Файл: my_teplotech_termodin_2002.doc

Н

7

еобходимо освоить графическое изображение прямых и обратных циклов в координатах Pv и Ts; 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 теплоты при Р=const , с подводом теплоты при v=const и при комбинированном способе подвода теплоты, циклы газотурбинных установок (ГТУ) при разных условиях подвода теплоты, холодильных машин и теплового насоса.

Следует детально изучить теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, в том числе графическое изображение его в Pv, Ts и hs координатах.

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. Необходимо обратить внимание на способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина.

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

При рассмотрении циклов холодильных машин следует освоить понятие холодильного коэффициента, а при изучении цикла теплового насоса следует освоить понятие отопительного коэффициента.

К

8

онтрольные задания.

Задача №1.

Расчет газовой смеси.

Газовая смесь состоит из нескольких компонентов, содержание которых в смеси задано в процентах по объему (табл. 1).

Определить: 1) кажущуюся молекулярную массу смеси; 2) газовую постоянную смеси; 3) средние мольную, объемную и массовую теплоемкости смеси при постоянном давлении в пределах температур от t₁ до t₂ (табл.2).

При решении этой задачи и последующих задач для всех исходных и итоговых величин, кроме относительных, безразмерных величин, должны быть указаны единицы измерения.

В конце задачи следует ответить письменно на следующие вопросы:

1. Что называется удельной газовой постоянной? Единица ее измерения в системе СИ. Чем она отличается от универсальной газовой постоянной?

2. Что представляют собой массовая, объемная и мольная теплоемкости. Каковы единицы их измерения в системе СИ. Какова связь между указанными теплоемкостями.

3. Какие факторы влияют на величину теплоемкости.

Таблица 1.

Последняя цифра шифра	Компоненты смеси, % по объему
	СО2	О2	N2	CO
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0	20 18 14 8 18 12 10 24 20 32	5 4 3 10 - - - - - -	75 78 83 82 72 74 60 50 52 50	- - - - 10 14 30 26 28 18

---

Т

9

аблица 2.

Показатели	Предпоследняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Температура Смеси: Начальная t1, 0С Конечная t2, 0С	126 528	366 926	592 1492	818 1217	286 1183	456 813	626 1342	918 1566	742 1643	1342 2143

Литература: [2, C. 27-32, 62-73]; [4, C. 30-38, 39-56].

Таблицы теплоемкостей газов указаны в приложении данного методического указания.

Задача №2.

Расчет политропного процесса сжатия газовой смеси в компрессоре.

Рабочее тело – газовая смесь, имеющая тот же состав, что и в задаче №1 (в процентах по объему). Первоначальный объем, занимаемый газовой смесью, - V₁ (табл. 3). Начальные параметры состояния: давление р₁ = 0,1 Мпа, температура t₁ = 27⁰С. Процесс сжатия происходит при показателе политропы n. Давление смеси в конце сжатия Р₂, Мпа. (Табл. 3).

Определить: 1) массу газовой смеси; 2) уд. объемы смеси в начале и в конце процесса; 3) объем, занимаемый смесью в конце процесса; 4) температуру газовой смеси в конце процесса; 5) работу сжатия в процессе; 6) работу, затрачиваемую на привод компрессора; 7) изменение внутренней энергии газовой смеси; 8) массовую теплоемкость рабочего тела в данном процессе; 9) количество теплоты, участвующего в процессе; 10) изменение энтропии в процессе.

Таблица 3.

Показатели	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Объем смеси V1, м3 Показатель политропы n Давление P2, Мпа	5 1,1 0,5	10 1,2 0,6	15 1,17 0,7	25 1,16 0,8	40 1,22 0,9	50 1,18 1,0	70 1,15 1,1	90 1,17 1,2	100 1,13 1,3	120 1,14 1,4

П

10

остроить (в масштабе) рассмотренный процесс в координатах p-v и T-s.

Необходимые для решения задачи теплоемкости компонентов газовой смеси принять независимыми от температуры. Значения теплоемкостей газов можно принять при температуре равной 0 ⁰С из приложения данного методического указания.

Газовую постоянную смеси взять из решения задачи №1.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. В каких пределах может изменяться показатель политропного процесса?

2. В каких пределах может изменяться теплоемкость рабочего тела в политропном процессе?

3. Как выглядит уравнение 1-го закона термодинамики применительно к рассмотренному в задаче процессу?

4. Как зависит работа, затрачиваемая на привод компрессора, от показателя политропы n, почему?

Литература: [2, C. 56-57, 88-94]; [4, C. 57-61, 102-116].

Задача №3.

Расчет цикла Карно применительно к тепловому двигателю.

Рабочее тело в цикле Карно – 1 кг сухого воздуха. Предельные температуры рабочего тела в цикле: наибольшая t₁, наименьшая t₃ (табл. 4). Предельные давления рабочего тела в цикле: наибольшее р₁, наименьшее р₃ (табл. 4).

---

Таблица 4.

Показатели	Предпоследняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Температура Воздуха, 0С t1 t3	200 15	300 18	250 20	205 17	270 21	310 25	260 23	310 19	330 25	270 16
Давление, Мпа р1 р3	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
	2 0,16	2,8 0,1	3 0,15	2,5 0,12	4 0,125	4,2 0,1	3,5 0,11	2,5 0,13	4,8 0,14	3 0,17

О

11

пределить: 1) основные параметры рабочего тела в характерных точках цикла; 2) количество теплоты, подведенное в цикле; 3) количество теплоты, отведенное в цикле; 4) полезную работу, совершенную рабочим телом за цикл; 5) термический КПД цикла; 6) изменение энтропии в изотермических процессах цикла.

Построить цикл (в масштабе) в координатах p-v и T-s.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. Из каких процессов состоит цикл Карно?

2. Что показывает термический КПД цикла теплового двигателя?

3. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать полезную работу, совершаемую рабочим телом в цикле?

4. В какой диаграмме и какой площадью можно проиллюстрировать количество теплоты, участвующее в процессе?

Литература: [2, C. 99-101, 88-94]; [4, C. 136, 149-152].

Задача №4.

Расчет процесса адиабатического расширения водяного пара.

Рабочее тело – водяной пар, имеющий в начальном состоянии давление р₁ и температуру t₁ (табл. 5). Масса рабочего тела – М (табл. 5). Пар расширяется до давления р₂ (табл. 5).

Схематически построить процесс адиабатического расширения водяного пара в диаграмме h-s.

Таблица 5.

Показатели	Предпоследняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Температура t1, 0С Давление (абс.) р1, Мпа	300 2	400 3	320 4	370 5	450 6	520 7	500 8	380 9	430 10	530 11
Масса М, кг Давление (абс.) р2, Мпа	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
	5 0,003	3 0,004	7 0,005	8 0,006	10 0,007	12 0,008	16 0,009	15 0,010	20 0,015	25 0,020

Определить: 1) уд. объем и энтальпию пара в начальном состоянии; 2) температуру, уд. объем, степень сухости и энтальпию пара в конечном состоянии; 3) значения внутренней энергии пара до и после расширения; 4) работу расширения пара в адиабатном процессе.

К

12

решению задачи приложить схему построения процесса в координатах h-s.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. Каковы особенности адиабатного процесса?

2. Какой пар называется сухим, влажным, перегретым?

3. В каком состоянии водяной пар находится в начале процесса?

---

4. В какое состояние пар перешел в конце процесса?

5. Каков физический смысл энтальпии водяного пара в данном, конкретном состоянии?

Литература: [2, C. 169-171, 173-179]; [4, C. 136, 179-217].

Задача №5.

Определение технико-экономических показателей теоретического цикла Ренкина.

Паротурбинная установка работает по теоретическому циклу Ренкина. Давление и температура водяного пара на выходе из парогенератора (перед турбиной): р₁ и t₁; давление пара после турбины (в конденсаторе) р₂.

Определить термический коэффициент полезного действия цикла η_t и теоретический удельный расход пара d, кг/(кВт·ч) при следующих условиях работы установки:

I - р₁, t₁ и р₂. (все параметры взять из табл. 6);

II - р₁, t₁ (табл. 6); р₂ (табл. 7);

III - р₁, t₁ и р₂. (все параметры взять из табл. 7).

Сделать вывод о влиянии уровня начальных параметров состояния пара и давления пара после турбины на значения термического КПД цикла Ренкина и удельного расхода пара.

К решению задачи приложить принципиальную схему паротурбинной установки, изображение цикла Ренкина в координатах p-v и T-s, также изображение процесса расширения пара в турбине в диаграмме h-s.

Таблица 6.

Показатели	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Начальное давление P1, Мпа Температура t1,0С Конечное давление P2, Мпа	0,5 200 0,1	0,8 220 0,1	1,2 300 0,1	1,6 350 0,1	2,5 370 0,1	3 375 0,1	4 350 0,1	2,9 320 0,1	3,5 390 0,1	5 400 0,1

Т

13

аблица 7.

Показатели	Предпоследняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Начальное давление P1, Мпа Температура t1,0С Конечное давление P2, Мпа	8 420 0,05	10 450 0,02	12 470 0,01	14 490 0,008	16 510 0,007	18 520 0,006	20 540 0,005	22 550 0,004	24 560 0,003	26 600 0,002

Литература: [2, C. 270-275]; [4, C. 239-245, 252-255].

Задача №6.

Определение скорости истечения водяного пара из сопловых устройств.

Определить теоретическую скорость истечения водяного пара из суживающегося сопла и из сопла Лаваля. Начальные давление и температура пара: р₁ и t₁ (табл. 8). Давление среды, в которую происходит истечение пара, р₂ (табл. 8).

Таблица 8.

Показатели	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Давление (абс.) р1, Мпа Температура t1, 0С	0,8 220	1,6 350	3 375	3,5 390	5 400	8 420	10 450	7 370	6 350	4 325
Давление р2, Мпа	Предпоследняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
	0,005	0,01	0,05	0,02	0,04	0,003	0,03	0,04	0,008	0,01

---

К решению задачи приложить изображения адиабатных процессов истечения пара из сопловых устройств в диаграмме h-s.

Дать эскизы профилей суживающегося сопла и сопла Лаваля.

Ответить в письменном виде на следующие вопросы:

1. При каких условиях возникает критическая скорость истечения газа (пара)?

2. Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из суживающегося сопла при р₂ > р_2КР

3. Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из суживающегося сопла при р₂ ≤ р_2КР

4

14

. Дать характеристику скорости истечения газа (пара) из сопла Лаваля при р₂ < р_2КР

Литература: [2, C. 193-197]; [4, C. 218-222, 230-231].

Приложения

Средняя массовая теплоемкость газов при постоянном давлении

C_p, кДж/(кг·К)

t, 0С	O2	N2	СО	СО2	H2O	SO2	Воздух (абсолютно сухой)
0	0,9148	1,0304	1,0396	0,8148	1,8594	0,607	1,0036
100	0,9232	1,0316	1,0417	0,8658	1,8728	0,636	1,0061
200	0,9353	1,0346	1,0463	0,9102	1,8937	0,662	1,0115
300	0,9500	1,0400	1,0538	0.9487	1,9192	0,687	1,0191
400	0,9651	1,0475	1,0634	0,9826	1,9477	0,708	1,0283
500	0,9793	1,0567	1,0748	1,0128	1,9778	0,724	1,0387
600	0,9927	1,0668	1,0861	1,0396	2,0092	0,737	1,0496
700	1,0048	1,0777	1,0978	1,0639	2,0419	0,754	1,0605
800	1,0157	1,0881	1,1091	1,0852	2,0754	0,762	1,0710
900	1,0258	1,0982	1,1200	1,1045	2,1097	0,775	1,0815
1000	1,0350	1,1078	1,1304	1,1225	2,1436	0,783	1,0907
1100	1 ,0434	1,1170	1,1401	1,1384	2,1771	0,791	1,0999
1200	1,0509	1,1258	1,4493	1,1530	2,2106	0,795	1,1082
1300	1,0580	1,1342	1,1577	1,1660	2,2429	-	1,1166
1400	1,0647	1,1422	1,1656	1,1782	2,2743	-	1,1242
1500	1,0714	1,1497	1,1731	1,1895	2,3048	-	1,1313
1600	1,0773	1,1564	1,1798	1,1995	2,3346	-	1,1380
1700	1,0831	1,1631	1,1865	1,2091	2,3630	-	1,1443
1800	1,0886	1,1690	1,1924	1,2179	2,3907	-	1,1501
1900	1,0940	1,1748	1,1983	1,2259	2,4166	-	1,1560
2000	1,0990	1,1803	1,2033	1,2334	2,4422	-	1,1610

15

Средняя массовая теплоемкость газов при постоянном объеме

C_V, кДж/(кг·К)

t, 0С	O2	N2	СО	СО2	H2O	SO2	Воздух (абсолютно сухой)
0	0,6548	0,7352	0,7427	0,6259	1,3980	0,477	0,7164
100	0,6632	0,7365	0,7448	0,6770	1,4114	0,507	0,7193
200	0,6753	0,7394	0,7494	0,7214	1,4323	0,532	0,7243
300	0,6900	0,7448	0,7570	0,7599	1,4574	0,557	0,7319
400	0,7015	0,7524	0,7666	0,7938	1,4863	0,578	0,7415
500	0,7193	0,7616	0,7775	0,8240	1,5160	0,595	0,7519
600	0,7827	0,7716	0,7892	0,8508	1,5474	0,607	0,7624
700	0,7448	0,7821	0,8009	0,8746	1,5805	0,624	0,7733
800	0,7557	0,7926	0,8122	0,8964	1,6140	0,632	0,7842
900	0,7658	0,8030	0,8231	0,9157	1,6483	0,645	0,7942
1000	0,7750	0,8127	0,8336	0,9332	1,6823	0,653	0,8039
1100	0,7834	0,8219	0,8432	0,9496	1,7158	0,662	0,8127
1200	0,7913	0,8307	0,8566	0,9638	1,7488	0,666	0,8215
1300	0,7984	0,8390	0,8608	0,9772	1,7815	-	0,8294
1400	0,8051	0,8470	0,8688	0,9893	1,8129	-	0,8369
1500	0,8114	0,8541	0,8763	1,0006	1,8434	-	0,8441
1600	0,8173	0,8612	0,8830	1,0107	1,8728	-	0,8508
1700	0,8231	0,8675	0,8893	1,0203	1,9016	-	0,8570
1800	0,8286	0,8738	0,8956	1,0291	1,9293	-	0,8633
1900	0,8340	0,8792	0,9014	1,0371	1,9552	-	0,8688
2000	0,8390	0,8847	0,9064	1,0446	1,9804	-	0,8742

---