Техническая термодинамика
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Новосибирский государственный технический университет
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 215
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7782-4241-8
Артикул: 779508.01.99
Учебное пособие включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики, приложения этих законов к процессам и системам. Оно написано доступно и просто, на высоком научном и методическом уровне, предназначено для студентов направления 13.03.01 - Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Производство тепловой и электрической энергии».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» д-р техн. наук, проф. (председатель) А.А. Батаев д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) Г.И. Расторгуев д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор д-р техн. наук, доц. В.С. Тимофеев д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров
УДК 621.1.016(075.8) Ш 264 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников канд. техн. наук, доцент С.В. Митрофанов канд. техн. наук, доцент М.В. Горбачев Шаров Ю.И. Ш 264 Техническая термодинамика : учебное пособие / Ю.И. Шаров, О.К. Григорьева, А.А. Францева. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2020. – 215 с. – (Учебники НГТУ). ISBN 978-5-7782-4241-8 Учебное пособие включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики, приложения этих законов к процессам и системам. Оно написано доступно и просто, на высоком научном и методическом уровне, предназначено для студентов направления 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Производство тепловой и электрической энергии». УДК 621.1.016(075.8) ISBN 978-5-7782-4241-8 © Шаров Ю.И., Григорьева О.К., Францева А.А., 2020 © Новосибирский государственный технический университет, 2020
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ Предисловие ...................................................................................................... 9 Введение ............................................................................................................ 9 Глава 1. Идеальные газы ................................................................................ 15 1.1. Уравнение Клапейрона .................................................................... 15 1.2. Первый закон термодинамики ........................................................ 23 1.3. Смеси идеальных газов .................................................................... 24 Контрольные вопросы ............................................................................ 30 Глава 2. Теплоемкости газов. Влажный воздух ........................................... 31 2.1. Теплоемкости газов .......................................................................... 31 2.2. Влажный воздух ............................................................................... 39 Контрольные вопросы ............................................................................ 42 Глава 3. Термодинамические поверхности идеального и реального газа .................................................................................................... 43 3.1. Термодинамические поверхности .................................................. 43 3.2. Термодинамические диаграммы водяного пара ............................ 46 3.2.1. pv-диаграмма водяного пара ................................................. 50 3.2.2. ts-диаграмма водяного пара .................................................. 54 3.2.3. hs-диаграмма водяного пара ................................................. 56 Контрольные вопросы ............................................................................ 57 Задача ....................................................................................................... 58 Глава 4. Исследование термодинамических процессов .............................. 65 4.1. Политропные термодинамические процессы ................................ 65
4.2. Энтропия идеального газа ............................................................... 74 4.3. Частные термодинамические процессы ......................................... 75 4.4. Первый закон термодинамики для потока газа ............................. 88 4.5. Истечение газов и паров .................................................................. 91 4.6. Дросселирование газов и паров ...................................................... 97 Контрольные вопросы .......................................................................... 100 Задача ..................................................................................................... 100 Глава 5. Второй закон термодинамики ...................................................... 105 5.1. Основные определения .................................................................. 105 5.2. Цикл Карно ..................................................................................... 108 5.3. Энтропия как параметр состояния рабочего тела ....................... 110 5.4. Изменение энтропии термодинамической системы при необратимой теплопередаче .................................................. 112 5.5. Интеграл Клаузиуса ....................................................................... 113 Контрольные вопросы .......................................................................... 116 Глава 6. Максимальная и теряемая работа ................................................. 117 6.1. Максимальная работа .................................................................... 117 6.2. Эксергия .......................................................................................... 119 Контрольные вопросы .......................................................................... 122 Глава 7. Циклы паротурбинных установок (ПТУ) .................................... 123 7.1. Цикл Ренкина .................................................................................. 123 7.2. Цикл Ренкина на перегретом паре ................................................ 124 7.3. Влияние начального давления на КПД цикла Ренкина .............. 125 7.4. Цикл ПТУ на сверхкритических параметрах пара ...................... 126 7.5. Регенеративный цикл ПТУ ............................................................ 129 7.6. Теплофикационный цикл ПТУ ..................................................... 132 Контрольные вопросы .......................................................................... 134 Задача ..................................................................................................... 134
Глава 8. Циклы тепловых двигателей ......................................................... 141 8.1. Обобщенный цикл тепловых газовых двигателей ...................... 141 8.2. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты ................................ 143 8.3. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты ................................ 145 8.4. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (Тринклера) ....... 146 8.5. Принцип действия ДВС ................................................................. 147 8.6. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) ...................................... 152 8.6.1. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты ...................... 152 8.6.2. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты ...................... 154 8.6.3. Регенеративный цикл ГТУ ................................................. 155 8.6.4. Регенеративный цикл ГТУ с промежуточным подводом теплоты и охлаждением .................................... 157 8.7. Комбинированная парогазовая установка (ПГУ) ........................ 159 8.8. Прямое преобразование теплоты в электроэнергию .................. 161 Контрольные вопросы .......................................................................... 164 Задача ..................................................................................................... 165 Глава 9. Циклы холодильных установок и термодинамические процессы компрессоров ................................................................ 173 9.1. Цикл воздушной холодильной установки ................................... 173 9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки .................. 175 9.3. Абсорбционная холодильная установка ...................................... 177 9.4. Термодинамические процессы компрессоров ............................. 178 Контрольные вопросы .......................................................................... 185 Задача ..................................................................................................... 186 Глава 10. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии ......... 187 10.1. Солнечная энергетика .................................................................. 187 10.2. Ветровая энергетика .................................................................... 193 10.3. Альтернативная гидроэнергетика ............................................... 195 10.4. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) г. Нидерварта ................................................................................ 198
10.5. Геотермальная энергетика ........................................................... 199 10.6. Биоэнергетика ............................................................................... 201 10.7. Водородная энергетика ................................................................ 203 10.8. Энергетика на топливных элементах ......................................... 205 10.8.1. Общемировые тенденции ................................................. 205 10.8.2. Применение топливных элементов в Германии ............. 207 10.9. Термоядерная энергетика [11] .................................................... 210 Контрольные вопросы .......................................................................... 211 Библиографический список ......................................................................... 213
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 9 ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ астоящее учебное пособие создано для студентов энергетических специальностей НГТУ. При его написании авторы использовали свой опыт преподавания курсов «Теплотехника», «Техническая термодинамика», «Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок» в Новосибирском государственном техническом университете. В настоящее время в большинстве отраслей требуется знание теоретических основ теплотехники при создании новых машин и модернизации старых установок. ÂÂÅÄÅÍÈÅ редмет термодинамики. Слово «термодинамика» в переводе с греческого языка означает науку о силах, вызываемых тепловыми явлениями. Так определяли эту науку сто пятьдесят лет назад при ее зарождении. Сегодня под термодинамикой понимают науку об энергии. Но что такое энергия? Это философская категория, определяющая способность материи к непрерывному изменению, взаимодействию в различных проявлениях, т. е. обозначающая способ ее существования [1–4]. Энергию мы наблюдаем только в конкретных проявлениях, которые называем видами энергии: теплота, электрическая энергия, механическая энергия, лучистая энергия, или радиация, и др. Мы довольно хорошо изучили отдельные проявления энергии, разобрались в трансформации одного вида энергии в другой. Техническая термодинамика – это наука о взаимном преобразовании тепловой и механической энергии. Задачи курса «Техническая термодинамика». Механическая энергия легко и полностью преобразуется в тепловую, а для преоб Í Ï
разования тепловой энергии в механическую необходимы тепловые двигатели. К ним относятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки (ГТУ) и паротурбинные установки (ПТУ), реактивные и ракетные двигатели. Техническая термодинамика изучает теоретические основы функционирования энергетических установок. Методы исследования и выводы технической термодинамики позволяют создавать эффективные и совершенные инженерные конструкции таких установок. На базе технической термодинамики развита прикладная инженерная наука «Теплотехника» – одна из фундаментальных основ всей современной цивилизации. Таким образом, техническая термодинамика является одной из составляющих теоретических основ теплотехники. Термодинамика – это не только наука, закладывающая основы инженерной подготовки, но и наука мировоззренческая, развивающая у будущего инженера такие качества, как пытливость, любознательность, интеллект. Метод технической термодинамики. Основной метод исследования объектов в термодинамике – феноменологический. Согласно этому методу объект рассматривается как феномен (явление). Если воздействовать на объект со стороны, то можно зарегистрировать его отклики на воздействия. Что происходит при этом внутри объекта – не рассматривается. Задача состоит в том, чтобы установить функциональную зависимость между воздействием и откликом. Это соотношение и есть феноменологическая модель термодинамического объекта. Феноменологические исследования ряда однородных объектов и их обобщение в виде абстрактной модели явления (объекта) позволяют получить систему основных понятий технической термодинамики. К ним относятся: термодинамическая система, рабочее тело, идеальный и реальный газ, политропный термодинамический процесс, идеальный термодинамический цикл и т. п. Краткая история развития технической термодинамики. Начало термодинамики как науки было положено книгой французского инженера Саади Карно «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», изданной в 1824 году [5]. В этой книге содержались представления об основных понятиях термодинамики, таких как термодинамическая система, рабочее тело, параметры состояния, термодинамический процесс и цикл тепло
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 11 вого двигателя. Карно высказал идею идеального цикла тепловой машины, а также мысли, которые позднее легли в основу первого и второго закона термодинамики и ряда важных положений. К 1824 году были созданы практически все основные типы тепловых машин, открыты способы трансформации тепловой и химической энергии в механическую и электрическую. В 1681 году механик Д. Папен изобрел паровой котел с предохранительным клапаном, а в 1698 году дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре созданной им паровой атмосферной машины. В 1705–1712 годах англичанин Т. Ньюкомен построил ряд паровых поршневых насосов для откачки воды из шахт. Эти насосы длительное время успешно эксплуатировались в Англии. В 1766 году в Сибири русский инженер И.И. Ползунов построил первую универсальную паровую машину, а в 1769 году Д. Уатт усовершенствовал насос Ньюкомена. В результате ряда усовершенствований (патенты 1782 и 1788 годов) паровая машина Уатта была доведена до современной конструкции. В 1801 году француз Ф. Лебон запатентовал поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием от электрической свечи и сгоранием внутри цилиндра (ДВС). В 1801 году англичанин Г. Дэви изобрел угольно-кислородный топливный элемент, в котором химическая энергия топлива преобразовывалась в электрическую без трансформации в механическую энергию. В 1816 году английский священник Р. Стирлинг получил патент на универсальную тепловую машину, способную работать на различных топливах как двигатель внешнего сгорания, холодильник и тепловой насос. В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек открыл термоэлектрический эффект, который дает возможность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев разнородных проводников. В 1834 году Б. Клапейрон издал «Мемуары о движущей силе теплоты», которые стали дальнейшим развитием трудов С. Карно. Работа Б. Клапейрона представляла собой математическое изложение идеи основателя термодинамики, а также включала графический метод исследования работы тепловых машин.
Дальнейшее развитие технической термодинамики проходило в направлении формирования понятия «энергия» (1845–1847, Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц) и разработки первого закона термодинамики, который был окончательно сформулирован в 1853 году В. Томсоном. В 1855–1857 годах немец Р. Клаузиус развил представления о термодинамических циклах тепловых машин, обосновав понятия обратимых и необратимых процессов и циклов, и ввел понятие «энтропия» как параметр состояния. Все это послужило обоснованием второго закона термодинамики, который установил ограничения на трансформацию теплоты в механическую энергию. Теплота не является функцией состояния, и это делает ее определение в процессе затруднительным. Однако Р. Клаузиус нашел, что для теплоты процесса интегрирующим множителем будет соотношение 1/Т. Поэтому величина / dQ T является функцией состояния рабочего тела, а ее изменение в круговом процессе рабочего тела находится по формуле / 0 dQ T . Это так называемый параметр состояния «энтропия» / , dS dQ T и ее изменение как в обратимых, так и необратимых циклах равно нулю по определению. Вместе с тем величина / , Q T названная Р. Клаузиусом «приведенной теплотой», при ее суммировании внешним по отношению к рабочему телу наблюдателем в необратимом цикле рабочего тела не равна нулю: 0 dQ T . Это отражено в интеграле Клаузиуса: 0 dQ T . Получается, что энтропия – это какая-то особая функция состояния, отличающаяся от остальных функций, или есть факторы, которые в рамках логических построений не были учтены
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 13 Р. Клаузиусом. Он это видел и предлагал энтропию как параметр состояния использовать только в обратимых процессах. Разрешение этой двойственности было получено в ряде частных случаев применения второго закона термодинамики (работы Л. Больцмана, Г. Гельмгольца, Д.У. Гиббса, Ж. Гюи, А. Стодолы и др.), однако общего решения проблемы до сих пор нет и, как показано в некоторых современных исследованиях, в рамках подхода Р. Клаузиуса быть не может. Тем не менее второй закон термодинамики в трактовке Р. Клаузиуса и функция «энтропия» оказали большое влияние на развитие науки. На этой основе были разработаны графические методы расчета циклов реальных газов (Ts-, hs- и ps-диаграммы), энтропийный метод анализа сложных энергетических установок, методы оптимизации. Исследования Ж. Гюи, А. Стодолы (конец XIX века) и Р. Ранта (1934–1956 годы) позволили обосновать понятие работоспособности энергии – «эксергию» и понятие мертвой, или связанной, энергии – «анергию». В рамках этих представлений были успешно развиты новейшие методы термодинамического и эксергетического анализа оптимизации сложных комплексных энерготехнологических систем. Начиная с конца XIX и в течение XX века термодинамика развивалась, прирастая термодинамикой необратимых процессов, химической термодинамикой, биологической термодинамикой, релятивистской термодинамикой, синергетикой. В этих разделах термодинамики новыми современными методами исследовались энергетические проявления в сложных природных системах. Как же будет развиваться техническая термодинамика? Конечно, будут проводиться исследования трансформации различных проявлений энергии и процессов, приводящих к необратимости в этих трансформациях. Эти исследования составят базу для развития общей теории энергии. В практическом плане будут продолжаться работы по созданию новых эффективных и экологически чистых источников энергии и их использованию в технологических процессах. Некоторое представление о направлениях развития технической термодинамики может дать матрица взаимных превращений видов энергии, представленная в таблице.
Матрица возможных и имеющих практическое значение превращений видов энергии Вид энергии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. Ядерная – ПИЭ, ВИЭ Г В Б А В В А В Д В 2. Химическая – ПИЭ, ВИЭ, НЭ – В А А А А – Г Д В 3. Электромагнитная – ПрЭн – Г А А А – – Г Г А 4. Гравистатическая – ВИЭ, НЭ – – – В В – – А А А 5. Упругостная – ВИЭ, НЭ – – – В А В А В А Г 6. Электростатическая – ВИЭ, НЭ – – – А А А А В А А 7. Магнитостатическая – ВИЭ, НЭ – – – А А А А А А В 8. Электрическая – ПрЭн – В А А А А А Д Д Д 9. Тепловая – ПИЭ, ВИЭ, НЭ – А А – А – – Д Д Д 10. Механическая – ПИЭ, ВИЭ, НЭ – – – А А А А Д Д Д Обозначения в таблице: – превращение невозможно; A – превращение возможно, но практического интереса не представляет; Б – превращение возможно и представляет практический интерес, но не для энергетических целей; В – превращение возможно и представляет практический интерес для энергетических целей, но пока почти не используется; Г – то же, что и предыдущее, но частично уже используется; Д – то же, что и предыдущее, но используется широко; ПИЭ – первичный источник энергии; ВИЭ – вторичный источник энергии; НЭ – накопитель энергии; ПрЭн – переносчик энергии. Анализ таблицы говорит о том, что исследование энергетических процессов еще очень далеко от завершения. На этом пути возможно открытие новых, очень эффективных способов трансформации энергии и создание новых эффективных установок, и термодинамика как теоретическая наука об энергии еще находится на первом, начальном отрезке пути, и ее ждет большое будущее.