Техническая термодинамика и теплопередача

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Техническая термодинамика и теплопередача

Студент группы 351 СМ ВЗО

Живихин Сергей Владимирович

Задание 1. Исследовать цикл Ренкина для перегретого пара

термодинамика пар излучение

Перегрев пара. Рассмотрим цикл Ренкина для перегретого пара на Ts-диаграмме (рис. 1). Процессы подогрева воды в паровом котле от t_2,s до t_1,s(линия 3-0), превращения кипящей воды в сухой насыщенный пар (линия О-1') и, наконец, процесс перегрева пара (линия 1'-1) протекают по изобаре (р₁ = const), причем вид изобары перегретого пара на Ts-диаграмме указывает на то, что температура его в точке 1 должна быть выше, чем в точке 1^'. Дальнейшее протекание процесса не отличается от ранее рассмотренного, т. е. пар расширяется в паровом двигателе по адиабате 1-2, причем при большом перегреве пар в конце расширения может быть еще перегретым (как показано на рисунке). Линия 2-а-З -- процесс отвода теплоты в конденсатор.

Рис. 1. Перегрев пара повышает экономичность цикла Ренкина

Исследуя Тs-диаграмму цикла Ренкина, видим, что если в области насыщения отдается теплота, измеряемая, например, пл. 6789, то в полезную работу превратится теплота, измеряемая пл. 4567. В области же перегретого пара при таком же количестве отведенной теплоты (пл. 6'7'8'9'-пл. 6789) в работу превратится теплота, измеряемая пл. 1^' I"6'7'. Так как эта площадь больше пл. 4567, то в области перегрева теплота используется лучше, чем в области насыщения. Следовательно, перегрев пара в цикле Ренкина повышает его термический КПД, т. е. уменьшает удельный расход пара и, следовательно, увеличивает удельную работу цикла. Чем выше начальная температура пара, поступающего в паровой двигатель, тем экономичнее становится цикл. Максимальное значение этой температуры в настоящее время достигает 550--600 °С. Перегрев пара не намного увеличивает экономичность цикла, как это видно из приведенного ниже примера 15.4, и внедрение в теплотехнику перегретых па ров объясняется их свойствами, указанными ранее. В практических условиях большое значение имеет свойство пере гретого пара не конденсироваться при понижении его температуры.

Задание 2. Анализ уравнения первого начала термодинамики

Как известно, любое физическое тело, в частности рабочее тело-газ и пар, обладает внутренней энергией. Количество её не является постоянным. При взаимодействии с другими телами, например с внешней средой, внутренняя энергия рабочего тела может уменьшаться или увеличиваться. Это взаимодействие проявляется в двух формах: в форме теплоты путём теплообмена и в форме механической работы. В случае теплообмена теплота может подводиться из внешней среды к рабочему телу или отводиться от него во внешнюю среду. В первом случае внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, во втором - уменьшается.

При механической работе рабочее тело может расширяться, т.е. производить работу за счёт своей внутренней энергии, которая при этом будет уменьшаться. Или рабочее тело будет сжиматься, для чего потребуется совершение работы сжатия внешней средой (внешними силами). При этом внутренняя энергия рабочего тела увеличится. Работа расширения и сжатия называется работой изменения объёма. Следует иметь в виду, что поскольку работа, как и теплота, является одной из форм передачи энергии от одного тела к другому, то такие общепринятые выражения, как превращение теплоты в работу или работы в теплоту, являются условными. Точнее было бы говорить о получении телом энергии в форме теплоты (или работы) и передаче им этой энергии в форме работы (или теплоты).

Во всех случаях общее количество внутренней энергии всех тел, участвующих во взаимодействии, если они образуют изолированную систему, остаётся постоянным, что следует из всеобщего закон сохранения и превращения энергии, согласно которому при всех превращениях она не исчезает и не создаётся, а лишь переходит из одного вида в другой. Первым, кто пришёл к выводу о сохранении и превращении энергии, был М.В Ломоносов. Математически этот всеобщий закон выражается уравнением первого начала термодинамики.

Q _1,2 = (U₂ -U₁ ) + L_1,2,

Где Q _1,2 - теплота, подводимая или отводимая в процессе 1-2;

U₂ и U₁ - внутренняя энергия в начале и в конце процесса 1-2;

L_1,2 - работа изменения объёма в процессе 1-2.

Из этого уравнения видно, что вся подведённая к рабочему телу теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы изменения объёма. Для рабочего тела массой 1 кг уравнение первого начала термодинамики принимает вид:

q _1,2= (u_2- u₁)+ l_1,2 ,

где q _1,2 - удельная теплота, подводимая или отводимая в процессе 1-2;

u₂ -u₁ -удельная внутренняя энергия в начале и в конце процесса 1-2;

l_1,2 - удельная работа изменения объёма в процессе 1-2.

Уравнение первого начала термодинамики действительно при взаимодействии рабочего тела с внешней средой в общем виде, поэтому величины, входящие в него, являются алгебраическими; в отдельных конкретных случаях их значения могут равняться нулю, быть положительными или отрицательными. Для определения знака каждой из этих величин руководствуются следующими правилами:

- внешняя теплота Q _1,2 является положительной, если она подводится к рабочему телу, и отрицательной, если отводится от него;

- работа изменения объёма L_1,2 будет положительной, если она совершается рабочим телом (т.е. при расширении рабочего тела), и отрицательной, если совершается внешней средой над рабочим телом (т.е. при сжатии рабочего тела);

- изменение внутренней энергии является положительной величиной, если эта энергия увеличивается. В этом случае в конце процесса 1-2 конечное значение внутренней энергии должно быть больше начального, т.е. U₂ >U₁ , а поэтому разность U₂ -U₁>0. Если же в процессе 1-2 внутренняя энергия уменьшается, значит, U₂ <U₁ и U₂ -U₁<0.

Из уравнения первого начала термодинамики следует также, что невозможно создать вечный двигатель первого рода, т.е. двигатель, который производил бы работу без затраты энергии.

Задание 3. Критическая (звуковая) скорость истечения

Анализ формулы для скорости истечения показывает, что при уменьшении значения p₂/p₁увеличивается скорость потока. Это возможно, например, если pi = const, а давление p₂ уменьшается. Из опытов известно, что уменьшение давления на выходе суживающегося сопла (или сопла постоянного сечения) p₂ может осуществляться лишь до некоторого предельного значения, так называемого критического давления (p _критич). При этом критическим отношением давлений называется величина b= p _критич /p₁, отсюда P_к = bp₁. В результате уменьшения давления p (внешней среды) при p₁= const возможны два случая:

1) p_o ? P_к, т. е. пока давление p_o уменьшается до критического значения, соблюдается равенство p₂= p_o где p₂ - давление вещества на выходе суживающегося сопла, p_o - давление внешней среды;

2) p_o < P_к, т. е. дальнейшее падение давления p_o среды ниже критического значения определяется равенством p₂ = p_k, причем давление p₂ вытекающего вещества является постоянным (p₂= const).

Таким образом, явление, при котором в устье насадки давление постоянно и не понижается, называется запиранием сопла. Поэтому такое давление на выходе сопла, которое невозможно понизить путем уменьшения давления внешней среды, в которую осуществляется истечение рабочего тела, называют критическим(P_2к). Независимо от падения давления внешней среды p_o в устье суживающегося сопла при b_k устанавливается давление P_2к=const, которому соответствует G_max = const (массовый расход), w_k = const (скорость истечения), T_k = const (температура), и v₂k = const (удельный объем), т. е. постоянство всех параметров на выходе сопла (так называемые выходные параметры).

В полученных формулах a, Y - коэффициенты, определяемые только величиной k(показателем адиабаты), их значения находят из специальных таблиц. По определению критической скоростью называется наибольшая скорость вещества при его истечении из сопла, не превышающая скорость звука, т. е. w_k =a, где а - так называемая местная скорость звука. Полученная формула называется уравнением Лапласа.

Задание 4. Характеристика прямых и обратных циклов

Термодинамические циклы.

Ряд последовательных термодинамических процессов, представляющих собой один замкнутый, называется круговым термодинамическим процессом или циклом. В рассмотренных ранее политропных процессах изучались вопросы получения работы вследствие подведенной теплоты, изменения внутренней энергии рабочего тела или вследствие того и другого. При однократном расширении газа в цилиндре можно получить лишь ограниченное количество работы, так как при любом процессе расширения все же наступит момент, когда температура и давление рабочего тела станут равными температуре и давлению окружающей среды и на этом прекратится получение работы. Для повторного получения работы необходимо осуществить процесс сжатия и возвратить рабочее тело в первоначальное состояние. Таким образом, для непрерывного производства работы рабочее тело должно участвовать в круговом термодинамическом процессе (рис. 2).

Рис. 2

Циклы могут быть обратимыми, состоящими из обратимых процессов, и необратимыми. В основе анализа эффективности современных тепловых машин лежат обратимые циклы, т.е. идеальные циклы, не учитывающие потери на трение и т.д. Циклы подразделяются на прямые и обратные. Прямыми называются циклы, в которых теплота преобразуется в работу, обратными - в которых теплота передается от более холодного тела к более нагретому. При изображении циклов на термодинамических диаграммах последовательный обход процессов в прямом цикле происходит по часовой стрелке (см. рис. 2), в обратном цикле - против часовой стрелки.

Для всех циклов очевидным является условие:

,

так как цикл начинается и заканчивается в одной точке.

Тогда первый закон термодинамики для цикла запишется следующим образом:

,

где Q_ц - теплота, участвующая в цикле, равная алгебраической сумме количеств теплоты для каждого процесса; L_ц - работа цикла (цикловая работа), равная соответственно алгебраической сумме работ в каждом процессе. Прямой цикл. Прямой цикл - это цикл двигателя. В этом цикле происходит преобразование теплоты в механическую работу (рис. 3).

Рис. 3

В процессе 1а2 к рабочему телу от горячего источника температурой Т₁ подводится теплота Q₁ и совершается положительная работа. В процессе 2b1 от рабочего тела к холодному источнику температурой Т₂ отводится количество теплоты Q₂ и совершается отрицательная работа. Количество работы в процессе расширения L_1a2 , больше, чем работа сжатия L_2b1 , и цикловая работа будет положительна и равна:

На рисунке работа цикла изображается площадью фигуры пл.1-а-2-b-1. В соответствии с первым законом термодинамики для цикла:

.

Для оценки эффективности преобразования теплоты в работу в прямом цикле используют термический коэффициент полезного действия (КПД), под которым понимают отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:

Таким образом, термический КПД показывает какая часть теплоты, подведенной к циклу от нагревателя, превращена в полезную работу. Согласно второму закону термодинамики эта величина всегда меньше единицы (<100%).

Обратный цикл. Обратный цикл служат для производства холода или теплоты. В нем рабочее тело переносит теплоту от холодного источника к горячему. Для совершения такого несамопроизвольного процесса затрачивается работа цикла. Обратные циклы реализуются в холодильных машинах и тепловых насосах (рис. 4).

Рис. 4

В процессе расширения 1а2 температура рабочего тела ниже Т₂,в результате чего от холодного источника к рабочему телу передаётся количество теплоты Q₂. В процессе сжатия 2в1 температура рабочего тела выше Т₁ и горячему источнику от рабочего тела передаётся количество теплоты Q₁. Так как на процесс сжатия работы затрачивается больше и она отрицательна, работа цикла будет равна:

Первый закон термодинамики имеет вид:

.

Для оценки работы холодильных машин применяется так называемый холодильный коэффициент, определяемый отношением полезной теплоты Q₂, отнятой от холодного источника ограниченной емкости, к затраченной работе:

.

В холодильной машине теплота Q₁ выбрасывается в окружающую среду - источник неограниченной емкости. Машины, основным продуктом производства которых является теплота Q₁, передаваемая в источник ограниченной емкости, называются тепловыми насосами. Эффективность работы в этом случае оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение теплоты Q₁, переданной потребителю, к затраченной работе:

В цикле теплового насоса теплота Q₂ отбирается от источника неограниченной емкости (например, атмосфера). Значения холодильного и отопительного коэффициентов могут изменяться в широких пределах 0 ? е,ц < ?.

Задание 5. Сущность теплообмена излучением

Теплообмен между двумя текучими средами через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей. Конструктивно большинство из них представляет собой пучки труб, заключенные в кожух: внутри труб движется жидкость, отдающая теплоту (теплоноситель), а в межтрубное пространство подается нагреваемая жидкость. Часто в качестве теплоносителя применяют горячие газы, нагреваемой средой является воздух. Температура, как теплоносителя, так и нагреваемой среды по длине труб непрерывно изменяется. Теплоноситель, отдавая теплоту, понижает свою температуру, а нагреваемая среда -- повышает. Движение теплоносителя и нагреваемой среды может происходить в одном направлении -- прямотоком или навстречу друг другу -- противотоком. Встречаются также принципы перекрестного и комбинированного тока.

В современной технике, отличающейся высокой производительностью тепловых аппаратов, теплообмен излучением сравнительно с другими способами теплообмена (конвекцией и теплопроводностью) с каждым годом находит все большее применение. Это объясняется тем, что при реальных значениях температурного напора в современных теплообменных аппаратах плотность теплового потока, передаваемого телам излучением, во много раз превосходит плотность тепловых потоков, передаваемых конвекцией и теплопроводностью. Теплообмен излучением между телами происходит на расстоянии и не требует соприкосновения двух тел, обменивающихся теплотой, что значительно упрощает конструкцию теплообменных аппаратов.

Теплообмен излучением.

Сущность этого способа теплообмена объясняется взаимным-превращением лучистой и тепловой энергии. Нагревание тел за счет действия солнечной радиации является наглядным примером такого теплообмена.

Доказано, что природа световых волн идентична природе электромагнитных. Лучистая энергия представляет собой электромагнитные волны, скорость распространения которых равна 390 000 км/с, и поэтому в тепловых установках, где используется радиационный теплообмен, нагрев изделий происходит значительно быстрее по сравнению с установками, в которых используется конвективный теплообмен. Кроме того, в отличие от конвективного теплообмена лучистый теплообмен вызывает не только нагрев поверхности тела, но и некоторого слоя его, прилегающего к поверхности. При увеличении температуры поверхности излучателя длина волны излучения уменьшается, и толщина прогреваемого слоя увеличивается. Наибольшее тепловое действие вызывают световые и инфракрасные лучи спектра с длиной волны от 0,4 до 353 мкм.

Энергия, поглощенная телом, трансформируется в тепловую.

Все тела, имеющие коэффициент поглощения меньше единицы, условно принято называть серыми телами. В природе абсолютно черных тел не существует; есть тела, приближающиеся к ним. Это черный бархат, сажа. Чем больше шероховатость поверхности тела, тем выше его коэффициент поглощения. Излучательность тела характеризуется отдачей его поверхностью лучистой энергии. Интенсивность излучения любого тела зависит от температуры его поверхности.

Излучательностью (поверхностной плотностью) лучистого потока (ф) называется величина, равная отношению потока излучения к площади поверхности испускания потока. Лучистый поток энергии выражается в ваттах, поверхностная плотность лучистого потока -- в Вт/м². Если поверхность тела нагревается, воспринимая падающую на него энергию излучения от другого тела с поверхностной плотностью ФГ, то часть этой энергии поглощается телом о.1ф2, остальная часть отражается им и составляет отраженное излучение ф₂ (1--Oi).

Эффективность излучения.

Эффективность излучения можно ощутить или измерить прибором. Зависимость теплового излучения от температуры выражена законом Стефана -- Больцмана: поверхностная плотность (излучательность) лучистого потока (СРО) абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени. Согласно закону теплового излучения Кирхгофа, отношение излучательности тела к его коэффициенту поглощения не зависит от природы тел и равно излучательности абсолютно черного тела при той же температуре. Абсолютно черное тело, поглощающее всю падающую на него энергию излучения, отличается также наибольшей излучательностью.

Выбор тел с наибольшей излучательностью имеет большое значение для создания источников радиационной теплоты. При передаче теплоты излучением следует иметь в виду, что тела с большим коэффициентом поглощения нагреются быстрее, что сокращает время их нагрева, а, следовательно, повышает производительность тепловых установок. Эти свойства тел устанавливают, сравнивая излучательности данного тела в абсолютно черного, отношение которых называют коэффициентом черноты.

Кроме твердых тел при высоких температурах большими излучательностью и коэффициентом поглощения обладают трехатомные и многоатомные жидкости и газы в отличие от одноатомных и двухатомных газов, почти прозрачных для тепловых лучей. В качестве примера можно назвать продукты сгорания (СО2, Н₂0 и Др.). При высокотемпературной обработке строительных материалов (клинкера, керамики и др.) широко используется теплообмен излучением от продуктов сгорания топлива. В котельных установках этот способ теплообмена имеет место при отдаче теплоты от факела топлива и газов к радиационной поверхности нагрева паровых котлов, являющихся генераторами пара.

Тепловой поток, передаваемый от газов излучением к нагреваемой поверхности, зависит не только от их температуры, но и от содержания в них С0₂, Н₂0 и от толщины газового слоя. Как показала практика, последнее мероприятие позволило значительно ускорить обжиг клинкера во вращающихся печах с расширенной зоной спекания, обжиг кирпича в кольцевых печах при разреженной садке, увеличивающей толщину газового своя между соседними кирпичами.

Размещено на Allbest.ru