Расчеты термодинамики и теплообмена и устройство энергетических установок систем энергоснабжения
Исследование изобарного процесса идеального газа в PV-диаграмме, уравнение 1-го закона термодинамики для изобарного процесса. Первый закон термодинамики, условия применения. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку. Сжигание твердого топлива.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | контрольная работа |
Язык | узбекский |
Дата добавления | 17.04.2015 |
Размер файла | 123,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Расчеты термодинамики и теплообмена и устройство энергетических установок систем энергоснабжения
1. Изобарный процесс идеального газа в PV-диаграмме, уравнение 1-го закона термодинамики для изобарного процесса
Изобарный процесс идеального газа в PV-диаграмме.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 1. Изобарный процесс в PV - диаграмме
Пример: процесс нагревания воздуха в негерметичном помещении.
График - изобара.
Из уравнения состояния газа следует:
При постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально его температуре. (Закон Гей-Люссака).
В изобарном процессе теплота, подведенная к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение работы.
- Приращение внутренней энергии газа.
- Работа газа.
т.к. и т.е.
универсальная газовая
постоянная
Если принять, что , то R это работа, производимая 1 кг газа при его нагревании на 10С в изобарном процессе.
или - Уравнение Майера.
Энергию, равную сумме внутренней энергии и произведение давления на объем называют энтальпией.
, Дж
2. Первый закон термодинамики
Термодинамическим процессом называется переход термодинамической системы (рабочего тела) из одного состояния в другое в результате его взаимодействия в внешней средой.
Первый закон термодинамики: Вся тепловая энергия (теплота), подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы.
или
dq > 0 положительная теплота;
dq < 0 отрицательная теплота.
- Уравнение первого закона термодинамики для изобарного процесса.
В изобарном процессе теплота, подведенная к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение работы.
3. График, характеризующий связь между температурой и давлением кипения, конденсации, испарения воды, параметры пара в конденсаторах паровых турбин, сетевых подогревателях, парогенераторах АЭС, барабанах современных котлов
Вода - это практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах ее плотность изменяется очень мало.
Если воду нагреть в открытом сосуде, то при определенной температуре начинается ее кипение и образование над ее поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны в процессе всего выкипания жидкости.
Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают tн.
Температура насыщения однозначно определяется давлением над ее поверхностью. Эта однозначная связь представлена на рис. 2.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 2 Связь между температурой и давлением кипения (конденсации, испарения) воды с указанием областей работы:
1 - конденсаторы паровых турбин; 2 - сетевые подогреватели; 3 - парогенераторы АЭС;
4 - барабаны современных котлов.
Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на ее испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают большей энергией на величину удельной теплоты парообразования r, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина r в кДж/кг или ккал/кг.
Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность. При давлении pкр = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения tн = tкр = 374,12°С, а теплота парообразования r = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами - критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они по существу неразличимы.
Критические параметры воды:,(647,1К)
Параметры:
- В конденсаторах паровых турбин нагрев и испарение воды происходит при давлении давление 130-240 кгс/см2, температура 535-565° С
- В сетевых подогревателях нагрев и испарение воды происходит при давлении 42.5 кПа и температуре 73 0С.
- В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа и поэтому температура образующего насыщенного пара 2460С.
- В барабане современных котлов давление 140 кгс/см = 13,7 МПа и поэтому в нем генерируется насыщенный пар с температурой 3350С.
4. Схема и TS-диаграмма ПТУ, работающей по теплофикационному циклу
Теплофикационный цикл ПТУ.
Цикл ПТУ, при котором подведенная энергия топлива используется для одновременного получения работы и теплоты, называется теплофикационным. Электростанцию теплофикационного цикла называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), конденсационного цикла конденсационной электростанцией (КЭС).
На ТЭЦ давление пара на выходе из турбины определяется тепловым потребителем.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 3. Принципиальная схема (а) и цикл (б) паротурбинной установки, работающей по теплофикационному циклу.
1 - турбина; 2 - тепловой потребитель; 3 - насос; 4 - котел; 5 - пароперегреватель; 6 - генератор.
После турбины 1 пар направляется к тепловому потребителю 2, где отдает теплоту и конденсируется. Конденсат насосом 3 направляется в котел 4, где превращается в насыщенный пар, который перегревается пароперегревателе 5 и поступает в турбину 1.
На рис. 3.б приведены два цикла:
1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 1 - конденсационный;
1 - 6 - 7 - 4 - 5 - 1 - теплофикационный.
В первом цикле конечное давление пара р2; удельная работа l пропорциональна площади 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 1, а количество теплоты, отданной холодному источнику q2, пропорционально площади 2 - 10 - 8 - 3 - 2.
В теплофикационном цикле конечное давление , удельная работа l/ пропорциональна площади 1 - 6 - 7 - 4 - 5 - 1, а количество теплоты, отдаваемой потребителю, - площади 6 - 10 - 9 - 7 - 6. Из рис. 3, б видно, что . Таким образом, в теплофикационном цикле удельная полезная работа турбины уменьшается по сравнению с конденсационным циклом на величину, соответствующую площади 6 - 2 - 3 - 7 - 6. При этом возросло количество теплоты, отдаваемое холодному источнику (). Теплота используется на технологические нужды промышленности, отопление.
В связи с использованием теплоты отработавшего пара величина теряет свой смысл и перестает быть КПД, так как полезной является и та теплота, которая отдается холодному источнику.
Поэтому эффективность теплофикационного цикла оценивают коэффициентом использования теплоты , представляющим собой отношение общего количества получаемой работы l' и теплоты к подведенной теплоте q1: На современных ТЭЦ = 60 - 80%.
5. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку, закон Фурье, условие однозначности, начальные, граничные, краевые
Процесс переноса теплоты в пространстве называется теплообменом. Перенос теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты между соприкасающимися частями тела с различными температурами. Теплопроводность наблюдается в твердых телах, а также в жидкостях и газах, если последние во всем своем объеме находятся в неподвижном состоянии.
Основным законом теплопроводности является закон Фурье (1822 г.):
где dt/dn - градиент температур; л - коэффициент теплопроводимости Вт/ (м·k).
Знак минус в уравнении Фурье показывает, что удельный тепловой поток является векторной величиной, направление этого вектора противоположно направлению вектора температурного градиента:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 4 Направление градиента температур и вектора плотности теплового потока в температурном поле
Коэффициент теплопроводности тела зависит от температуры и определяется по уравнению:
где л0 - коэффициент теплопроводности при 0 0С; b - постоянная, определяемая для каждого материала опытным путем.
Частные особенности процесса теплопроводности определяются условиями однозначности.
Условия однозначности определяют изменение температуры в теле, форму, размеры тела, его теплофизические постоянные.
Начальные условия характеризуют распределение температуры внутри тела в начальный момент времени.
Граничные условия характеризуют условия теплообмена на границах тела с внешней средой.
Краевые условия - это совокупность начальных и граничных условий.
Рассмотрим теплопроводность через плоскую стенку
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 5. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку
На рис. 5, tст1, tст2 - температура, соответственно, внутренней и наружной поверхности стенки; д - толщина стенки. Для слоя толщиной dx на основании закона Фурье можно записать:
или
Проинтегрировав последнее уравнение получим:
Из следует, что температура по толщине стенки изменяется по линейному закону. При х = 0, t = tст1 и C = tст1. При х = д, t = tст2 уравнение принимает вид:
или
Общее количество теплоты, которое проходит через стенку, площадью Fст, определяется по выражению:
теплопроводность термодинамика топливо изобарный
6. Сжигание твердого топлива в циклонной топке и в кипящем слое
Для сжигания твердого топлива используют следующие способы: слоевой, факельный, вихревой, в кипящем слое.
При слоевом процессе горения поток воздуха проходит сквозь неподвижный или медленно движущийся слой топлива и, взаимодействия с ним, превращается в поток топочных газов. Слоевые топки применяются в котлах средней и малой мощности.
При факельном сжигании твердое топливо предварительно размельчается и в виде пыли вдувается в топку, где сгорает во взвешенном состоянии.
Размол топлива увеличивает поверхность химической реакции горения и способствует лучшему сгоранию топлива. Размол топлива осуществляется в дробилках и мельницах. Длительность пребывания частиц топлива в топочном пространстве не превышает времени пребывания продуктов сгорания в топке 1,5ч3 с.
Вихревой способ сжигания топлива реализуется в циклонных топках (рис. 6).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 6. Сжигание твердого топлива в циклонной топке.
Циклонные топки предназначены для сжигания мелкодробленого топлива и грубой пыли. Крупные частицы угля находятся во взвешенном состоянии длительное время до полного их выгорания. В топках сжигают частицы угля до 5,5 мм, воздух подают со скоростью до 100 м/с по касательной к образующей циклона создавая мощный вихрь. Температура в топке около 20000С, зола плавится, жидкий шлак стекает в шлакоприемник.
Сжигание топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое является промежуточным между слоевым и факельным (рис. 7).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 7. Сжигание твердого топлива в кипящем слое
В камере сжигают топливо размером 5ч10 мм при скорости воздуха 0,1 - 0,5 м/с. Частицы топлива находятся во взвешенном состоянии, циркулируют в объеме камеры, что создает впечатление кипящей жидкости.
В котельных установках в качестве топлива используют мазут. Его применяют также как растопочное топливо для пылеугольных топок и дополнительное при комбинированном сжигании газа. Мазут сжигают в распыленном состоянии, для дробления топлива на отдельные капли используются форсунки (рис. 8, а).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 8. Мазутная форсунка (а) и газовая горелка (б)
При дроблении топлива увеличивается площадь соприкосновения мазута с воздухом и скорость реакции горения возрастает.
На рис. 8, б изображена диффузная газовая горелка. Газ и воздух движутся в горелке параллельными струями и вводятся в топочную камеру раздельно где, смешиваясь, образуют факел. Для создания факела используются также горелки предварительного смешения или кинетические горелки. Горючая смесь образуется в смесителе горелки, а в топочной камере происходит кинетическое горение.
Мощность или тепловой поток факела определяется по выражению:
где В-расход топлива м3/ч; - теплота сгорания топлива кВт·ч/м3.
7. Принципиальная схема комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, её описание
Тепловые электрические станции (ТЭС) по технологической схеме паропроводов делятся на блочные и с поперечные связями. Блочные состоят из энергоблоков, в которых котел подает пар только для своей турбины, из которой он после конденсации возвращается в свой котел.
На ТЭС с поперечными связями все котлы подают пар в общий паропривод (коллектор) и от него питаются все турбины ТЭС. Это ТЭС на докритических параметрах пара и конденсационные электрические станции (КЭС) без промперегрева.
По давлению ТЭС классифицируются: а) докритического; б) сверхкритического давления.
На ТЭС вырабатывают электрическую энергию и тепловую энергию (тепло)
Наиболее часто применяются схемы ТЭС с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии (рис. 9).
а)
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
б)
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 6.7. Принципиальная схема (а) и TS-диаграмма комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (б)
СП - сетевой подогреватель, ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПН - питательный насос; Г - генератор; ВК - водогрейный котел; Потр - потребители тепла
При комбинированной выработке тепловой и электрической энергии турбина называется «турбиной с противодавлением», так как давление за турбиной выше атмосферного.
Список литературы
1. Арсеньев Г.В. Энергетические установки: Учебник для вузов по специальности «Электроснабжение». М.: Высшая школа, 1991. 336 с.
2. Быстрицкий Г.Ф. Энергосиловое оборудование промышленных предприятий. М.: Академия, 2003. 304 с.
3. Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена. М.: МЭИ, 2000. 247 с.
4. Теплотехника/ Под редакцией А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 712 с.
5. Исаев С.И. Термодинамика. М.: Изд-во МГТУ им. Н, Э. Баумана, 2000. 414 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
История развития термодинамики. Свойства термодинамических систем, виды процессов. Первый закон термодинамики, коэффициент полезного действия. Содержание второго закона термодинамики. Сущность понятия "энтропия". Особенности принципа возрастания энтропии.
реферат [21,5 K], добавлен 26.02.2012Уравнение состояния для моля идеального газа, уравнение Майера. Графическое изображение изобарного процесса. Понятие про сложный теплообмен. Процесс теплопередачи через однородную плоскую стенку. Коэффициентом теплопередачи, термическое сопротивление.
контрольная работа [34,0 K], добавлен 12.01.2012Фундаментальные законы термодинамики. Понятие термодинамической системы и рабочего тела, их термодинамические параметры. Идеальный газ и уравнение его состояния. Формулы и взаимосвязь удельной и молярной теплоемкости, изобарного и изохорного процессов.
реферат [15,0 K], добавлен 22.01.2012Основные понятия. Температура. Первый закон термодинамики. Термохимия. Второй закон термодинамики. Равновесие в однокомпонентных гетерогенных системах. Термодинамические свойства многокомпонентных систем. Растворы. Химический потенциал.
лекция [202,7 K], добавлен 03.12.2003Термодинамика - раздел физики об общих свойствах макроскопических систем с позиций термодинамических законов. Три закона (начала) термодинамики в ее основе. Теплоемкость газа, круговые циклы, энтропия, цикл Карно. Основные формулы термодинамики.
реферат [1,7 M], добавлен 01.11.2013Использование энергии топлива в работе различных машин, аппаратов, энергетических и технологических установок. Определения термодинамики: второй закон, энтропия, расчет ее изменения. Абсолютная энтропия, постулат Планка; необратимость тепловых процессов.
курсовая работа [520,7 K], добавлен 08.01.2012Первое начало термодинамики. Однозначность внутренней энергии как функции термодинамического состояния. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики для равновесных систем. Третье начало термодинамики.
лекция [197,4 K], добавлен 26.06.2007Уравнение состояния идеального газа, закон Бойля-Мариотта. Изотерма - график уравнения изотермического процесса. Изохорный процесс и его графики. Отношение объема газа к его температуре при постоянном давлении. Уравнение и графики изобарного процесса.
презентация [227,0 K], добавлен 18.05.2011Первый закон термодинамики. Изотермический, изобарический, изохорический и адиабатический процессы. Первое начало термодинамики. Электролиты. Причины диссоциации. Факторы, влияющие на степень диссоциации. Электропроводность стекла при нагревании.
реферат [1,1 M], добавлен 11.02.2009Работа идеального газа. Определение внутренней энергии системы тел. Работа газа при изопроцессах. Первое начало термодинамики. Зависимость внутренней энергии газа от температуры и объема. Основные способы ее изменения. Сущность адиабатического процесса.
презентация [1,2 M], добавлен 23.10.2013Закон сохранения энергии и первое начало термодинамики. Внешняя работа систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа. Законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака, уравнение Пуассона.
презентация [0 b], добавлен 25.07.2015Понятие теплообмена как физического процесса передачи тепловой энергии от более горячего тела к холодному либо непосредственно, либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Первый закон термодинамики. Закон Джоуля–Ленца.
презентация [687,8 K], добавлен 10.09.2014История развития термодинамики, ее законы. Свойства термодинамических систем, виды основных процессов. Характеристика первого и второго законов термодинамики. Примеры изменения энтропии в системах, принцип ее возрастания. Энтропия как стрела времени.
реферат [42,1 K], добавлен 25.02.2012Второй закон термодинамики: если в системе нет равновесия, процессы протекают в направлении, при котором система приблизится к равновесию. Превращение работы в теплоту. Два источника теплоты – с высокой температурой и с низкой. Сжатие газа в компрессорах.
реферат [143,4 K], добавлен 25.01.2009Передача энергии от одного тела к другому. Внутренняя энергия и механическая работа. Первое начало термодинамики. Формулировки второго закона термодинамики. Определение энтропии. Теоремы Карно и круговые циклы. Процессы, происходящие во Вселенной.
реферат [136,5 K], добавлен 23.01.2012Первый закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамический метод их исследования. Изменение внутренней энергии и энтальпии газа. Графическое изображение изотермического процесса. Связь между параметрами газа, его теплоемкость.
лекция [438,5 K], добавлен 14.12.2013Вывод первого начала термодинамики через энергию. Уравнение состояния идеального газа, уравнение Менделеева-Клапейрона. Определение термодинамического потенциала. Свободная энергия Гельмгольца. Термодинамика сплошных сред. Тепловые свойства среды.
практическая работа [248,7 K], добавлен 30.05.2013Исторические аспекты термодинамики, ее основные понятия. Закон состояния (закон постоянства субстанции). Закон связи причины и действия. Закон взаимодействия. Современные проблемы термодинамики. Синергетика Хакена. Разбегание галактик, открытое Хабблом.
курсовая работа [70,2 K], добавлен 27.02.2013Уравнение Менделеева-Клайперона, газовая постоянная. Отношение абсолютных давлений и температур. Нахождение количества теплоты произвольной массы газа в изобарном процессе. Состояние идеального газа. Работа в изотермическом и адиабатном процессах.
задача [333,3 K], добавлен 16.06.2012Определения молекулярной физики и термодинамики. Понятие давления, основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева - Клапейрона).
презентация [972,4 K], добавлен 06.12.2013