bzconnect
Архитектура и строительство

1_Часть 1 Термодинамика

3

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие по курсу «Теплотехника» составлено в соответствии с программой рекомендованной Министерством образования России для направления подготовки специалистов по специальности 330400 – «Пожарная безопасность».

В первой части – «Термодинамика» – главное внимание уделено первому закону термодинамики и его приложению к аналитическому расчету термодинамических процессов в идеальных газах.

териальные формулы конвективного теплообмена.

зачетной книжки.

писать 0, т. е. номер варианта 010. Если номер удостоверения имеет 4 знака, например, № 1020, то необходимо использовать только 3 знака справа, т. е. номер варианта 020. Таким образом, любой одно- двух- и более значный номер удостоверения книжки приводится к трехзначному номеру варианта выполняемого задания. Например, в числе 012 первая цифра номера варианта 0, вторая 1, последняя 2 определят численные значения исходных параметров задания.

дены краткие теоретические сведения и расчетные формулы по соответствующей тематике, а также необходимые таблицы физических величин.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика есть наука, изучающая законы превращения энергии в различных процессах, сопровождающихся поглощением или выделением тепла (такие процессы имеют общее название – тепловые процессы).

Термодинамика как наука основана на трех экспериментальных законах (началах).

П е р в ы й з а к о н т е р м о д и н а м и к и (или первое начало термодинамики) есть не что иное, как частный случай закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам.

В т о р о й з а к о н (второе начало) т е р м о д и н а м и к и определяет направление течения тепловых процессов.

Т р е т и й з а к о н (третье начало) т е р м о д и н а м и к и утверждает принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.

В зависимости от задач исследования рассматривают термодинамику техническую и химическую, общую (физическую) термодинамику и т. д.

Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих процессах. Главной задачей ее является нахождение с помощью термодинамического метода наиболее рациональных способов взаимного превращения тепла и работы.

Основными особенностями термодинамического метода исследования тепловых процессов являются:

• термодинамика имеет дело только с макроскопическими величинами (микроструктура веществ здесь не рассматривается);

все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции (т. е. от общего к частному), используя только два первых закона (начало) термодинамики.

Выбранную для термодинамического исследования группу тел или одно тело называют термодинамической системой; все, что находится вне системы – внешней или окружающей средой. Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы.

u) постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такая система называется равновесной. Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, называемой уравнением состояния:

   (1.1)

При взаимодействии системы с окружающей средой ее состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической системы называют термодинамическим процессом.

Процессы, осуществляемые при постоянном значении какого-либо параметра, называют изопроцессами:

= const);

= const).

Дж.

и называют удельной теплотой

)

кг, – удельной работой. Работа расширения газа в процессе определяется по формуле:

   (1.3)

или

   (1.4)

=

Из (1.3) следует, что:

>0, т. е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

L<0, т. е. при сжатии работа отрицательна, другими словами говоря, на его сжатие затрачивается работа извне.

U.

понимают энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

ие внутренней энергии определяется только начальным и конечным состояниями системы:

)

вещества:

   .    (1.6)

При одновременном тепловом и механическом воздействиях системы со средой изменение внутренней энергии будет зависеть как от количества подведенной (отведенной) теплоты, так и от произведенной системой работы, т. е.

   (1.7)

или

.    (1.8)

боты.

В дифференциальной форме уравнение первого закона термодинамики можно записать в виде:

   .    (1.9)

многие реальные газы при малых давлениях по своим свойствам мало отличаются от идеального, выводы, полученные при рассмотрении идеального газа можно перенести на реальные газы, и тем самым найти им применение в практической деятельности.

Вместе с теорией теплообмена техническая термодинамика является теоретическим фундаментом теплотехники, на основе которой осуществляется расчет и проектирование всех видов тепловых двигателей.

ЗАДАНИЕ № 1

МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

= 4190 ).

Требуется определить:

• степень сжатия в каждой ступени;

• температуру, давление и удельный объем газа в каждой ступени сжатия;

• теоретическую (без учета потерь и влияния «мертвого» объема цилиндров) мощность, потребляемую компрессором;

• расход охлаждающей воды в холодильнике.

.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

та

0

1

2

3

4

5

6

7

8

, г/с

10

15

18

24

14

13

25

22

12

С

8

10

15

20

25

30

30

3

7

10

Таблица 2

Исходные данные для расчета

та

0

1

2

3

4

5

6

7

8

кПа

90

100

120

110

100

125

115

90

90

МПа

4,5

5

6

11

5

7,5

4,6

9

6,3

Газ

2

2

B

2

2

B

2

2

B

z

3

4

4

5

4

3

4

5

4

5

В – воздух.

Таблица 3

Исходные данные для расчета

та

0

1

2

3

4

5

6

7

8

13

Таблица 4

многоступенчатого поршневого компрессора

Номер ступени

,

1

Вход

 

Выход

 

2

Вход

 

Выход

 

 

Таблица 5

Параметры

Обозначение

измерения

Степень сжатия

 

 

ра

 

 

ка

 

 

ды

 

 

 

ПОЯСНЕНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАНИЯ № 1

Назначение и классификация компрессоров

Компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов по трубопроводам.

По принципу действия компрессоры подразделяют на объемные и динамические. К объемным компрессорам относятся поршневые, мембранные и роторные. Последние, в свою очередь, подразделяются на пластинчатые, жидкостно-кольцевые и винтовые.

В объемных компрессорах давление газа повышается за счет уменьшения пространства, в котором находится газ. В идеальном случае это пространство является абсолютно герметичным и утечек газа в процессе повышения давления не происходит.

К динамическим компрессорам относятся центробежные и осевые компрессоры. В них давление повышается при непрерывном движении газа через проточную часть машины за счет энергии, которую сообщают газу лопатки вращающегося ротора. При этом кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.

подаче.

давления от 10 до 100.

и крупные (свыше 1,5 ).

Задачей термодинамического анализа компрессора является определение работы, которую необходимо затратить для получения необходимого количества сжатого газа при заданных начальных и конечных его параметрах.

ршневые компрессоры

цилиндра расположены всасывающий 7 и нагнетательный клапан, которые составляют механизм распределения, регулирующий поступление газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный трубопровод.

 

вия:

ки; 12 – крышка цилиндра

При движении поршня вниз давление между цилиндром и поршнем меньше, чем давление во всасывающем патрубке. При открытии всасывающего клапана газ попадает в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, давление в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравнивается. Клапан под действием пружины прижимается к седлу и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра со всасывающим трубопроводом. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана закрыто.

При движении поршня вверх происходит сжатие газа, находящегося в цилиндре. Когда давление газа станет больше, чем в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан откроется и газ выталкивается из цилиндра. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока поршень не займет крайнее верхнее положение, тогда нагнетательный клапан закрывается и процессы всасывания и нагнетания повторяются.

цикл работы компрессора.

чатым компрессором простого действия.

Недостатком такого компрессора является то, что полезная работа совершается только при движении поршня в одном направлении.

(рис. 1.2).

.

чими.

Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров.

.

.

двойного действия:

ны; 16 – передняя крышка цилиндра

Одноступенчатый поршневой компрессор

ся поршня.

.

=1).

ра.

 

прессора

ра.

ление и объем.

адиабатным.

ной работе.

ным.

сы.

0-1-2-3.

.

Соотношения параметров газа в политропном процессе, которые являются следствием уравнений:

(1.10)

   (1.11)

имеют вид:

(1.12)

   (1.13)

   (1.14)

тии определяется по формуле:

.15)

.

чаи политропного процесса сжатия:

=1):

   (1.16)

):

   (1.17)

ные конструктивными элементами, а именно:

);

сора;

 

ра

).

дикатора.

Многоступенчатое сжатие

целесообразно.

няют лишь в том случае, когда отношение

прессора.

гую (рис. 1.5).

 

– ступени компрессора

Причиной получаемой экономии работы является то, что в компрессор каждой последующей ступени поступает газ, объем которого уменьшился в процессе промежуточного охлаждения, и соответственно, уменьшается работа, необходимая для сжатия газа.

цесс сжатия в многоступенчатом компрессоре, будет приближаться к наиболее выгодному изотермическому (рис. 1.6).

тия в одной ступени равна:

   (1.18)

.

 

ре

пени изотермическая мощность равна

   (1.19)

.

ней.

пенями, определяется по формуле:

   (1.20)

формуле:

   (1.21)

ределяется как для идеального газа.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Выписать численные значения исходных термодинамических параметров своего варианта и перевести эти значения, если требуется, в единую Международную систему единиц (СИ).

2. Поскольку после каждой ступени происходит охлаждение газа до начальной температуры, то температуры газа на входе всех ступеней будут одинаковы и равны начальной:

вх.

3. Определить величину степени сжатия в одной ступени.

до поступления его в теплообменник по формуле.

дут равны.

вых.

):

i-ую ступень компрессора из уравнения Менделеева-Клапейрона из (1.10).

-ой ступени согласно уравнениям.

гласно уравнению.

.

газа в одной ступени:

прессора.

9. Определить величину теоретической (без учета потерь и влияния вредного объема цилиндров) мощности, потребляемую компрессором.

10. Определить изобарную теплоемкость газа.

делить необходимую мощность холодильника.

12. Определить расход охлаждающей воды в холодильнике.

2

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ

.

Требуется определить:

кр;

2;

2;

G.

Результаты расчета представить в виде табл. 4.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

20

Таблица 2

Исходные данные для расчета

нта

0

1

2

3

4

5

6

7

8

90

Таблица 3

Исходные данные для расчета

№ варианта

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

– воздух.

Таблица 4

Результаты расчета параметров газа при истечении

Параметры

Обозначение

измерения

лений

 

 

ния

 

 

ть истечения газа

 

 

Расход газа

 

 

 

ПОЯСНЕНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАНИЯ № 2

переменного сечения

щений:

потока (одномерный поток);

• течение газа стационарное (не зависит от времени).

? Такое одномерное стационарное течение газа описывается системой уравнений, включающей:

• уравнение состояния

   (1.22)

• уравнение неразрывности

   (1.23)

• уравнение первого закона термодинамики

   (1.24)

.

тока.

рабочего вещества.

вых.

:

   (1.25)

ляется по формуле

   (1.26)

– постоянная адиабаты.

рования формы канала, а именно:

ся;

ширяющимся;

щимся;

ся.

Адиабатное истечение из суживающегося сопла

при условии, что:

• в резервуаре находится идеальный газ;

1);

2;

= 0).

чения газа через суживающееся сопло от отношения давлений

 

Суживающееся сопло

 

от отношения

 

ношения

).

.

, а отношение

(1.27)

.

) и определяется из уравнения:

   (1.28)

= 0,487;

= 0,528;

= 0,564.

Таким образом, при расчете истечения газа из суживающегося сопла, в первую очередь следует определиться с режимом истечения газа.

Возможны два случая:

(докритический режим), то теоретическую скорость движения газа, выходящего из цилиндрического или сужающегося конического сопла, определяют по формуле:

(1.29)

– удельный объем газа, входящего в сопло,

Массовый расход газа находят из уравнения:

(1.30)

.

сти

(1.31)

ния:

(1.32)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ниц (СИ).

при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона.

да.

ного газа.

чего о газа.

ным.

и сделать вывод о режиме истечения газа.

чения скорости и массового расхода.

цессе.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *