Учебная работа. Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара

(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

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,

t°,

°С

м3

4000

573

300

2,6

0,066

560

295

-0,325

5061

723

450

2,6

0,066

837

502

-0,0002

100

723

450

131,2

3,34

837

502

1,812

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

Lп,

кДж

1-2

10960

8238

12,77

8238

-2722

2-3

71,17

51458

3-4

-36066

-27108

-83,94

-36066

-8958

4-1

25105

18869

-18869

-25105

цикл

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

Lп

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

2-3

ΔH

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

3-4

ΔН

Lп

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

4-1

ΔН

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

состояние
рабочего тела

300

573

2,6

0,058

3000

2768

6,3

Перегретый
пар

450

723

2,6

0,058

3310

2991

6,76

Перегретый
пар

450

723

149,43

3,334

3382

3048

8,7

Перегретый
пар

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

Lп,

кДж

1-2

13894

9994

20,6

9994

-3899

2-3

3227

2554

62865

60310

59638

3-4

-48495

-39845

-107,5

-48495

-8650

4-1

31374

27295

-27295

-31374

цикл

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

Lп

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

2-3

ΔH

Lп

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

3-4

ΔН

Lп

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

4-1

ΔН

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

Учебная работа. Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара

Как? Вы еще не читали? Ну это зря...