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


НазваниеУчебно-методический комплекс дисциплины студента по дисциплине «Термодинамика и теплотехника»
страница6/14
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

3. Циклы паросиловых установок (ПСУ)
Паротурбинные установки используются в современной стационарной теплоэнергетике. В них рабочим телом служит водяной пар.

^ Цикл Карно насыщенного пара. Данный цикл изображен на рисунке 8.4. Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре по изотерме-изобаре 41, в результате вода с параметрами точки 4 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры , совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2.



Рисунок 1.24 – Цикл Карно насыщенного пара в -координатах.
Этот пар поступает в конденсатор, где отдает тепло холодному источнику, в результате его степень сухости уменьшается от до . Процессы 41 и 23 протекают при постоянных давлениях и . Влажный пар с параметрами точки 3 сжимается в компрессоре адиабатно по линии 34, превращаясь в воду с температурой кипения в точке 4.

На практике такой цикл нельзя осуществить, так как затрачиваемая на привод компрессора работа соизмерима с полезной работой турбины.

^ Цикл Ренкина насыщенного пара. В реальном цикле экономичнее пар конденсировать до конца по линии 235, а затем насосом увеличивать давление от до по линии 56. Так как вода несжимаема, точки 5 и 6 почти совпадают, а мощность, расходуемая на привод насоса ничтожно мала по сравнению с мощностью турбины. В точке 6 после насоса получается не кипящая жидкость высокого давления . Чтобы начался процесс парообразования ее нагревают до состояния кипения путем подвода теплоты в паровом котле (процесс 64). Здесь же путем дальнейшего подвода теплоты получают сухой насыщенный пар (процесс 41). Процессы 64 и 41 осуществляются при постоянном давлении . Схема паросиловой установки показана на рисунке 8.5.



Рисунок 1.25 – Схема паросиловой установки.
Термический КПД цикла Ренкина меньше чем термический КПД цикла Карно, так как средняя температура подвода теплоты уменьшается при неизменной температуре отвода.

Кроме этого состояние сухого насыщенного пара очень неустойчиво, поэтому на практике применяют не сухой насыщенный пар, а перегретый, для чего в схему установки вводят дополнительный аппарат – пароперегреватель, устанавливаемый между паровым котлом и турбиной.

^ Цикл Ренкина на перегретом паре. Данный цикл изображен в трех диаграммах состояния (рисунке 1.26).



Рисунок 1.26 – Цикл Ренкина на перегретом паре в -координатах (а), -координатах (б) и -координатах (в).

В котле в процессах 45 и 56 за счет подвода теплоты образуется сухой насыщенный пар. Из котла пар поступает в пароперегреватель, где за счет подвода теплоты он переходит в перегретый пар с параметрами точки 1 (процесс 61). Давление в процессах 45, 56 и 61 остается постоянным и равным . Далее перегретый пар поступает в турбину, где, адиабатно расширяясь (процесс 12), совершает полезную работу. Влажный насыщенный пар со степенью сухости охлаждается в конденсаторе (процесс 23) с отводом теплоты , далее образовавшаяся вода с температурой кипения насосом подается в котел (процесс 34), при этом ее давление с поднимается до .

Теплота в цикле подводится в процессах 45, 56 и 61 и может быть определена как разность энтальпии в начале и конце процесса подвода теплоты:

.

Теплота отводится в процессе 23 и также может определена как разность энтальпий:

.

Если пренебречь работой, расходуемой для привода насоса, величина которой незначительна, то работа цикла равна работе турбины :

.

Так как , тогда .

Термический КПД данного цикла может быть определен по формуле:

. (7.5)

Из формулы (7.5) видно, что термический КПД цикла Ренкина зависит от значений энтальпий пара до и после турбины, а также от значения энтальпии воды, находящейся при температуре кипения .

Основная литература 4.1 гл.6 стр.61-69.

Дополнительная литература 4.5 гл.7 стр.109-122.
Контрольные вопросы:

1. В чем состоит отличие циклов тепловых двигателей первой и второй группы?

2. Как изображается циклы ДВС в и -координатах?

3. Что называется степенью сжатия двигателя?

4. Какова зависимость термического КПД ДВС от степени сжатия двигателя?

5. Как изображается цикл газотурбинной установки и -координатах?

6. Как определяется термический КПД газотурбинной установки?

7. Как проводится цикл Карно насыщенного пара?

8. Как проводится цикл Ренкина насыщенного пара?

9. Как проводится цикл Ренкина на перегретом паре?

10. Как изображается цикл Ренкина на перегретом паре в трех диаграммах состояния?

11. Как определяется термический КПД цикла Ренкина на перегретом паре?

2. Модуль №2 «Теория теплообмена (теплопередача)»
^ ЛЕКЦИЯ №8. Теплопроводность

Конспект лекции

1. Основные понятия и определения
Теплообмен – это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем. Существует три различных вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц. Теплопроводность в чистом виде, как правило, встречается только в твердых телах. Так, в диэлектриках перенос теплоты путем теплопроводности осуществляется за счет распространения упругих волн колеблющихся атомов и молекул в металлах он связан с перемещением свободных электронов и колебаниями атомов кристаллической решетки.

^ Конвективный теплообмен – теплообмен при совместном протекании молекулярного и конвективного переноса теплоты (теплопроводности и конвекции). Конвекция – перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды. Конвективный теплообмен может быть в движущихся средах (жидкостях и газах).

^ Теплоотдача (конвективная теплоотдача) – конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом).

Теплопередача – процесс теплообмена между двумя теплоносителями (движущейся средой, используемой для переноса теплоты) через разделяющую их стенку.

^ Теплообмен излучением – теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).

Массообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем концентрации (химического потенциала).

Совокупность всех трех видов теплообмена называют сложным теплообменом. При этом каждый вид теплообмена изучают в отдельности, после чего возможно рассчитывать реальной сложной теплообмен.
^ 2. Теплопроводность при стационарном режиме
2.1. Температурное поле, температурный градиент, тепловой поток и закон Фурье

Температурное поле – совокупность значений температуры во всех точках тела (или пространства) для каждого момента времени.

В зависимости от времени теплообмена может быть: стационарным, если температурное поле не зависит от времени, нестационарным, если температурное поле меняется во времени.

В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры Т как в пространстве (x,y,z) так и во времени τ.

T=ƒ(x,y,z,τ), (8.1)
где x,y,z – координаты точки в пространстве, τ – время.

Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т.е. к нахождению уравнению (8.1). Уравнение (8.1) представляет математическое выражение температурного поля.

Градиент температуры – grad T есть вектор, направленный по нормали n к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению

gradT=∇T=lim(∆T∕∆n)= ðT∕ ðn, К∕м (8.2)

n→0

Градиент температуры направлен в сторону повышения температуры (рис.2.1)


Рис.2.1

Отношение количества теплоты dQ, проходящего через заданную поверхность, ко времени dτ называют тепловым потоком и обозначают dф и выражают в ваттах (Вт)

dф=dQ/dτ (8.3)
Отношение теплового потока dф к площади поверхности dF называют поверхностной плотностью теплового потока (или вектором плотности теплового потока), обозначают q и выражают в Вт/м2:

q=dф/dF=dQ/ dτ dF (8.4)
Связь между количеством теплоты dQ, проходящим через элементарную площадку dF, расположенную на изотермической поверхности, за промежуток времени dτ, и градиентом температуры gradT устанавливается законом Фурье, согласно которой
dQ=-λdF·gradT·dτ=-λdF·dτ(ðt / ðn) (8.5)

или с учетом (8.3) и (8.4), уравнение (8.5) принимает следующий вид
q=-λgradT (8.6)
где λ – коэффициент теплопроводности (Вт/м·K)

Уравнения (8.5 и (8.6) носит название основного уравнения теплопроводности или закона Фурье.

Минус в правой части (8.5 и ( 8.6) показывает, что в направлении теплового потока температуры убывает и gradT является величиной отрицательной. При этом вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону убывания температуры. Векторы q и gradT лежит на одной прямой, но направлены в противоположные стороны (рис.2.1)

Тепловой поток ф, прошедший сквозь изотермическую поверхность площадью F, находят из выражения
ф=-∫ λ(ðt / ðn) ∙dF (8.7)

F

Количество теплоты, прошедшее через эту поверхность в течение времени τ

τ

Q= -∫ ∫ λ(ðt / ðn) ∙d τ (8.8)

0 F

Нахождение температурного поля и составляет основную задачу аналитической теории теплопроводности.
^ 2.2 Дифференциальное уравнение теплопроводности и условия однозначности

При решении задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности, характеризующее изменение температуры в любой точке нагреваемого тела в зависимости от времени.
ðT / ðτ= λ/C∙ρ(ð2T / ðx2+ ð2T / ðy2+ ð2T / ðz2) (8.9)
Величину (ð2/ðx22/ðy22/ðz2) называют оператором Лапласа и обычно обозначают сокращенно ∇2; величину λ/C∙ρ называют температуропроводностью и обозначают буквой а, (м2/c).

При указанных обозначенных дифференциальное уравнение теплопроводности принимает вид

ðT / ðτ=a∇2T (8.10)
Уравнение (8.10) называется дифференциальным уравнением теплопроводности (или уравнением Фурье) для трехмерного нестационарного температурного поля.

Уравнение (8.10) устанавливает связь между временным и пространственным изменениями температуры в любой точке поля и является основным уравнением в процессе передачи теплоты теплопроводностью. Действительно, левая часть уравнения (8.10) характеризует скорость изменения температуры некоторой точки тела во времени, правая – пространственное распределение температуры вблизи этой точки.

Для того чтобы применить дифференциальное уравнение теплопроводности (8.10) к конкретному случаю, необходимо знать распределение температур в теле в начальный момент времени или начальные условия. Кроме того, должны быть известны: геометрическая форма и размеры тела, физические параметры среды и тела и граничные условия, характеризующие распределение температур на поверхности тела, или взаимодействие изучаемого тела с окружающей средой. Все эти частные особенности совместно с дифференциальным уравнением дают полное описание конкретного процесса теплопроводности и называются условиями однозначности (или краевыми условиями).

В общем случае начальное аналитически может быть записано следующим образом при τ=0, T=f(x,y,z).

Граничные условия – обычно задаются тремя способами:

Граничные условия первого рода задается распределением температуры на поверхности тела для любого момента времени T=f(x,y,z,τ).

Граничные условия второго рода задается поверхностной плотностью теплового потока в каждой точке поверхности тела для любого момента времени q=f(x,y,z,τ).

Граничные условия третьего рода задается температурой среды Tж, окружающей тело Тст, и законом теплоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой. На основании законов конвективного теплообмена (закона Ньютона-Рихмана) и теплопроводности (закона Фурье)
α(Тстж)=-λ (ðT / ðn)пов, (8.11)

где Тж – температура окружающей среды (жидкости); Тст – температура поверхности тела (стенки); α- коэффициент теплоотдачи; ((ðT/ðn)пов. – проекция градиента температуры на направление нормами к площади dF.
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