное состояния пара.

Водяной пар является рабочим телом в современных теплосиловых установках, а также находит широкое применение в различных технологических процессах. Необходимо разобраться в процессе парообразования и уметь изображать этот процесс в - и - диаграммах. Параметры водяного пара можно определить по таблицам, а также с помощью диаграммы . Наиболее просто и с достаточной для инженерных расчетов точностью параметры влажного, сухого насыщенного и перегретого паров определяются с помощью диаграммы . Студент должен уяснить принцип работы с диаграммой и научиться определять по ней параметры пара различного состояния. Любая точка на диаграмме в области перегретого пара и на кривой сухого насыщенного пара определяет шесть параметров , а любая точка в области влажного пара определяет семь параметров, так как к названным выше параметрам добавляется еще степень сухости. Нужно уметь определять все параметры любой точки на диаграмме . Для успешного решения различных задач, связанных с водяным паром, необходимо научиться схематично изображать основные процессы (изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный) в диаграммах .

Уяснить понятие политропного процесса, под которым понимается любой термодинамический процесс идеального газа с постоянной теплоемкостью с_п (или показателем политропы n) в этом процессе. Уметь показать общность политропного процесса, выраженного уравнением , получая из него уравнение известных основных процессов (изохорного, изобарного, изотермического и адиабатного). Разобраться в определении показателя политропы и теплоемкости политропного процесса идеального газа как обобщающих величин, из которых получают частные значения для основных процессов.

Научиться изображать графически в диаграммах как основные, так и общие политропные процессы.

Литература: [1], с. 33--35, 80--92, 162--178.

Вопросы для самопроверки

H. Какие термодинамические процессы рабочего тела называют основными? 2. Изобразите в - и -диаграммах основные процессы идеального газа и приведите характеристику каждому из них. 3. Чему равен показатель политропы в основных процессах идеального газа? 4. Чему равна теплоемкость политропного процесса? 5. Какие группы политропных процессов вы знаете? Покажите их на - и -диаграммах. 6. В чем физический смысл отрицательной теплоемкости? 7. В чем принципиальное различие между идеальным и реальным газами? 8. Изобразите процесс парообразования в - и - диаграммах. 9. В чем сущность исследования термодинамических процессов любого рабочего тела? 10. Как определяют теплоту и работу изменения объема для основных термодинамических процессов идеального газа? 11. Изобразите в диаграммах основные термодинамические процессы водяного пара. 12. Как определяют теплоту и работу изменения объема для основных термодинамических процессов водяного пара?

1.5 Влажный воздух

Программа

Определение влажного воздуха. Абсолютная и относительная влажность воздуха, влагосодержание. Психрометр. Температура точки росы. Энтальпия и плотность влажного воздуха, Диаграмма влажного воздуха.

Методические указания

Усвоить основные определения и понятия, относящиеся к влажному воздуху. Уметь определять газовую постоянную влажного воздуха и его энтальпию. Обязательно приобрести навыки в пользовании диаграммой влажного воздуха.

Литература: [1], с. 210--217.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определение влажного воздуха.

2. Что такое абсолютная и относительная влажность?

3. Что такое влагосодержание?

4. В каких пределах может изменяться влагосодержание?

5. Что такое точка росы?

6. Как изображают основные процессы влажного воздуха в td-диаграмме?

1.6 Термодинамика потока

Истечение и дросселирование газов и паров

Программа

Уравнение первого закона термодинамики для потока и его анализ. Адиабатное истечение. Скорость адиабатного истечения. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Геометрическое воздействие на поток. Сопло Лаваля. Особенности определения скорости истечения для водяного пара. Влияние потерь на скорость истечения. Сущность процесса дросселирования. Изменение параметров рабочего тела при дросселировании. Понятие об эффекте Джоуля -- Томсона. Температура инверсии. Техническое применение эффекта дросселирования. Условное изображение процесса дросселирования водяного пара в диаграмме . Потеря работоспособности рабочего тела при дросселировании.

Методические указания

Тщательно разобрать физический смысл отдельных членов уравнения первого закона термодинамики для потока. Понять, за счет чего совершаются различные виды работ при течении рабочего тела. Ясно представить себе, почему в суживающихся и цилиндрических каналах скорость потока не может превзойти скорости звука. Разобраться в геометрическом воздействии профиля канала на скорость потока и уметь анализировать изменение параметров рабочего тела при течении его по соплу Лаваля. Понять принципиальную разницу в расчете скорости истечения идеального газа и водяного пара. Необходимо отчетливо представлять себе влияние трения на адиабатный процесс истечения идеального газа и водяного пара и уметь изображать реальный процесс истечения в диаграммах . Из-за явной необратимости адиабатного процесса дросселирования последний нельзя отождествлять с процессом, протекающим при постоянной энтальпии. Уяснить принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором , и адиабатным обратимым процессом расширения рабочего тела, при котором . Понять, почему в результате дросселирования водяного пара температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной.

Литература: [1], с. 180--194, 197--204.

Вопросы для самопроверка

1. Какие допущения лежат в основе вывода уравнения первого закона термодинамики для потока?

2. Объясните физический смысл каждого члена уравнения первого закона термодинамики для потока.

3. На что расходуется работа расширения газа в потоке?

4. Что такое работа проталкивания и какой она может иметь знак?

5. Что такое располагаемая работа, как показать ее на - диаграмме?

6. Что такое сопло и диффузор?

7. Каков физический смысл критической скорости?

8. Какая связь между изменением профиля канала, изменением плотности рабочего тела и изменением скорости его течения?

9. Каким условиям должны отвечать диффузор и сопло для дозвукового и сверхзвукового режимов течения?

10. Какой процесс носит название дросселирования?

11. Как протекает процесс адиабатного дросселирования?

12. Как и почему меняется температура водяного пара при его дросселировании? 13. Возможно ли осуществить сжижение газа в процессе дросселирования?

Тема 7. Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Программа

Назначение я классификация компрессоров. Техническая работа в компрессоре. Работа, затрачиваемая на привод компрессора. Изотермическое и политропное сжатие. Индикаторная диаграмма. Отличие индикаторной диаграммы действительного цикла от теоретического. Понятие о многоступенчатом сжатии. Изображение в диаграммах процессов в компрессорах для одно- и многоступенчатого сжатия. Определение эффективной мощности, затрачиваемой на привод компрессора, и понятие о внутреннем относительном к. п. д.

Методические указания

Из-за широкого распространения в промышленности компрессоров термодинамический анализ работы компрессоров имеет большое значение в подготовке студентов-технологов. Ознакомившись с конструктивной схемой и работой поршневых и центробежных компрессоров, необходимо обратить внимание на то, что процессы всасывания и выталкивания, изображенные на индикаторной диаграмме горизонтальными линиями, нельзя рассматривать как изобарные, так как в этих процессах не происходит изменения состояния, а происходит изменение количества всасываемого или выталкиваемого рабочего тела. Необходимо уделить должное внимание изображению термодинамических процессов в диаграммах. Сравнить изотермическое, адиабатное и политропное сжатие рабочего тела. Уяснить влияние вредного пространства на работу поршневого компрессора. В связи с применением высокого давления в некоторых технологических аппаратах разобрать принципы работы многоступенчатых компрессоров.

Литература: [1], с. 217--228.

Вопросы для самопроверки

1. Назначение компрессоров.

2. Классификация компрессоров.

3. Принцип действия поршневого компрессора и изображение работы компрессора в рv-диаграмме.

4. Какой процесс сжатия в поршневом компрессоре наиболее выгодный?

5. Можно ли получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре?

6. Как определяется работа, затрачиваемая на привод компрессора?

7. Как определяется техническая работа компрессора?

8. Чем вызвано применение нескольких ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре?

9. Чем отличаются центробежные компрессоры от поршневых?

10. Приведите описание многоступенчатого компрессора.

11. Как влияет вредное пространство на работу компрессора?

12. Как определяется эффективная мощность, затрачиваемая на привод компрессора?

13. Как определяется внутренний относительный к. п. д. компрессора?

1.8 Циклы двигателей внутреннего сгорания.

Циклы газотурбинных установок

Программа

Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Изображение циклов ДВС в pv- и Ts-диаграммах. Анализ и сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Определение термического к. п. д. и влияние параметров цикла ДВС на увеличение к. п. д. Преимущества газотурбинных установок по сравнению с поршневыми ДВС. Циклы газотурбинных установок. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном объеме. Изображение циклов в диаграммах. Анализ и сравнение циклов газотурбинных установок. Определение термического к. п. д. и методы повышения к. п. д. газотурбинных установок. Методы анализа циклов теплоэнергетических установок. Эксергетический метод анализа циклов.

Методические указания

Термодинамический анализ циклов двигателей внутреннего сгорания проводится при допущении термодинамической обратимости процессов, составляющих цикл. Для простоты анализа циклов ДВС в качестве рабочего тела применяют идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

Разность температур между источником теплоты и рабочим телом считают бесконечно малой, а подвод теплоты к рабочему телу осуществляют от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. Научиться анализировать различные циклы, пользуясь при этом диаграммами. При рассмотрении действительных процессов обратить внимание на отличие индикаторных диаграмм от теоретического идеального цикла. Проанализировать уравнение для определения термического к. п. д. различных циклов и влияние основных параметров на величину термического к. п. д.

Следует разобраться в вопросе об экономичности циклов ДВС. При сравнении экономичности рассматриваемых циклов при одинаковых степенях сжатия следует помнить, что наиболее экономичным будет цикл с изохорным подводом теплоты. Если же сравнение экономичности производить при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то максимальный к. п. д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты, а наименьший -- цикл с изохорным подводом теплоты.

При рассмотрении газотурбинных установок (ГТУ) обратить внимание на преимущества их перед поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Разобрать принцип работы газотурбинных установок, знать схемы установок и уметь анализировать их работу, используя диаграммы pv и Ts. Понять принцип получения уравнения термического к. п. д., внутреннего относительного к. п. д. и эффективного к. п. д. газотурбинных установок, обратить внимание на физический смысл этих понятий. Запомнить, что при сравнении циклов ГТУ при различных степенях повышения давлений и одинаковых максимальных температурах наибольший к. п. д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты. Разобрать методы повышения термического к. п. д. и помнить, что регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и ступенчатый подвод теплоты значительно повышают к. п. д. газотурбинной установки, а идеальный цикл при этом приближается к обобщенному циклу Карно.

Литература: [1], с. 230--241, 244--254.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите определение понятия «двигатель внутреннего сгорания».

2. Как классифицируются теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания?

3. Изобразите тепловой процесс цикла ДВС с подводом теплоты при v = const в диаграммах pv и Ts.

4. Как определяется термический к. п. д цикла ДВС с подводом теплоты при v = const?

5. Почему в циклах ДВС с подводом теплоты при v = const нельзя применять высокие степени сжатия?

6. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const в pv- и Ts-диаграммах.

7. Как определяется термический к. п. д. цикла ДВС с подводом теплоты при р = const?

8. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты в pv- и Ts-диаграммах.

9. Как определяется термический к. п. д. и полезная работа в цикле?

10. Почему термический к. п. д. цикла ДВС при р = const больше, чем в цикле при v = const?

11. Какие преимущества имеют газотурбинные установки по сравнению с двигателями, внутреннего сгорания?

12. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при v = const. Изобразите тепловой процесс в pv- и Ts-диаграммах.

13. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при р = const. Изобразите тепловой процесс в pv- и Ts-диаграммах.

14. Что называется внутренним относительным к. п. д. газотурбинной установки и как он определяется?

15. Что называется эффективным к. п. д. газотурбинной установки и как он определяется?

16. Назовите методы повышения термического к. п. д. газотурбинной установки. 17. Приведите сравнительную характеристику идеальных циклов газотурбинных установок.

18. В чем сущность эксергетического метода анализа циклов?

1.9 Циклы паросиловых установок

Программа

Основной цикл паросиловой установки -- цикл Ренкина. Принципиальная схема паросиловой установки. Изображение идеального цикла Ренкина в pv-, Ts- и ts-диаграммах. Определение термического к. п. д. цикла Ренкина. Влияние основных параметров на термический к. п. д. цикла Ренкина. Способы повышения экономичности паросиловых установок. Цикл со вторичным перегревом пара, регенеративный цикл, бинарные и парогазовые циклы. Основы теплофикации. Понятие о внутреннем, относительном и эффективном к. п. д. паросиловых установок. Понятие о циклах атомных силовых установок.

Методические указания

Циклы паросиловых установок являются основой советской теплоэнергетики. Поэтому повышению эффективности паросиловых установок в настоящее время уделяется большое внимание. Прежде всего необходимо изучить историю развития теории циклов паросиловых установок, ее современное состояние и перспективы развития. Особое внимание следует уделить основному циклу паросиловой установки. Разобрать принципиальную схему установки. Следует знать, что за основной цикл принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе, поэтому для подачи питательной воды в паровой котел вместо громоздкого малоэффективного компрессора используется питательный насос, который имеет малые габариты и высокий к. п. д. Исследование основного цикла осуществляется с помощью pv-, Ts- и hs-диаграмм. Умение анализировать циклы с помощью диаграмм является обязательным. Разобрать вывод уравнения для определения термического к. п. д. цикла Ренкина. Исследование термического к. п. д. при различных начальных и конечных состояниях пара позволяет сделать вывод, что увеличение начального давления и температуры, а также снижение давления в конденсаторе приводят к росту к. п. д. паросиловой установки, и в итоге -- значительная экономия топлива. Повышение к. п. д. достигается путем изменений в самом цикле. Эти изменения приводят к созданию циклов, из которых наибольший интерес представляют: с вторичным перегревом пара, регенеративный, парогазовый и бинарные. Несмотря на снижение термического к. п. д. в теплофикационном цикле, метод комбинированной выработки тепловой энергии является наиболее прогрессивным. Комбинированное производство теплоты и электроэнергии значительно снижает расход топлива по сравнению с раздельной выработкой, поэтому развитие теплофикации в РФ имеет большое народнохозяйственное значение. При изучении темы ознакомиться с общими понятиями термодинамических циклов атомных установок. Этой отрасли народного хозяйства принадлежит будущее.

Литература: [1], с. 259--277, 280--287.

Вопросы для самопроверки

1. В чем принципиальное отличие паросиловой установки от двигателей внутреннего сгорания?

2. Приведите принципиальную схему паросиловой установки.

3. Изобразите идеальный цикл Ренкина в ри-диаграмме.

4. Изобразите идеальный цикл Ренкина в Ts-диаграмме.

5. Изобразите идеальный цикл Ренкина в ts-диаграмме.

6. В чем отличие цикла Ренкина от цикла Карно?

7. Как определить термический к. п. д. цикла Ренкина?

8. Как и почему изменяется термический к. п. д. цикла Ренкина при увеличении начальных параметров водяного пара?

9. Каково влияние конечных параметров водяного пара на величину термического к. п. д. цикла Ренкина?

10. Покажите с помощью hs-диаграммы, как изменяется влажность пара в конце адиабатного расширения при повышении начального давления при неизменной начальной температуре и конечном давлении пара?

11. Для каких целей в паросиловой установке используют вторичный перегрев пара?

12. Объясните работу регенеративного цикла паросиловой установки с помощью ts-диаграммы.

13. Приведите описание бинарного цикла.

14. Что такое внутренний относительный к. п. д. паросиловой установки и как его определяют?

15. В чем преимущество комбинированной выработки теплоты и электроэнергии? 16. Как определяют удельный расход пара в паросиловой установке?

17. Как определяют эффективный к. п. д. паросиловой установки?

18. В чем сущность парогазового цикла?

1.10 Прямые преобразователи энергии

Программа

Общие понятия о солнечных теплогенераторах, солнечных электрических парогенераторах. Лазерные теплогенераторы. Циклы установок с магнитогидро-динамическими генераторами.

Методические указания

Рассматриваемая тема посвящена новым источникам получения тепловой и электрической энергии. В связи с истощением запасов органических ископаемых, используемых в качестве топлива для получения теплоты и электроэнергии, в СССР с середины XX в. начинается быстрое развитие новой энерготехники. Создаются энергоустановки, позволяющие вырабатывать электроэнергию: топливные элементы, термоэлектрогенераторы магнитогазодинамические электрогенераторы, солнечные электрогенераторы. Интенсивно ведутся работы по теплофикационному использованию солнечной энергии, использованию термоядерной реакции для получения тепловой и электрической энергии.

Большое значение придается использованию низкотемпературной плазмы для получения электроэнергии. Следует знать, что магнитогидродинамический (МГД) генератор основан на принципе движения ионизированного потока газа (при высокой температуре) между полюсами сильного электромагнита. Более детальный анализ работы установок по прямому преобразованию энергии рассматривается в части HHH, посвященной теплоэнергетическим установкам.

Литература: [1], с. 287--290.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы новые методы получения тепловой и электрической энергии?

2. Каким образом можно использовать энергию Солнца для получения электроэнергии?

3. Можно ли использовать солнечную энергию для работы электрических парогенераторов?

4. Приведите определение понятия низкотемпературной плазмы.

5. На каком принципе основана работа магнитогидродинамических генераторов?

1.11 Циклы холодильных машин, теплового насоса и термотрансформаторов (обратные термодинамические циклы)

Программа

Основные понятия о работе холодильных установок. Классификация холодильных установок. Понятие о холодильном коэффициенте и холодопроизводительности. Циклы воздушных, пароэжекторных и абсорбционных холодильных установок. Принципиальные схемы установок и изображение циклов в pv-и Ts-диаграммах. Цикл паровой компрессорной холодильной установки, принципиальная схема и изображение цикла в Ts-диаграмме. Общие понятия о глубоком охлаждении. Принципиальная схема теплового насоса. Понятие о коэффициенте теплоиспользования. Требования, предъявляемые к рабочим телам холодильных установок.

Методические указания

В этой теме студент изучает термодинамические основы холодильных установок, осуществляющих производство холода. Вопросы, рассматриваемые в данной теме, представляют большой практический интерес для будущих инженеров-технологов. Холодильные установки работают по обратному циклу. Знание классификации и принципиальных схем холодильных установок позволяет правильно выбирать соответствующий тип холодильной установки при расчете охлаждения. Несмотря на то, что воздушные холодильные установки в промышленности используют редко, изучение схемы и принципа действия такой установки позволит студенту изучить термодинамические основы холодильного цикла. Усвоив учебный материал темы, студент сможет анализировать с помощью Ts-диаграммы работу холодильных циклов, определять холодильные коэффициенты и холодопроизводительность установок. Особое внимание обратить на работу паровой компрессорной холодильной установки, получившей наибольшее распространение в промышленности. Уяснить принципиальное отличие паровых компрессорных установок от воздушных. Запомнить, что в паровой компрессорной холодильной установке не применяется расширительный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регулировочном вентиле. Несмотря на то что это приводит к потере холодопроизводительности, замена упрощает установку и дает возможность легко регулировать давление пара и получать низкую температуру в охладителе. По обратному циклу работают не только холодильные машины, но и тепловые насосы, в которых теплота, забирваемая от окружающей среды, с помощью затраченной работы повышает энергетический уровень рабочего тела и при более высокой температуре отдается внешнему потребителю. Уяснить понятие коэффициента теплоиспользования и разобрать принципиальную схему и работу теплового насоса.