Термодинамический анализ процессов в компрессорах

МАКСЮТА Р.В.

«Теплотехника»

Методические указания и контрольные задания

 по самостоятельной работе

для студентов-заочников

инженерно-технических специальностей

Иркутск 2007

ОБЩИЕ  МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При изучении курса «Теплотехника» студенты-заочники, руководствуясь программой для неэнергетических специальностей вузов, самостоятельно работают над учебниками и учебными пособиями, выполняют контрольные работы и лабораторные работы. Рекомендуется затем прослушать обзорные лекции по основным вопросам курса.

Материал курса изучают по основному учебнику (см. список рекомендованной литературы). Для более подробного и глубокого изучения отдельных вопросов и в помощь при выполнении контрольных работ рекомендуется дополнительная литература. При самостоятельной работе над учебником необходимо добиваться отчетливого представления о физической сущности изучаемых явлений и процессов. При этом особое внимание следует уделить изучению теоретических основ теплотехники (технической термодинамике и основам тепло- и массообмена), являющихся базой изучения второй части указанного курса.

При изучении каждого раздела рекомендуется составлять конспект, который будет полезен при повторении материала, и решать задачи для закрепления теоретического материала.

В конце каждой темы и раздела приведены контрольные вопросы, по которым студент может проверить степень усвоения материала. При изучении курса по всем возникшим вопросам студент может получить устную или письменную консультацию на кафедре теплоэнергетики.

Число контрольных работ, выполняемых студентами-заочниками, зависит от специальности и указывается в учебном графике студента. Студенты специальностей, имеющих наибольшее число учебных часов по курсу теплотехники, составляют первую группу; они изучают все темы программы курса и выполняют две контрольные работы. Для специальностей, на изучение курса которых отводится меньшее число учебных часов, программа курса должна быть сокращена (это сокращение осуществляется в основном вузами с учетом конкретной специфики специальностей). Студенты, которые по учебному графику выполняют одну контрольную работу, составляют вторую группу.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

(для всех групп специальностей)

1.1.Основные понятия и определения

Предмет технической термодинамики и её методы. Теплота и работа как формы передачи энергии. Рабочее тело. Термодинамическая система. Основные параметры состояния. Равновесное и неравновесное состояние. Уравнение состояния. Термическое уравнение состояния. Термодинамический процесс. Равновесные и неравновесные процессы. Обратимые и необратимые процессы. Изображение обратимых процессов в термодинамических диаграммах. Круговой процесс (цикл).

Газовые смеси, способы задания газовых смесей, соотношение между массовыми и объемными долями, вычисления параметров состояния смеси, определение кажущейся молекулярной массы и газовой постоянной смеси, определение парциальных давлений.

Вопросы для самопроверки:

1. Что понимается под термодинамической системой?

2. Каким числом независимых параметров характеризуется состояние рабочего тела?

3. Какое состояние называется равновесным, какое - неравновесным?

4. Что называется термодинамическим процессом?

5. Какие процессы называют равновесными, какие - неравновесными?

6. Какие процессы называются обратимыми, какие – необратимыми?

7. Каковы условия обратимости процессов?

Первый закон термодинамики

Сущность первого закона термодинамики. Формулировки первого закона термодинамики. Аналитическое выражение первого закона термодинамики, принцип эквивалентности теплоты и работы. Выражение теплоты и работы через термодинамические параметры состояния. Внутренняя энергия. Энтальпия. Энтропия. Первый закон термодинамики для круговых (циклических) процессов. Теплоемкость. Массовая объемная и мольная теплоемкости. Теплоемкость при постоянных давлении и объеме. Зависимость теплоемкости от температуры. Средняя и истинная теплоемкости. Формулы и таблицы для определения теплоемкостей. Теплоемкость смеси идеальных газов.

Дифференциальные соотношения термодинамики. Значение и использование дифференциальных соотношений.

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте формулировку и аналитическое выражение первого закона термодинамики.

2. Что такое «функция состояния» и «функция процесса»?

 3. Когда теплота, работа и изменение внутренней энергии считаются положительными и когда отрицательными?

4. Почему внутренняя энергия и энтальпия идеального газа зависят только от одного параметра – температуры?

 5. В чем отличие понятий «истинная теплоемкость» и «средняя теплоемкость»?

Второй  закон  термодинамики

Сущность второго закона термодинамики. Основные формулировки второго закона термодинамики. Термодинамические циклы тепловых машин. Прямые и обратные циклы. Термодинамический цикл КПД и холодильный коэффициент. Цикл Карно и его свойства. Термодинамическая шкала температур. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Изменение энтропии в необратимых процессах. Статическое толкование второго закона термодинамики.

Вопросы для самопроверки:

1. Какой цикл называется прямым, и какой обратным?

2. Чем оценивается эффективность прямого и обратного циклов?

3. Для чего служат тепловые машины, работающие по прямому и обратному циклам?

4. Как связано изменение энтропии с теплотой и абсолютной температурой?

5. В чем сущность второго закона термодинамики?

6. Покажите с помощью Тs-диаграммы, что при заданных Т_макс и Т_мин h_t цикла Карно будет наибольшим по сравнению с h_t других циклов?

Термодинамические процессы

Классификация процессов изменения состояния. Общие методы исследования процессов изменения состояния любых рабочих тел.

Политропные процессы. Уравнение политропы. Определение показателя политропы. Анализ процессов на основе сравнения показателей политропы. Процессы в координатах pv и Ts. Основные термодинамические процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный – частные случаи политропного процесса.

Термодинамические процессы в реальных газах и парах. Свойства реальных газов. Фазные равновесия и фазные переходы. Теплота фазовых переходов. Фазовые диаграммы. Тройная и критическая точки. Уравнение состояния идеальных газов. Коэффициент сжимаемости. Пары. Основные определения. Процессы парообразования в pv и Ts-диаграммах. Водяной пар. Понятие об уравнении Вукаловича - Новикова. Уравнение Боголюбова - Майера. Термодинамические таблицы воды и водяного пара. P-v, T-s, H-s-диаграммы водяного пара. Расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью таблиц и h-s(i-s)-диаграммы.

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на увеличение внутренней энергии?

 2. Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на совершение работы?

3. Как называется процесс, в котором работа совершается лишь за счет уменьшения внутренней энергии?

4. Как называется процесс, в котором подведенная к рабочему телу теплота численно равна изменения энтальпии? Какая доля подведенной теплоты в этом случае идет на совершение работы?

5. Какой процесс называется политропным?

6. Покажите в pv-диаграмме работу газа в адиабатном процессе.

7. Можно ли уравнение  при n¹const назвать дифференциальным уравнением политропы идеального газа?

8. При каких значениях показателя политропы n можно получить уравнение основных термодинамических процессов? В чем состоит обобщающее значение политропного процесса?

 9. Изобразите схематично в Ts-диаграмме процесс сжатия pv^1,2=const и покажите, какими площадками будут изображаться q, ∆u, l.

 10. Почему в Ts-диаграмме изохора идет круче, а в pv-диаграмме адиабата идет круче изотермы?

11. Как в Ts-диаграмме по заданной кривой процесса определить знак q и ∆u?

12. Что такое испарение и кипение?

13. Какой пар называют сухим насыщенным?

14. Каков физический смысл пограничных кривых? Какой пар называется перегретым и сто такое степень перегрева?

15. Какой пар называется влажным насыщенным и что такое степень сухости?

16. Как определить удельный объем, энтальпию, энтропию влажного пара?

17. Как изменяется теплота парообразования с увеличением давления?

Влажный воздух

Определение понятия «влажный воздух». Влагосодержание, абсолютная и относительная влажность воздуха. Температура точки росы: H-d (l-d) - диаграмма влажного воздуха.

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте определение влажного воздуха.

2. Что такое насыщенный и ненасыщенный влажный воздух?

3. Что такое абсолютная и относительная влажность, влагосодержание?

4. В чем особенность единицы энтальпии влажного воздуха?

5. Что такое температура точки росы?

6. Почему в Hd-диаграмме процесс сушки в идеальной сушильной установке протекает при неизменной энтальпии?

Термодинамика потока

Истечение и дросселирование газов и паров. Основные положения. Уравнения первого закона термодинамики для потока, его анализ. Понятие о сопловом и диффузионном течении газа. Адиабатные течения. Скорость адиабатного течения. Связь критической скорости истечения с местной скоростью распространения звука. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Условия перехода через критическую скорость. Сопло Лаваля. Расчет процесса истечения водяного пара с помощью h-s-диаграммы, действительный процесс истечения. Дросселирование газов и паров. Сущность процесса.

Вопросы для самопроверки:

1. Напишите уравнение энергии газового потока и дайте объяснение отдельным членам, входящим в него.

2. Что такое работа проталкивания, и какой она может иметь знак?

3. Что такое техническая работа? Как показать ее в pv-диаграмме?

4. Каков физический смысл критической скорости? Почему в закритической области расход газа не зависит от перепада давлений?

5. Что такое сопло и диффузор?

6. Как связано изменение площади поперечного сечения канала с изменением скорости и числом М?

7. При каких условиях режим течения в сопле Лаваля становится нерасчетным?

Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Поршневой компрессор. Принцип действия. Работа, затрачиваемая на привод компрессора. Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Термодинамическое обоснование многоступенчатого сжатия. Изображение в pv- и Ts-диаграммах термодинамических процессов, протекающих в компрессорах. Необратимое сжатие. Одностенный внутренний КПД компрессора. Понятие о центробежном компрессоре.

Вопросы для самопроверки:

1. Как зависит работа привода компрессора от показателя политропы сжатия? Какова связь между работой привода (технической) и работой процесса сжатия?

2. Можно ли в одноступенчатом поршневом компрессоре получить любое конечное давление, и если нельзя, то по каким причинам?

3. Как влияет вредное пространство на производительность компрессора?