2. Термодинамические процессы реальных газов.

1. Изохорный процесс.

Изохорный процесс - процесс, происходящий при постоянном объеме

Давление газа пропорционально его температуре.

Вся подведенная теплота расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела

2.    Изобарный процесс - процесс, происходящий при постоянном давлении.

Удельный объем газа пропорционален его температуре

Вся подведенная теплота расходуется на изменение энтальпии рабочего тела

Работа процесса равна произведению давления на изменение объема.

Следовательно, касательная, проведенная к кривой процесса в TS - координатах, отсекает на оси S отрезок, численно равный изобаррной теплоемкости Ср.

3.    Изотермический процесс.

Изотермический процесс - процесс, происходящий при постоянной температуре.

4.    Адиабатический (изоэнтропный) процесс.

Адиабатный процесс - процесс, совершающийся при отсутствии теплообмена рабочего тела с окружающей средой.

5.    Политропный процесс.

Политропный процесс - процесс, в котором изменяются все параметры состояния, а теплоемкость остается постоянной.

3. Принципиальные схемы паротрубных установок

Принципиальная схема ПТУ показана на рис.7.1 и процесс получения работы происходит в следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4). Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1).

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 3

1. Уравнение состояния идеального газа.

Соотношение

p = nkT,

связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул, получено для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только во время упругих столкновений. Это соотношение может быть записано в другой форме, устанавливающей связь между макроскопическими параметрами газа – объемом V, давлением p, температурой T и количеством вещества ν. Для этого нужно использовать равенства

Здесь N – число молекул в сосуде, N_А – постоянная Авогадро, m – масса газа в сосуде, M – молярная масса газа. В итоге получим:

Произведение постоянной Авогадро N_А на постоянную Больцмана k называется универсальной газовой постоянной и обозначается буквой R. Ее численное значение в СИ есть:

R = 8,31 Дж/моль·К.

Соотношение

(*)

называется уравнением состояния идеального газа.

Для одного моля любого газа это соотношение принимает вид:

pV=RT.

2. i,s диаграмма водного пара.

h, s-диаграмма водяного пара. Если за независимые параметры, определяю­щие состояние рабочего тела, принять энтропию s и энтальпию h, то каждое состояние можно изобразить точкой на h, s-диаграмме.

На рисунке 6.3 изображена h, s-диаграм­ма для водяного пара, которая строится путем переноса числовых данных таблиц водяного пара в h, s-координаты.

За начало координат принято состоя­ние воды в тройной точке. Откладывая на диаграмме для различных давлений значения s' и h'' для воды при температу­ре, кипения, а также s" и h" для сухого насыщенного пара, получаем нижнюю и верхнюю пограничные кривые.

Рисунок 6.3 - h, s-диаграмма водяного пара

Изобары в двухфазной области влаж­ного пара представляют собой пучок рас­ходящихся прямых. Действительно, в процессе р=const , или , т.е. тангенс угла на­клона изобары в h, s-координатах числен­но равен абсолютной температуре данно­го состояния. Так как в области насыще­ния изобара совпадает с изотермой, тангенс угла наклона постоянен и изо­бара является прямой. Чем выше давле­ние насыщения, тем выше температура, тем больше тангенс угла наклона изо­бары, поэтому в области насыщения пря­мые р = const расходятся. Чем больше давление, тем выше лежит изобара. Кри­тическая точка К лежит не на верши­не, как это было в р, v- и Т, s-диаграммах, а на левом склоне пограничной кри­вой.

В области перегрева температура па­ра (при постоянном давлении) растет с увеличением s примерно по логарифми­ческой кривой и крутизна изобары увели­чивается. Аналогичный характер имеют изобары и в области воды, но они идут так близко от пограничной кривой, что практически сливаются с ней.

При низких давлениях и относитель­но высоких температурах перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу. Так как в изотермическом процессе энтальпия идеального газа не изменяет­ся, изотермы сильно перегретого пара идут горизонтально. При приближение к области насыщения, т. е. к верхней пограничной кривой, свойства перегрето­го пара значительно отклоняются от свойств идеального газа и изотермы искривляются.

В h, s-диаграмме водяного пара нанесены также линии v=const, идущие круче изобар.

Обычно всю диаграмму не выполня­ют, а строят только ее верхнюю часть, наиболее употребительную в практике расчетов. Это дает возможность изобра­жать ее в более крупном масштабе.

Для любой точки на этой диаграмме можно найти р, v, t, h, s, x. Большое достоинство диаграммы состоит в том, что количество теплоты в изобарном про­цессе равно разности ординат конечной и начальной точек процесса и изобража­ется отрезком вертикальной прямой, а не площадью как в Т, s-диаграмме, поэтому h, s-диаграмма исключительно широко используется при проведении тепловых расчетов.

3. Классификация компрессоров.

В зависимости от назначения компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которой они предназначены (химические, энергетические, общего назначения и т.д.)

Различают компрессоры и по роду сжимаемого газа - воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т.д.

Разделяют компрессоры по конечному давлению:

• вакуум-компрессоры – машины, которые откачивают газ из пространства с давлением ниже атмосферного или выше;

• компрессоры низкого давления - предназначены для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа;

• среднего давления – давление от 1,2 до 10 МПа;

• высокого давления – от 10 до 100 МПа;

• сверхвысокого давления - предназначены для сжатия газа выше 100 МПа.

Кроме того, различают компрессоры по способу отвода тепла (воздушное или водяное охлаждение) и по типу приводного двигателя.

По особенностям самого процесса повышения давления, т.е. принципу действия устройства компрессоры подразделяются на объемные и лопастные.

• Объемный компрессор – устройство, в котором процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменение давления происходит за счет периодического изменения объема этих камер, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объемные компрессоры можно разделить по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер на следующие:

  • поршневые - наиболее распространенные из всех компрессоров они, в свою очередь, могут быть различных видов: одинарного или двойного действия, смазываемые или без применения смазки (сухого трения), с разным количеством цилиндров и их расположением (горизонтальным, вертикальным, угловым).

  • роторные - с вращающим сжимающим элементом. К ним относятся:

    • винтовые, конструкция которых запатентована в 1934г., имеют ведущий и ведомый роторы, вращение которых совершается навстречу друг другу, уменьшая пространство между ними и корпусом. Винтовые компрессоры не имеют клапанов и неуравновешенных механических сил, что дает возможность работать с высокой скоростью вращения вала, т.е. получать большую производительность при малых габаритных размерах. Могут быть безмасляные, безмасляные с нагнетанием жидкости, маслозаполненные.

    • спиральные - с неподвижной и подвижной эксцентрической спиралями, установленные со сдвигом по фазе на 180° так, чтобы образовывались полости с изменяющимся объемом.

    • роторно-пластинчатые, рабочим органом которых является эксцентрично установленный в корпусе ротор с пластинами, которые могут перемещаться в радиальном направлении.

    • жидкостно-кольцевые, в которых ротор с фиксированными лопатками эксцентрично установлен в корпусе, частично заполненном жидкостью.

• Лопастной компрессор – устройство динамического действия, в котором сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей. К лопастным компрессорам относятся:

  • радиальные (центробежные);

  • радиально-осевые (диагональные);

  • осевые.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 4

1. Термодинамические процессы состояния газа.

1). Изохорный процесс (Рис.4.1).

n = Const , n ₂ = n _1. (4.10)

Уравнение состояния процесса:

P₂ / P₁ = T₂ / T₁. (4.11)

Так как υ ₂ = υ ₁, то l = 0 и уравнение 1-го закона т/д имеет вид:

q = Du = = с_v·(t₂ - t₁); (4.12)

 

2). Изобарный процесс (Рис.4.2). P = Const , P₂ = P₁ Уравнение состояния процесса:

n ₂ /n ₁ = T₂ / T₁ , (4.13)

Работа этого процесса:

l = P·(n ₂ - n ₁). (4.14)

Уравнение 1-го закона т/д имеет вид:

q = Du + l = с_р·(t₂ - t₁); (4.15)

 

3). Изотермический процесс (Рис.4.3).

Т = Const , Т₂ = Т₁

Уравнение состояния:

P₁ / P₂ = n ₂ / n ₁ , (4.16)

Так как Т₂ = Т₁, то Du = 0 и уравнение 1-го закона т/д будет иметь вид:

q = l = R·T·ln(n ₂/n ₁), (4.17)

или q = l = R·T·ln(P₁/P₂), (4.18) где R = R_h/ h – газовая постоянная [Дж/(кг·К)].

4). Адиабатный процесс (Рис.4.4). В данном процессе не подводится и не отводится тепло, т.е. q =0. Уравнение состояния:

P· n^l = Const, (4.19)

где l = c_p / c_v – показатель адиабаты. Уравнение 1-го закона т/д будет иметь вид:

l = -Du = = -с_v·(t₂ – t₁) = с_v·(t₁ – t₂), (4.20)

или

l = R·(T₁ – T₂) / (l -1); (4.21) l = R·T₁·[1 – (n ₁/ n ₂)^{l -1}] /(l – 1); (4.22) l = R·T₂·[1 – (P₂/P₁) ^{(l -1)/ l}] /(l – 1). (4.23)

2. Истечение газов и паров.

Истечением называют процесс выхода сжатого до р₁ газа или пара через сопло в среду с меньшим давлением р₂. Сопло представляет собой канал, образованный жесткими стенками. Сопло может иметь постоянное сечение, суживающееся или комбинированное. Основная задача данного раздела заключается в том, чтобы обеспечить падение давления р­₁ к выходу из сопла до р₂. В этом случае вся потенциальная энергия, соответствующая разнице (р₁–р₂), полностью превращается в кинетическую энергию струи, вылетающей из сопла. Это значит, что струя получает максимально возможную скорость при данном перепаде давлений (р₁–р₂) и, падая на объект, совершает максимальную работу. 

Рис. 7.1. Истечение

Выбор формы сопла зависит от величины отношения р2/р1 = (рис. 7.1). При р2 = р1 = 1 – истечение не происходит. При увеличении р1 и р2 = const уменьшается, а расход газа М и скорость истечения С увеличиваются по кривой 1–2. При некотором значении = КР расход достигает максимального значения Мmax, а скорость критической величины СКР, м/с. Если сопло будет иметь постоянное сечение 1 или суживающееся 2, то при дальнейшем увеличении р1 и соответствующем уменьшении b, расход останется равным Мmax, а скорость постоянной и равной СКР. При этом давление р1 падает к выходу из сопла только до рКР, которое значительно выше давления окружающей среды р2.