Методические указания. Энергетика представляет собой сложный межотраслевой комплекс, предназначенный для производства и распределения электрической энергии и тепла на цели

Энергетика представляет собой сложный межотраслевой комплекс, предназначенный для производства и распределения электрической энергии и тепла на цели энергоснабжения промышленности, транспорта, сельского хозяйства и коммунально-бытовых потребителей. От состояния и темпов, развития топливно-энергетического комплекса страны, на нужды которого выделяется около трети всех государственных капиталовложений, зависят темпы научно-технического прогресса, состояние экономики страны.

Вопросы для самопроверки

1. Сущность и роль энергетики в развитии производительных сил страны.

2. Методы производства, источники и потребители тепла и электрической энергии, в том числе на вашем предприятии.

3. Основные требования охраны воздушного и водного бассейнов теплоэнергетических предприятий.

4. Взаимосвязь экономической эффективности с интенсификацией промышленных процессов.

2.2 Теоретические основы теплоэнергетики

2.2.1 Техническая термодинамика

2.2.1.1 Уравнения состояния

Предмет технической термодинамики как научной базы теплоэнергетики. Понятие о термодинамической системе, рабочем теле и его состоянии. Параметры состояния. Основные законы идеальных газов. Уравнения состояния идеальных и реальных газов. Универсальная газовая постоянная.

Методические указания

Основной задачей технической термодинамики является качественное и количественное определение взаимосвязи между параметрами (и функциями) состояния рабочих тел и функциями термодинамического процесса, в котором эти тела участвуют. Усвоив содержание понятий термодинамической системы, рабочего тела, а также его состояния и параметров состояния, необходимо установить общее и частное в уравнениях состояния идеального и реальных газов. Следует четко различать физическую сущность и величину универсальной и удельной газовых постоянных.

Вопросы для самопроверки

1. В каких случаях абсолютное давление и объем считаются внешними параметрами, а в каких - внутренними?

2. Какие следствия вытекают из анализа понятия идеального газа?

3. Назовите газы, у которых удельные газовые постоянные соответственно равны 259,8; 296,9 и 188,9 Дж/(кг·К).

4. Какова физическая сущность поправок, вводимых в уравнение состояния идеального газа с целью использования его для определения состояния реальных газов?

5. В каких случаях реальные газы по своим свойствам приближаются к свойствам идеального газа?

2.2.1.2 Первый закон термодинамики. Термодинамические процессы

Внутренняя энергия, теплота и внешняя работа. Первый закон термодинамики. Энтальпия. Теплоемкость. Истинная и средняя теплоемкость. Формула Майера.

Задачи исследования термодинамических процессов. Политропные процессы. Краткий анализ термодинамических процессов идеальных газов: изохорного, изобарного, иэотермного и адиабатного.

Методические указания

Следует запомнить, что первый закон термодинамики представляет собой частный случай закона сохранения и превращения энергии и характеризует количественную сторону зависимостей внутренней энергии, теплоты и внешней работы. Необходимо усвоить, что теплота и внешняя работа являются функциями термодинамического процесса и вне его не могут рассматриваться. Из определения теплоемкости следует, что численные значения могут быть сколь угодно малыми или большими, в том числе и отрицательными, что можно объяснить характером протекающего термодинамического процесса. Исследопания произвольного термодинамического процесса удобно пести в следующей последовательности:

вывод уравнения процесса;

установление зависимостей между параметрами состояния;

вывод расчетных уравнений для определения теплоты и работы участвующих в процессе, изменений внутренней энергии, энтальпии и т.д.

Рекомендуется исследовать политропный процесс как обобщенный, а затем получить частные зависимости для изохорного, изобарного, изотермного и адиабатного процессов.

Изучение термодинамических процессов идеальных газов следует завершить их сравнительным анализом на основе первого закона термодинамики и графического изображения в p, v - диаграмме.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под внутренней энергией, внешней работой и теплотой?

2. Объясните физическую сущность понятия энтальпия.

3. К рабочему телу подведено 3 МДж теплоты и на его сжа тие затрачено 1 МДж внешней работы. На сколько изменится внутренняя энергия рабочего тела?

4. При одинаковых начальных параметрах идеальный газ расширяется адиабатно и изобарно до одного и того же объема. В каком случае будет произведено больше внешней работы?

5. Определите знак теплоемкости, если показатель политропы равен 1,2.

6. Во сколько раз теплоемкость при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме, если идеальный газ является одно-, двух- и трехатомным?

7. Абсолютное давление идеального газа линейно зависит от его температуры. При каких условиях протекает указанный термодинамический процесс?

8. Каковы возможности превращения теплоты в механическую работу в основных термодинамических процессах.

9. Как графически интерпретируется внешняя работа.'

2.2.1.3. Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики, содержание и формулировки.

Обратимые и необратимые процессы. Энтропия и ее изменение в термодинамических процессах. T, s - диаграмма. Понятие о среднетермодинамической температуре подвода (отвода) теплоты. Круговые процессы. Цикл Карно (прямой и обратный). Обобщенный регенеративный цикл Карно. Эксергия.

Методические указания

Второй закон термодинамики, в отличие от первого, характеризует качественную сторону процессов превращения энергии, устанавливая их направленность. Часто второй закон термодинамики постулируется, т.е. формулируется в виде постулатов. Как и первый закон термодинамики второй закон является эмпирическим.

Следует уяснить, что все реальные процессы необратимы, так как осуществление их в обратном направлении через те же равновесные состояния сопровождается дополнительной затратой работы, связанной, например, с необходимостью преодоления сил трения и наличием конечной разности температур при теплообмене. Введение в термодинамический анализ функции состояния, называемой энтропией, объясняется не только удобством подсчета и графической интерпретации с ее помощью теплоты процесса, но и возможностью оценки степени необратимости действительных термодинамических процессов.

Следует также усвоить, что из всех термодинамических циклов, осуществляемых в одном и том же интервале температур, наибольший коэффициент полезного действия имеет цикл Карно.

Для оценки максимальной величины превращаемой в работу энергии вводится понятие эксергии, которая представляет собой максимальную полезную работу термодинамической системы при расширении ее до параметров окружающей среды.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите постулаты второго закона термодинамики.

2. Как запишется второй закон термодинамики математически?

3. Какой вид имеет уравнение, объединяющее первый и второй законы термодинамики?

4. Что интерпретируется площадью в T, s - диаграмме?

5. Обратимый никл Карно имеет максимальную температуру 200 °С, а минимальную 27 °С. Определите коэффициент полезного действия этого цикла.

6. Перечислите способы повышения коэффициента полезного действия цикла Карно.

7. Объясните физическую сущность регенерации теплоты.

8. Как графически интерпретируется эксергия?

2.2.1.4. Водяной пар. Смеси газов и паров

Понятие о термодинамическом равновесии, равновесии фаз и фазовых переходах. Фазовая диаграмма воды. Физическая сущность процесса изменения состояния воды и водяного пара при изобарном подводе теплоты. Термодинамический анализ и изображение процессов парообразования в р, v - и T, s - диаграммах водяного пара. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Основные термодинамические процессы воды и водяного пара.

Смеси идеальных и реальных газов. Влажный воздух и его параметры. h, d - диаграмма влажного воздуха.

Методические указания

Реальные вещества и в том числе вода в зависимости от внешних условий могут находиться в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном и плазменном), а при определенных условиях одновременно в равновесии могут находиться две и более фазы. Следует четко усвоить понятия агрегатного состояния, фазы и компонента, и что все множество термодинамических систем разделяют на два класса - гомогенные и гетерогенные.

Необходимо по фазовой диаграмме воды установить области однофазных и двухфазных состояний и пограничные кривые этих областей, а также найти тройную и критическую точки и установить область фазовых переходов, соответствующих возможным изменениям агрегатного состояния воды и водяного пара в теплоэнергетических установках. Обратите внимание, что в р,v - и T, s - диаграммах работа и теплота соответственно изображаются площадями, а в h, s - диаграмме - отрезками.

Важное прикладное значение имеет изучение смесей газов и паров, каковыми являются, например, продукты сгорания топлива в теплоэнергетических установках, сухой и влажный воздух. Необ ходимо усвоить способы задания газовых смесей и уметь рассчитать их основные параметры. Обратите внимание на правила построения и использования h, d - диаграммы.

Вопросы для самопроверки

1. Почему точки пересечения изобар с пограничными кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара с ростом давления сближаются?

2. Какова физическая сущность понятия "влажный пар"?

3. Какие параметры и функции состояния влажного пара обладают свойством аддитивности?

4. Как, пользуясь h, s - диаграммой, определить энтальпию кипящей воды при известном давлении?

5. Определите состояние водяного пара и его параметры, если энтропия и давление соответственно равны 7 кДж/(кг·К) и 0,5 бар.

6. Сколько параметров должно быть задано и какие, чтобы определить состояние перегретого пара по h, s - диаграмме?

7. На T, s - диаграмме покажите площадь, соответствующую теплоте перехода кипящей жидкости в сухой насыщенный пар.

8. Что называется парциальным давлением и парциальным объемом газа в смеси?

9. Почему объемные и мольные доли в смеси имеют равные численные значения?

10.Как определить точку росы на h, d - диаграмме?

11. Что такое насыщенное состояние влажного воздуха?

12. Как определить параметры смеси двух потоков влажного воздуха?

2.2.1.5 Истечение и дросселирование газов и паров

Уравнение первого закона термодинамики для потока рабочего тела. Сопла и диффузоры. Уравнение профиля канала. Сопло Лаваля. Истечение газа и водяного пара через суживающееся сопло. Действительный процесс истечения.

Дросселирование газов и паров. Эффект Джоуля-Томсона..

Методические указания

Уравнение первого закона термодинамики для потока рабочего тела позволяет проанализировать процессы истечения и дросселирования, понимание которых важно для последующего изучения процессов расширения в турбинах, сжатия в компрессорах, а также процессов транспортировки рабочих тел по трубам и связанных с этим потерь давления по длине, в местных сопротивлениях и регулирующих органах. Следует четко различать понятия сопла и диффузора и понимать физическую сущность этого различия, так как один и тот же канал может работать в режиме сопла или диффузора в зависимости от условий истечения. Обратите внимание на то, что действительный процесс истечения вследствие действия сил трения отклоняется от изоэнтропного всегда в сторону возрастания эктропии из-за потери кинетической энергии.

Изучая процесс дросселирования, необходимо помнить, что энтальпия рабочего тела остается постоянной только в сечениях канала, достаточно удаленных от местного сопротивления. Установлено, что любой реальный газ имеет собственную кривую инверсии, т.е. функциональную зависимость температуры инверсии от давления газа. Следует запомнить, при каких условиях температура реального газа в процессе дросселирования снижается, а в каких - повышается или остается неизменной. Вредный с энергетической точки зрения процесс дросселирования является необходимым и полезным технологическим процессом в криогенной технике для глубокого охлаждения газов вплоть до ожижения, а также в процессах регулирования параметров рабочих тел и производительности энергетического оборудования.

Вопросы для самопроверки

1. Физический смысл первого закона термодинамики для потока рабочего тела.

2. Что отражает уравнение слошности (неразрывности) потока рабочего тела?

3. Как изменяются параметры рабочего тела в сопле и диффузоре в направлении движения потока?

4. Объясните физический смысл понятия "местная скорость звука"'.

5. Назовите численное значение критического отношения давлений для воздуха, перегретого пара и сухого насыщенного пара.

6. Как определить скорость потока в конце теоретического и действительного процесса расширения?

7. В какой части h, s - диаграммы водяной пар проявляет свойства идеального газа?

8. Что такое температура инверсии?

2.2.1.6. Идеальные циклы теплоэнергетических установок

Циклы паротурбинных установок. Циклы Ренкина. Влияние начальных и конечных параметров на термический КПД цикла Ренкина. Промежуточный перегрев пара и подогрев питательной воды в паротурбинных установках. Циклы теплофикационных паротурбинных установок.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания; цикл с иэохорным (Отто), изобарным (Дизеля) и смешанным (Тринклера) подводом теплоты. Сравнительный анализ термодинамической эффективности циклов поршневых двигателей.

Циклы газотурбинных установок с изобарным и изохорным подводом теплоты. Промежуточный подвод и отвод теплоты и регенерация в циклах газотурбинных установок. Циклы бинарных и парогазовых установок.

Циклы ядерных теплоэнергетических установок.

Краткий термодинамический анализ циклов воздушных компрессионных установок, холодильных установок, тепловых насосов и циклов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую,

Методические указания

Изучение циклов теплоэнергетических установок целесообразно вести в следующей последовательности:

- из различных термодинамических процессов составляется цикл установки и изображается в p, v -, T, s - и h, s - диаграммах;

- выводится и анализируется выражение для расчета термического КПД цикла;

- подбирается оборудование, способное обеспечить протекание процессов, входящих в цикл, т.е. разрабатывается принципиальная схема установки;

- намечаются способы повышения тепловой эффективности цикла применительно к выбранному оборудованию.

При выводе выражения термического КПД цикла Ренкина следует помнить, что допущение о пренебрежимо малом повышении температуры воды в питательном насосе, а следовательно, и повышении ее энтальпии справедливо при давлениях не выше 4,5 МПа. Обратите внимание на уровень параметров пара и ограничения при их выборе, на выбор оптимальных параметров пара промежуточного перегрева и использование принципа регенерации теплоты на современных паротурбинных установках, особенно в теплофикационном цикле с регулируемыми отборами и конденсацией.

В предложенной последовательности следует изучать и циклы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок.

Комбинации рабочих тел в данном цикле позволяют повысить термический КПД бинарных и парогазовых циклов, а также циклов ядерных энергетических установок.

Необходимо обратить внимание на особенности принципиальных схем и оценку эффективности холодильных, теплонасосных и других типов теплоэнергетических установок.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается цикл Ренкина от цикла Карно, осуществляемого в области влажного пара?

2. Определить термический КПД цикла Ренкина, если известны давление (240 бар) и температура (560 °С) перегретого пара, а также давление отработавшего пара в конденсаторе (0,03 бар), используя h, s - диаграмму.

3. Чем определяются оптимальные условия промежуточного перегрева пара в паротурбинных установках?

4. В чем состоит выигрыш при использовании регенеративного подогрева питательной воды?

5. Перечислите способы повышения удельной выработки электроэнергии на заданном тепловом потреблении.

6. В чем преимущество теплофикационного цикла перед кон денсационным?

7. Опишите принципиальную схему и изобразите на h, s - диаграмме цикл теплофикационной паротурбинной установки с регулируемым отбором и конденсацией.

8. При каких условиях циклы Отто, Дизеля и Тринклера будут иметь одинаковые значения термического КПД? Ответ проиллюстрировать изображением циклов в p, v - и T, s - диаграммах.

9. Чем принципиально отличаются циклы двигателей внутреннего сгорания от циклов газотурбинных установок.

10. В T, s - диаграмме изобразите произвольный бинарный цикл.

11. Где эффективнее будет использован I кВт электроэнергии: в теплонасосной установке или нагревательном элементе?

12. Охарактеризуйте методы прямого преобразования теплоты в электрическую энергию.