Материал: Техническая термодинамика и тепломассообмен

18. Цикл ГТУ с подводом теплоты при P = const и регенерацией.

В целях повышения термического КПД газотурбинной установки применяют регенеративные устройства. На рисунке показана принципиальная схема такого рода газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты. Регенерация заключается в том, что отработавшие газы турбины используются на подогрев воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания.

Цикл ГТУ с регенерацией состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 - нагревание воздуха от продуктов сгорания в регенераторе при p = const; 5-3 - подвод теплоты q₁ в камере сгорания при p = const; 3-4 - адиабатное расширение в газовой турбине; 4-6 - отвод теплоты от продуктов сгорания в регенераторе при p = const; 6-1 - отвод теплоты q₂ от рабочего тела при p = const.

На рисунке в координатах рv и Тs показан цикл газотурбинной установки с полной регенерацией теплоты. Как следует из диаграммы Ts, удельная теплота, подводимая на участке 2—4' изобары р₂, равна удельной теплоте, отводимой на участке 2'—4 изобары р₁. Эти количества теплоты (обозначенные q_р) равны друг другу, и, что особо важно, процессы отвода и подвода теплоты происходят в одинаковых температурных условиях (в пределах температур от Т₂ до Т₄). Поэтому возможно путем введения в цикл специального теплообменника передать теплоту, отводимую на участке 7—4 от отработавших газов турбины, воздуху, нагнетаемому в камеру сгорания.

Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Термический КПД рассматриваемого цикла:

Полнота совершающейся регенерации оценивается значением отношения

называемого степенью регенерации.

19. Водяной пар. Парообразование. Испарение. Кипение. Конденсация. Конденсат. Сублимация. Десублимация. Уравнение состояния реальных газов.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках.

Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов.

Таким образом, водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.

Процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования. Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.

При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе. При этом у стенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Процесс, обратный парообразованию называется конденсацией. Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом.

Процесс перехода твердого состояния вещества в газообразную фазу, без перехода его в жидкость, называют сублимацией или возгонкой.

Процесс сублимации сопровождается увеличением внутренней энергии системы. При кристаллической упаковке частицы совершают колебания около положений равновесия. Расстояния между ними отвечают минимуму энергии взаимодействия при заданной температуре тела. В процессе сублимации пространственная решетка подвергается разрушению, расстояния между частицами увеличиваются, это приводит к увеличению энергии взаимодействия между ними. При сублимации твердого вещества необходимо подвести к нему некоторое количество энергии, которое называют теплотой сублимации (теплотой фазового перехода).

В ходе сублимации изменяется энергия каждой молекулы, следовательно, чем больше молекул имеется в теле, тем большие затраты энергии происходят при фазовом переходе.

При увеличении давления температура сублимации увеличивается.

Десублимация – процесс обратный возгонке. При десублимации кристаллизация происходит из газообразного состояния без перехода вещества в жидкую фазу. При десублимации теплота выделяется.

Модель реального газа, предложенная в 1874 году голландским физиком Ван-дер-Ваальсом, имеет название именем автора – уравнением Ван-дер-Ваальса :

где a, b – константы, зависящие от природы вещества.

Постоянная “а” учитывает силы притяжения молекул, тогда слагаемое вносит поправку в уравнение на изменение давления в результате сил притяжения молекул и выражает, так называемое, внутреннее давление газа.

Постоянная “b” связана с величиной сил отталкивания, характеризует уменьшение свободного объема, предоставленного для перемещения молекул, и учитывает собственный, конечный объем молекул.

20. Насыщенный пар. Сухой насыщенный пар. Влажный насыщенный пар. Степень сухости пара. Степень влажности пара. Перегретый пар.

Пар, находящийся в соприкосновении с водой имеющий одинаковую с ней температуру, равную температуре кипения при данном давлении, называется насыщенным паром. Насыщенный пар может быть влажным и сухим. Влажным насыщенным паром называется насыщенный пар, содержащий мельчайшие частицы воды, т. е. представляющий собой смесь пара и воды. Сухим насыщенным паром называется насыщенный пар, полностью освобожденный от примесей воды. Перегретым называется пар, имеющий более высокую температуру, чем насыщенный пар того же давления.

Перегретый пар имеет температуру выше температуры насыщенного пара при данном давлении, полученного из сухого насыщенного пара в результате теплоподвода.

Для характеристики пара используют:

Степень сухости (х) – доля массы сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара.

Степень влажности (1-х) – для массы жидкости в 1 кг влажного пара.

Степень сухости – равна отношению массы сухого пара входящего в состав влажного пара к суммарной массе влажного пара.

PV-диаграмма водяного пара:

21. Процесс парообразования на ???????? − диаграмме. Тройная и критическая точки.

На рисунке изображен процесс парообразования 1 кг воды в pv-координатах при р = const для водяного пара. Кривой I соответст­вует вода при 0°С, кривой II - вода при температуре кипения (или температуре насыщения) и кривая III- сухой насыщенный пар.

Кривую II называют нижней пограничной кривой, кривую III - верхней пограничной кривой, а точку К, разделяющую обе по­граничные кривые, называют критической.

Кривые I, II, III делят всю диаграмму на три части:

область между кривыми I и II - жидкость, область между кривыми II и III - смесь кипящей жидкости и па­ра, т.е. влажный насыщенный пар и область правее кривой III - перегретый пар.

Критическая точка К характеризует критическое состояние при котором исчезает различие в свойствах пара и жидкости. Критическая температура является наивысшей температурой жидкости и ее насыщенного пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара.

Критическая точка является конечной точкой фазового перехода жидкость – пар, начинающегося в тройной точке. Выше критической точки существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Никаким давлением нельзя перевести газ в жидкое состояние при температурах выше критической.

22. ???????? − диаграмма водяного пара.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние.

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кри Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

Критическая точка К имеет параметры:

23. ℎ, ???? − диаграмма водяного пара.

На is-диаграмме изображены термодинамические процессы:

Изобарный процесс (p = const) — изобары,

Изотермический процесс (t = const) —изотермы,

Изохорный процесс (v = const) —изохоры.