Учебная работа. Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара

Условие и содержание
задания

идеальный
газ (μ
– 18,0 г/моль, к = 1,33) при V1; P1;
T1
изохорно нагревается до T2,
а затем изотермически до Р3. после изобарного и изоэнтропного сжатия
рабочее тело возвращается в начальное состояние.

1.  
Определить
термические и удельные калорические характеристики рабочего тела в переходных
точках цикла (P; V; T; h; s;
u).

2.  
Вычислить
изменения калорических характеристик в каждом из составляющих циклов
изопараметрических процессов (ΔH;
ΔS; ΔU).

3.  
Вычислить
количество теплоты, деформационной работы, работы перемещения для каждого из
изопараметрических процессов (Q;
L; Lп).

4.  
Выяснить
энергетические особенности этих процессов и цикла в целом, составить для них
схемы энергобаланса и кратко прокомментировать их особенности

5.  
Оценить
эффективность тепломеханического цикла и эквивалентного ему цикла Карно.

Таблица 1


варианта

начальный
объем рабочего тела,

V1,
м3

начальное
давление,

P1,
кПа

Начальная
температура,

T1,
К

Конечная
температура в изохорном процессе,

T2,
К

Конечное
давление в изотермическом процессе,

P3,
кПа

9

2,6

4000

573

723

100


1 Рабочее тело
идеальный газ

1.1
Предварительные вычисления

Удельная газовая
постоянна

Удельная изобарная
теплоемкость газа при к = 1,33

Удельная изохорная
теплоемкость

Масса идеального газа

1.2
Определение характеристик термодинамического
состояния идеального газа в переходных точках

На рис. 1 и 2 показан
тепломеханический цикл в диаграммах Pv и Ts.

Расчет характеристик
термодинамического состояния выполняется в соответствии с исходными данными
табл.1 по следующему плану:

Состояние (точка) 1.

Известны: V1;
P1;
T1.

Определяется удельный
объем

Удельные калорические
характеристики для каждого из состояний вычисляются по расчетным соотношениям
при Тб = 273,15 К и Рб = 100 кПа.

Удельная энтальпия

 

Удельная внутренняя
энергия

Удельная энтропия

состояние (точка) 2.

Известны: T2;

V2
= V1
(процесс 1-2 изохорный);

v2
= v1

Определяются:

давление

Удельная энтропия

Удельная внутренняя энергия

Удельная энтропия

состояние (точка) 3.

Известны: Р3;

Т3 = Т2 (процесс
2-3 изотермический).

Определяются:

Удельный объем

Объем

Удельная энтальпия

Удельная внутренняя энергия

Удельная энтропия

состояние (точка) 4.

Известны: Р4 =Р3
(процесс 3-4 изобарный);

s4
= s1
(процесс 4-1 изоэнтропный).

Определяются:

Термодинамическая температура

Удельный объем

Объем

Удельная энтальпия

Удельная внутренняя
энергия

Результаты расчета
сведены в табл.2

Таблица 2

Номер
точки

Р,

кПа

Т,

К

t°,

°С

V,

м3

v,

h,

u,

s,

1

4000

573

300

2,6

0,066

560

295

-0,325

2

5061

723

450

2,6

0,066

837

502

-0,0002

3

100

723

450

131,2

3,34

837

502

1,812

4

100

230

-43

41,73

1,062

-80

-186

-0,325

характеристики
термодинамического состояния идеального газа в переходных точках цикла

1.3
Вычисление изменения калорических характеристик в
процессах с идеальным газом

Изменение калорических характеристик
при переходе рабочего тела из начального состояния Н в конечное К определяется
на основе следующих соотношений:

Изменение энтальпии

Изменение внутренней
энергии

Изменение энтропии

По данным табл.2
получаем

процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

процесс 3-4 (Р = const)

Процесс 4-1 (S
= const)

1.4 Определение
количества теплоты, деформационной работы и работы перемещения в процессах с
идеальным газом

характеристики
термодинамических процессов (Q; L; Lп) определяются на основании
Первого и второго законов термодинамики. Деформационную работу и работу
перемещения при равновесном изменении состояния от начального (Н) до конечного
(К) можно вычислить также путем интегрирования выражений.

По данным 1.3 получим

процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

;

процесс 3-4 (Р = const)

;

Процесс
4-1 (S = const)

;

Результаты расчетов,
выполненных в 1.3 и 1.4, сведены в табл.3

Таблица 3

Некруговые
процессы

ΔН,

кДж

ΔU,

кДж

ΔS,

кДж

Q,

кДж

L,

кДж

Lп,

кДж

1-2

10960

8238

12,77

8238

0

-2722

2-3

0

0

71,17

51458

51458

51458

3-4

-36066

-27108

-83,94

-36066

-8958

0

4-1

25105

18869

0

0

-18869

-25105

цикл

0

0

0

23630

23630

23630

характеристики
термодинамических процессов и изменения калорических свойств идеального газа

1.5
Оценка эффективности тепломеханического цикла с
идеальным газом

Тепломеханический
коэффициент цикла

Среднетермодинамическая
температура идеального газа в процессе подвода теплоты

Среднетермодинамическая
температура идеального газа в процессе отвода теплоты

Тепломеханический
коэффициент эквивалентного цикла Карно

1.6
Схемы энергобалансов процессов с идеальным газом

Схемы энергобаланса
можно представить в виде графических совокупностей элементов, соответствующих следующим
частным формам Первого закона технической термодинамики:

здесь приведены схемы
энергобаланса для каждого из четырех изопараметрических процессов и цикла в
целом по второй форме:

Каждая схема
термодинамически комментируется в соответствии с энергетическими особенностями
процесса (табл.4).

Таблица 4

Процессы

Схемы
энергобалансов

Пояснение
к схеме

1-2

                                                                            ΔH

 Q

                                                                               Lп

В
данном т/д процессе 1-2 энтальпия идеального газа увеличивается за счет
подвода теплоты и затрачивания работы перемещения

2-3

                                                                           ΔH

 Q

В
данном изоэнтальпийном процессе 2-3 работа перемещения совершается за счет
подвода теплоты к идеальному газу

3-4

                                                                            ΔН

          Q

                                                                                 Lп

В
данном изобарном процессе 3-4 теплота идеального газа отводиться за счет уменьшения
энтальпии

4-1

                                                                          ΔН

           Q

                                                                              Lп

В
данном адиабатном процессе 4-1 энтальпия идеального газа увеличивается за
счет затрачивания работы перемещения

Цикл

                                                                             ΣΔН

       ΣQ  

 

                                                                               ΣLп

В
данном т/д цикле суммарное количество теплоты равно суммарному количеству
работы перемещения

Рис.1 Тепломеханический
цикл с идеальным газом в диаграмме P – V

Рис. 2
Тепломеханический цикл с идеальным газом в диаграмме Т –
s

1.7 Определение
характеристик термодинамического состояния водяного пара

неизвестные величины в
состояния 1, 2, 3, 4 определяются с помощью таблицы «Теплофизические свойства
воды и водяного пара» или с помощью масштабной диаграммы h – s.

состояние 1

В соответствии с
исходными данными табл.1 известны:

V1
= 2,6 м3; Р1 = 4000 кПа = 40 бар

Т1 = 573 К; t1
= 300 °С

При заданных Р1
и t1, предварительно убедившись, что в состоянии 1 рабочее тело
перегретый пар (t1 > ts
при р1), по таблице «Вода и перегретый пар» [1] определяются:

v1
= 0,058 ;

h1
= 3000 ;

s1
= 6,3
.

Масса водяного пара

 

Удельная внутренняя энергия

состояние 2

Известны: Т2
= 723 К; t2 = 450 °С

V2
= V1
= 2,6 м3

 v2
= v1
= 0,058

По t2
и v2
по таблице «Вода и водяной пар» [1] определяются:

Р2 = 54 бар
= 5500 кПа;

h2
= 3310 ;

s2
= 6,76
.

При этом внутренняя
энергия пара составит

состояние 3

Известны: Т3
= Т2 = 723 К

t3 = t2
= 450 °С

Р3 = 100 кПа
= 1 бар.

По t3
и Р3 по таблице «Вода и водяной пар» [1] выбираются:

v3
= 3,334 ;

h3
= 3382 ;

s3
= 8,7
.

При этом объем и
внутренняя энергия водяного пара состовит:

состояние 4

Известны: Р4
= Р3
= 100 кПа = 1 бар

s4
= s1
= 6,3
.

В таблице «Состояние
насыщения по давлениям» [1] по давлению Р4 находим
температуру насыщения  =
100 °С и удельные характеристики состояния насыщенной жидкости и сухого
насыщенного пара

v’=0,001
 v»=1,7

h’=417,44
        h»=2675

s’=1,3
 s»=7,35

Сравнивая s4
с s’ и s»
(s’ < s4 < s''), убеждаемся, что в данном состоянии рабочее тело – влажный насыщенный пар со степенью сухости

Вычисляем экстенсивные
характеристики влажного насыщенного пара по формулам смещения

Результаты вычислений
сводим в табл.5

Таблица 5

характеристики
термодинамического состояния водяного пара в переходных точках цикла

Номер
точки

Р, бар

t,
°C

V, м3

v,

h,

u,

s,

состояние
рабочего тела

1

40

300

573

2,6

0,058

3000

2768

6,3

Перегретый
пар

2

55

450

723

2,6

0,058

3310

2991

6,76

Перегретый
пар

3

1

450

723

149,43

3,334

3382

3048

8,7

Перегретый
пар

4

1

100

373

63,5

1,416

2300

2159

6,3

влажный
насыщенный пар

х4
= 0,933

Рис. 3
Тепломеханический цикл с водяным паром в диаграмме Т – s

1.8 Вычисление
характеристик термодинамических процессов с водяным паром

В соответствии с 1.3 и
1.4 определяем изменение калорических характеристик состояния и характеристики
термодинамических процессов с водяным паром

процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

;

процесс 3-4 (Р = const)

;

Процесс 4-1 (S
= const)

;

Результаты вычислений
2.2 сводим в табл.6

Таблица 6

Некруговые
процессы

ΔН,

кДж

ΔU,

кДж

ΔS,

кДж

Q,

кДж

L,

кДж

Lп,

кДж

1-2

13894

9994

20,6

9994

0

-3899

2-3

3227

2554

87

62865

60310

59638

3-4

-48495

-39845

-107,5

-48495

-8650

0

4-1

31374

27295

0

0

-27295

-31374

цикл

0

0

0

24365

24365

24365

1.9 характеристики
термодинамических процессов и изменения калоричесикх свойств водяного пара

Оценка
эффективности тепломеханического цикла с водяным паром

Тепломеханический
коэффициент цикла

Среднетермодинамическая
температура идеального газа в процессе подвода теплоты

Среднетермодинамическая
температура идеального газа в процессе отвода теплоты

Тепломеханический
коэффициент эквивалентного цикла Карно

Таблица 7

Процессы

Схемы
энергобалансов

Пояснение
к схеме

1-2

                                                                            ΔH

 Q

                                                                               Lп

В
данном т/д процессе 1-2 энтальпия водяного пара увеличивается за счет подвода
теплоты и затрачивания работы перемещения

2-3

                                                                           ΔH

 Q

 

                                                                                Lп

В
данном т/д процессе 2-3 работа перемещения совершается, энтальпия
увеличивается за счет подвода теплоты к водяному пару

3-4

                                                                            ΔН

          Q

                                                                                 Lп

В
данном изобарном процессе 3-4 теплота водяного пара отводиться за счет
уменьшения энтальпии

4-1

                                                                          ΔН

           Q

                                                                              Lп

В
данном адиабатном процессе 4-1 энтальпия водяного пара увеличивается за счет
затрачивания работы перемещения

Цикл

                                                                             ΣΔН

       ΣQ  

 

                                                                               ΣLп

В
данном т/д цикле суммарное количество теплоты равно суммарному количеству
работы перемещения

Список литературы

1.  
Вукалович
М.П., Ривкин С.Л., Александров С.А. Таблицы теплофизических свойств воды и
водяного пара. – М.: Изд-во стандартов,1969. – 408 с.

2.  
Кириллин
В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1974.
– 496 с.

Учебная работа. Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара