Методические указания к практическим работам по дисциплине "Общая энергетика". Составитель Д. П. Андрианов Владимир 2014
 Скачать 3.48 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Кафедра электротехники и электроэнергетики Методические указания к практическим работам по дисциплине “Общая энергетика”. Составитель Д.П. Андрианов Владимир 2014 2 УДК 621. 621.316 Методические указания к практическим работам студентов при изучении дисциплины «Общая энергетика» / «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ). Составитель Д.П. Андрианов. - Владимир, 2014, 52 с. Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины “Общая энергетика” для подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электроснабжение». Изложены указания к решению типовых задач по общей энергетике. Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения. Илл.: 35. Библиогр.: 5 назв. 3 1. Введение. Дисциплина «Общая энергетика» занимает основное место среди дисциплин базовой части программы подготовки бакалавров направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электроснабжение», определяющих теоретический уровень профессиональной подготовки бакалавров. Методические указания составлены для семи тем практических занятий 1. Основные определения термодинамики. 2. Термодинамические процессы. 3. Тепловые электрические станции. 4. Атомные электрические станции. 5. Анализ паросилового цикла Ренкина. 6. Термодинамические процессы в двигателях внутреннего сгорания. 7. Поршневые газовые машины. Двигатель Стирлинга. и охватывают применение расчетных термодинамических методик применительно к энергетическим процессам. Трудоемкость практических занятий определяется требуемой степенью углубленности изучения тем и может составлять от 2 до 6 академических часов. Применение математических пакетов (Mathcad, MATLAB) к расчету термодинамических циклов и параметров процессов требует самостоятельного изучения со стороны студентов. 4 Практическое занятие № 1 1. Основные определения термодинамики. Цель работы: Изучение основных параметров и состояний пара. План проведения занятия: 1. Рассмотрение теоретических сведений. 2. Решение примеров. 3. Ответы на контрольные вопросы. Краткие теоретические сведения В тепловых машинах процессы перехода теплоты в работу и работы в теплоту осуществляются посредством рабочего тела (обычно газ или водяной пар), изменяющего свое физическое состояние при сообщении теплоты или при силовом на него воздействии. Величины, характеризующие физическое состояние тела, называются термодинамическими параметрами состояния тела, они определяются основными параметрами: удельным объемом, давлением и температурой. Для каждого состояния тела параметры принимают вполне определенные значения, не зависящие от массы тела и обусловливаемые лишь его внутренними молекулярными особенностями — скоростью молекул и их взаимным расположением. Удельный объем- объем единицы веса, обычно 1 кг вещества: , / 3 кг м G V v = где V - полный объем тела; G - вес. Удельный вес - величина, обратная удельному объему, (вес единицы объема (1 м 3 ): 3 / 1 м кг V G = = υ γ Плотность - масса [единицы объема: Удельный объем, удельный вес и плотность взаимно определяют друг друга и каждый из них может служить одним из параметров тела. Давление газа - результат воздействия (ударов) на окружающую оболочку молекул газа, находящихся в хаотическом непрерывном движении. Давление газа (при его равновесном состоянии), действующее по нормали к стенкам оболочки, равно и противоположно по направлению внешнему давлению. Термодинамическим параметром, определяющим состояние газа, является не полное давление газа на оболочку, а удельное, т. е. его давление в килограммах, приходящееся на единицу поверхности: 1 м 2 или 1 см 2 Техническая атмосфера (ат) - давление газа, равное 1 кг/см 2 1 ат = 1 кг/см 2 = 10 000 кг/м 2 Физическая атмосфера - давление воздуха на уровне моря на 45° географической широты, соответствующее давлению, производимому ртутным столбом высотой 760 мм при температуре, равной 0°С. 1 физ. ат = 1,0333 техн. ат = 10333 кг/м 2 Сравнительно небольшие давления могут измеряться высотой столба жидкости. 1 физ. ат = 760 мм рт. ст. при 0° С. 1 техн. ат = 0333 , 1 760 = 735,6 мм pт. cт. при 0°С. 5 Высота водяного столба при этих же условиях будет в 13,595 раза больше высоты ртутного столба (ртуть в 13,595 раза тяжелее воды). 1 ат = 1 кг/см 2 = 736 мм. рт. ст. = 10 м вод. ст. В абсолютной системе CGS (сантиметр, грамм-масса, секунда) за единицу силы принята длина, площади - квадратный сантиметр и давления - 1 дин/см 2 Давление, равное 10 6 дин/см 2 , называется «бар». 1 ат = 1 кг/см 2 = 0,981 бар. Приборы для измерения давления — манометры (измерение давления больше атмосферного), вакуумметры (измерение давления меньше атмосферного) и барометры (измерение атмосферного давления). Манометры показывают избыток измеряемого давления (абсолютного р а ) над атмосферным (барометрическим р б ). p а = p б + p м Абсолютное давление газа равно избыточному давлению (манометрическому), сложенному с барометрическим давлением. Вакуумметры показывают избыток атмосферного (барометрического) давления над измеряемым абсолютным давлением. p а = p б - p в т. е. в случае разрежения давление газа равно барометрическому давлению без вакуумметрического (p в ) Во все термодинамические формулы вводится абсолютное давление газа. При измерении давления в атмосферах применяются условные обозначения: ата — для абсолютного давления и ати — для избыточного. Например, манометр показывает 5 ати, полное давление газа будет 6 ата. Влияние на высоту столба ртути температуры. При возрастании температуры увеличиваются объем, а следовательно, и высота столба ртути, соответствующая данному давлению. При вычислении по показанию барометра атмосферного давления высоту столба ртути барометра h приводят к высоте h 0 при 0°С: h 0 = h (1 — 0,000172t). Тогда атмосферное давление (ат) при t°C будет равно: Приведение высоты столба ртути барометра к 0°С можно проводить графическим методом по диаграммам. Температура является мерой нагретости тел. Тела имеют одинаковую температуру, если между ними не существует теплообмена, т. е. если они находятся между собой в тепловом равновесии, при котором будут равны средние значения кинетической энергии поступательного движения их молекул. Если же тела не находятся в тепловом равновесии и между ними имеется теплообмен, то тело, отдающее теплоту другому телу, обладает большей температурой, большей кинетической энергией молекул. Таким образом, температура определяет направление теплового потока. Разность температур тел определяет меру их отклонения от теплового равновесия. Эмпирическая температура - мера отклонения тела от состояния теплового равновесия с тающим льдом, находящимся под давлением в одну физическую атмосферу. За единицу температуры принят один градус, из условия, что температуре тающего под атмосферным давлением льда приписывается 0°, а температуре кипящей под атмосферным давлением воды — 100°. Числовая величина температуры тела измеряется посредством термометров: ртутных, спиртовых и др. Для точных измерений температуры применяют газовые термометры. В технике пользуются также термометрами, действие которых основано не на свойстве расширения тел при нагревании (термоэлементы, термометры сопротивления и пр.). 6 Абсолютная температура - температура, пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения молекул тела. Абсолютная температура должна принимать значение, равное нулю при состоянии тела, при котором прекратилось бы тепловое движение его молекул. Эта предельная минимальная температура называется абсолютным нулем и является началом для отсчета температур. Абсолютная температура отсчитывается от предельно низкой температуры — от абсолютного нуля и является всегда положительной величиной. Эмпирическая температура отсчитывается от некоторой произвольно выбранной начальной температуры — температуры таяния льда под атмосферным давлением — и поэтому может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Введение абсолютной шкалы устраняет условность при оценке значения температуры и начала ее отсчета, неизбежные при измерении температуры по шкалам, построенным с использованием физических свойств тех или иных веществ. Абсолютная температура тела может быть измерена посредством газового термометра. На основании закона Гей-Люссака можно показать, что постоянная точка идеального газового термометра, являющаяся началом отсчета температур, лежит на 273,16 °С ниже нуля стоградусной шкалы. Шкала водородного термометра дает незначительное отклонение от шкалы идеального газа. Между абсолютной температурой тела (Т°К или Т°абс) и температурой эмпирической (t°С) имеется зависимость: Т = t + 273,16. На основании второго закона термодинамики вводится так называемая термодинамическая температура, тождественная с абсолютной температурой Пар - реальный газ со сравнительно высокой критической температурой, а также близкий к состоянию насыщения. За реальными газами с низкими критическими температурами сохраняется название газов вплоть до состояния насыщения. Парообразование - процесс перехода жидкости в пар. Испарение - парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры. При испарении понижается температура жидкости, из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего и уменьшается средняя скорость движения оставшихся в ней молекул. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. Кипение – образование пузырьков пара у стенок сосуда и внутри жидкости. При сообщении жидкости теплоты увеличиваются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, наступает парообразование во всей ее массе. Конденсация - процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него тепла и являющийся процессом, обратным парообразованию. Конденсат - жидкость, образующаяся при конденсации пара в паросиловых установках. Возгонка , или сублимация - процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар. Десублимация - процесс, обратный процессу сублимации, т. е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние. Насыщенный пар - пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре — переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным. Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Состояние сухого пара определяется одним параметром (давлением или температурой). 7 Влажный насыщенный пар получается при неполном испарении жидкости, является смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии. Степень сухости - весовая доля пара во влажном паре (обозначается х). Степень влажности - весовая доля жидкости (обозначается y). у =1-х Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы. Состояние влажного пара определяется двумя параметрами, (давлением или температурой и степенью сухости). Перегретый пар - пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления. Температура перегретого пара зависит от давления и объема. Степень перегрева - разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара того же давления, то в единице объема перегретого пара содержится меньшее число молекул, чем в единице объема насыщенного пара. Вследствие этого перегретый пар является не насыщенным и обладает меньшей плотностью, чем соответствующий насыщенный пар. Перегретые пары по своим физическим свойствам близки к газам и тем в большей мере, чем выше степень их перегрева. Состояние перегретого пара, так же как и газа, определяется двумя любыми независимыми параметрами (давлением и температурой). На рис. 1.1 представлены кривые, которые устанавливают для некоторых веществ зависимость между давлением и температурой кипения. Приведенная диаграмма, построенная по экспериментальным данным, показывает, что температуры кипения различных веществ при одном и том же давлении значительно отличаются друг от друга. Рис. 1.1 Кривые зависимости между давлением и температурой кипения Энтальпия (теплосодержание) - функция состояния тела, определяемого независимыми параметрами р и Т - равна внутренней энергии тела, сложенной с работой, необходимой для ввода рассматриваемого тела с объемом v в окружающую его внешнюю среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии I = u+Apv Потенциальная энергия давления среды - работа, отдаваемая среде. Энтальпия является суммой внутренней энергии тела и потенциальной энергии давления среды. Энтропия - функция состояния тела, принимающая для каждого его состояния определенное значение. Для обратимых циклов справедливо: т.е. подынтегральное выражение представляет собой функцию состояния тела. Энтропия для 1 кг газа – s, измеряется в ккал/кг·град. Для произвольного количества газа энтропия - S = Gs, где G — вес газа, кг. 8 где р, v, T — независимые параметры, определяющие состояние тела. Свойство энтропии состоит в том, что изменения величин состояния тела в процессе не зависят от его характера и полностью определяются крайними состояниями тела в процессе и изменения этих величин в циклах равны нулю. Решение примеров. Задача. Определить давление при заданной температуре кипения для различных веществ, согласно табл. 1.1, и рис. 1.1. (Необходимо определить давление в мм. рт. ст., избыточное давление в ати, и давление в кг/см 2 , если 1 физ. ат =1,0333 кг/см 2 =760 мм. рт. ст.) Таблица 1.1 Данные для определения давления № варианта t кип ºС Вещество № варианта t кип ºС Вещество 1 -90 СО 2 16 210 Н 2 О 2 -80 СО 2 17 230 Н 2 О 3 -70 СО 2 18 250 Н 2 О 4 -50 СО 2 19 270 Н 2 О 5 -30 СО 2 20 280 Н 2 О 6 -10 СО 2 21 370 Нg 7 0 СО 2 22 390 Нg 8 10 СО 2 23 410 Нg 9 20 СО 2 24 430 Нg 10 30 СО 2 25 450 Нg 11 110 Н 2 О 26 470 Нg 12 130 Н 2 О 27 490 Нg 13 150 Н 2 О 28 510 Нg 14 170 Н 2 О 29 530 Нg 15 190 Н 2 О 30 550 Нg Контрольные вопросы 1. Что такое удельный объем, удельный вес, плотность? 2. Чему равна температура в ºК 0ºС? 3. Дайте определения энтропии, энтальпии. 4. Дайте определения или опишите процесс: пара, парообразования, испарения, кипения, конденсации, возгонки, десублимации, насыщенного пара, сухого насыщенного пара, влажного насыщенного пара, перегретого пара. 5. В чем состоит различие между эмпирической и абсолютной температурами? 6. Какими приборами измеряются температура и давление? 7. В чем состоит различие между физической и технической атмосферами? 8. Как связаны между собой степень влажности и степень сухости пара? 9 Практическое занятие № 2 2. Термодинамические процессы. Цель работы: Освоение методики расчетов параметров термодинамических процессов. План проведения занятия: 1. Рассмотрение теоретических сведений. 2. Решение примеров. 3. Ответы на контрольные вопросы. Краткие теоретические сведения Удельная теплоемкость с – количество теплоты q, которое требуется для изменения температуры единицы количества вещества на один градус: В зависимости от способа измерения единицы количества вещества, характера термодинамического процесса и величины интервала температур различают несколько видов теплоемкостей. 1.В зависимости от единицы количества вещества – 1 кг, 1 м 3 , 1 кмоль теплоемкость бывает массовой с [Дж/(кг К)] объемной c’ [Дж/(м 3 К)] молярной µс [Дж/(кмоль К)] Количество теплоты где m – масса газа, V н – объем газа, приведенный к нормальным физическим условиям, n – число молей газа. 2. В зависимости от способа подвода теплоты теплоемкость бывает: теплоемкость при постоянном давлении (изобарная) с р , теплоемкость при постоянном объеме (изохорная) с v или где R – газовая постоянная. Показатель адиабаты 3. В зависимости от интервала температур теплоемкость бывает: истинная c – теплоемкость, соответствующая бесконечно малому интервалу температур, средняя c m - теплоемкость, соответствующая конечному интервалу температур. При практических расчетах пользуются табличными данными средних теплоемкостей в интервале температур от 0 до t о С. Количество теплоты, требующееся для нагрева 1 кг рабочего тела от 0 до t 1 или до t 2 : 10 где - табличные значения теплоемкостей в интервалах температур (0..t 1 ) и (0..t 2 ). 4. |