Практикум. Методическое пособие и типовые задачи для студентов специальностей

Техническая термодинамика

 

Методическое пособие и типовые задачи для студентов специальностей

1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика»,

1-43 01 04 «Тепловые электрические станции»,

1-43 01 08 «Паротурбинные установки АЭС»,

1-53 01 04 «Автоматизация и управление энергетическими процессами»

 

Минск

БНТУ

УДК 621.1.016.7

 

 

Рецензенты:

Н.Б. Карницкий, В.Л. Драгун

Есьман, Р.И.

 

Техническая термодинамика: практикум и типовые задачи для студентов специальностей 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика», 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции», 1-43 01 08 «Паротурбинные установки АЭС», 1-53 01 04 «Автоматизация и управление энергетическими процессами»/ Р.И. Есьман, А.В. Бегляк, И.Л. Качар. – Минск: БНТУ, 2011.- с.

 

 

Практикум составлен в соответствии с программой курса «Техническая термодинамика» для энергетических специальностей ВУЗов. Включены темы: «Циклы поршневых ДВС», «Циклы газотурбинных и паротурбинных установок», «Истечение из сопел», «Циклы компрессорных паровых холодильных машин».

По каждой теме дисциплины разработаны методические указания и методики расчетов, способствующие более глубокому изучению и усвоению материла. Типовые задачи выбраны таким образом, чтобы сосредоточить внимание студентов на основных практических расчетах тепловых двигателей, паросиловых и холодильных установок, используемых в различных отраслях народного хозяйства РБ.

Выбранные задачи снабжены решениями, в приложениях приведены таблицы и практические диаграммы, используемые в расчетах.

 

 

Введение

 

Дисциплина «Техническая термодинамика» является одной из базовых дисциплин теоретических основ теплотехники и теплоэнергетики, играющая важную роль в подготовке инженера-энергетика для работы на объектах энергетики, на промышленных предприятиях и в других энергопотребляющих отраслях народного хозяйства.

Изучение дисциплины «Техническая термодинамика» студентами, обучающимися по специальностям 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика», 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции», 1-43 01 08 «Паротурбинные установки АЭС», 1-53 01 04 «Автоматизация и управление энергетическими процессами», является основой для более глубокого освоения современного теплоэнергетического и холодильного оборудования, используемого в технологических процессах различных отраслей народного хозяйства с целью максимальной экономии топлива и материальных ресурсов, интенсификации и оптимизации современных тепло-технологических процессов, выявления и использования ВЭР (вторичных энергоресурсов), диверсификации инновационных энергосберегающих технологий в энергетической, машиностроительной и других отраслях промышленного производства.

В связи с ограниченным объемом учебного пособия в предлагаемом практикуме по курсу «Техническая термодинамика» приведены отдельные задачи по анализу и расчету циклов тепловых двигателей, теплосиловых установок и холодильных машин, представляющих теоретический и практический интерес для студентов энергетических специальностей.

Типовые задачи представлены развернутыми методиками расчетов энергоэффективности исследуемых циклов.

 

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

 

Процесс обучения студентов по данному курсу включает: получение информации на лекциях, самостоятельную работу над учебниками и учебно-методическими пособиями, выполнение контрольных, курсовых и лабораторных работ, приобретение навыков решения конкретных типовых задач на практических занятиях, получение консультаций на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника» по вопросам, возникающим при изучении материала.

При решении типовых задач необходимо соблюдать следующие требования. Вначале должны быть четко выписаны исходные параметры, заданные по условию задачи, и определена конечная цель задачи. Например, определить термический КПД теплового двигателя, построить цикл на диаграмме состояния и т.п. Все вычисления проводить, пользуясь Международной системой единиц (СИ) в развернутом виде. При использовании табличных значений величин (теплофизических характеристик, вспомогательных функций и коэффициентов), уравнений подобия, графических зависимостей необходимо давать ссылки на источники, которые используются. Решения задач сопровождать кратким пояснительным текстом. Указывать, какая из величин определяется расчетным путем, либо выбирается из справочников, учебных и учебно-вспомогательных пособий и т.д. Дать ссылку на используемые литературные источники по тексту (в квадратных скобках).

 

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ РАЗДЕЛА «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ТЕПЛОСИЛОВЫХ И ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК»

 

Изучению дисциплины «Техническая термодинамика» должна предшествовать глубокая проработка современного состояния энергетики в Республике Беларусь, пути совершенствования теплотехнического оборудования и теплоэнергетических технологий. Важным фактором в дальнейшем развитии теплотехники в Республике Беларусь является все углубляющаяся интеграция с Российской Федерацией, странами СНГ, а также с другими странами в рамках все более открытого сотрудничества по обмену опытом, новыми технологиями и конструктивными идеями в области теплотехники и теплоэнергетики.

Следует подробнее остановиться на изучении основных понятий термодинамики. В основу термодинамики положены законы или начала, обобщающие большой объем опытных фактов, которые устанавливают количественные и качественные закономерности взаимного преобразования тепловой и механической энергии в тепловых двигателях, теплоэнергетических и холодильных установках. Результаты и выводы, полученные как логические следствия из основных законов, обладают общностью и достоверностью.

Термодинамика, как раздел теоретической физики, опирается на фундаментальный закон природы – закон сохранения энергии. Применение закона сохранения энергии к изучаемой термодинамической системе составляет основу первого закона термодинамики, который устанавливает количественную оценку преобразования энергии в тепловых двигателях и теплоэнергетических установках. Второй закон термодинамики характеризует эти процессы с качественной стороны, устанавливает возможность и направленность термодинамических процессов, определяет условия взаимного преобразования теплоты и работы, как количественных мер теплового и механического взаимодействия термодинамической системы и окружающей среды.

Необходимо более подробно изучить термодинамические основы теплового двигателя.

Тепловым двигателем называется непрерывно действующее устройство, в котором осуществляется круговые процессы (циклы), где теплота преобразуется в механическую работу.

При изучении тепловых двигателей особое внимание необходимо обратить на замкнутые круговые процессы или циклы. Циклом называется совокупность термодинамических процессов, в результате которых термодинамическая система возвращается в исходное первоначальное состояние.

Уяснить различие между прямыми и обратными циклами. В результате осуществления рабочим телом прямого цикла часть подведенной теплоты преобразуется в механическую работу, а другая часть отдается теплоприемнику. По прямому циклу работают тепловые двигатели. В результате обратного цикла теплота переходит от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой за счет подвода энергии извне (совершения работы). Обратные циклы являются циклами холодильных машин.

Провести анализ обратимых и необратимых циклов. Циклы обратимы, когда все процессы, их составляющие, обратимы, и необратимы, если хотя бы один процесс является необратимым.

Особое внимание требуется уделить теореме и анализу цикла Карно. При исследовании замкнутых круговых процессов (циклов) важное место отводится анализу цикла Карно, который представляет собой обратимый термодинамический цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. Из теоремы Карно следует, что термический КПД прямого обратимого цикла Карно зависит только от термодинамических температур теплоотдатчика и теплоприемника и не зависит от природы рабочего тела и конструктивных особенностей двигателя. Термический КПД цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с термическим КПД любого другого цикла в одном и том же интервале температур. На основании этого цикл Карно используется для сравнительной оценки совершенства тепловых двигателей, эффективности преобразования теплоты в работу.

В прямом цикле Карно подвод и отвод тепла осуществляется в изотермическим процессе, поэтому . Поскольку

, или

.

Эффективность обратного обратимого цикла Карно оценивается холодильным коэффициентом . Для цикла Карно , , откуда следует, что .

Примечание. Методические указания по каждой теме представлены схемами и диаграммами цикла, основными расчетными формулами и зависимостями, методикой расчета циклов.