Раздел I Техническая термодинамика

Техническая термодинамика рассматривает вопросы взаимного превращения тепловой и механической энергии, в том числе наиболее эффективные условия осуществления этих превращений. Кроме того, в курсе технической термодинамики изучаются свойства рабочих тел, участвующих в энергетических преобразованиях, и способы определения (расчета) термодинамических параметров состояния рабочих тел.

В качестве рабочего тела в технической термодинамике выступает вещество в газообразном и парообразном состоянии. Следует разобраться в понятиях – идеальный газ и реальный газ.

Основные параметры состояния рабочего тела абсолютное удельное давление (р), удельный объем (V) и абсолютная температура (Т) связаны уравнением состояния.

Уравнением состояния идеального газа является уравнение Клапейрона, которое может быть записано для 1 кг вещества или для произвольного его количества. Уравнение состояния идеального газа для киломоля вещества предложено Менделеевым. Примером уравнения состояния реального газа является уравнение Ван-дер-Ваальса.

Уравнение состояния рабочего тела, кроме основных его параметров, включает также газовую постоянную. Различают газовую постоянную 1 кг вещества (R) и газовую постоянную киломоля вещества – универсальную газовую постоянную (μR). Необходимо знать физический смысл R и μR, а также связь между ними.

Основные положения технической термодинамики рассматриваются на примере идеального газа. Поскольку в тепловых машинах и аппаратах весьма часто в качестве рабочего тела выступают смеси газов (например, газообразные топливно-воздушные смеси, продукты сгорания топлива и др.), курс знакомит с методами расчета газовых смесей.

Приступая к изучению термодинамических процессов, следует иметь в виду, что классическая термодинамика рассматривает их как равновесные и обратимые.

При анализе термодинамических процессов (изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного и обобщенного политропного процессов) прежде всего выясняют закономерности изменения основных параметров состояния рабочего тела (р, V и Т), а также количество тепла (q), подведенное к рабочему телу (или отведенное от него) в ходе процесса, работу (l) расширения (или сжатия) рабочего тела, изменение внутренней энергии рабочего тела (ΔU = U₂ –U₁) в процессе, изменение энтальпии (Δh = h₂ – h₁) и изменение энтропии (ΔS = S₀ – S₁) в ходе процесса.

Для определения количества тепла, участвующего в процессе, важно правильно использовать теплоемкость рабочего тела. Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются массовой (с), объемной (с′) и мольной (μс) теплоемкостями. Необходимо понять зависимость теплоемкости рабочего тела от физической природы вещества, от температуры и от характера термодинамического процесса, в котором рабочее тело участвует. Необходимо научиться пользоваться таблицами теплоемкостей газов, а также владеть приемом выбора теплоемкости как величины, независимой от температуры. Следует освоить формулы для расчета теплоемкости рабочего тела в политропном процессе и формулы определения теплоемкостей газовых смесей.

В курсе дан вывод формулы для определения работы, выполняемой рабочим телом при расширении или затрачиваемой на его сжатие.

Следует обратить внимание, что при изображении термодинамического процесса в координатах p-V площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение работы 1 кг рабочего тела в этом процессе –работы расширения (если V₂ > V₁) и работы сжатия (если V₂ < V₁). При изображении термодинамического процесса в координатах T-S площадь между линией процесса и осью абсцисс дает графическое изображение тепла, участвующего в этом процессе, в расчете на 1 кг рабочего тела – тепла, подводимого к рабочему телу (если S₂ > S₁), или тепла, отводимого от рабочего тела (если S₂ < S₁). При изучении курса необходимо понять физический смысл энтальпии и энтропии, которые также как P, V, Т и U являются параметрами состояния рабочего тела, и освоить их использование в расчетах термодинамических процессов. Введение этих параметрических величин в курс дало возможность применить для анализа термодинамических процессов диаграмму h-S, которая нашла широкое признание в инженерной практике (прежде всего для расчета процессов изменения состояния водяного пара).

Курс технической термодинамики базируется на двух принципиальных положениях – первом и втором законах термодинамики.

Первый закон термодинамики отражает закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическому процессу. Он устанавливает эквивалентность при взаимных превращениях механической и тепловой энергии и количественное соотношение при переходе одного вида энергии в другой.

Согласно первому закону термодинамики, нельзя построить вечный двигатель 1-го рода, т.е. тепловую машину, которая бы совершала работу, не расходуя на это никакой энергии.

Необходимо освоить и другие формулировки первого закона термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины.

Уравнение первого закона термодинамики является энергетическим балансом рабочего тела, участвующего в термодинамическом процессе. Оно может быть записано (как для 1 кг вещества, так и для произвольного его количества) в форме, где связаны между собой количество тепла, участвующее в процессе, работа, совершаемая рабочим телом против внешних сил, и изменение внутренней энергии в процессе, а также в форме, где связаны между собой количество тепла, изменение энтальпии и располагаемая работа.

Второй закон термодинамики определяет направление, в котором протекают термодинамические процессы, устанавливает условия преобразования тепловой энергии в механическую, а также определяет максимальное значение работы, которая может быть произведена тепловым двигателем.

Согласно второму закону термодинамики нельзя создать «вечный двигатель 2-го рода», т.е. тепловую машину, которая бы в течение длительного времени совершала непрерывную работу при условии перехода в «получаемую» механическую энергию всего количества тепловой энергии, подводимой для этой цели к рабочему телу.

Необходимо освоить и другие трактовки второго закона термодинамики, которые сложились в период формирования изучаемой дисциплины. Следует также знать аналитическое выражение второго закона термодинамики.

Специальный раздел курса посвящен водяному пару. Изучение его свойств и связанных с ним расчетов тем более важно, что водяной пар используется как рабочее тело в теплосиловых установках, а также как теплоноситель в промышленной теплотехнике.

Следует внимательно рассмотреть процесс парообразования в координатах р-V и понять основные состояния водяного пара – состояния влажного насыщенного пара, сухого насыщенного пара и перегретого пара. Нужно освоить понятие степени сухости пара (х).

Для того, чтобы иметь возможность определять параметры состояния водяного пара, очень важно научиться пользоваться таблицами водяного пара – таблицами насыщенного пара и таблицами перегретого пара, которые обычно приводятся в учебных пособиях по технической термодинамике.

Термодинамические процессы водяного пара, в т.ч. и связанные с изменением его агрегатного состояния, изучаются в диаграммах р-V и Т-S. Необходимо понять характер расположения на диаграммах, построенных для водяного пара, пограничных кривых Х=0 и Х=1, соответственно характеризующих состояние кипящей воды и сухого насыщенного пара, а также расположение точки критического состояния водяного пара, выше которой (в указанных диаграммах) существование вещества в двухфазном состоянии невозможно.

Практические задачи, связанные с расчетом водяного пара, наглядно решаются в диаграмме h-S, на которой нанесена сетка изобар, изотерм, изохор и линий х=const, включая Х=1. Следует иметь в виду, что для воды и водяного пара начало расчета h и S принято от состояния вещества в тройной точке, а внутреннюю энергию определяют по формуле U = h – pV.

Диаграмма h-S водяного пара широко используется в инженерной практике, поэтому освоение ее при изучении курса нужно считать обязательным.

В теплотехнике многие расчеты связаны с влажным воздухом, который представляет собой механическую смесь сухого воздуха и водяного пара. В начале изучения свойств влажного воздуха полезно рассмотреть возможные состояния водяного пара в воздухе в координатах р-V. Необходимо понять, почему влажный воздух, несмотря на присутствие в нем водяного пара, рассчитывается как идеальный газ.

Следует разобраться в понятиях влагосодержание воздуха (d), абсолютная влажность воздуха и относительная влажность воздуха (φ). Важно понять, почему абсолютная влажность воздуха выражается плотностью водяного пара, содержащегося в нем.

Циклы включают процессы расширения и сжатия рабочего тела, процессы с подводом тепла и процессы с отводом тепла. Процессы, из которых складываются циклы, в теоретическом курсе рассматриваются как равновесные и обратимые. Циклы, в которых работа расширения по абсолютному значению больше работы, затрачиваемой на сжатие, являются циклами тепловых двигателей (прямые циклы). Циклы, в которых работа сжатия по абсолютной величине больше, чем работа расширения, являются циклами холодильных машин или тепловых насосов (обратные циклы).

Необходимо освоить графическое изображение прямых и обратных циклов в координатах р-V и Т-S; понимать значение площадей, получающихся при построении циклов в этих координатах.

Необходимо проанализировать принципиальные схемы тепловых машин. Следует разобрать прямой и обратный циклы Карно, циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с подводом тепла при р=const, с подводом тепла при V=const и при комбинированном способе подвода тепла, циклы газотурбинных установок (ГТУ) при разных условиях подвода тепла, цикл холодильной установки и теплового насоса.

Следует понять значение и способ определения термического КПД цикла теплового двигателя (η_t). Необходимо знать формулу для определения η_t цикла Карно.

Следует детально разобрать теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина, в т.ч. графическое изображение его в координатах р-V и T-S, а также изображение теоретического процесса расширения водяного пара в паровой турбине в диаграмме h-S. Необходимо разобрать вывод формул для определения термического КПД цикла паросиловой установки и удельных расходов пара и тепла для выработки единицы энергии при осуществлении энергетического цикла. Следует рассмотреть основные способы повышения тепловой эффективности цикла Ренкина.

Существенное значение при освоении этого материала имеет рассмотрение принципиальных схем и тепловых балансов конденсационной теплоэлектростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Необходимо также понять основные принципы теплофикации.

При разборе цикла холодильной установки следует освоить понятие холодильного коэффициента. При разборе цикла теплового насоса следует освоить понятие отопительного коэффициента.