- •Предисловие
- •Введение
- •1. Техническая термодинамика
- •1.1 Основные понятия термодинамики
- •1.3 Теплота и работа как формы передачи энергии.
- •1.4 Вычисление работы деформации газа.
- •1.5 Теплоемкость. Количество тепла в термодинамических процессах.
- •1.6 Изменение внутренней энергии рабочего тела.
- •1.7. Энтальпия рабочего тела.
- •1.8. Энтропия рабочего тела
- •1.9 Первый закон термодинамики.
- •1.10 Исследование термодинамических процессов с идеальным газом.
- •Обратимый изотермический процесс.
- •1.11 Термодинамические циклы Круговые процессы
- •Цикл Карно
- •1.12. Цикл Карно.
- •3) Цикл со смешенным подводом тепла (цикл Тринклера).
- •Сравнение циклов двс.
- •1.13 Водяной пар.
- •Диаграмма I-s водяного пара.
- •Графоаналитический метод расчета процессов с водяным паром.
- •1.14 Паротурбинные установки
- •Тесты для самостоятельной работы
- •Термодинамические процессы
- •Вычисление работы деформации газа.
- •Идеальные циклы д.В.С.
- •2.Основы теории теплообмена
- •2.1 Способы распространения тепла.
- •2.2 Теплопроводность
- •Теплопроводность через плоскую однородную стенку.
- •Теплопроводность через многослойную стенку.
- •Удельный тепловой поток через многослойную стенку определяется по формуле:
- •Теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •2.3 Конвективная теплоотдача
- •Теплоотдача при вынужденной конвекции
- •2.4 Излучение. Закон Стефана-Больцмана.
- •2..5 Сложный вид теплообмена теплопередача
- •Теплообменные аппараты:
- •Контрольные вопросы.
- •Тестовые задания для самостоятельной работы Понятие теплового потока, плотности теплового потока.
- •Теплопроводность в плоских одно- и многослойных стенках.
- •Теплопроводность в цилиндрических одно- и многослойных стенках.
- •Уравнение теплоотдачи.
- •Критерии подобия.
- •Теплообмен при свободной конвекции среды. Теплообмен при вынужденном движении среды в трубах.
- •Теплопередача через плоские одно- и многослойные стенки.
- •Теплопередача через многослойные стенки.
- •Назначение и классификация теплообменных аппаратов по способу передачи тепла.
- •Тепловой расчёт теплообменных аппаратов.
- •3. Теплоэнергетические установки.
- •3.1.Топливо и процессы его горения
- •Процесс горения топлива
- •3.2. Котельные установки.
- •3.3 Газотурбинные установки.
- •3.4 Турбореактивные двигатели.
- •3.5. Холодильные машины
- •3.6. Магнитогидродинамические генераторы
- •3.7. Тепловые электростанции (тэс)
- •3.8. Атомные электростанции Физические основы получения ядерной энергии
- •Ядерные реакторы
- •Контрольные вопросы.
- •4 Экологические вопросы энергетики
- •4.1 Тепловая энергетика.
- •4.2 Атомная энергетика.
- •4.3 Гидроэнергетика.
- •4.4 Антропогенное влияние на тепловой баланс Земли.
- •Контрольные вопросы.
- •Глава 1. Техническая термодинамика…………………………………….3
- •Глава 2. Основы теории теплообмена…………………………………...57
- •Глава 3. Теплоэнергетические установки……………………………….86
- •Глава 4. Экологические вопросы энергетики………………………….106
1.11 Термодинамические циклы Круговые процессы
Круговые процессы – это такие процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд равновесных состояний, возвращается в исходное состояние.
Круговые процессы необходимы для непрерывного производства работы в тепловых двигателях и установках. Рабочее тело многократно изменяет свое состояние по замкнутой кривой abcd и возвращается в начальное состояние a.
Рис. 1.9Прямой круговой процесс.
На участке abc рассматриваемого кругового процесса рабочее тело расширяется (прямой ход) и производит при этом положительную работу расширения, которая определяется площадью abcc’a’. Эта работа получается за счёт подвода удельной теплоты q1 и изменения удельной внутренней энергии Uc-Ua, происходящего в соответствии с I законом термодинамики:
(1.78)
На участке cda рабочее тело возвращается в начальное состояние (обратный ход), при этом оно сжимается с затратой работы сжатия lсж которая выражается площадью cdaa’c’.
По аналогии с прямым ходом справедливо соотношение:
(1.79)
Разность работы расширения и работы сжатия представляет собой полезную работу двигателя за один цикл:
. (1.80)
В зависимости от знака полезной работы различают два типа установок:
1 l0>0 – циклы тепловых установок (DBC, гидротурбинные установки и т.п.)
2 l0<0 – циклы холодильных установок.
На рис. 1.9 изображён круговой цикл тепловой установки:
,
На рис.1.10 изображён круговой цикл холодильной установки:
,
Рис. 1.10-Круговой цикл холодильной установки
Из выражений (1.73), (1.74) находим:
(1.81)
Где -количество удельной теплоты подводимой по линии расширения abc;
- количество удельной теплоты от отводимой по линии сжатия cda.
Величина - называется полезным теплом цикла.
Для кругового цикла тепловой установки характерно, что количество тепла подведённого в процессе расширения, больше количество тепла отводимого в процессе сжатия.
Рис. 1.11
(1.82)
Для кругового цикла холодильной установки характерно:
Рис.1.13
(1.83)
Количество полезного тепла уходит на совершение работы: таким образом, для круговых циклов первый закон термодинамики записывается следующим образом:
(1.84)
То есть для осуществления любого кругового процесса требуется подвод и отвод тепла, то есть наличие двух источников тепла – горячего (теплоотдатчика) и холодного (теплоприёмника).
Таким образом, термодинамическая система, совершающая круговой процесс, состоит из рабочего тела, объекта работы, теплоотдатчиков и теплоприёмников.
Из рассмотренного выше вытекают очень важные выводы, которые составляют содержание второго закона термодинамики.
При превращение теплоты в работу, в непрерывно действующем двигателе, лишь часть количества подведённой теплоты из теплоотдатчика (q1) превращается в работу, остальная часть (q2) обязательно должна быть отдана в виде теплоты теплоприёмнику. Это часть теплоты представляет собой неизбежную потерю.
Двигателем, в котором вся теплота, подведённая от теплоотдатчика, целиком превращалась бы в работу, Кельвин назвал вечным двигателем второго рода.
Второй закон термодинамики устанавливает, что вечный двигатель второго рода невозможен.
В непрерывно действующем двигателе теплота теплоотдатчика не может быть полностью превращена в работу.
Существуют и другие формулировки второго закона термодинамики, такие как:
Самопроизвольный переход теплоты от более холодных к более горячем невозможен; (постулат Клаузиуса);
Наиболее общая формулировка принадлежит Больцману:
Природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным состояниям.
Критерием оценки теплового двигателя служит коэффициент полезного действия (КПД):
(1.85)
где L0 – количество получаемой полезной работы, кДж;
Q1 – количество подведённой теплоты, кДж.
(1.86)
(1.87) Как мы видим термический КПД цикла всегда меньше 1, так как Q2>0 (отводимое тепло всегда есть). Эта неизбежная потеря тепла составляет 50-75% от подводимой в цикле теплоты (Q1).
Теоретический цикл, обладающий максимально возможным термическим КПД был предложен в 1824 году французским учёным С. Карно.