Основные процессы в теплотехнике

Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Частные случаи политропного процесса. Чем выгодна совместная выработка электроэнергии и теплоты. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл и размерность. Изменение внутренней энергии.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Вопросы

7. Покажите, что изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса?

Политропным является такой термодинамический процесс изменения параметров состояния рабочего тела, при котором в течение всего процесса показатель политропы n, могущий иметь любое значение в пределах от - ? до + ?, остается постоянным.

Уравнение политропного процесса имеет вид [1]:

где n - показатель политропы, который определяется по формуле [1]:

Политропный процесс при определенных условиях является обобщающим по отношению к предыдущим уже рассмотренным четырем процессам (изохорному, изобарному, изотермному и адиабатному). Действительно, уравнение политропного процесса становится уравнением изохоры (v = const), если в уравнении р1/n v = const принять n = ± ?. При n = 0.уравнение политропного процесса есть уравнение изобары (р = const); при n = 1 -- изотермы и при n = k = const -- адиабаты.

23. Дайте описание теоретического идеального цикла ДВС с изобарным подводом теплоты. Как определяется термический к.п.д.? Изобразите цикл в pv- и Ts-диаграммах

Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т. е. цикл с подводом теплоты при. постоянном давлении. На рис. 1 изображен этот цикл в pv- и Тs-диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами р1, v1, Т1 сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты q1. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота q2.

Рисунок 1.

политропный теплоотдача энергия изобарный

Характеристиками цикла являются: степень сжатия е = v1/v2 и степень предварительного расширения с = v3/v2.

Определим термический к. п. д. цикла, полагая, что теплоемкости сv и ср и их отношение k = ср/сv постоянны.

Термический к. п. д. цикла равен:

зt = (q1 - q2)/ q1 = 1 - q2/ q1;

Количество подведенной теплоты будет равно:

q1 = сp(T3 - T2) ;

Количество отведенной теплоты будет равно:

q2 = сv(T4 - T1) ;

Тогда:

зt = 1 - (T4 - T1)/ k•(T3 - T2).

30. Чем выгодна совместная выработка электроэнергии и теплоты? Что называется теплофикацией? Значение теплофикации для народного хозяйства СССР

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) - тепловая электростанция, вырабатывающая электрическую энергию и теплоту, отпускаемую потребителям в виде пара и горячей воды. Использование отработанной теплоты паровой турбины является отличительной особенностью ТЭЦ и называется теплофикацией.

Комбинированное производство энергии двух видов способствует более экономичному использованию топлива по сравнению с его использованием при раздельной выработке электроэнергии на конденсационных электростанциях (ГРЭС) и тепловой энергии в котельных установках. Замена мелких котельных централизованной системой теплоснабжения способствует экономии топлива, снижению загрязнения воздушного бассейна, улучшению санитарной обстановки.

Исходный источник энергии на теплоэлектроцентрали - органическое топливо (на паротурбинных и газотурбинных ТЭЦ) либо расщепляющееся (ядерное) топливо (на АТЭЦ). Наиболее распространены паротурбинные ТЭЦ. Различают ТЭЦ промышленного типа - для снабжения теплотой предприятий и отопительного типа - для обогрева и снабжения горячей водой жилых и обществ, зданий.

Отопление от теплоэлектроцентрали экономичнее, чем от индивидуальных, и даже централизованных котельных, т. к. на ТЭЦ сетевая вода подогревается отработавшим паром, температуpa которого немногим выше температуры сетевой воды. Теплота от промышленных ТЭЦ передается на расстояние нескольких километров (преимущественно паром), от отопительных - до 20-30 км (горячей водой).

Теплоснабжение является крупной отраслью народного хозяйства. Достаточно сказать, что на нужды теплоснабжения ежегодно расходуется 25% всего добываемого и вырабатываемого в СССР топлива. В условиях ограниченных топливных ресурсов рациональное и экономное расходование их представляет собой задачу большой государственной важности. Значительная роль в решении этой задачи отводится централизованному теплоснабжению и теплофикации, которые тесно связаны с электрификацией и энергетикой.

Централизованное теплоснабжение базируется на использовании крупных районных котельных, характеризующихся значительно большими КПД, чем мелкие отопительные установки. Теплофикация, т. е. централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепла и электроэнергии, является высшей формой централизованного теплоснабжения. Она позволяет сократить расход топлива на 20--25%. Кроме экономии топлива централизация теплоснабжения имеет большое социальное значение, способствуя повышению производительности труда, вытесняя малоквалифицированные профессии, улучшая условия труда и повышая культуру производства. Централизованные системы теплоснабжения существенно улучшают бытовые условия жизни населения.

При централизованном теплоснабжении мелкие отопительные установки, являющиеся источниками загрязнения воздушного бассейна, ликвидируются, а вместо них используются крупные источники тепла, газовые выбросы которых содержат минимальные концентрации токсичных веществ. Таким образом, централизация теплоснабжения способствует решению крупной задачи современности -- охраны окружающей природной среды.

35. Приведите основной закон конвективного теплообмена. Определение коэффициента теплоотдачи, его физический смысл и размерность. Какие факторы влияют на конвективный теплообмен?

Для описания конвективной теплоотдачи используется формула:

qcт = б(Т0--Тст),

где qcт -- плотность теплового потока на поверхности, вт/м2; б -- коэффициент теплоотдачи, вт/(м2•°С); T0 и Тст - температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину T0 -- Тст часто обозначают ДТ и называется температурным напором. Коэффициент теплоотдачи б характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэффициент теплоотдачи сильное влияние оказывает на поверхности.

Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи б. Современные методы описания процесса конвективного теплообмена, основанные на теории пограничного слоя, позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методами подобия теории и представляются обычно в следующем безразмерном виде:

Nu = f (Re, Pr) -- для вынужденной конвекции и

Nu = f (Gr, Pr) -- для свободной конвекции,

где Nu =, L - характерный размер потока, л -- коэффициент теплопроводности); Re = Рейнольдса число, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке (u - характерная скорость движения среды, х - кинематический коэффициент вязкости); Pr = - Прандтля число, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов (б - коэффициент температуропроводности); Gr = - Грассхофа число, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g - ускорение свободного падения, в - термический коэффициент объёмного расширения).

В связи с тем, что в процессах конвективного теплообмена важную роль играет конвективный перенос, эти процессы должны в значительной мере зависеть от характера движения жидкости, то есть от значения и направления скорости среды, от распределения скоростей в потоке, от режима движения жидкости (ламинарное течение либо турбулентное). При больших (сверхзвуковых) скоростях движения газа на процессы конвективного теплообмена начинает влиять распределение давления в потоке.



Задачи

7. 1 кг кислорода имеет параметры р1 = 20 МПа и t1 = 300°С. В конце политропного процесса параметры рабочего тела принимают значение р2 = 2 МПа и t2 = 57°С.

Определить удельные количества теплоты, работы и изменения внутренней энергии кислорода, имевших место при совершении процесса. Изобразите графически процесс в pv-и Ts-диаграммах.

Решение:

Определим показатель политропы n [2]:

Конечный объем найдем из уравнения Менделеева-Клапейрона [2]:

Начальный объем воздуха:

Работа сжатия:



Количество отведенной теплоты:

где сv - теплоемкость воздуха, определяемая по формуле [3]:

Тогда:

Изменение внутренней энергии:

Процесс в pv-и Ts-диаграммах изо...