Рабочая программа дисциплины "Теплотехника" (Общие методические указания к изучению дисциплины. Контрольные тесты для проверки знаний студентов), страница 6

Назад

Наверх

Далее

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет

© Центр дистанционного обучения

1.5. Термодинамические свойства и процессы реальных газов

В качестве реального газа рассмотрим водяной пар, который широко используется в теплоэнергетике. Паром называют реальный газ, находящийся в состоянии близком к конденсации. Фазовые превращения - парообразования и конденсация. Водяной пар получается при кипении или испарении воды. В процессе испарения парообразование происходит только на свободной поверхности жидкости. Это двухсторонний процесс. Процесс испарения происходит при любой температуре, она тем ниже, чем интенсивнее испарение, это свойство воды используется в холодильной технике. В процессе кипения пар образуется по всей массе жидкости. Кипение происходит при одной температуре, вполне определенной для данного давления. Эта температура называется температурой кипения или температурой насыщения (ts). В процессе кипения ts=const, причем чем выше р, тем выше ts. Рассмотрим процесс парообразования при р=const по стадиям. Допустим, что 1 кг воды при t=0°С заключен в цилиндр с подвижным поршнем, нагруженным давлением р (рис.16).

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image001.gif

Рисунок 16. Процесс получения перегретого пара а) начальное состояние v0, t при определенном давлении р больше равновесного, соответствующего температуре насыщения; б) вода, нагретая до температуры насыщения ts, называется насыщенной жидкостью, удельный объем при этом увеличивается до v' ; в) постепенно вода переходит в пар с объемом vх и смесь жидкости и пара при ts называется влажным насыщенным паром. Такое состояние может быть определено, если известна степень сухости пара (паросодержание), которая обозначается х и изменяется от 0 до 1 (или степень влажности (влагосодержание), которая обозначается 1 - х). Степень сухости - массовая доля су-хого насыщенного пара во влажном паре:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image003.gif

г) продолжаем нагревать, и наступит момент когда вся жидкость перейдет в пар, который при ts и v'' называется сухим насыщенным паром; д) если продолжать подводить теплоту, то удельный объем увеличивается до v и его температура до t, сухой насыщенный пар становится перегретым, т.е. пар при t > ts называется перегретым. Переход от состояния кипящей жидкости к сухому насыщенному пару требует затраты теплоты, называемой теплотой парообразования (r). В этом состоянии пар применяется как рабочее тело в паровых двигателях. Рассмотрим этот же процесс парообразования при р=const в р,v - диаграмме (рис.17). Параметры при этом: в точке 1 жидкость при t=0°С, v0, s0, t0; в точке 2 насыщенная жидкость - v', s', ts; в точке 3 влажный насыщенный пар - vх, sх, ts; в точке 4 сухой насыщенный пар - v", s", ts; в точке 5 перегретый пар - v, s, t.

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image008.gif http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image006.gif Рисунок 17. р,v - диаграмма водяного пара. Рисунок 18. T,s - диаграмма во-дяного пара.

Обозначение с индексом "штрих" соответствуют более высокому давлению. С возрастанием давления температура кипения ts повышается, удельный объем кипящей воды увеличивается, а удельный объем сухого насыщенного пара уменьшается. Аналогичные построения можно сделать и при других давлениях. Соединив соответственно точки 2 и 4 между собой, получим две кривых сходящихся в одной точке. Кривые 2-К и 3-К пограничные кривые (левая и правая соответственно). Точка К, в которой сходятся пограничные кривые называется критической точкой, а параметры, соответствующие этой точке, критическими. Для воды они равны рк=22,1 МПа; tк=374,10С; vк=0,003 м3/кг. При уменьшении давления правая пограничная кривая сближаются и при определенном давлении пересекаются в точке М, которая называется тройной точкой. Таким образом вся р,v - диаграмма разделена на следующие области: слева от линии 2-К - область ненасыщенной жидкости; между 2-К и К-3 - область влажного насыщенного пара; справа от линии 3-К - область перегретого пара. Такой же процесс можно построить и в Т,s - диаграмме (рис.18). Точка 1, лежащая на оси Т, соответствует начальному состоянию. Процесс 1-2 подвод теплоты, а точка 2 характеризует насыщенную жидкость (х=0) при р=const. Процесс получения сухого насыщенного пара характеризует отрезок 2-3, причем изобара совпадает с изотермой. Точка 3 (х=1) - сухой насыщенный пар; 3-4 - процесс перегрева пара и точка 4 - перегретый пар. Таким образом, кривая 1-2-3-4 представляет процесс получения перегретого пара из воды при 0°С. Области на диаграмме по аналогии с р,v - диаграммой. Т,s - диаграмма очень наглядна и позволяет определить, сколько теплоты необходимо подвести для получения перегретого пара. Площадь под процессом 1-2 равна количеству теплоты для получения насыщенной жидкости и т.д. Наибольшее распространение получила на практике h,s - диаграмма для водяного пара (рис.19). На основе табличных данных наносят пограничные кривые, которые вместе с критической точкой К, также делят ее на три области. За начало координат принято состояние воды в тройной точке (s0=0, h0=0). Большое достоинство состоит в том, что количество теплоты (при р=const) изображено отрезками.

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image015.gif Рисунок 19. h,s - диаграмма водяного пара.

Основные термодинамические процессы водяного пара. Для анализа работы паросиловых установок существенное значение имеет изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Расчет этих процессов чаще производят с помощью h,s - диаграммы, это более просто и наглядно. По известным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем проводится линия процесса и определяются его параметры в конечном состоянии. Затем вычисляются изменение внутренней энергии, количества теплоты и работы. Рассмотрим различные процессы получения перегретого пара из влажно-го насыщенного. Изохорный процесс. Известны начальные параметры пара р1 и х1 и конечная температура Т2 (рис.20). На пересечении параметров р1=const и х1=const найдем точку 1, характеризующую начало процесса. По линии v=const пар нагревается до состояния точки 2, которая лежит на пересечении изохоры 1-2 с линией заданной конечной Т2. Спроецировав точки 1 и 2 на оси, находим значение h и s и все остальные неизвестные параметры. Затем находим:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image017.gif В изохорном процессе http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/MO0AFC%7E1.GIF=0 , значит:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image021.gif

Изобарный процесс. Известны начальные параметры р1, х1 и конечная Т2 (рис. 21). Точку 1 строим по аналогии с изохорным процессом. По линии р=const пар перегревается до состояния точки 2, которая лежит на пересечении изобары 1-2 с линией Т2=const. Определяем по диаграмме все параметры и находим:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image023.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image027.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image031.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image029.gif http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image025.gif Рисунок 20. Изохорный процесс водяного пара. Рисунок 21. Изобарный процесс водяного пара.

Изотермический процесс. Известны начальные параметры р1 и х1 и конечное давление р2 (рис. 22). На пересечении р1 и х1 - точка 1, по линии Т=const пар становится перегретым - точка 2, которая находится на пересече-нии изотермы 1-2 с линией р2=const, затем находим:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image033.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image035.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image037.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image038.gif http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image041.gif Рисунок 22. Изотермический процесс водяного пара.  Рисунок 23. Адиабатный процесс водяного пара.

Адиабатный процесс. По известным параметрам р1 и х1 находим точку 1 и затем по линии постоянной энтропии s=const до заданного р2=const - точка 2 (рис. 23). Таким образом, 1-2 - адиабатный процесс. Определяем неизвестные параметры и находим:

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image043.gif

http://www.kgau.ru/distance/fmsh_08/teplotehnika-110301/img/clip_image045.gif

Теплота в процессе, как известно, равна нулю (q = 0).