ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Давление, температура и удельный объем — основные параметры, характеризующие состояние газа или пара. Давление— это результат ударов молекул газа или жидкости, заключенных в сосуде, на единицу площади ограничивающих его стенок. Количество теплоты, необходимой для нагрева 1 кг вещества на 1 К, называют удельной теплоемкостью и обычно обозначают буквой с. Удельный объем (v) — это объем, занимаемый единицей массы и измеряемый в м 3/кг Параметром состояния является и удельная внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий молекул 1 кг газа (u), Интерес представляет изменение внутренней энергии при переходе из некоторого состояния 1 в состояние 2, т. е. Δu=u 2 -u 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ При анализе процессов, происходящих в тепловых двигателях, очень часто используется другой параметр состояния — энтальпия, определяемая соотношением h=u+pv Совершение работы расширяющимися газами
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ В соответствии с первым законом термодинамики теплота, подведенная к телу, расходуется на увеличение его внутренней энергии и совершение работы: Следовательно, работа: Из уравнения 1. 4 следует: работа будет зависеть от того, при каких условиях осуществляется подвод теплоты
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Процесс подвода теплоты без изменения объема называется изохорическим. Совершение газом работы без всякого подвода или отвода теплоты (при абсолютной изоляции цилиндра) происходит только за счет уменьшения внутренней энергии: l=Δu. Такой процесс называется адиабатным. Изотермический процесс - ? ? Изоэнтропийный процесс расширения, при котором один из параметров состояния - энтропия s — остается постоянным Единица измерения s - Дж/(кг К) или ккал/(кг °С). . Величина энтропии характеризует близость замкнутой (изолированной) системы к термодинамическому равновесию.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Процесс (см. рис. в), когда при подводе к газу теплоты q поршень в сосуде поднимается, перемещая груз, а давление под поршнем остается постоянным, называется изобарным. Работа перемещения груза равна Подставив получим:
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Подставив получим: т. е. в изобарическом процессе подведенная к газу теплота расходуется на изменение его энтальпии. Такой процесс происходит в трубках котла. Процессы расширения в p-vдиаграмме: В р, v - диаграмме работа расширения, представляет собой площадь под кривой процесса
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Простейшие процессы в Т, S -диаграмме В T, s - диаграмме теплота q, подведенную в процессе. представляет собой площадь под соответствующей кривой Видно, что в изоэнтропном процессе теплота не подводится и не отводится, а при изотермическом процессе подвод теплоты минимален.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Произвольный цикл теплового двигателя l 0 = q 1 — q 2 Отношение работы цикла к затраченной теплоте называется термическим коэффициентом полезного действия:
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ второй закон термодинамики гласит, что периодически действующий тепловой двигатель имеет термический КПД, всегда меньший единицы. подведенная теплота q 1=T 1(s 2 -s 1) отведенная теплота q 2=T 2(s 2 -s 1) термический КПД цикла Карно ηt = 1 -T 2/T 1 Цикл Карно в Т, s - диаграмме
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА Вода и насыщенный пар Вода — это практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах ее удельный объем не изменяется и может приниматься равным v' = 10 -3 м 3/кг. При нагревании воды ее энтальпия вплоть до начала кипения изменяется пропорционально температуре: h' = св. T, где св= 4, 19 к. Дж/(кг·К) = 1 ккал/(кг·°С) теплоемкость воды. Если воду нагревать, то при определенной температуре начнется ее кипение. Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения, и обозначают tн. При спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар. Если температуру сухого насыщенного пара снизить, то часть пара сконденсируется. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА Температура насыщения р — в кгс/см 2, tн — в °С. Энтальпия сухого насыщенного пара h" = h' +r. Величина r называется удельной теплотой парообразования. Удельный объем v" сухого насыщенного пара больше, чем объем v' воды. Чем выше давление, тем меньше удельный объем. При давлении ркр = 22, 115 МПа удельные объемы воды и сухого насыщенного пара совпадают: v'=v''= vкр=0, 003147 м 3/кг, температура насыщения tн = tкр=374, 12 °С, а теплота парообразования r= 0. Состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами — критическими.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА Влажный пар — это смесь сухого насыщенного пара и мелких капелек воды. Термодинамические свойства влажного пара определяются законами смешения, в соответствии с которыми его удельный объем и энтальпия определяются соотношениями где х — степень сухости влажного пара — отношение массы сухого насыщенного пара к общей массе влажного пара Перегретый пар Пар, температура которого t больше температуры насыщения tн (при этом же давлении) на величину перегрева Δtн. Состояние перегретого пара определяется двумя независимыми параметрами - давлением и температурой.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА Диаграммы водяного пара Т, s-диаграмма водяного пара Для анализа экономичности турбинных установок используется Т, s-диаграмма (см. рис. 1. 11), по оси абсцисс которой отложена энтропия, а по оси ординат — абсолютная температура. В этой диаграмме горизонтальные линии являются изотермами и вертикальные — изоэнтропами. Линия АВ называется пограничной кривой жидкости, линия ВС — пограничной кривой пара, точка В — критической точкой. Выше кривой ВС пар является перегретым, ниже кривой ABC — влажным, на линии ВС — сухим насыщенным.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА Диаграммы водяного пара h, s-диаграмма водяного пара Вертикальные линии в h, sдиаграмме изображают изоэнтропийные процессы. Если параметры пара перед турбиной составляют p 0 = 3 МПа и t 0 = 400 °С, то точка D с энтальпией h 0 = 3232 Дж/кг изображает состояние пара перед турбиной. При изоэнтропийном расширении пара, например до давления рк = 5 к. Па, вертикальная линия DE изобразит все состояния, через которые проходит пар при расширении в турбине. Энтальпия в точке Е hк = 2112 Дж/г, а степень сухости x = 0, 815. Разность энтальпий Н 0=h 0 – hк называется располагаемым теплоперепадом турбины.
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Цикл Ренкина Упрощенная схема простейшей ПТУ ТЭС
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Цикл Ренкина Тепловые циклы паротурбинных установок а — цикл Карно; б — цикл для ТЭС с перегревом пара; в — цикл для АЭС с турбиной насыщенного пара
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки При изобарическом подводе теплоты в ППУ q 1 = h 0 -hnв, где h 0 — энтальпия пара за ППУ; hпв — энтальпия питательной воды. Состояние пара перед турбиной изображается точкой 0. Процесс расширения идет до точки k с параметрами рк и hкt, то теплота q 2, отводимая охлаждающей водой в конденсаторе, равна q 2 Идеальный цикл Ренкина в Т, sдиаграмме hкt -h'к где h'к — энтальпия конденсата. =
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Термический КПД цикла Ренкина равен
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Поскольку разность (hпв — h'к) представляет собой работу насоса, отнесенную к 1 кг прокачиваемой воды, а разность h 0 — hкt = — располагаемый теплоперепад турбины, то, пренебрегая работой насоса, из последней формулы получаем приближенное соотношение для определения термического КПД:
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Пользуясь h, sдиаграммой и начальными параметрами пара определяем:
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Из-за потерь в проточной части турбины процесс расширения пара идет не по изоэнтропе ok (рис. 1. 16), а отклоняется вправо, заканчиваясь в точке k' с энтальпией hк, большей, чем hкt Разность энтальпий =h 0 -hk называется использованным теплоперепадом турбины а отношение — относительным внутренним коэффициентом полезного действия турбины.
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Отношение называется абсолютным внутренним КПД турбоустановки, он характеризует эффективность превращения теплоты в работу во всей турбоустановке. Абсолютный внутренний КПД турбоустановки равен: ηi=ηt ηoi
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Сравнение идеальных циклов с различными начальными температурами
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Идеальный цикл с промежуточным перегревом пара
ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Коэффициент полезного действия простейшей турбоустановки Цикл с промежуточными сепарацией и перегревом свежим паром для турбин АЭС
Скачать презентацию ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ Давление
ОСНОЗАКОНЫ ПЕРЕХОДА ЭНЕРГИИ В РАБОТУ.ppt