Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»


НазваниеУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
страница5/14
Дата публикации29.03.2013
Размер1.72 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
userdocs.ru > Математика > Учебно-методический комплекс
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

2. Понятие о сопловом , диффузорном и адиабатном течении газа.
^ Сопло – канал, в котором происходит расширение газа с уменьшением давления и увеличением скорости его движения (рис. 1.17).

Диффузор – канал, в котором происходит сжатие газа с увеличением давления и уменьшением скорости его движения (рис. 1.18)

Рис. 1.17 Рис.1.18
Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что в каналах даже при небольшой разности давлений газа и внешней среды получается большая скорость течения рабочего тела. Так как длина канала небольшая, то теплообмен между стенками канала и газа при малом времени их прохождения настолько незначителен, что им можно пренебречь и процесс истечения считать адиабатным.
^ 3. Истечение идеального газа через суживающееся сопло
Расчет сопла сводится к определению скорости и расхода газа на выходе из него, нахождению площади поперечного сечения и правильному выбору его формы.

При адиабатном истечении (dq= 0) уравнение (6.2) принимает вид
/2= h1-h2=lрасп. (6.10)

Скорость истечении в соответствии с уравнением (6.11)




2 =√2(h1-h2) + (6.11)
В большинстве случаев начальная скорость истечения по сравнению с конечной скоростью весьма мала, и в практических расчетах ею обычно пренебрегают, т.е. ≈0.

Тогда:




=√2(h1-h2) = √2 lрасп (6.12)
Располагаемая работа при адиабатном истечении идеально газа определяется по уравнению:

р2 р1

lрасп = - ∫ vdp=∫ v112)1/кdp=[k/(k-1)](p1v1-p2v2). (6.13)

р1 р2
Тогда:



2=√2k/k-1 (p1v1-p2v2) = √2k/k-1 [1-(p2/p1)] k-1/к (6.14)
Скорость истечения газа зависит от состояния газа при входе в сопло и от давления p2 на выходе.

Массовый расход при истечении определяется из уравнения неразрывности потока
m=f22/v2, (6.15)
где f2- площадь выходного сечения канала; 2- скорость истечения; v2- удельный объем газа в выходном сечении канала.

При адиабатном истечении идеального газа v2 = v1(p2/p1)1/к. С учетом вышесказанного конечный массовый расход идеального газа определяется из выражения

m= f2√2[k/(k-1)](p1/v1)[(p2/p1)2/k-(p2/p1)(k+1)/k] (6.16)
Массовый расход идеального газа зависит от площади выходного сечения канала, начального состояния и степени его расширения.

Параметры (2, m) газового потока, когда скорость газа равна местной скорости звука :

а=√кvкрркр=кр называются критическими (кр, mmax).

^ 4. Истечение газа через сопло Лаваля
Комбинированное сопло, состоящие из суживающейся и расширяющейся частей называется сопло Лаваля (рис.1.19). Оно предназначено для использования больших перепадов давления (p2<< p1) и для получения скоростей газа больше скорости звука. Сопло Лаваля широко используется для поучения сверхзвуковых потоков газов и паров в паровых и газовых турбинах.


Рис. 1.19
Угол конусности расширяющейся части γ не должен превышать 10-120, чтобы не было отрыва потока от стен.

Скорость истечения и массовой расход идеального газа (при заданном площади выходного сечения f2) определяется формулами (6.14) и (6.16). При заданном расходе площадь минимального сечения сопла fmin по формуле:



mmax= f min √2[k/(k+1)](p1/v1)[2/ (k+1)]2/(к-1) (6.17)
Длину суживающейся чести lсуж обычно берется равной диаметру выходного критического сечения сопла d или из конструктивных соображений , l суж ≈ d.

Длину расширяющейся насадки l расш можно определить по уравнению

lрасш=(D-d)/2 tg.


^ 5. Действительный процесс истечения газов и паров
Действительный процесс истечения необратим, всегда связан с наличием трения между рабочим телом и стенками канала, а так же в нутрии трения в самом потоке рабочего тела. Поэтому действительная скорость газа будет меньше скорости обратимого процесса, т.е. теоретической скорости. Указанные уменьшение скорости при необратимом процессе учитывается скоростным коэффициентом ск. Скоростной коэффициент ск – есть отношение действительной скорости газа g к теоретической т,т.е. ск=g/т или g= скт.

Коэффициента ск оценивается на основании опытных данных (ск=0,93-0,98).

На рис. 1.20. действительный процесс адиабатного расширения пара изображен условно штриховой линии 1-2’.

Рис. 1.20
Если скорость истечения меньше критической , то ее расчет ведется по формуле:
g= 44,72√h1-h21 (6.18)
где h1и h21 определяют по таблициям или h,s – диаграмме по начальным параметрам, конечному давлению и исходя из условия адиабатного процесса, пи котором s1=s2.

При критическом режиме истечения скорость истечения водяного пара определяют из формулы
g= 44,72√h1-h21кр , при этом энтальпия h1(кДж/кг) берется из таблиц или по h,s- диаграмме по начальным параметрам..

Термодинамическая теория истечения используется во многих задачах добычи, транспорта и использования нефти и газа.


^ 6. Дросселирование газов и паров
Дросселирование – процесс понижения давления в потоке без совершения внешней работы и без подвода и отвода теплоты при прохождении через местное гидравлическое сопротивление. Любой кран, вентиль, задвижка, клапан, шайба и др. , уменьшающие проходное сечение вызывают дросселирование газов и паров и , следовательно падение давления. Дросселирование применяются в паровых турбинах, например путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где регулирование мощности достигается изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.

Дросселирование газов и паров широко используется в редукционных клапанах, применяемых в системах тепло и парогазоснабжения, а также в холодильной технике для получения низких температур и снижения давления газов путем их многократного дросселирования.

Дросселирование является необратимым процессом.

При дросселировании идеального газа выполняется условие h2-h1р21), что свидетельствует о постоянстве температуры рабочего тела как до диаграммы, так и после нее. Обычно, дросселирование потока осуществляется диафрагмой.

В 1852 г. опытами Джоуля и Томсона показано, что при дросселировании реальных газов температура не остается постоянной , а уменьшается или увеличивается в зависимости от природы газа и начальных параметров газа, т.е. Т1>< Т2. ( известно как эффект Джоуля и Томсона). Это очень важные свойства газа пользуются в технике , в частности для получения низких температур и сжижения газов.

Эффект Джоуля и Томсона – изменение температуры газа в результате адиабатного дросселрования.

Отношение изменения температуры реального газа ∆Т при дросселировании к изменению давления ∆Р называется эффектом Джоуля и Томсона.

Важной характеристикой процесса дросселирования является значение производной (ðТ/ðр)h= называемой дифференциальным дроссель-эффектом, причем индекс h указывает на то, что дросселирование происходит при h=const или dh=0. h- характеризует скорость изменения температуры газа при изменении давления в результате дросселирования. Значение  h для любого вешества можно определить (реального газа, пара и капельной жидкости) с помощью уравнений первого и второго законов термодинамики
(ðТ/ðр)h=Т(ðv/ ðТ)р-V/СР (6.19)
Если Т (ðv/ ðТ)р- V>0, то температура рабочего тела при дросселировании уменьшается (dT<0) , в результате происходит охлаждение газа и будет положительный эффект Джоуля-Томсона. При этом Т1инв. Если (ðv/ ðТ)р- V<0, то температура рабочего тела увеличивается (ðТ >0), в результате происходит нагревание газа и будет отрицательный эффект Джоуля – Томсона и Т1инв. При Т(ðv/ ðТ)р-V=0 температура не меняется (ðТ =0).

Состояние газа, при котором температурный эффект дросселирования меняет свой знак, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии Тинв. Из уравнения (6.19) при ðТ =0 получаем температуры инверсии любого вещества
Тинв.= V (ðТ/ ðv) р (6.20)
Основная литература:1[гл. 5, §§5.1-5.5, стр. 43-51], 5[гл. 13, §§13.1-13.8, стр.132-146].

Дополнительная литература: 14[гл..13, §§13.1-13.13, стр.180-194], 20[гл.10, §§10.1-10.9,стр. 100-114; гл. 11, §§11.1-.11.3, стр. 114-120].

Контрольные вопросы:

  1. Написать уравнение первого закона термодинамики для потока и дайте объяснение отдельным составляющим , входящим в него.

  2. Что такое сопло и диффузор?

  3. Что такое техническая работа?

  4. В каких случаях процесс течения можно считать адиабатным?

  5. Дать описание комбинированного сопла Лаваля.

  6. Какой процесс называется дросселированием и где он встречается?

  7. Как изменяются температуры идеального и реального газов при дросселировании?

  8. Как связанно изменение площади поперечного сечения с изменением скорости и числом Маха?

  9. Когда, при каких условиях температура реального газа при дросселировании повышается , понижается и остается без изменения?

  10. Что такое эффект дросселирования Джоуля – Томсона?



^ ЛЕКЦИЯ №7 Термодинамические циклы тепловых двигателей
Конспект лекции

1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работают по различным циклам: с подводом теплоты при постоянном объеме (рис.1.21,а); с подводом теплоты при постоянном давлении (рис.1.21,б) по смешанному (рис.1.21,в).



а)






б)



в)
Рис.1.21

Основными характеристиками или параметрами любого цикла ДВС являются:

Степень сжатия ε=V1/V2 – отношение объемов в цилиндре двигателя при положениях поршня в начале и конце процесса сжатия.

Степень повышения давления l=P3/P2 – отношение максимального давления в конце подвода теплоты к давлению в конце сжатия.

Степень предварительного расширения r=V4/V2 – отношение объема в конце подвода теплоты к объему в конце сжатия.

Термодинамический цикл (цикл Отто, рис.1.21, а) с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const) – реализуемой в карбюраторных и газовых двигателях состоит из следующих обратимых процессов: 1-2 –адиобатное сжатие рабочего тела; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение; 4-1 – отвод теплоты по изохоре.

Термический к.п.д. цикла
ηt=1-1/εk-1 (7.1)
Для этого цикла ε = 6…12, l=3…4, r=1.

Термодинамический цикл (цикл Дизеля, рис.1.21,в) с подводом теплоты при постоянном давлений (p= const) – реализуемой в компрессорных дизелях состоит из следующих обратимых процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха, 2-3- изобарный подвод теплоты, 3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – отвод теплоты по изохоре.

Термодинамический к.п.д. цикла
ηt=(1-1/εk-1)·[ρk-1/k(ρ-1)] (7.2)
Для этого цикла принимают ε = 12…14, l=1, r=1,1…1,5.
Термодинамический цикл (цикл Сабатэ-Тринклера, рис.1.21,в) со смешанным подводом теплоты (V= const, P= const) – (реализуемой в бескомпрессорных дизелях) состоит из следующих обратимых процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – изобарный подвод теплоты; 5-1 – отвод теплоты по изохоре.

Термический к.п.д. цикла
ηt=(1-1/εk-1)·(λρk-1)/[λ-1+k·λ(ρ-1)] (7.3)
Для этого цикла обычно принимают ε=14….17, l=1,2….2,5, r=1,1…1,5.
Цикл со смешанным подводом теплоты (рис.1.21,в) обобщает два приведенных цикла, и из уравнения (7.3) можно получить к.п.д. циклов с изохорным и изобарным подводом количества теплоты.

Если допустить, что l=1, то цикл со смешанным подводом количества теплоты превращается в цикл с изобарным подводом теплоты, а из уравнения (7.3) получаем уравнение к.п.д. этого цикла (7.2).Если принять, что r=1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл с изохорным подводом теплоты, а из уравнения (7.3) получаем уравнение к.п.д. этого цикла (7.1).
2. Циклы газотурбинной установки
Существенным недостатком двигателей внутреннего сгорания являются возвратно – поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми габаритными размерами и массой.

В газовой турбине рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно – поступательное движение заменено вращательным движением колеса под действием струи газа. (рисунок 8.2). Газотурбинный двигатель является быстроходным, обладает большой удельной мощностью.



Рисунок 1.22 – Схема газотурбинной установки.
Простейшими циклами газотурбинных установок считаются циклы с изобарным или изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов двигателей внутреннего сгорания процессом отвода теплоты, т.е. вместо изохорного отвода теплоты используется изобарный. Современные газотурбинные установки в основном работают с изобарным подводом теплоты (рисунок 1.23).





Рисунок 1.23 – Цикл газотурбинной установки в -координатах (а) и -координатах (б).
Теоретический цикл с изобарным подводом теплоты состоит из адиабатного сжатия воздуха 12 в компрессоре 1, изобарного подвода теплоты 23 в камере сгорания 2 (топливо подается насосом 6), процесса адиабатного расширения 34 продуктов сгорания в соплах 3, преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках 4 турбины и процесса отвода теплоты 41 от газа в окружающую среду при постоянном давлении .

Полезная работа цикла (затрачивается на привод генератора 7) равна разности технической работы (площадь 34123) турбины и технической работой (площадь 21122), расходуемой на привод компрессора, т.е. =-=площадь 12341. Эта же работа равна теплоте , которая определяется разностью подведенной теплоты (площадь 23412) и отведенной теплоты (площадь 14411), т.е. =-=площадь 12341.

Термический КПД цикла газотурбинной установки:
.
Для адиабат 12 и 34 можно записать:

; .

Тогда находим

, (7.4)

где - степень повышения давления при адиабатном процессе сжатия воздуха в компрессоре.

На -диаграмме видно, что температура газов на выходе из турбины выше температуры сжатого воздуха . Поэтому для уменьшения расхода теплоты целесообразно часть теплоты отходящих газов использовать для подогрева воздуха (теплота ), поступающего в камеру сгорания. В результате увеличивается термический КПД цикла.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Похожие:

Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconПрограмма курса (syllabus) по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
Алиным Ж. К. на основании типовой программы по «Термодинамика и теплотехника» для высших профессиональных образований (бакалавриатов)...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Основы...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы экологического нормирования и экспертиза» для студентов Казнту имени К. И. Сатпаева...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины по дисциплине «Теория государства и права»
Учебно-методический комплекс дисциплины разработан на основании государственного образовательного стандарта и типовой учебной программы...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины правоведение (право) По направлению
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой Теории и истории государства и права
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины физическая культура для всех специальностей
Физическое воспитание. Учебно-методический комплекс. – Спб.: Спбауэ, 2007. – 84 с
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Всеобщая история: новейшая...
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования...
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины речевая коммуникация...
Учебно-методический комплекс одобрен методической комиссией факультета социального управления
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины «Имиджелогия» По...
Учебно-методический комплекс рекомендован к изданию кафедрой менеджмента. Протокол от 12 марта 2007 г. №8
Учебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника» iconУчебно-методический комплекс дисциплины детская нейропсихология специальность...
Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры клинической и специальной психологии
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница