Энергетические установки и тепловые двигатели. Исследование политропного процесса сжатия воздуха в одноступенчатом компрессоре

• Название: Исследование политропного процесса сжатия воздуха в одноступенчатом компрессоре
• Анкор: Энергетические установки и тепловые двигатели
• Дата: 01.10.2022
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: Энергетические установки и тепловые двигатели.doc
• Тип: Курсовая; #708632

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА»

Кафедра «Энергетические установки и тепловые двигатели»

Дисциплина «Теплотехника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНОГО ПРОЦЕССА СЖАТИЯ ВОЗДУХА В ОДНОСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ. »

Выполнил: студент гр. 15-КС-1

Бормотов А.Д.

Проверил: Крайнов А.А.

Нижний Новгород, 2017 год

Содержание:

Стр.

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Первый закон термодинамики……...……..…………………………………...6

1.1 Политропный процесс и объемный компрессор.............……………..........7

1.2 Исследование политропного процесса сжатия в компрессоре………….....8

1.3 Графики............................................................................................................13

Введение

Термодинамика – наука, занимающаяся установлением связей между теплотой, работой и изменением состояния системы тел.

Термодинамика подразделяется на:

• 
  Техническая термодинамика (общая теория тепловых машин и апаратов)
  
• 
  Химическая термодинамика
  
• 
  Физическая термодинамика
  

Техническая термодинамика:

1) Тепловые двигатели:
а) Двигатели внутреннего сгорания
б) Газотурбинные двигатели
в) Паротурбинные двигатели

2) Холодильные машины

3) Тепловые насосы

Основная задача технической термодинамики решить вопрос о получении наибольшей работы за счет заданного количества теплоты.

КПД тепловых двигателей рассчитывается по формуле:



Где: L – механическая работа.
Q – теплота.
Для холодильных машин:


Где:   - холодильный коэффициент.
Для тепловых машин:


Где:   – отопительный коэффициент.

Рабочее тело – вещество с помощью которого совершаются процессы совершения работы и переноса теплоты. Рабочими телами являются газы и пары.

Термодинамическая система – рабочее тело рассматриваемое в определенных границах.
Все тела за пределами этих границ являются окружающей средой.
Если рабочее тело рассматривается во взаимодействии с окружающей средой, то система называется расширенной.
В технической термодинамике системы подразделяются на:

• 
  Изолированные – система через границу которой не передается ни теплота, ни работа, не масса рабочего тела.
  
• 
  Закрытые - система через границу которой может передаваться теплота и работа, а масса рабочего тела границ не пересекает.
  
• 
  Открытая - система через границу которой может передаваться теплота, работа и масса рабочего тела.
  

Термодинамическое свойство – любая физическая величина изменения которой зависят только от начального и конечного состояния системы.
Термодинамические свойства подразделяются на:

• 
  Интенсивные – не зависящие от массы рабочего тела.
  
• 
  Экстенсивные – зависящие от массы рабочего тела.
  

Термодинамический процесс – изменение состояния системы заключающиеся в последовательном прохождении ее через рад состояний.

Процессы бывают:

• 
  Обратимые.
  
• 
  Не обратимые.
  

Термодинамический процесс называется обратимым если он может быть проведен в прямом и обратном направлении и при этом все изменения системы происходящие в прямой части в точности обращаются в обратной части, а в окружающих систему телах нет никаких изменений.

Причины необратимости термодинамических процессов:

• 
  Самопроизвольный переход теплоты от тел более нагретых к телам менее нагретым.
  
• 
  Неупругий удар и трение.
  
• 
  Самопроизвольный переход жидкостей или газов из области более высокого давления в область более низкого давления без совершения механического движения.
  
• 
  Самопроизвольная диффузия газов.
  

Обратимость – критерий совершенства термодинамического процесса.
Энергия – мера количественной оценки различных форм движения материи.

Виды энергии:

• 
  Механическая.
  
• 
  Химическая.
  
• 
  Ядерная.
  
• 
  Электромагнитная.
  
• 
  Термическая.
  

В закрытой системе под термической энергией понимается внутренняя энергияU[Дж]


В открытой систем под термической энергией понимается энтальпия  .




Способы обмена энергией:

Совершение работы одного тела над другим  .


Теплота .


Теплоемкость – физическое свойство тела измеряемое количеством теплоты затрачиваемом на нагрев единицы количества вещества на 1 кельвин.

Теплоемкости подразделяются на:

• 
  Массовую теплоемкость  
  
• 
  Объёмную теплоемкость  
  
• 
  Мольную теплоемкость  
  

Теплоемкость зависит от:

• 
  Физических свойств газа.
  
• 
  Параметров состояния рабочего тела.
  
• 
  Характера протекающего процесса.
  

Истинная удельная теплоемкость – отношение бесконечно малого количества теплоты сообщаемого в бесконечно малом процессе.

1. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики – энергия изолированной системы при любых происходящих в ней процессах может переходить одной формы в другую, но по величине остаётся неизменной.


Где: Q – теплота,

L – работа,

∆E – энергия системы;
Базисная формулировка первого закона термодинамики: Теплота, сообщаемая системе расходуется на изменение энергии системы и совершение работы.


Где: Q - теплота,

∆Е – изменение внутренней энергии,

L – работа.

Энергия закрытой системы обусловлена исключительно внутреннем (тепловым) состоянием рабочего тела и поэтому отожествляется с понятием внутренняя энергия.





Для идеального газа  , следовательно  

Работа в закрытой системе может осуществляться только за счет изменения объема, по этому она называется работой расширения.



Математическое выражение для первого закона термодинамики: Теплота, сообщаемая закрытой термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии и совершения работы расширения.





Дифференциальная форма первого закона термодинамики для идеального газа:



Работа процесса в открытой системе совершается в потоке рабочего тела и называется располагаемой работой.



Располагаемая работа определяется суммой трех механических работ:

1) Работа совершаемая впереди идущим потоком.  

2) Работа в потоке.  

3) Работа против впереди идущего потока 
Располагаемая работа может проявить себя в виде трех механических работ:

1) Техническая работа

2) Изменение кинетической энергии рабочего тела.


3) Изменение положения рабочего тела.


Математическое выражение первого закона термодинамики в условиях открытой системы: Теплота сообщаемая открытой термодинамической системе, расходуется на изменение энтальпии и совершение предполагаемой работы.


1.1 Политропный процесс и объемный компрессор

Политропный процесс — термодинамический процесс, во время которого теплоёмкость газа остаётся неизменной.

В соответствии с сущностью понятия теплоёмкости , предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс  и  адиабатный процесс.

В случае идеального газа, изобарный процесс и изохорный процесс также являются политропными (удельные теплоёмкости идеального газа при постоянном объёме и постоянном давлении соответственно равны и где — универсальная газовая постоянная, — молярная масса, — число степеней свободы) и не меняются при изменении термодинамических параметров).
Показатель политропы

Кривая на термодинамических диаграммах, изображающая политропный процесс, называется «политропа». Для идеального газа уравнение политропы может быть записано в виде: , где  P — давление, V - объем газа, n - показатель политропы, причем



C - теплоемкость газа в данном процессе, C_p и C_V - теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении.

В зависимости от вида процесса, можно определить значение n:

• 
  Изотермический процесс:
  
• 
  Изобарный процесс:
  
• 
  Адиабатный процесс: ; γ - показатель адиабаты
  
• 
  Изохорный процесс:
  

Объемный компрессор

Сжатый воздух получается с помощью различного типа компрессоров. Компрессоры низкого давления называют вентиляторами и применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках.

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). Несмотря на конструктивные различия термодинамические принципы их работы аналогичны между собой.

Объемный компрессор – это компрессор статического сжатия, которое происходит в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ. 
1.2 Исследование политропного процесса сжатия в компрессоре
Задание:

В одноступенчатом поршневом компрессоре воздух сжимается от давления – р₁ , =0.1 МПа абс. при температуре - t₁ =17°С до давления р₂ =0,45 МПа абс.

Стенки цилиндра компрессора охлаждаются водой так, что процесс сжатия воздуха в
компрессоре является политропным.

Показатель политропы сжатия -n =1,33

Производительность компрессора, измеренная по месту всасывания: V₁ =300 м³/ҹ

Требуется определить:

1. 
   Температуру сжатого воздуха - t₂ °С.
   

2. 
   Объем сжатого воздуха - V₂ м³/ч.
   

3. 
   Изменение внутренней энергии и энтальпии воздуха при сжатии.
   

4. 
   Затрачиваемую работу в процессе и теоретически необходимую мощность для привода компрессора - N₀ кВт.
   

5. 
   Количество теплоты, отводимой от воздуха при сжатии, и, соответственно, количество охлаждающей воды - М кг/ч, полагая, что вода нагревается от 10°С до 20° С.
   

6. 
   Диаметры всасывающего и нагнетательного воздухопроводов компрессора, принимая скорость в них - W= 12м/сек.
   

7. 
   Построить графики процесса сжатия в pv-диаграмме.
   

8. 
   Построить графики в 'Тs-диаграмме по точкам процесса сжатия, а также изобар, между которыми расположен процесс сжатия. Сделать соответствующее обозначение площадей под кривыми.
   

9. 
   Указать характер превращения энергии. При исследовании принять:
   

10. 
    В связи с изменением условий охлаждения стенок компрессора, показатель политропы сжатия увеличивается - уменьшается до n =1,05. Определить для новых условий температуру воздуха - t₂ °С и количество отводимой теплоты q
    

Вывод: с уменьшением n от 1.33 до 1.05 температура воздуха не изменяется (17°С) количество отведенной теплоты изменилось с -19.924 до -107.918. Процесс близок к изотермическому.

Задание выдал: Крайнов. А. А

1.3 Графики