Паровой цикл Карно - Лекция, раздел Физика, ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Использование Рабочего Тела, Изменяющего В Течение Цикла Своё Агрегатное Сост...
Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществлять на практике цикл Карно.
В случае потока вещества технически наиболее просто осуществимым процессом подвода или отвода теплоты является изобарный процесс. Ранее были рассмотрены условия протекания изобарного процесса подвода или отвода теплоты при постоянной температуре. Это – процесс фазового перехода чистого вещества из жидкого в газообразное состояние. Отсюда следует, что если использовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществлять цикл, составленный из двух изобар (которые в тоже время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.
Требования, которые должно удовлетворять такое рабочее тело, определяется с одной стороны параметрами окружающей среды, а с другой – параметрами самого рабочего тела, которые можно считать достижимыми при современном уровне техники.
Верхним пределом температуры рабочего тела, определяемым из условия прочности металла при длительном воздействии на него высоких температур, в настоящее время можно считать температуру около 600
С. Чтобы при этой температуре теплота парообразования была достаточно большой, критическая температура рабочего тела должна быть значительно, выше неё (следует вспомнить, что по мере приближения температуры влажного пара к критической теплоте парообразование уменьшается, а при критической температуре становится равной нулю). Одновременно давление насыщения на верхнем температурном пределе должно быть по возможности ниже, ибо работа установки на высоком давлениисвязана с утяжелением и усложнением её конструкции. В настоящее время считается, что с этой точки зрения, предельным является давление около 300 МПа.
Веществ, которые удовлетворяли бы перечисленным требованиям по всем пунктам, в природе не существует, наиболее же подходящим по своим теплофизическим свойствам является водяной пар.
Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно при влажном паре, представлен на рисунке 27.2.
В паровой котёл 1 поступает влажный водяной пар малой степени сухости 
. За счёт сгорания в точке котла топлива (уголь, мазут, природный газ и другие) к влажному пару подводиться теплота и степень сухости пара повышается до значения , близких к единице. Процесс подвода теплоты в котле происходит при постоянном давлении p1 и при постояннойтемпературе Т1.
Из котла пар поступает в паровую турбину 2. При расширении в турбине поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в кинетическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнергию с помощью электрогенератора 3, вращаемого турбиной.
На выходе из турбины влажный пар имеет давление p2 и соответствующее этому давлению температуру Т2. Далее пар поступает в концентратор 4 – теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится теплота, пар конденсируется и, следовательно, степень сухости его уменьшается.
Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе осуществляется при p=const.
После конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, в котором он адиабатно сжимается до давления p1 . Затем влажный пар вновь поступает в котёл, и цикл замыкается.
Цикл Карно насыщенного пара (рис. 27.3.) состоит из следующих процессов:
4 – 1 изобарно –изотермический подвод теплоты q1 к пару в котле;
1–2 процесс адиабатного расшире-ния пара до давления p2в турбине;
2 – 3 изобарно – изотермический отвод теплоты q2в конденсаторе;
3–4 адиабатное сжатие конденсата в компрессоре.
Отвод теплоты в конденсаторе происходит до тех пор, пока влажный пар не достигнет такого состояния , в результате которого при сжатии по адиабате 3 – 4 смесь воды и пара из состояния (т.3) переводится полностью в воду состояния (т.4).
Термический К.П.Д. обратимого цикла Карно определяется по формуле:
ht = 1 - 
= 1 - 
, (27.1)
Критическая температуры воды равна 374,15 С, поэтому сравнительно мал темпера- турный интервал между нижней (Т2=25 С) и верхней (не ниже Т1 = 340 - 350 С) темпе-ратурами цикла. Для обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре:
ht = 1 - 
=0,52, (27.2)
В паросиловых установках цикл Карно не применяется по следующим причинам:
1. В цикле Карно конденсация пара в изотермическом процесс 2 – 3 осуществляется не полностью, поэтому в адиабатном процессе 3 – 4 сжимается не вода, а влажный пар, который имеет относительно большой объём. Компрессор для сжатия влажного пара с малым давлением и большими удельными объёмами является громоздким.
На сжатие влажного пара затрачивается относительно большая работа, численно равная площади n – 4 – 3 - m..
Кроме того, затрата работы на сжатие увеличивается при повышении начальных параметров пара p1 и Т1 или уменьшении конечных параметров p2 и Т2.
Так например, при увеличении начальных параметров p1 и Т1до параметров в точке 1' работа, затрачиваемая на сжатие влажного пара, численно равна площади n'-4'-3'-m',и как видно из рисунка 27.3, площади n-4-3-m < площади n'-4'-3'-m'. Следовательно, несмотря на увеличение ht при увеличении начальных и уменьшении конечных параметра рабочего тела экономическая эффективность использования теплоты в установке уменьшается. Последнее связано с относительным большим объёмом компрессора, наличием вредных пространств и повышении потерь. Таким образом, практически обесцениваются преимущества паровой установки, работающей по циклу Карно (с максимальной ht ), вследствие повышенной работы, необходимой для сжатия отработавшего конденсата.
2.При работе во влажном паре происходит механический износ лопаток последних ступеней турбины и компрессора каплями воды. Течение пара оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный К.П.Д. установки уменьшается. Величина его определяется уравнением: hi = ht hоi , (27.3)
По этим причинам цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках и сохраняет лишь теоретическое значение как эталонный цикл, имеющий в заданном температурном интервале максимальный ht .
Все темы данного раздела:
Техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики
Наиболее актуальные задачи, которые решают с использованием термодинамики: создание летательных аппаратов, в том числе космических многоразового действия; проектирование тепловых и
Термодинамическая система. Рабочее тело. Внешняя среда
Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, (а также полей) находящихся в механическом и тепловом взаимодействии, а также обменивающихся друг с другом вещест
Термические параметры состояния
Абсолютная температура (T) характеризует тепловое состояние тела, или, как иногда говорят, степень нагретости тела.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории температ
Абсолютное давление (p )
Абсолютное давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела, действующего по нормали
Термические коэффициенты
Как известно, каждый из основных параметров состояния системы p, v, T является функцией двух других ее параметров:
;
Уравнение состояния
Если все термодинамические параметры состояния постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным. Если межд
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 параметрами, изменяется
С
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
Термодинамика идеального газа
Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих пренебрежимо малыми объёмами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишённых сил
Основные законы идеальных газов
Закон Бойля - Мариотта.(изотермический процесс)
В 1662 г. Р. Бойль , а в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установили зависимость опытным путем объёма газа от ег
Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная
На основании законов Бойля-Мариотта и Гей-Люсака в 1834г Клапейроном было выведено уравнение состояния идеальных газов.
Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p = n k T , (2.14)
Смеси идеальных газов. Закон Дальтона
В ТТД чистым веществом наз. вещество, все молекулы которого одинаковы. Смесь, состоящая из нескольких чистых веществ наз. раствором. Чистыми веществами явл., напри
Внутренняя энергия как функция состояния рабочего тела
Внутренняя энергия обозначается буквой U, ее размерность Дж.
Внутренняя энергия включает в себя:
1. Кинетическую энергию поступательного, вращательного и к
Энтальпия рабочего тела как функция состояния
Термин энтальпия (от греч. euthalpo – нагреваю) введен в 1909 г. Камерлинг-Онессом.
В ТТД важную роль играет величина суммы внутренней энергии U системы и произведения дав
Аналитическое выражение 1-го закона ТТД
Первое начало ТТД представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергииприменительно к тепловым явлениям.
Энтропия как параметр состояния термодинамической системы
Термин энтропия (от греч. entropia – мера превращений ) введен в 1865 году Клаузиусом.
Понятие об энтропии строится на основе следующих соображений.
Уравнение 1-г
Уравнение Майера
В соответствии с 1 – ым законом ТТД для закрытых систем имеем:
С учетом соотношения (3.4.а), подставив его в выражение 1-го
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 парам
Политропный процесс
Политропными процессами наз. процессы, протекающие при постоянной теплоемкости и вызываемые подводом или отводом теплоты. Следовательно, в любом политропном процессе, распределение
Изохорный процесс
Процесс, в котором не изменяется объем наз. изохорным. Линия, изображающая изохорный процесс, наз. изохорой. Этот процесс соответствует закону Шарля.
Графическая интерпрет
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.
Работа в изобарном процессе определяется интегрированием выражения при p=const: , (4.17)
Следовательно, работа газа в изобарн
Изотермический процесс
При изотермическом процессе выполняется условие: dT=0 или T=const.
Таким образом следует, что это возможно, если .
Н
Адиабатный процесс
При адиабатном процессе теплообмен рабочего тела с окружающей средой отсутствует, т.е. рабочее тело предполагается изолированным от окружающей среды идеальной тепловой изоляцией.
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 изменения состояния
Политропные процессы по особенностям превращения энергии можно разбить на 3 группы.
Первая группа: . Построим в p,v и T,S – диаграммах политропные процессы с предельными значениями показателя R данной группы. То
Сущность 2-го закона ТТД
Первым законом ТТД устанавливаются лишь количественные соотношения при взаимных превращениях теплоты и работы.
В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может пе
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 теплоту q1 от внешнего
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 замкнутый процесс, который
Математическое выражение второго закона ТТД
Для обратимого цикла Карно имеем ;откуда
Необратимые циклы
Термический КПД необратимого цикла меньше, чем термический КПД цикла Карно, т.е.
ηtннеоб<ηооб и
Объединенные уравнения 1-го и II-го законов термодинамики
Как известно, аналитически II закон ТТД выражается в следующем виде:
или
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 теплоту
Производство работы. Полезная работа. Максимальная работа. Максимальная полезная работа
Если рабочее тело находится в состоянии, отличном от того, которое оно имеет при параметрах окружающей среды (т.е. система не находится в равновесии), то в принципе это раб. тело может произвести р
Понятие об эксергии. Уравнение Гюи-Стодолы
Термин «эксергия» в 1956г. ввел югославский ученый З.Рант и образован он из греческих корней «экс» - внешний и «эрг» - работа, действие.
Максимальную полезную работу (работоспособность) в
Уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса
Одной из первых попыток в этой области была разработка голландского физика Н. Ван-дер-Ваальса в 1873 г. Это уравнение он получил на основе кинетической теории газов; учитывая объем самих молекул и
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 при определенны
Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы
Гомогенной называют такую систему, химический состав и физические свойства которой во всех ее частях одинаковы или изменяются непрерывно (без скачка) от одной точки системы к друго
Условия равновесия при фазовом переходе. Правило фаз Гиббса
Состояние равновесия – это такое состояние, к которому при данных внешних условиях стремится термодинамическая система.
Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно т
Парообразование и конденсация
Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Э
Основные параметры воды и водяного пара
Параметры состояния воды. Как указывалось ранее, удельный объём воды при 00С и различных давлениях одинаков и равен 0,001м3/кг,
При температурах насы
Основные термодинамические процессы водяного пара
В практике могут встретиться паровые процессы, которые протекают в области либо влажного насыщенного пара, либо в области перегретого пара, либо так, что одна часть процесса протекает в области вла
Изохорный процесс.
Изохоры на p,v –, T,S – и h,S – диаграммах представлены на рис. 12.1.
Изохорный процесс на р-v диаграмме (рис. 12.1.а) изображается отрезком вертикальной прямой 1-2, а на Т-S
Изобарный процесс.
На рис. 12.2. приведен изобарный процесс в p,v –, T,S – и h,S – диаграммах.
Как видно, на p,v – диаграмме (рис.12.2.а), изобара изображается горизонтальной прямой 1-2. В обла
Изотермический процесс.
Изотермический процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах изображен на рис. 12.3.:
Как видно в p,v – диаграмме (рис. 12.3а) изотерма в области влажного пара изображается отрез
Адиабатный процесс.
На рис. 12.4. приведен ади- абатный процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах.
Равновесный адиабатный процесс протека
Механическая связь сухого воздуха с водяным паром наз. влажным воздухом, или воздушно-паровой смесью.
Влажный воздух нужно рассматривать как разновидность газовой смеси. Это объясняется тем, что при атмосферном давлении в интервале температур, ограниченном снизу температурой обычно не ниже -50
Плотность, удельная газовая постоянная влажного воздуха.
Использовав обычное правило смеси, определим плотность влажного воздуха как сумму плотностей сухого воздуха
Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха.
Изобарная теплоемкость влажного воздуха рассчитывается как сумма теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, т.е.:
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 закон ТТД имеет общий характер и сп
Сопла и диффузоры
Сопла и диффузоры – специально спрофилированные каналы, предназначенные для ускорения или торможения потока. Техническая работа в них не совершается, поэтому при условии горизонталь
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 газ.
Расход газа при истечении из суживающегося сопла
Массовый расход газа m через сопло, обычно выражаемый в кг/с, определяется из соотношения: , (15.1)
Удельны объем
Максимальный расход газа через суживающееся сопло
Максимальный расход газа при критическом значении можно определить из уравнения (15.3), если в него подставить значение из (15.4)
Критическая скорость истечения
Критическая скорость устанавливается в устье сопла при истечении в окружающую среду с давлением, равным или ниже критического. Ее можно определить из уравнения (15.6), подставив в него вместо значе
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)
Дросселирование газов и паров
Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникаю
Дифференциальный дроссельный эффект
Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля-Томсона.
Опы
Устройство и принцип работы поршневых компрессоров
Конструктивная схема одноступенчатого компрессора показана на рис. 19.1
рис19.
Термодинамический анализ идеального компрессора
Идеализация компрессора и его работы заключается в следующем:
- Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное пространство);
- Отсутствует т
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
Действительная (реальная) индикаторная диаграмма компрессора
Действительная индикаторная диаграмма компрессора отличается от теоретической тем, что вследствие сопротивления, оказываемого впускным и нагнетательным клапанами проходящему газу, всасывание происх
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
Круговой процесс ДВС
Учитывая, что давление рабочего тела внутри двигателя порядка 3-10 Мпа, а температуры рабочего тела превышают критическую, рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ.
По существу Д
Действительный и идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Цикл Отто
Индикаторные диаграммы цикла Отто представлены: действительная на рис. 21.3; идеальная p, v - диаграмма на рис. 21.4; T,S - диаграмма на рис. 21.5.
В качестве топлива в таких
Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл Дизеля
Степень сжатия e в цикле можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в конце процесса сжатия вводить в цилиндр жидкое топливо (горючее).
Циклы Д.В.С. со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера
Недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является: наличие компрессора для распыления жидкого топлива, на работу которого расходуется 6-10% общей
мощности двигателя; сло
ЛЕКЦИЯ 23
23.1. Циклы реактивных двигателей
Реактивный двигатель представляет собой устройство, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую
Циклы ПВРД
ПВРД - это ВРД, в которых сжатие воздуха осуществляется только за счет скоростного напора. ПВРД могут применяться как для дозвуковых, так и для сверхзвуковых полетов.
Основным параметром П
Циклы пульсирующего ВРД
В пульсирующих ВРД со сгоранием топлива при u=соnst применяются обратные клапаны, которые устанавливаются на клапанной решетке 2 (рис.23.4) на входе в камеру сгорания 5.
Клапаны клапанной
Циклы ракетных двигателей
В РД используются ядерная, электрическая, тепловая и химическая энергии.
В настоящее время в РД наиболее широко используется химическая энергия топлива,
Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые т
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 ГТ
ЛЕКЦИЯ 26
26.1. Цикл ГТУ со сгоранием при р=const, с регенерацией теплоты и с иотермическим зжатием воздуха
Такой цикл изображен в Т,S диаграмме на рис.26.1при наличии регенерации т
Сравнение циклов ГТУ
Рис. 26.5
При равенстве ,
Теоретический цикл ПТУ (цикл Ренкина)
Перечисленные выше недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного пара в конденсаторе
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 (рис.28.1), где пар нагревается д
А) Влияние начального давления пара
Анализируя цикл Ренкина рис. 28.3 для различных значений давления p1, при T1 = const и p2 = const, может сделать следующие выводы:
1. Чем выше давление p
Б) Влияние начальной температуры пара
Из рис. 28.4. видно, что η цикла Ренкина с ростом температуры перегрева пара при одном и том же давлении увеличивается, т.к. возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле.
В) Влияние конечного давления в конденсаторе
При постоянных значениях начальных параметров пара T1 = const и p1 = сonst уменьшение конечного давления в конденсаторе приводит к повышению η цикла, т.к. в этом случае в
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 невозможно по той причине, что влаж
Циклы холодильных установок и термотрансформаторов
Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды и поддержание их в охлажденном состоянии в течение длительного времени составляют основную задачу холодильной техники. Для многих про
Цикл воздушной холодильной установки
Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, применяемых на практике.
На рис. 29.1 приведена принципиальная схема воздушной холодильной машины (ВХМ).
Цикл парокомпрессорной холодильной установки
Более выгодны и удобны по сравнению с воздушными паровые компрессорные холодильные установки, позволяющие в области насыщенного пара осуществить изотермический отвод и подвод теплоты, отбираемой у
Абсорбционные холодильные машины
Основным преимуществом абсорбционных холодильных установок (АХУ) по сравнению с компрессорными явл. использование для выработки холода не электрической а тепловой энергии низкого и среднего потенци
Новости и инфо для студентов