1. Энергоресурсы и энергоноситель
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
7. Теплофизические и эксплутационные характеристики твёрдых, жидких, газообразных. Бензин представляет собой смеси углеводородов. Теплофизические свойства: диапазон температур 40-200 0 С; эксплуатационные свойства: прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионная активность. Дизель получают из фракций прямой перегонки нефти. Теплофизические свойства: диапазон температур для Л 0 0 С и выше, для З -20 0 С и выше, для А -50 0 С и выше. Важные эксплуатационные важные свойства: испаряемость дизельного топлива, воспламеняемость, низкотемпературные свойства. Спирты имеют большое октановое число, чем у бензинов. Однако у них низкая теплота сгорания, коррозионность, высокая теплота испарения и гигроскопичность. Эфиры имеют высокое цетановое число, а из-за наличия кислорода при сгорании мало склонен к дымлению. Синтетические топлива получаются из каменного угля и природного газа в виде синтетических бензинов и дизельных топлив. По сравнению с традиционными, у них меньшая теплота сгорания, большее содержание серы и соединений азота и выше температура застывания. Водотопливные эмульсии существенно уменьшают содержание в ОГ оксидов азота и сажи, а также повышают эффективность использования дизельных топлив. Эмульсии за счёт улучшения смесеобразования с воздухом из-за “микровзрывов” капель воды уменьшают температуру пламени, повышают полноту сгорания. Однако эмульсии склонны к расслоению с топливом, поэтому их невозможно использовать при низких температурах. 8. Теплоёмкость газов и их смесей. Теплоёмкость системы (рабочего тела) в общем случае называется количество теплоты, необходимой для повышения температуры системы на 1 К или 1 0 С в определённом термодинамическом процессе. Полная теплоёмкость С измеряется в Дж/К. Чтобы использовать теплоёмкость в качестве теплофизического параметра вещества, её относят к какой-либо единице вещества (массе, количеству, объёму), а также в общем случае указывают тип процесса, в котором происходит подвод теплоты к Рабочему телу. В зависимости от выбранной единицы измерения количества вещества (1кг, 1 кмоль, 1 м3) различают следующие виды удельной теплоёмкости: массовую теплоёмкость с, Дж/(кг*К); молярную теплоёмкость cή, Дж/(кмоль*К); объёмную теплоёмкость c’, Дж/(м3*К). Объёмную теплоёмкость определяют для объёма, взятого при нормальных физических условиях (НФУ). Указанные теплоёмкости взаимосвязаны следующими формулами для определения видов удельной теплоёмкости: где vή- объём одного киломоля при НФУ, vή=22,4 м3/кмоль; ρ0-плотность рабочего тела при НФУ, кг/м3; ή- молярная масса рабочего тела, кг/моль. 9. Уравнение состояния. cp-cu=R или cήp-cήu=Rή. Теплоёмкость зависит от вида процесса. К характерным теплоёмкостям относятся изохорная теплоёмкость cu (в процессе при u=const) и изобарная теплоёмкость cp (в процессе при p=const). Для идеального газа связь между этими теплоёмкостями определяется уравнением Майера. Теплоёмкость двух и более атомных газов зависит от температуры: с увеличением температуры Название процесса Показатель политропы n Теплоёмкость c процесса, Дж/(кг * К) Уравнение процесса p= p(v) Соотношения Между параметрами Политропный n= 0…+-∞ C=c u *((n-k)/(-1) Pu n = const P2/p1=(v1/v2) n T2/T1=(v1/V2) n-1 T2/T1=(p2/p1) n- 1/n Изохорный n= +- ∞ (-∞)→dp>0 (+∞)→dp<0 C=c u U=const p2/p1=T2/T1 Изобарный N=0 C=c p P=const v2/v1=T2/T1 Изотермический N=1 C=+-∞ T=const P2/p1=v1/v2 Адиабатный (изоэнтропический ) N=k C=0 Pu k =const P2/p1= (u1/u2) k T2/T1=(u1/u2) k-1 T2/T1=(p2/p1) k- 1/k 10. Термодинамические процессы. Изменение внутренней энергии во всех процессах определяют по одному и тому же уравнению, которое для 1 кг рабочего тела записывается в виде: ∆u=c u (T 2 -T 1 ) 11. Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики есть частный случай всеобщего закона сохранения энергии, в соответствии с которым энергия не исчезает и не создаётся вновь, она может лишь передаваться от одного тела к другому или превращаться из одного вида в другой в равных количествах. В соответствии с первым законом термодинамики в закрытой термодинамической системе алгебраическая сумма изменения энергетических составляющих системы равна нулю. В общем случае в систему могут входить следующие энергетические составляющие: энергия в форме теплоты Q; внутренняя энергия U, равная внутренней кинетической энергии определяемой тепловым движением микрочастиц, и внутренней потенциальной энергии, зависящий от сил взаимодействии микрочастиц, U=Uкин+Uпот. Для идеального газа внутренняя потенциальная энергия равна нулю и тогда U=Uкин. Для идеального газа изменение внутренней энергии определяют по выражениям: для 1 кг ∆u=cu(T2-T1); для M кг ∆U=cuM(T2-T1); для 1 кммоля ∆u=cήu(t2-T1); для N кмолей ∆U=cήuN(T2-T1). 12. Показатели цикла тепловой машины. Цикл Карно. Прямые циклы оцениваются по энергетической эффективности и экономичности. Энергетическая эффективность цикла, определяющая размеры тепловой машины, не может оцениваться работой за цикл, так как она может совершаться и в большем и в меньшем рабочем объёме. Естественно, чем меньше рабочий объём, в котором совершается цикл, тем больше энергетическая эффективность цикла. Критерием такой оценки цикла является среднее давление цикла pt Па, которое равно отношению работы цикла к рабочему объёму цилиндра (разности максимального и минимального объёмов рабочего тела): или ; где pt выражено в Па; lц и Lц – соответственно удельная (Дж/кг) и полная (Дж) работа цикла; umax, umin и Vmax, Vmin – соответственно максимальные и минимальные значения удельных (м3/кг) и полных (м3) объёмов рабочего тела в данном цикле. Среднее давление pt представляет собой условное постоянное избыточное давление, при котором с изменением объёма рабочего тела от минимального до максимального значения совершается работа, равная работе за цикл. Среднее давление pt представляет собой условное постоянное избыточное давление, при котором с изменением объёма рабочего тела от минимального до максимального значения совершается работа, равная работе за цикл. Геометрической интерпретацией среднего давления цикла pt является высота прямоугольника с основанием (umax - umin), площадь которого численно равна работе цикла lц. Экономичность прямых циклов оценивается их термическим коэффициентом полезного действия (КПД) ήt, представляющим собой отношение работы цикла к подведённой в нём теплоте: Самым экономичным является цикл, предложенный С.Карно в 1824 г. И получивший впоследствии его имя. Цикл состоит из двух изотермических и двух изотермических и двух адиабатных обратимых процессов при наличии двух источников теплоты: горячего и холодного. Прямой обратимый цикл Карно состоит из следующих процессов: 4-1- изотермическое сжатие (Т2=const); 1-2 – адиабатное сжатие (dq=0); 2-3 – изотермическое расширение (T=const); 3-4 – адиабатное расширение (dq=0). В этом цикле теплота q1 подводится от горячего источника, теплота q2 отводится в холодный источник. По определению термический КПД Из анализа цикла Карно можно сделать следующие выводы: Для превращения теплоты в работу необходима разность температур, поскольку при T1=T2 величина КПД ήt=0 и lц=ήtq1=0. Значение ήt возрастает с увеличением T1 и уменьшением T2 (при увеличении разности температур). Достижение Т<0 невозможно, иначе ήt>1, что противоречит первому закону термодинамики. Полное превращение q1 в работу невозможно, поскольку при полном превращении q1 в работу ήt=1. Теоретически такое может быть при T1=∞ или Т2=0, что практически недостижимо. Несмотря на высокую экономичность, цикл Карно в тепловых двигателях не реализуется по следующим причинам: невозможность практического осуществления изотермических процессов с идеальным газом; малое значение среднего давления цикла pi вследствие осуществления работы lц цикла при значительном рабочем объёме цилиндра. Цикл Карно имеет большое значение, поскольку: во-первых на его основе при данной разности температур можно определить максимально возможную степень полезного использования теплоты , а также в сравнении с ним можно судить о степени совершенства циклов; во-вторых, цикл играет большую роль в установлении основных положений второго закона термодинамики. 13. Цикл теплового двигателя с подводом теплоты при постоянном объёме. 14. Цикл теплового двигателя со смешанным подводом теплоты. https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 2 из 12 А. Процесс цикла Отто. В этом цикле вся теплота q1 подводится в изохорном процессе 3- 2, а в процессе 4-1 происходит изохорный отвод теплоты q2. Количество подводимой теплоты q1=cu(Tz-Tc)=cu*Ta*ὲ k-1 (λ-1); Количество отводимой теплоты q2=сu(Tb- Ta)=cuTa(λ-1); Термический КПД ήt= 1- ; Среднее давление цикла pt= Основными параметрами процессов этих циклов являются: степень сжатия ὲ - отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сжатия, ὲ=Va/Vc; степень повышения давления λ-отношение давления в верхней мёртвой точке цикла после подвода теплоты при u=const к давлению конца процесса сжатия, λ=pz/pc (для цикла Дизеля λ=1); доля теплоты q1’, подводимой в изохорном состоянии, ко всей подводимой теплоте q1(в изохорном (q1’) и изобарном (q1’’) процессах), xv= q1/q1 (в циклах Дизеля xu=0, Тринклера 0 Б. Процесс цикла дизеля. В этом цикле вся теплота q1 подводится в изобарном процессе 2-3, а в процессе 4-1 происходит изохорный отвод теплоты q2. Основными параметрами процессов этих циклов являются: степень сжатия ὲ - отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сжатия, ὲ=Va/Vc; степень повышения давления λ-отношение давления в верхней мёртвой точке цикла после подвода теплоты при u=const к давлению конца процесса сжатия, λ=pz/pc (для цикла Дизеля λ=1); доля теплоты q1, подводимой в изохорном состоянии, ко всей подводимой теплоте q1(в изохорном (q1) и изобарном (q1) процессах), xv= q1/q1 (в циклах Дизеля xu=0, Тринклера 0 15. Виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение. Теплообмен естьсамопроизвольный процесс переноса теплоты, возникающий в пространстве при наличии неоднородности в нем температурного поля. Этот процесс согласновторому закону термодинамикинеобратим и теплота переносится от более нагретой зоны ТДС к менее нагретой. Интенсивность теплообмена определяется: перепадом температур; формой и размерами; физическими свойствами ТДС и их агрегатным состоянием; временем протекания процесса. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температур в каждой точке рассматриваемой ТДС Если эти температуры остаются с течением времени неизменными, то такой теплообмен называется стационарным или установившимся, а температура определяется лишь координатой конкретной точки пространства. Поверхность, проходящая через точки, имеющие одинаковую температуру, называется изотермической, а ее сечение плоскостью дает на ней линию постоянной температуры - изотерму. 1.2. Параметры для описания процессов теплообмена Количественное описание процессов теплообмена определяется следующими величинами. è Температура (T, К) характеризует тепловое состояние в конкретной точке ТДС. Она является мерой интенсивности теплового движения микрочастиц и определяет направление самопроизвольного теплообмена между отдельными зонами ТДС. Она может усредняться для конкретной поверхности или объема. ‘ è Перепад температур ( T, К) задается между двумя конкретными точками, è Градиент температуры есть предел отношения перепада температур ΔTк расстояниюΔn (по нормали)между изотермическими поверхностями при (рис. 1.1) , К/м. Градиент температуры является вектором, направленным в сторону большей температуры. Чем меньше расстояние Δn тем выше градиент, а следовательно больше поток теплоты. è Количество теплоты (Q, Дж). è Тепловой поток (мощность теплового потока) Q (Q=Q/ , Дж/с=Вт) - количество теплоты, передаваемое в единицу времени. è Плотность теплового потока q (q=Q/( A)=Q/A, Вт/м 2 ) есть количество теплоты, передаваемое через единицу поверхность в единицу времени или тепловой поток передаваемый через единицу поверхности. 1.3. Виды переноса теплоты В зависимости от особенностей теплового движения среды с неоднородным распределением температуры выделяют следующие виды переноса теплоты. è Теплопроводностьпредставляет собоймолекулярный перенос теплоты за счет движения микрочастиц. è Конвекция обеспечивает перенос теплоты конечными объемами и массами вещества за счет движения жидкой или газообразной среды. è Теплообмен излучением последовательно включает: переход внутренней энергии тела (вещества) в электромагнитную энергию излучения, перенос этого излучения электромагнитными волнами в пространстве к другому телу (веществу), преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию этого тела (вещества). В природе обычно встречаются различные комбинации этих видов теплообмена. è Конвективный теплообмен – теплообмен при совместном протекании теплопроводности и конвекции - молекулярного и конвективного переноса теплоты. è Теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердого тела, жидкости или газа). è Теплопередача – передача теплоты между двумя движущимися жидкими или газовыми средами (теплоносителями) через разделяющую их стенку. è Радиационно-конвективный теплообмен (сложный теплообмен) – передача теплоты совместно теплопроводностью, конвекцией и излучением. 16. Теплопроводность. Теплоизоляция. Теплопроводность -процесс молекулярного переноса теплоты посредством движения микрочастиц. В чистом виде он проявляется в твердых веществах с малым коэффициентом термического расширения. Описывается эмпирическим законом Фурье: , Втили , Вт/м 2 где - коэффициент теплопроводности имеющий размерность Вт/(м К); А - площадь; Т - температура. количественно равен тепловому потоку (Вт), проходящему через единицу площади теплопередающей поверхности (м 2 ) при единичном градиенте температуры (К/м). Знак «минус» в уравнении Фурье учитывает противоположные направления теплового потока и градиента температур. зависит от: химического и физического строения вещества; структуры и агрегатного состояния (для воды λ = 0,57…0,68, для снега =0,10 (свежий) …0.46 (уплотненный), для льда – 2,2…2,5 Вт/(м·К)); температуры; влажности; ряда других факторов. Максимальные значения имеют чистые металлы, а минимальные - газы. ➢ Процесс теплопроводности газов состоит во взаимном обмене энергией молекул при их соударениях. г = 0,005…0,5 Вт/(м К) С ↑ t→ ↑ г Теплопроводность жидкости осуществляется в результате обмена энергией при соударениях молекул и переноса энергии диффундирующими молекулами. ж = 0,1…1 Вт/(м К). С ↑ t→ ↓ ж (Исключение - вода и глицерин). В газах и в жидкостях теплота передается теплопроводностью в чистом виде в очень тонких их слоях. При росте толщины слоя газа или жидкости обычно возникает конвекция. ➢ Твердые вещества по теплопроводящим свойствам делятся на: теплоизоляционные с < 5 Вт/(м К) при t=0 ° С; теплопроводящие. С ↑ t → ↑ теплоизоляционных веществ. По происхождению теплоизоляционные материалы могут быть: ò неорганическими(окислы алюминия, магния и других металлов, соли и карбонаты (известковые породы, мел, магнезит, минералы, асбест), а также шлаки, глины, пески, и т.д.); ò органическими (шерсть, хлопок, дерево, кожа, резина и т.д.). Используют в области температур, не превышающих +150 ° С; ò смешанными, состоящими из органических и неорганических веществ. На теплоизоляционные свойства материалов влияет: ò пористость. С ↑ пористости → ↓ → ↑ количество газовых включений в ячейках структуры материала → ↓ . диэлектрических материалов (стекло) > пористых материалов (стекловолокно); ò влажность. С ↑ доли воды в порах материала ↑ , ( воды > газов). ò температура. С ↑ t → ↑ у большинства теплоизоляционных материалов. При t > 1300 ° С тепловые изоляторы становятся проводниками теплоты. Передача теплоты в металлах и сплавах осуществляется свободными электронами «электронным газом» и упругими колебаниями атомов в узлах решетки. металлов имеет достаточно широкий диапазон: Hg - 7,8; Ti - 15,8; Pb – 35, сталь – 45; Al – 204; Au – 250; Cu – 380; Ag – 458 Вт/(м К). С ↑ t → ↓ металлов (за исключением алюминия и некоторых сплавов) |