Теплоемкость, энтальпия и энтропия. Второй закон

Теплоемкость, энтальпия и энтропия.
Второй закон термодинамики
Энтальпия – термодинамическая функция, имеющая смысл полной энергии системы
h = u + P·υ,
[Дж/кг]
где u = сv·Т – внутренняя энергия, P·υ – упругостная энергия
Энтропия – параметр состояния, который характеризует
Меру ценности теплоты, еѐ
работоспособности
Меру потери работы из-за Меру беспорядка системы
необратимости реальных
процессов
Удельная энтропия:
ds = dq / T,
Энтропия не зависит от пути перехода
из одного состояния в другое,
а зависит только от параметров
состояния !
P
1
[Дж/(кг·К)]
Внутренняя энергия – совокупность всех видов
энергий, заключенной в теле или системе тел
.
Изменение внутренней
энергии не зависит от
пути перехода
из одного состояния в
другое !
P
1
2
2
υ
υ
∆U = U2 – U1
Термодинамические циклы
Цикл Карно
Цикл – совокупность замкнутых процессов
Цикл Карно – круговой цикл, состоящий из 2-х изотермических и 2-х адиабатных процессов
P
q1
4
T
Термический коэффициент полезного действия
q1
4
1
ηt = Lц / Qц = (Q1 – Q2) / Q1 = (Т1 – Т2) / Т1
1
T1=const
T2=const
3
q2
3
2
2
q2
υ
1-2 – обратимое адиабатное расширение.
s
2-3 – изотермическое сжатие, отвод теплоты q2 к холодному источнику от рабочего тела
3-4 – обратимое адиабатное сжатие.
4-1 – изотермическое расширение, подвод теплоты q1 от горячего источника к рабочему телу
Термодинамические циклы
Цикл двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Цикл Отто: с подводом теплоты при постоянном объеме (карбюраторные ДВС)
P
Диаграмма реального двигателя
q1 3
а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь
воздуха и паров горючего (нетермодинамичемкий процесс);
4
2
1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура);
2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро
возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q1);
q2
a
1
V
Т
q1
3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс,
совершается полезная работа);
3
4-1 – открывается выхлопной клапан и отработанные
газы покидают цилиндр давление цилиндра падает
(отводится тепло q2).
2
1
4
1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов
(нетермодинамичемкий процесс);
q2
S
Термический к.п.д. цикла Отто
t
= 1 – q2/q1 =1 cv T4 T1
cv T3 T2
где: ε = υ1/υ2 –степень сжатия;
k – показатель адиабаты,
сv – изохорная теплоемкость.
=1 – 1/
k
Термодинамические циклы
Цикл двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Цикл Дизеля: с подводом теплоты при постоянном давлении(компрессорные дизели)
PV Диаграмма цикла
P
1-2 – адиабатное сжатие (повышается температура);
2-3 – сгорание горючей смеси при постоянном давлении (подвод теплоты q1);
q1
3
2
4
3-4 – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа);
4-1 – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр
давление цилиндра падает (отводится тепло q2).
q2
1
υ2
υ3
υ1
V
Термический к.п.д. цикла Дизеля
k
t = 1 – q2/q1 = 1 cv
T4 T1
cp T3 T2
1
k
k 1
1
1
где: ρ = υ3/υ2 – степень предварительного расширения; k – показатель адиабаты,
сv – изохорная теплоемкость, сp – изобарная теплоемкость
Цикл Тринклера: смешанный подвод теплоты (V=const и P=const)
P
q1
3
1-2 – адиабатное сжатие (повышается температура);
2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном
объеме (подвод теплоты q1);
4
3-4 – сгорание горючей смеси при постоянном давлении (подвод теплоты q1);
5
2
q2
1
4-5 – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная
работа);
V 5-1 – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр
давление цилиндра падает (отводится тепло q2).
Термодинамические циклы
Термический к.п.д. цикла Тринклера
t
q2
1
q1
t
1
T5
1
q1 p
k 1
T3
T2
k
1
1
k
T1
k T4
T3
1
Принимают
ε = 10÷14
λ = 1,2÷1,7
ρ = 1,1÷1,5
где λ = P3/P2 – степень повышения давления
если ρ = 1, то цикл превращается в цикл Отто (v = const)
если λ = 1, то цикл превращается в цикл Дизеля (р = const)
Цикл паротурбинной установки
Схема ПТУ
Турбина
Пароперегре
ватель
Генератор
Конденсатор
Котел
Подогреватель
Насос
Питательный насос
Питательный бак
Принципиальная схема ПТУ показана на рис., процесс получения работы происходит в
следующим образом. В паровом котле и в перегревателе теплота горения топлива передается
воде. Полученный пар поступает в турбину, где происходит преобразование теплоты в
механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе . Отработанный пар
поступает в конденсатор, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом
отправляется в питательный бак , откуда питательным насосом сжимается до давления, равного
в котле, и подается через подогреватель в паровой котел
Цикл паротурбинной установки
1-2 – адиабатное (теор.) расширение пара в
турбине
Цикл Ренкина
КПД 31...33%
T
1-2д – действительное расширение пара в турбине
2-2’ - конденсация пара и отдача тепла
охлаждающей воде
2’-3 – адиабатное сжатие воды в насосе
1
QПОД
4
5
3-4 - нагревание воды до температуры кипения
Работа
т.4 – состояние кипящей воды в котле
3
2’
2
QОТВ
4-5 – парообразование в котле
2
д
S
5-1 – перегрев пара при постоянном давлении в
пароперегревателе
Термический к.п.д. цикла Ренкина
ηt = (q1 – q2)/q1
t
(h1 h2 ) (h3 h2' )
h1 h3
q1 = h1 – h3
q2 = h2 – h2’
Цикл теплофикационной паротурбинной установки
T
2
1
QПОД
1
3
Работа
4
9
6
8
7
5
6
3
QТ.П.
2’
5
QОТВ
2
4
Коэффициент использования теплоты
и
S
qпол q2
q1
1 – паровой котел; 2 – турбогенератор; 3 – тепловой потребитель; 4 – насос; 5 – регенеративные
подогреватели; 6 – питательный насос; 7 – конденсатор; 8 – конденсатный насос; 9 – пар из отборов
Qт.п. – теплота, отданная потребителю.
qпол – теплота, превращенная в турбине в механическую работу (контур 6-3-4-1-5-6)
q2 = Qт.п.
Цикл газотурбинной установки
Схема ГТУ
Цикл ГТУ
Г
К
1
2
ГТ
КС
2
газ
t
1
3
3
q1
2
lц
4
4
1
c p T4 T1
c p T3 T2
q2
4
1
q2
V
S
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;
КПД цикла ГТУ
q2
q1
Т
3
К – компрессор,
ГТ – газовая турбина,
КС – камера сгорания
1
q1
P
КПД 34...36%
1
1
k 1
k
2-3 – изобарный подвод теплоты (сжигание газовоздушной смеси в камере сгорания);
3-4 – расширение газов в турбине (совершение работы);
4-1 – изобарный отвод теплоты (отвод отработавших
газов в атмосферу);
где π = P2/P1 – степень повышения давления в компрессоре
Основы расчета теплообменных аппаратов
Типы теплообменных аппаратов
Теплообменный аппарат – устройство для передачи теплоты от одних тел к другим
Регенеративный
(горячий теплоноситель
отдает свою теплоту
аккумулирующему устройству,
которое периодически отдает
теплоту второй жидкости –
холодному теплоносителю,
т. е. одна и та же поверхность
нагрева омывается то
горячей,
то холодной жидкостью)
Рекуперативный
(теплота от горячей
к холодной жидкости
передается через
разделительную стенку,
при этом обе среды
движутся одновременно)
Смесительный
(передача теплоты
от горячей к холодной
жидкости происходит
при непосредственном
смешении обеих жидкостей
В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам
Перекрестный ток
Противоток
Прямоток
горячий теплоноситель
горячий и холодный
направление движения горячего и
движется
теплоносители
холодного теплоносителей
холодный
перпендикулярно
движутся навстречу
совпадают
движению холодного
друг другу
холодный
горячий
теплоносителя
холодный
горячий
горячий
Основы расчета теплообменных аппаратов
Расчет теплообменных аппаратов
Различают конструкторский и поверочный расчеты т/о аппаратов
Цель конструкторского расчета - определение поверхности теплообмена, необходимой для передачи
заданного количества тепла
Цель поверочного расчета - определение конечных температур теплоносителей при известных
геометрических размерах теплообменника
Основные расчетные уравнения:
Уравнение теплопередачи: Q = k·F·∆tср
где Q — тепловой поток, Вт; k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К),
F - поверхность теплообмена в аппарате, м2, ∆tср – средний температурный напор горячего и холодного теплоносителей
Уравнение теплового баланса Q
G1 c1 t1
t1
G2 c2 t2
t2
где G1, G2 – массовые расходы теплоносителей, кг/сек, c1 и c2 – средние массовые теплоемкости теплоносителей;
t1
и
t1
t 2 и t2
- температуры горячего теплоносителя при входе и выходе из
теплообменника соответственно;
- температуры холодного теплоносителя при входе и выходе из
теплообменника соответственно;
Основы расчета теплообменных аппаратов
Расчет теплообменных аппаратов
На изменение температур большое влияние оказывает схема
движения жидкостей
Температурный график
для аппаратов с прямотоком
t
t t
Б
t1′
t1″
tМ
Температурный график
для аппаратов с противотоком
t2
t
t1 t2
t1′
1
t1″
t 2″
t2″
t2′
t2′
tБ
tср
ln
tМ
tБ
tМ
F
F
tср
tБ
tМ
2
tБ
t1 t2
tМ
t1 t2
Термодинамический анализ процессов в компрессоре
Компрессор – устройство, предназначенное для сжатия газа.
По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы:объемные и лопаточные.
Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные,
а лопаточные – на центробежные и осевые (аксиальные).
Одноступенчатый поршневой компрессор
1-2а – адиабатное сжатие
1-2т – изотермическое сжатие
1-2п – политропное сжатие
А
В
P
P2
С
P2
T
2т 2п 2а
2п
T2п
D
P1
Теоретическая работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа
T2т=T2
P1
2а
T2а
2т
1
1
υ
S
- для изотермического процесса: Lт = Р1·υ1·ln(Р2/Р1);
- для адиабатного процесса: Lад = (Р2·υ2 – P1·υ1)/(k – 1) = k · P1·υ1[(Р2/Р1)(k – 1)/k – 1]/(k – 1);
- для политропного процесса: Lпол = (Р2·υ2 – P1·υ1)/(n – 1) = n·Р1·υ1[(Р2/Р1)(n – 1)/n – 1]/(n – 1).
Относительный внутренний КПД компрессора
Изотермический КПД (отношение работы, затраченной на привод компрессора при изотермическом сжатии к затраченной
работе действительного компрессора):
ln(
из
)
k
k 1
где
к
к
к
n 1
n
к
Адиабатный КПД(отношение работы, затраченной на
1
привод компрессора при адиабатном сжатии к затраченной
работе действительного компрессора):
P2 P1 - степень повышения давления
ад
к
k 1
k
n 1
n
1
k 1
k
1
n 1
n
Холодильная установка
Холодильная установка – установка, предназначенная для передачи тепла от менее нагретого тела к
более нагретому
Цикл установки
Т
1 – бак-аккумулятор;
2 – испаритель;
3 – компрессор;
4 – реле давления;
5 – вентили запорные;
6 – конденсатор;
7 – вентилятор;
8 – ресивер;
9 – теплообменник;
10 – вентиль терморегулирующий;
11 – фильтр-осушитель
1-2 – адиабатное сжатие
2
2-3 – изобарное охлаждение в
конденсатооре
q1
3
4
5
q2
1
3-4 – изобарно-изотермическая
конденсация
4-5
–
дросселирование
x=1
5-1 – испарение
s
Холодильный коэффициент
ε = q2/lк = (h1 – h5)/(h2 – h1)
lк – работа, затрачиваемая на привод компрессора
Компрессор поддерживает в испарителе низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения, за
счет отбора паров холодильного агента из испарителя.
Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого высокого давления, при котором
они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой с температурой 2030°С.Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом с
целью понижения температуры паров до температуры конденсации и конденсации насыщенных паров в
жидкое состояние. Ресивер создает запас жидкого холодильного агента, необходимый для обеспечения
равномерного питания им испарительной системы. Кроме того, ресивер является дополнительной емкостью
конденсатора, которая предотвращает переполнение последнего жидким холодильным агентом.
Теплообменник обеспечивает переохлаждение жидкого холодильного агента, поступающего к
терморегулирующему вентилю, и перегрев парообразного холодильного агента, поступающего из испарителя в
компрессор.Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т.п.)
холодильного агента и поглощает влагу, находящуюся в системе.Терморегулирующий вентиль предназначен
для дросселирования жидкого холодильного агента, поступающего в испаритель, и регулирования его расхода.
Дросселирование сопровождается понижением давления холодильного агента от давления конденсации до
давления кипения.
Показатели тепловой экономичности КЭС
WЭ
BQНР
брутто
КЭС
нетто
КЭС
bN
bNу
qс
B
WЭ
N N
BQНР
брутто
КЭС
1
Р
Н
Q
1 kСН
,
нетто
КЭС
0,123 кг у.т.
,
нетто
кВт ч
КЭС
Qс
WЭ
К ТГ ТР
1
брутто
КЭС
кг
кВт ч
К ТГ
– КПД брутто по выработке
электрической энергии
ТР СН
– удельный расход натруального топлива
для выработке электрической энергии
– удельный расход условного топлива
для выработке электрической энергии
– удельный расход теплоты
Показатели тепловой экономичности ТЭЦ
ТЭЦ
N
WЭ
BN QНР
– КПД по выработке электрической энергии
ТЭЦ
Q
Qотоп
BQQнр
– КПД по выработке тепловой энергии
у
N
b
у
Q
b
0,123 кг у.т.
,
нетто
кВт ч
КЭС
0,123
Q
– удельный расход условного топлива
для выработке электрической энергии
кг у.т.
0,123
,
;
кВт ч тепла
Q
кДж
ккал 106
с
3600
ч
4,187
143 кг у.т.
,
Гкал
Q
– удельный расход условного топлива
для выработке тепловой энергии
«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или
периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не
является следствием целенаправленной деятельности человека (энергия: ветра, солнца, водных
потоков на суше, морей и океанов, биомассы; торф).
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые
могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное
топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых
находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных
действий человека (ядерное топливо, уголь, нефть, газ)
Геотермальный источник:
парогидротерма – газопаровая смесь,
находящаяся в недрах земли
Гидроэнергетика
ГЭС – комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия водотока
преобразуется в электрическую энергию
ГЭС по установленной мощности делятся на
Малые 0,1- 30 МВт: Микро < 0,1 МВт, Мини 0,1 – 1 МВт, Малые 1 – 10 МВт;
Большие > 30 МВт
•
•
•
по напору делятся на
Низконапорные Н < 20 м;
Средненапорные Н = (20 – 100) м;
Высоконапорные Н > 100 м.
Схемы ГЭС
Деривационная
отвод воды из реки в
искусственное русло деривацию, имеющую
другую трассу и уклон, чем
естественное русло
Комбинированная
(плотинно-деривационная).
Плотинная :
-русловая (здание ГЭС входит в состав водоподпорных сооружений)
-приплотинная (здание ГЭС располагается за плотиной)
Характеристики водохранилища
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) –
кратковременный уровень подъема воды в
верхнем бьефе, который может быть допущен
при пропуске половодий и паводков
Верхний бьеф
ФПУ
Резервный объѐм
h
НПУ
Нормальный подпорный уровень (НПУ) –
наивысший уровень воды, который по условиям
устойчивости подпорных сооружений может
поддерживаться сколь угодно длительно
Полезный объѐм
УС (УМО)
Мертвый объѐм
Уровень наинизшей сработки (УС или УМО) –
минимальный уровень водохранилища при энергетическом
использовании.
Плотина
Глубина сработки
водохранилища (h) разность отметок между
НПУ и УМО называют
Мертвый объем –
объем воды, находящийся ниже
уровня сработки, не участвует в
регулировании стока
Резервный объем –
объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ,
используется для трансформации половодья и
паводка.
Полный объем при НПУ или емкость водохранилища
=
полезный объем
+
мертвый объем
Полный объем водохранилища при ФПУ
=
полезный объем
+
резервный объем
+
мертвый объем.
Полезный объем –
объем воды в водохранилище, заключенный между
19
НПУ и УМО, используемый для регулирования стока
Маркировка турбин
1. Вид (система) турбины.
ПЛ – поворотно-лопастная осевая
Д – диагональная
ПЛД – поворотно-лопастная диагональная
ПЛК – поворотно-лопастная капсульная
РО – радиально-осевая
Пр – пропеллерная осевая
ПрД – пропеллерная
диагональная
К – ковшовая
20
Турбина гидравлическая
ХХ
ХХ - ХХ - Х - Х
Обозначение системы гидротурбин
(ПЛ, РО, К и т.д.)
Предельный напор, при котором гидротурбина может
работать, м
(если после обозначения системы турбины стоит дробь, то в знаменателе
указывается тип проточной части, например, №№810, 548 и т.п.)
Расположение вала гидротурбины
(В – вертикальное, Г – горизонтальное)
Дополнительные признаки системы гидротурбин
(К – капсульная; 4, 6 и т.д. – число сопл ковшовой турбины гидротурбины;
М – металлическая или Б – бетонная спиральная камера; л – угол
наклона лопастей рабочего колеса, диагональной турбины, град.)
Типоразмер турбины (номинальный диаметр рабочего колеса, D1
21