ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ЛЕКЦИЯ 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики

Наиболее актуальные задачи, которые решают с использованием термодинамики: создание летательных аппаратов, в том числе космических многоразового…   1.2. Предмет технической термодинамики и ее методы

Термодинамическая система. Рабочее тело. Внешняя среда

Термодинамическая система имеет границы, отделяющие ее от окружающей среды. Тела не входящие в термодинамическую систему, наз. окружающей средой. … Термодинамическую систему отделяют от окружающей среды контрольной… В самом общем случае система может обмениваться со средой веществом (массообменные взаимодействия) и осуществлять…

Термодинамические параметры состояния

Свойства каждой термодинамической системы характеризуется рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами состояния. К ним относятся: абсолютная температура, абсолютное давление, удельный объем, внутренняя энергия, энтальпия, энтропияитермические коэффициенты. Первые три наз термическими, а вторые три - каллорическими.

 

Термические параметры состояния

С точки зрения молекулярно-кинетической теории температура есть мера интенсивности теплового движения молекул, ее численная величина однозначно… где m - масса молекулы; Т - абсолютная температура, К; k - постоянная… c1, c2, cn - скорости отдельных молекул, образующих газ.

Абсолютное давление (p )

Молекулярно-кинетическая теория связывает давление непосредственно со средней кинетической энергией 2/2 поступательного движения молекул газа и… n в единице объема, т.е. рассматривает p как статистическую величину. , (1.2)

Термические коэффициенты

; , (1.6) Уравнения (1.6) состояния в дифференциальной форме имеют вид: ; ; , (1.7) В уравнениях (1.7) входят шесть частных производных, которые попарно обратны друг

Равновесное и неравновесное состояние термодинамической системы.

Уравнение состояния

Если все термодинамические параметры состояния постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется… В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая…

Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный необратимый процессы. Круговые процессы (циклы)

В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой (подвод к телу теплоты или работы) состояние рабочего тела, определяемое… Следовательно, любое изменение в термодинамической системе, связанное с… Равновесным процессом называется процесс, представляющий собой непрерывную пос- ледовательность равновесных состояний.…

ЛЕКЦИЯ 2

Теплота и работа как формы передачи энергии

Теплота и работа представляют две формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому. Процесс работы – макроскопический, который представляет собой упорядоченную… По своему существу понятие теплоты близко к понятию работы. Но процесс передачи энергии в форме теплоты от одного тела…

Термодинамика идеального газа

Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих пренебрежимо малыми объёмами, находящихся в состоянии… Отличие реального газа от идеального заключается в том что, в реальном газе в…  

Основные законы идеальных газов

В 1662 г. Р. Бойль , а в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установили зависимость опытным путем объёма газа от его давления при постоянной… При Т=const удельные объёмы данного газа обратно пропорциональны его… откуда

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная

Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p = n k T , (2.14) Уравнение (2.14) наз. основным уравнением кинетической теории газов.… 1 кг газа. Учитывая, что в нём содержится N молекул и, следовательно, n = N/v

Смеси идеальных газов. Закон Дальтона

При рассмотрении смесей газов исходят из того, что смесь идеальных газов, не вступающих в химическое взаимодействие друг с другом, так же явл.… В 1801г. английский учёный Дальтон экспериментально установил связь между… , (2.21)

Способы задания состава смеси. Соотношения между ними

Газовая смесь может быть задана массовыми, объёмными и мольными долями.

Газовая смесь, заданная массовым составом, характеризуется массовыми долями. Массовой долей компонента g_i наз. отношение массы отдельного компонента m_i, входящего в смесь, к массе всей смеси М_см, т.е.

, (2.22)

Очевидно, что масса газовой смеси равна сумме масс всех входящих в неё газов:

(2.23)

Определим сумму массовых долей отдельных газов:

, (2.24)

Массовые доли часто задаются в процентах (%).

Газовая смесь, заданная объёмным составом, характеризуется объемными долями (r_i). Объёмная доля каждого газа выражается отношением приведенного объёма газа V_i к полному объёму смеси V_см.

, (2.25)

Приведенным V_i наз. объём, который занимал бы компонент газа, если бы его давление р_i и температура Т_i равнялись давлению р_см и температуре Т_см.

Парциальный объём каждого газа определяется по закону Бойля-Мариотта. При T=const.=T_см

, (2.26)

Из уравнений (2.26) имеем: ; ; …, (2.27)

Сложив отдельно левые и правые части уравнений (2.27), получим:

, (2.28)

По закону Дальтона , следовательно

, (2.29) То есть сумма парциальных объёмов газа,

составляющих смесь, равна объёму смеси газов (закон Амала).

Сумма объёмных долей газов, составляющих смесь, равна единице

, (2.30)

Объёмные доли часто задаются в процентах (%).

Газовая смесь, заданная мольным составом, характеризуется мольными долями. Мольной долей наз. отношение количества молей N_i рассматриваемого компонента к общему количеству молей смеси N_i. , (2.31)

Вполне очевидно, что сумма молей всех газов, составляющих смесь, равна общему числу молей газовой смеси, т.е. , (2.32)

Сумма мольных долей смеси газов равна единице: , (2.33)

Если известен массовый состав смеси, то по нему можно найти её мольный состав. Массы отдельных газов m_i и полную массу смеси М_см можно выразить через число молей следующем образом: ; ; …

, (2.34)

 

2.8. Теплоёмкость. Массовая, объёмная и молярная теплоемкости.

Теплоемкости при постоянных объёме и давлении

 

Теплоёмкостью наз. количество теплоты, необходимое для повышения температуры тела на один градус. Теплоёмкость не является постоянной величиной и в общем случае изменяется с изменением температуры и давления. Теплоёмкость единицы количества вещества наз. удельной теплоёмкостью. Удельная теплоёмкость тела зависит от химического состава, параметров состояния рабочего тела, а также от вида процесса, в котором телу сообщается

теплота, поскольку теплота есть функция процесса. Размерность удельной теплоёмкости:

Дж/(кг(м³, (моль))) К).

В ТТД различают удельные массовую с, (Дж/(кг К)), объемную с' , (Дж/(м³ К)) и мольную с_µ (Дж/(моль К)) теплоёмкости.

Зависимости между удельными теплоёмкостями устанавливаются из следующих выражений:

; , где , (2.35)

Различают истинную и среднюю теплоёмкости.

Истинной теплоёмкостью наз. производная от количества теплоты, подведённой к телу, по температуре этого тела и определяется выражением:

, (2.36)

То есть истинная теплоёмкость тела – это его теплоёмкость при данной температуре.

Средней теплоёмкостью наз. теплоёмкость в интервале температур Т₂ – Т₁, она обозначается С_m. При уменьшении разности температур средняя теплоёмкость приближается к истинной.

, (2.37)

Удельной изохорной теплоемкостью наз. количество теплоты, которое необходимо подвести к рабочему телу в изохорном процессе с тем, чтобы изменить его

температуру на 1 К. , (2.38)

Удельной изобарной теплоемкостьюназ. количество теплоты, которое необходимо подвести к рабочему телу в изобарном процессе с тем, чтобы изменить его температуру на 1 К. , (2.39)

 

ЛЕКЦИЯ 3

Внутренняя энергия как функция состояния рабочего тела

Внутренняя энергия включает в себя: 1. Кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного… 2. Потенциальную энергию взаимодействия частиц.

Энтальпия рабочего тела как функция состояния

В ТТД важную роль играет величина суммы внутренней энергии U системы и произведения давления системы р на величину объема V системы, наз. энтальпией… Н = U +pV, (3.8) Удельная энтальпия h=H/m представляет собой энтальпию системы, содержащей 1кг вещества, и измеряется в Дж/кг.

Аналитическое выражение 1-го закона ТТД

Q=dU+L, (3.13) Выражение 3.13 представляет собой запись 1-го закона ТТД. т.е. теплота,… Рассмотрим частные случаи 1-го закона ТТД:

Энтропия как параметр состояния термодинамической системы

Понятие об энтропии строится на основе следующих соображений. Уравнение 1-го закона ТТД имеет вид: или В этом уравнении не явл. полным дифференциалом, поскольку в правую часть уравнения входит член , не являющийся полным…

Уравнение Майера

С учетом соотношения (3.4.а), подставив его в выражение 1-го закона ТТД, имеем: , (3.21) Для изохорного процесса (V=const) это уравнение принимает вид:

ЛЕКЦИЯ 4

Основные термодинамические процессы идеальных газов

ТД анализ любой системы состоит в следующем: 1. Выявить уравнение процесса. 2. Установить аналитическую взаимосвязь между … параметрами состояния, (связь между параметрами p, v, T, S, т.е. уравнения: p=f1 (v), T=f2 (v), T=f3 (p), S=f4 (T)).…

Политропный процесс

где с – постоянная для данного газа теплоемкость газа или т.е.

Изохорный процесс

Графическая интерпретация изохорного процесса представлена на рис. 4.1. p T Исследование процессов проведем пользуясь 2' 2' уравнением

Как видно из зависимости (4.15), изменение энтропии носит логарифмический характер.

Если изохорный процесс протекает в потоке газа, то располагаемая работа в этом процессе равна: , (4.16)

т.к. l_v=0, v₁=v₂=v .

 

Изобарный процесс

При изобарном процессе выполняется условие p=const и dp=0. Этот процесс соответствует закону Гей-Люссака (рис.4.2). При р=cоnst с=cp , откуда

Работа изменения объема в изобарном процессе.

Следовательно, работа газа в изобарном процессе положительна только в том случае, если температура газа увеличивается. Количество теплоты, сообщаемое газу в изобарном процессе определяется по… , т.к. dp=0, следовательно:

Изотермический процесс

Таким образом следует, что это возможно, если . На основании этого можно определить n для изотермического процесса:

Адиабатный процесс

При адиабатном процессе теплообмен рабочего тела с окружающей средой отсутствует, т.е. рабочее тело предполагается изолированным от окружающей среды… Эти условия выражаются соотношением q=0, а следовательно и ∂q=0. Из уравнения: , (4.32)

Анализ обобщающего значения политропного процесса

Для определения закона, по которому в p,v-; T,S-диаграммах располагаются политропы, выходящие из одной точки, рассмотрим графики частных процессов… Из этих графиков следует, что в p,v – диаграмме политропы при расширении газа…

Политропные процессы по особенностям превращения энергии можно разбить на 3 группы.

Поскольку процессы расширения при p=const и T=const могут осуществляться лишь с p T n=0 V=const

Сущность 2-го закона ТТД

В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей… Рассмотрение вопросов о возможности осуществления того или иного процесса, его… Наиболее общей формулировкой 2-го Закона ТТД можно считать формулировку, предложенную Больцманом: ” Природа стремится…

Термический КПД и холодильный коэффициент циклов

Исследование любого прямого цикла показывает, что для получения положительной работы необходимо к рабочему телу на некотором участке цикла подвести… Соотношение между количеством теплоты q1 и q2 и полезной работой lпол… Т.к. в цикле конечное состояние тела совпадет с начальным, то изменение внутренней энергии рабочего тела не происходит…

Прямой и обратный циклы Карно

В 1824 французский инженер С. Карно предложил цикл идеального теплового двигателя, состоящий из двух изотерм и двух адиабат и представляющий собой… Прямой цикл Карно, являясь наиболее совершенным, в р , v –диаграмме изображён… Допустим, 1 кг раб. тела находится цилиндре под поршнем. Стенки полностью теплоизолируют цилиндр, что обеспечивает…

ЛЕКЦИЯ 6

Математическое выражение второго закона ТТД

Учитывая, что теплота q1 положительна, а теплота q2 отрицательна, запишем: , или , (6.1) Это допустимо, если под q2 понимать не абсолютное количество теплоты, отданной рабочим телом холодильнику с…

Необратимые циклы

ηtннеоб<ηооб и .Отсюда или , (6.5) Учитывая, что теплота q2 - величина отрицательная (алгебраическое значение… или , (6.6)

Объединенные уравнения 1-го и II-го законов термодинамики

или , (6.9) Известно, что в соответствии с уравнением 1-го закона ТТД , (6.10)

Изменение энтропии в необратимых термодинамических процессах изолированных систем

Рассмотрим принципиальное отличие необратимых процессов от обратимых на примере расширения газа в цилиндре под поршнем (рис 6.2), получающего… Расширение будет обратимым(равновесным) только в том случае,если -температура… (Т = T1), внешняя сила Р равна давлению газа на поршень Р = pF и при расширении газа нет ни внешнего, ни внутреннего…

ЛЕКЦИЯ 7

Производство работы. Полезная работа. Максимальная работа. Максимальная полезная работа

Теперь выясним, как же определить работоспособность системы (работоспособность рабочего тела по отношению к окружающей среде). Итак, изолированная… В системе, состоящей из тел с различными давлениями, отсутствует механическое… По мере производства работы, изолированная система будет приближаться к равновес- ному состоянию. Допустим, что…

Понятие об эксергии. Уравнение Гюи-Стодолы

Максимальную полезную работу (работоспособность) в современной ТТД принято наз. эксергией. В данном случае величина - это эксергия источника работы,… Таким образом: ЕV=(U – Uк) – T0(S – Sк) – p0(Vк – V) , (7.15) Отсюда следует, что если параметры окр. среды заданы, то эксергию можно рассматривать как функцию состояния рабочего…

ЛЕКЦИЯ 9

Термодинамические процессы в реальных газах и парах

Уравнение состояния идеального газа было получено в предположении, что молекулы являются упругими шариками, движение которых подчиняется законам Ньютона, между ними отсутствуют силы взаимодействия, а объем, занимаемый молекулами, незначителен по сравнению с объемом газа. Однако в природе идеальных газов не существует.

Реальные газы, в отличие от идеальных, состоят из молекул конечного объема и связаны между собой силами взаимодействия. В зависимости от условия реальные газы могут переходить в жидкое или твердое состояние. Силы взаимодействия очень велики у твердых и жидких тел и достаточно велики у газов, близких к переходу из газообразного в жидкое состояние.

В течение длительного времени считалось, что все газы строго подчиняются уравнению Клапейрона. Но уже в конце XVII века, а затем в 20-тых годах ХIХ века экспериментальные исследования по проверке этого уравнения показали, что поведение реальных газов существенно отличается от идеального. Причем отличие свойств реального газа от идеального увеличивается с понижением температуры и повышением давления.

 

Уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса

где а и b - константы, которые наряду с газовой постоянной характеризуют индивидуальные свойства вещества. Для данного газа они постоянны. Одна поправка учитывает объем, недоступный для движения молекул в силу… Другая поправка учитывает силы взаимного притяжения, действующие в направлении действия внешнего давления и как бы…

Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Критические параметры вещества

Особенно интересно уравнение Ван-дер-Ваальса (9.1) тем, что оно качественно отображает главную особенность реальных газов – способность переходить… Умножив обе стороны равенства на vи разделив на р, получаем после приведения подобных членов: , (9.5)

ЛЕКЦИЯ 10

 

Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы

Гетерогенной называют систему, состоящую из двух и более гомогенных областей или состоящей из отдельных областей, разграниченных поверхностями… Гомогенные области в гетерогенной системе наз. фазами. Каждая фаза отделена от… Гомогенная система и каждая фаза гетерогенной системы, могут состоять из одного или нескольких чистых веществ.

Условия равновесия при фазовом переходе. Правило фаз Гиббса

Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно тем, что если каким-либо внешним воздействием вывести из него рассматриваемую… Если систему, находящуюся в состоянии неустойчивого равновесия (лабильное… Состояние относительно устойчивого равновесия (метастабильное состояние) – это состояние, в котором система может…

Парообразование и конденсация

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар. Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и… Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

ЛЕКЦИЯ 11

Основные параметры воды и водяного пара

При температурах насыщения и различных давлениях удельный объём воды изменяется в узком диапазоне - от 0,001 (t = 00С) и рн=610,8 Па до 0,003147… В ТТД удельніе єнтальпия, єнтропия и внутренняя єнергия воді в тройной точке (… Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг воды от температуры 00С до температуры кипения ts при постоянном…

ЛЕКЦИЯ 12

Основные термодинамические процессы водяного пара

Для анализа работы паросиловых установок большое значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Отрезки 1 – 1'' и 1'' –…

Изохорный процесс.

Изохорный процесс на р-v диаграмме (рис. 12.1.а) изображается отрезком вертикальной прямой 1-2, а на Т-S диаграмме (рис. 12.1б) – кривой линией,… На Т,S – диаграмме, изохоры, которые пересекают пограничную кривую пара, не… Из рис. 12.1а видно, что для всех изохорных процессов в области влажного пара возможны 2 случая: 1) v<vкр. (где vкр…

Изобарный процесс.

Как видно, на p,v – диаграмме (рис.12.2.а), изобара изображается горизонтальной прямой 1-2. В области влажного насыщенного пара изобара явл.… На Т,S – диаграмме (рис. 12.2б) в области влажного насыщенного пара изобара… На h,S – диаграмме (рис. 12.2.в) изобара в области влажного насыщенного пара представляет наклонную прямую,…

Изотермический процесс.

Как видно в p,v – диаграмме (рис. 12.3а) изотерма в области влажного пара изображается отрезком горизонтальной прямой, которая одновременно явл.… ного газа). В T,S – диаграмме (рис. 12.3б) изотермический процесс полностью изображается отрезком горизонтальной прямой.

Адиабатный процесс.

Равновесный адиабатный процесс протекает при постоян- стве энтропии, поэтому на T,S и h,S – диаграммах адиабаты изо- бражаются отрезком вертикаль-… Из рис. 12.4.а видно, что при адиабатном расширении влажный пар либо… Рис. 12.4 либо подсушивается в зависимости от того, ближе к какой пограничной кривой (жидкости или пара) расположена…

Основные характеристики влажного воздуха.

 

Механическая связь сухого воздуха с водяным паром наз. влажным воздухом, или воздушно-паровой смесью.

Рассматривая влажный воздух как частный случай газовой смеси и полагая, что при сравнительно невысоких давлениях, представляющих интерес для… гдедавление влажного воздуха; парциальное давление сухого воздуха; парциальное… Максимальное парциальное давление водяного пара при заданной температуре наз. давлением насыщения и обозначается ps.…

Плотность, удельная газовая постоянная влажного воздуха.

Значения и определяются при парциальных давлениях и и температуре влажного воздуха. Поскольку: , , (12.23) , (12.24) Учитывая, что , , уравнение (12.24), используя уравнение (12.15) и (12.17), можно преобразовать к виду:

Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха.

где и - удельные теплоемкости при постоянном давлении сухого воздуха и водяного пара. В приближенных ТД расчетах, связанным с влажным воздухом, можно принять: 1,00 кДж/кг К=const, 1,93 кДж/кг К=const

ЛЕКЦИЯ 13

Уравнение первого закона термодинамики для потока

До сих пор мы рассматривали только системы, вещество в которых не перемещалось (как целое) в пространстве; однако следует подчеркнуть, что первый… Рассмотрим течение жидкости или газа в канале произвольной формы. Рассмотрим… Условие неразрывности течения в таких потоках заключаются в одинаковости массового расхода m рабочего тела в любом…

Сопла и диффузоры

Сопла и диффузоры – специально спрофилированные каналы, предназначенные для ускорения или торможения потока. Техническая работа в них не… Но к рабочему тела, движущемуся в потоке, применим также и I-й закон ТТД : … Приравняв правые части двух последних уравнений, получим: , (13.16)

Истечение из суживающегоcя сопла

Скорость газа на входе в сопло обозначим через c1. Будем считать, что давление газа на выходе из сопла p2 равно давлению среды, в которую вытекает… В соответствии с уравнением (13.17) , имеем: , (13.18) … Выберем достаточно большую площадь входного сечения сопла, тогда и , (13.19)

Расход газа при истечении из суживающегося сопла

Удельны объем v2 можно определить из уравнения адиабаты , т.е. , (15.2) Подставляя значения удельного объема V2 и скорость истичения С2 по уравнению (14.54) в уравнение неразрывности (15.1),…

Максимальный расход газа через суживающееся сопло

Тогда , (15.5) Максимальный расход определяется состоянием газа на выходе из сопла, величиной…  

Максимальная скорость истечения

Максимальную скорость истечения найдем из уравнения (13.20), подставив в него вместо , его значение соответствующее

После преобразований, окончательно имеем:

, (15.6)

Критическая скорость истечения

Подставляя значения и значение в формулу (15.6), получим: , (15.7) Из курса физики известно, что =а есть скорость распространения звука в среде с параметрами p=pкр и v=vkp .

Анализ профиля канала сопла

Основой для вывода общих закономерностей движения рабочего тела в соплах и диффузорах явл. уравнение неразрывности потока m = F c / v = const , (15.8) Логарифмируя его, получим ln F + ln c – ln v =const,

ЛЕКЦИЯ 16

Дросселирование газов и паров

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление… Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления,… Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии…

Дифференциальный дроссельный эффект

Опытами Джоуля-Томсона было установлено, что в процессе дросселирования при изменении давления газа на бесконечно малую величину dp происходит… dTh = ah dp, (16.3) Величина ah равная производной (dT/dp)h, называется дифференциальным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томсона.…

ЛЕКЦИЯ 19

 

Термодинамический анализ процессов в компрессорах

 

Сжатый воздух, получаемый с помощью компрессоров, широко применяется в различных отраслях народного хозяйства.

Компрессорными машинами называются машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов.

 

Устройство и принцип работы поршневых компрессоров

Конструктивная схема одноступенчатого компрессора показана на рис. 19.1  

Термодинамический анализ идеального компрессора

- Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное пространство); - Отсутствует трение, так что затраты работы на трение равны нулю; - Отсутствуют потери работы на дросселирование в клапанах;

Влияние характера процесса сжатия на величину работы, затрачиваемой на привод компрессора

При конструировании компрессора необходимо организовать цикл компрессора так, чтобы: a) Работа, затрачиваемая в цикле на сжатие газа от давления до , была… b) Температура газа после сжатия была на слишком высокой и ниже температуры воспламенения масла, применяемого для…

Действительная (реальная) индикаторная диаграмма компрессора

, (20.1) Рис. 20.1 Так что в цилиндр при дальнейшем движении поршня поступает объем… Уменьшение производительности поршневого компрессора характеризуется объемным к.п.д: , (20.2)

Многоступенчатый компрессо

 

Многоступенчатые компрессоры представляют собой совокупность нескольких последовательно работающих одноступенчатых компрессоров с промежуточным охлаждением сжимаемого газа, между ступенями.

На рис. 20.2 приведена принципиальная схема трехступенчатого компрессора.

рис. 20.2

I, II, III - ступени сжатия; 1, 2 - промежуточные холодильники

Рабочий процесс в р,v - и Т,S - диаграммах (для идеального компрессора) представленный на рис. 20.3 рис. 20.3 Точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, на диаграммах относятся к одним и тем же состояниям.

Классификация ДВС

 

Тепловыми двигателями внутреннего сгорания ДВС называют тепловые двигатели, основными элементами, конструкции которых являются цилиндр с поршнем. Поршневые ДВС по характеру рабочего цикла делятся на двигатели быстрого сгорания с искровым зажиганием топливно-воздушной смеси и двигатели постепенного сгорания, характеризующиеся самовоспламенением топлива.

К двигателям быстрого сгорания относится большинство двигателей, работающих на газообразном топливе, а в основном - карбюраторные двигатели, работающие на бензине и керосине.

К двигателям постепенного сгорания относятся дизели, работающие на соляровом масле (быстроходные дизели) или на тяжелых моторных топливах (тихоходные дизели).

Кроме того, поршневые ДВС классифицируются по следующим признакам:

1. По способу осуществления рабочего цикла: четырехтактные, двухтактные (тактом двигателя называется часть цикла, совершающаяся при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое).

2. По способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси: с внешним смесеобразованием и воспламенением топлива от искры (карбюраторные, газовые); с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (дизели бескомпрессорные и компрессорные);

3. По роду топлива, работающие на газообразном топливе, работающие на жидком топливе;

4. По назначению: стационарные, передвижные, автотракторные, судовые, для железнодорожного транспорта;

5. По конструктивному исполнению; с вертикальным и горизонтальным расположением цилиндров; с расположением цилиндров под углом (V-образные, W-образные, звездообразные, с аппозитивным расположением цилиндров).

 

Круговой процесс ДВС

По существу ДВС не работают по круговым процессам, потому что газообразные продукты горения, расширившись и отдав работу на коленвал, удаляются из… С теоретической точки зрения в ДВС, как и во всяком тепловом двигателе,… Работа цикла Карно 1-2-3-4 равна

Действительный и идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Цикл Отто

В качестве топлива в таких двигателях, работающих по циклу Отто применяются легкие топлива жидкие (бензин, керосин) и газообразные. Рабочим телом является… Поршень 2 совершает в ДВС возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. В процессе а-1 поршень движется слева на…

Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл Дизеля

              Раздельное сжатие воздуха и жидкого топлива исключает… Степень сжатия в таких двигателях =14-18. Жидкое топливо в цилиндр 1 подается через форсунку 4 в мелкораспыленном виде в конце процесса сжатия (рис. 22.1).…

Циклы Д.В.С. со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера

мощности двигателя; сложные устройства насоса и форсунки; относительная тихоходность, обусловленная медленным сгоранием топлива. В 1904г. росийский инженер Г.В.Тринклер построил бескомпрессорный двигатель… Необходимо отметить, что двигатель со смешанным подводом теплоты при p=const не нуждается в компрессоре высокого…

ЛЕКЦИЯ 23

  Реактивный двигатель представляет собой устройство, в котором химическая… Эти двигатели применяются на летательных аппаратах и подразделяются на воздушно-реактивные двигатели (ВРД), у которых…

Циклы ПВРД

Основным параметром ПВРД является степень повышения давления от скоростного напора: bск = , (23.6) где p1- давление в конце входного устройства; pо- давление окружающей среды. … Коэффициент повышения давления bск показывает, во сколько раз давление перед камерой сгорания больше давления…

Циклы пульсирующего ВРД

Клапаны клапанной решетки отделяют камеру сгорания от диффузора 1. Воздух из диффузора 1 через обратные клапаны поступает в камеру сгорания 5,… После заполнения воздухом камеры сгорания в нее через форсунки 3 подается… Давление в камере сгорания повышается, обратные клапаны клапанной решетки закрываются и изолируют объем камеры…

Циклы ракетных двигателей

В РД используются ядерная, электрическая, тепловая и химическая энергии. В настоящее время в РД наиболее широко используется химическая энергия…  

Циклы атомных (ядерных) реактивных двигателей

Почти все типы ВРД могут работать на ядерной энергии. Нагревание рабочего тела атомного двигателя может осуществляться непосредственно в реакторе или специальных теплообменниках, в которых циркулирует теплоноситель – горячие газы или расплавленные металлы, которые отводят теплоту, выделяющуюся в реакторе.

Рис. 24.7

Двигательная установка (рис.24.7) состоит из входного конуса 1, компрессора 2, направляющего стержня 3, реактора 4, турбины 5 и реактивного сопла 6. В атомном турбореактивном двигателе в отличие от турбореактивного двигателя вместо камеры сгорания используется реактор 4. Воздух из компрессора 2 поступает в реактор 4, в котором нагревается до высокой температуры. Часть энергии нагретого воздуха отдается турбине, вращающей компрессор, а часть преобразуется в кинетическую энергию струи вытекающего воздуха, т.е. идет на образование тяги.

На рис. 24.8 приведен термодинамический цикл атомного турбореактивного двигателя:

1-2 и 2-3 – процессы сжатия воздуха в диффузоре; 3-4 – подвод теплоты в реакторе при р=соnst; 4-5 – расширение рабочего тела в турбине; 5-6 – расширение рабочего тела в сопле; 6-1 – отдача рабочим телом теплоты при р=соnst в

Рис.24.8 атмосферу. Сравнивая рис.24.2 и 24.8 видим, что цикл атомного ТРД с подводом теплоты при р=соnst аналогичен циклу ТРД. Поэтому h_t может быть определен по формуле (24.1), т.е.:

, (24.21)

где – степень повышения давления в диффузоре и компрессоре.

На рис. 24.9 приведена принципиальная схема двигательной установки с атомным ракетным двигателем. Она состоит из камеры 1 с реактором, турбонасосом агрегата 2, отсекающего клапана 3, бака 4 с рабочим телом, дренажно-предохранительного клапана 5, газового редуктора 6, электропневмоклапанов 7 и 12, баллона со сжатым газом 8, твердотопливного газогенератора 9 и выхлопного патрубка 10. Рабочее тело для привода турбины отбирается из сопла камеры сгорания по трубопроводу 11.

Рабочее тело из бака подается насосом в ядерный реактор. Реактор имеет систему регулирования, которая при запуске ЯРД приводит его в режим цепной реакции деления ядер урана-235 в активной зоне. Протекая через реактор, рабочее тело испаряется и нагревается до высокой температуры теплотой, выделяемой в активной зоне при делении ядер делящегося вещества. Процесс подвода теплоты происходит при р=const рабочего тела. Из реактора газообразное рабочее тело

Рис. 24.9 поступает в сопло с высоким давлением и температурой. В сопле рабочее тело расширяется и истекает в окружающую среду. Нетрудно видеть, что рабочий процесс ЯРД подобен рабочему процессу ЖРД на однокомпонентном топливе, только горячие газы образуются не за счет сжигания топлива, а за счет нагревания рабочего тела в каналах реактора.

Важно подчеркнуть, что в отличие от ВРД и РД, работающих на химическом топливе, в ядерных ракетных двигателях рабочее тело не является продуктом сгорания топлива. Следовательно, рабочее тело для ЯРД может быть выбрано из соображений наибольшей термодинамической целесообразности.

Из уравнения для скорости истечения идеального газа из сопла:

получаем для истечения в вакуум (давление в космическом пространстве можно считать практически равным нулю), т.е. для р₂ = 0 [Для случая адиабатного истечения в вакуум (р₂ = 0) из уравнения следует, что Т₂ = 0 К, т.е. газы на выходе из сопла имеют температуру абсолютного нуля. Это означает, что вся энтальпия газа полностью превращается в кинетическую энергию потока газа.].

или, что то же самое

Так как mR является величиной постоянной, то из этого соотношения следует, что наибольшие скорости истечения обеспечиваются в случае использования газов с малой относительной молекулярно массой m. (Поэтому самый выгодный водород).

ЛЕКЦИЯ 25

Циклы газотурбинных установок (ГТУ)

ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые тем… ГТУ могут работать по циклам со сгоранием топлива при постоянных объёме и… Первая ГТ была построена П. Д. Кузьминским в 1897 г., затем ГТ со сгоранием топлива при постоянном объеме была…

Реальные циклы ГТУ

Реальные циклы ГТУ отличаются от идеальных тем, что в действительных циклах учитываются неизбежные тепловые потери. На рис. 25.5 показан реальный цикл ГТУ, протекающий с потерями. Сжатие воздуха происходит не по изоэнтропе 1-2, как это было при рассмотрении идеального цикла, а с потерями тепла, по…

ЛЕКЦИЯ 26

Такой цикл изображен в Т,S диаграмме на рис.26.1при наличии регенерации теплота отводимая на участке 5-6 иобары р2=const, подводится к рабочему телу… Подводимая теплота этом цикле: , (26.1) Отводимая теплота

Сравнение циклов ГТУ

Рис. 26.5 При равенстве , и конечной температуры в конце процесса подвода q1 из рис.26.5 (a) видно что

ЛЕКЦИЯ 27

Принципиальная схема паросиловой установки

Теплосиловые станции в настоящее время дают более 80% энергии.

В паросиловых установках продукты сгорания топлива непосредственно не участвуют в рабочем цикле, они являются лишь источником теплоты, а рабочим телом служит пар какой – либо жидкости, чаще всего воды.

Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 27.1. 1-Паровой котёл; 2-Пароперегрева-тель; 3-Паровая турбина;4-Генератор;5-Конденсатор; 6. Насос;7-Топка;пар^_________,;вода - - - - -

Из котла (1) насыщенный пар поступает в пароперегреватель, где он перегревается, и по трубопроводу направляется в паровой двигатель, в котором происходит превращение теплоты в работу. В зависимости от типа парового двигателя и способа использования отработавшего пара, давление этого пара в конце его расширения может быть различным.

При этом возможны следующие случаи:

1.Давление пара в конце его расширения выше атмосферного (0,2 - 0,5 МПа) и отработавший в машине пар используется для удовлетворения нужд потребителя теплоты.

2.Расширение пара в машине происходит до давления, значительно более низкого, чем атмосферное (конденсационные установки). В этом случае за машинами устанавливается специальные теплообменники – конденсатора, в которых отработавший пар превращается в конденсат, перекачиваемый насосом обратно в котёл.

 

Паровой цикл Карно

В случае потока вещества технически наиболее просто осуществимым процессом подвода или отвода теплоты является изобарный процесс. Ранее были… Требования, которые должно удовлетворять такое рабочее тело, определяется с… Верхним пределом температуры рабочего тела, определяемым из условия прочности металла при длительном воздействии на…

Теоретический цикл ПТУ (цикл Ренкина)

В этом случае сжатию от давления p2до p1подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. По сравнению с удельным объёмом влажного пара в т.3 (см.… Такой цикл предложен в пятидесятых годах Х1Х века почти одновременно физиком… Схема теплосиловой установки с циклом Ренкина (рис. 27.4) аналогична схеме установки, изображённой на рис. 27.2 , с…

ЛЕКЦИЯ 28

 

Цикл Ренкина с перегретым паром

Для того, чтобы увеличить термический к.п.д. цикла Ренкина, применяют так называемый перегрев пара в специальном элементе котла - пароперегревателе… В этом случае средняя температура подвода теплоты увеличивается по сравнению с… пературой подвода тепло- ты в цикле без перегрева и следовательно, термический к.п.д. цикла возрастает.

Влияние параметров пара на величину термического к.п.д. цикла Ренкина

 

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

понижение конечного давления пара в конденсаторе.

А) Влияние начального давления пара

1. Чем выше давление p1, тем больше степень заполнения цикла и выше средняя температура подвода теплоты. 2. С повышением давления p1, при той же температуре перегрева влажности пара… Поэтому при увеличении начального давления пара необходимо увеличивать и температуру пара перед турбиной. Из рис.…

Б) Влияние начальной температуры пара

На рис. 28.4 приведена зависимость η цикла Ренкина от начальной… рис. 28.4

В) Влияние конечного давления в конденсаторе

На рис. 28.5 приведена зависимость η цикла Ренкина от давления p2. График построен для начальных параметров p1 = кПа (= 170ати) и Т1 = 5500С. …   Обычно в теплосиловых установках давление в конденсаторе определяется температурой охлаждающей воды и равно 3,5-4,0…

Цикл с промежуточным перегревом пара

Прежде всего следует заметить, что цикл Ренкина в чистом виде при высоких, а тем более сверхвысоких начальных параметрах пара (10МПа) осуществить… Одним из способов, позволяющих снизить влажность пара на выходе из турбины,… На рис. 28.6 приведена принципиальная схема паросиловой установки со вторичным перегревом. В таких установках турбина…

ЛЕКЦИЯ 29

Циклы холодильных установок и термотрансформаторов

Тепловые машины, предназначенные для понижения температуры тел по сравнению с температурой окружающей среды и непрерывного поддержания этой… В зависимости от температуры, которая должна быть достигнута при охлаждении,… По характеру рабочего тела (хладоагента) холодильные установки подразделяются на воздушные и паровые. В последних как…

Цикл воздушной холодильной установки

На рис. 29.1 приведена принципиальная схема воздушной холодильной машины (ВХМ). Воздух с давлением поступает в детандер 1, где адиабатно расширяется по линии… Отвод теплоты из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного…

ЛЕКЦИЯ № 30

Цикл парокомпрессорной холодильной установки

Осуществить в холодильной установке подвод и отвод теплоты по изотермам удается в том случае, если в качестве хладоагента используется влажный пар… Сжатый в компрессоре 3 до давления влажный (сухой) пар поступает в… рис. 30.2.

Абсорбционные холодильные машины

В абсорбционных холодильных уставках используется явление абсорбции пара раствором. Абсорбцией наз. способность некоторых тел при определенных условиях поглощать… В АХУ сам принцип переноса теплоты с более низкого на более высокий температурный уровень существенно отличается от…