КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Задача 1. Для идеального цикла ГТУ с подводом теплоты при р=const определить параметры характерных точек, работу расширения, сжатия и полезную, количество подведенной и отведенной теплоты, термический КПД цикла. Начальные параметры рабочего тела: р₁=0,1МПа; T₁=300К; степень увеличения давления в компрессоре при адиабатном процессе сжатия β=р₂/р₁=10; показатель адиабаты k=1,4. Температура в точке 3 не должна превышать 1000К; рабочее тело – воздух; теплоемкость воздуха постоянная.

Задача 2. В цикле газовой турбины с подводом теплоты при υ=const начальные параметры рабочего тела р₁=0,1 МПа и T₁=300К. Степень увеличения давления при адиабатном сжатии β=р₂/р₁=10; k=1,4. Температура в точке 3 не должна превышать 1000К. Рабочее тело – воздух; теплоемкости постоянные. Определить параметры основных точек, удельную работу расширения, сжатия и полезную, удельное количество подведенной и отведенной теплоты, термический КПД цикла.

Задача 3. Определить термический КПД идеального цикла ГТУ, работающего с подводом теплоты при р=const, а также термический КПД действительного цикла, т.е. с учетом необратимости процессов расширения и сжатия в турбине и компрессоре, если внутренние относительные КПД турбины и компрессора η_турб=0,88 и η_комп=0,85. Для этой установки известно, что t₁=20^оС, степень повышения давления в компрессоре β=6; температура газов перед соплами турбины t₃=900^оС. Рабочее тело обладает свойствами воздуха, теплоемкость его постоянна, показатель адиабаты принять равным k=1,4.

ВОДЯНОЙ ПАР

Основные понятия и определения

Водяной пар нашел широкое использование в различных отраслях народного хозяйства. Он применяется в качестве рабочего тела в паросиловых установках, выполняет роль теплоносителя в различного рода теплообменных аппаратах, используется в технологических целях и т.д. Обычно под водяным паром принимают газообразное состояние воды. Однако в общем случае это понятие имеет более широкий смысл. Согласно общепринятой в науке и технике терминологии различают влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый пар. Влажный насыщенный пар представляет из себя парожидкостную систему, состоящую из жидкой и газовой фаз, находящихся в термодинамическом равновесии ( ). Под сухим насыщенным паром понимают систему¸ состоящую лишь из газовой фазы и имеющую температуру насыщения (кипения). Перегретый водяной пар – это газообразное состояние воды при температуре выше температуры насыщения. Наиболее полное понятие о свойствах парожидкостных систем и закономерностях процесса парообразования может быть получено с помощью термодинамических диаграмм. Одной из таких диаграмм является диаграмма Р-υ, представленная на рис. 18.

Рис. 18. Изображение процесса образования водяного пара в Р-υ диаграмме

В этой диаграмме по опытным данным нанесены изотерма жидкости при t = 0ºC (1 – 1), а также так называемые нижняя (х = 0) и верхняя (Х = 1) пограничные кривые. Точки линии 1 – 1 соответствуют состоянию воды при 0 ºС и различных давлениях. Точки лини Х = 0 характеризуют состояние жидкости при температуре кипения (насыщения), соответствующей данному давлению. Наконец, точки верхней пограничной кривой (Х = 0) отражают состояние сухого насыщенного пара. Линии изотермы ноля жидкости, Х = 0 и Х = 1и делят поле диаграммы на следующие области. Область «а» характеризует твердофазное состояние воды (лед). Точки области «б» показывают состояние воды, температура которой ниже температуры насыщения. Область «в» является областью влажного насыщенного пара. Точки области «г» соответствуют состоянию перегретого пара. На практике получение водяного пара обычно осуществляют в процессе при постоянном давлении. В Р – υ диаграмме процесс парообразования при заданном давлении изображается прямой линией (Р = const). Участок 1 – 2 этой линии характеризует процесс нагревания жидкости от 0 ºС до температуры кипения. Отрезок 2 – 3 соответствует процессу непосредственного парообразования, т.е. переходу воды в сухой насыщенный пар. Участок 2 – 3 характеризует процесс перегрева пара. Экспериментальными исследованиями установлено, что процесс парообразования (участок 2 – 3) протекает при постоянной температуре, равной температуре насыщения. Таким образом, это процесс является не только изобарным, но и изотермическим.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг воды, взятой при температуре кипения, в сухой насыщенный пар, называют скрытой теплотой парообразования r. Значение скрытой теплоты парообразования, как и значение температуры насыщения, зависит от давления, при котором производится процесс получения пара.

Важной характеристикой влажного насыщенного пара является степень сухости – Х. Под степенью сухости понимают отношение массы паровой фазы во влажном насыщенном паре к массе всей системы, т.е.:

, (7.1)

где , - соответственно массы пара и жидкости, кг.

Очевидно, что значение степени сухости может изменяться от 0 до 1. При = 0, Х = 0, что соответствует жидкости при температуре насыщения. В случае = 0, Х = 1 имеем сухой насыщенный пар.

7.2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОДЯНОГО ПАРА

В технической литературе термодинамические параметры характерных состояний парожидкостной системы (υ - удельный объем, U- внутренняя энергия, h - энтальпия, S - энтропия) принято обозначать следующим образом:

- параметры жидкости при 0 ºС;

- параметры жидкости при температуре насыщения;

- параметры сухого насыщенного пара;

- параметры влажного насыщенного пара;

- параметры перегретого пара.

Значения термодинамических параметров кипящей жидкости, сухого насыщенного пара и перегретого пара обычно находят с помощью таблиц. Сокращенные таблицы для насыщенного пара даны в приложении. Определение значений термодинамических параметров влажного насыщенного пара осуществляется с помощью таблиц и следующих расчетных формул:

; (7.2)

; (7.3)

; (7.4)

. (7.5)

При анализе и расчете термодинамических процессов водяного пара часто используют диаграмму h - S, представленную на рис. 19.

В этой диаграмме по опытным данным нанесена верхняя пограничная кривая Х = 1. Линия Х = 1 делит поле диаграммы на две области. Верхняя область характеризует состояние перегретого пара. Область, расположенная ниже линии Х = 1, характеризует состояние влажного насыщенного пара. В этой области нанесены линии постоянной степени сухости Х = 0,95; Х = 0,9 и т.д. В диаграмме по опытным данным нанесены изобары, изотермы и изохоры. Поскольку процесс парообразования является и изобарным и изотермическим, то в области влажного насыщения пара линии Р = const и Т = const совпадают. В области перегретого пара изотерма отклоняется от изобары.

Рис. 19. h – S диаграмма водяного пара