Termodinamicheskie_osnovy_ciklov_teploen ergeticheskih_ustanovok_A.A._Aleksandrov (А.А. Александров - Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок)

А.А,Александров Допугцено Минисглерсгпволг образования и науки Р " ' р г в качестве учебного пособия Российской Фадс ог нн б для сгпуденто в выс~иих учебиых зааедений, о > чгнои1ихся ло направлению лодготопки с игтомировсиных специалистов б50800 "з елзознергеглика" ~а~иЙ1%$ 211ЯЗ2 Москва ЙВу издатель 2004 Рйл ио ~кк~. ск. Знсрготич, ик-10! 3 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИКЛОВ ТЕПЛОЗНЕИЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие написано на основе лекций, читаемых автором в Московском энергетическом институте (техническом университете). В нем представлены те разделы курса «Термодинамика», знание которых необходимо для проведения расчетов и анализа термодинамических процессов и циклов, осуществляемых в тепло- энергетических установках. Проведение таких расчетов невозможно без четкого представления о термодинамичсских свойствах основных веществ, применяемых в теплоэнергетике в качестве рабочих тел и теплоносителей.

Поэтому наряду с рассмотрением основных законов термодинамики в пособии значительное внимание уделено описанию свойств веществ в идеально газовом состоянии, реального газа, воды и водяного пара. При этом автор является противником всякого рода упрощенных подходов к применению данных о них при терьюдинамнческих расчетах. В настоящее время существует достаточно большое число уравнений, таблиц и компьютерных программ, точно передающих свойства рабочих тел. Представляется ваяниям, чтобы будущий сепециалист-теплоэнергетик с первых шагов привык использовать современные справочные материаяы, необходимые в дальнейших инженерных расчетах.

Такой подход продемонстрирован в приведенных в пособии примерах и в полной мере осуществлен в разработанной в МЭИ компьютерной версии зада <ника по термодинамике. Автор будет признателен за критические замечания по содержанию учебного пособия, которые следует направлять по адресу; 111250, Москва„Красноказарменная ул„14, Издательство МЭИ. Лваор ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН Д 1. 1 с р с и Р Р, Т ц Д =83 Т !лр Т, -лр з)! 3), /! и 1! теплота, кДж удельная теплота, кДж/кг работа расширения, кДж удельная работа расшире- ния, кДж/кг техническая работа, кДж удельная техническая рабо- та, кДж/кг давление, хПа давление насыщения, кПа абсолютная температура, К температура насыщения, К средняя тел!псратура подво- ла теплоты в цикле, К средняя температура отвода теплоты в цикле, К температура, 'С лбъс ! ллз удельный обьем, мз/кг масса, кг внутренняя энергия, кДж уделы!ая внутренняя энер- гия, кДж/кг энтальпия, кДж улельная энтальпия, кДж/кг энтропия, кДлк/К удельная энтропия, кЛж1(кг К) сппщартпвя и гриппн, кДж/(кг 1П полярная изобарная тепло- смкость, кДж/(кмоль К) удеяьпая изобарная тепло- емкость, кДж/(кг К) полярная изохорная тепло- смластть кДж/(кмоль К) удельная изохориая зепло- емкость, кДж/(кг К) масса киломоля, кг/кмоль 145 кДж/(кмояь К)— универсальпал щзовая постоянная удельная газовая постоянная, кДж/кг удельная теплота парообразоаання, кДж/кг химический потенциал, кДж/кг удельная эксергия вещества в замкнутом объеме, кДж/кг удельная эксергия вещества в потоке, кДж/кг удельная экссргпя теплоты, кДж/кг термический К1!/! никла внутренний К'11/[ цикла рлсхил риои ил о тола цикла, к!/! миниии !!„к11г и и ш и и, и пи и исмаа внсш!и лп иици бес!по, кДж/с Глава 2 ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ 1.1.

Основные понятия термодинамики Совокупность тел, способных энергетически взаимодействовать между собой и с телами, оставшимися за границами, выделяющими эту совокупность, называется тврнодинамической системой.,Характер взаимодействия ее с окружающими телами определяется условиями, наложенными на границы. Если через границы не происходит обмена веществом, то говорят о закрытой гнермодинамической системе. Открытая термодинамическая система такой обмен предполагает. Закрытая система, имеющая границы, не допускающие ее взаимодействия с окружающими телами, является изолированной. Состояние изолированной системы, в котором ее свойства не изменяются во времени, называется равновесным, В настоящем курсе в качестве термодннамнческой системы часто будет рассматриваться рабочее тело — вещество, посредством которого осуществляются рабочие процессы теплоэнергетических установок.

Такие системы обладают многими свойствами, которые пе являются независимыми друг от друга. Термодинамика устанавливает, что равновесное состояние однородной термомеханнческой системы в общем случае однозначно определяется заданием двух ее параметров, в качестве которых могут быть приняты любые термодинамические свойства. Всякое другое термодинамическое свойство системы будет определено заданием этих параметров. Математическое выражение такой зависимости называется уравнением состояния. Например, аналитическая зависимость между температурой, давлением и удельным объемом называется термическин уравнением состояния. Его можно представить в виде и = Г(р, У) нлир =Г(о, т) Величина, значение которой определяется состоянием системы независимо от того, каким путем пришла система в это состояние, называется функцией состозншя.

Поскольку для задания состояния системы необходимо указать два параметра, такую функцию можно представить как я=.Г( у), (! .1) где з — любая функция состояния; х, у — параметры системы. 5 Ее приращение является полным дифференциалом (!з = (дг/дх) дх + (дЫду)„($у, (! .2) а вторые перекрестные производные одинаковы: дя дх дхду дудх ' (1.3) Изменение функции состояния при переходе от состояния 1 к состоянию 2 (рис.

1.1) может быть вычислено как 2 ~ (!3(х,у) = хз(хзГуз) — з((х>,у() . ( (1.4) Отсюда следует, что если система посредством ряда переходов возвращается в исходное состояние — совершает цикл, то изменение функции состояния равно нулю: у()х(х,у) = О. (1.5) Рнс. 1.1 Если параметры системы не остаются неизменными во времени, то говорят, что система совершает процесс. Лрн этом система может энергетически взаимодействовать с телами, находящимися за ее пределами. Количественная мера передаваемого в каком-либо процессе через границы системы упорядоченного движения называется работой. Сам такой вид обмена энергией также называется работой.

Количественная мера передаваемого в каком-либо процессе через границы системы неупорядоченного движения называется я(еллол>ой, а процесс передачи энергии такого движения — >неплообменам. Подчеркнем, что теплота и работа существуют только прн наличии процесса н их значения зависят от У З того, как протекает процесс.

11оэтому н теплота н рпГ>огн явля(отса >(>упкцнями проНесси. !!рнр«>панне нх нс является полным дифференциалом. н лля ннх не применимы нгс нрннсп>чп(ьн ньннс аналитические соотн>«шинн. (>шшьн ш>н простоты записи ног>пну««цнь )рюше«н!1 Г>удсм использовать / ~н«>««>«ш и нн«г«>чан>очно малых прираш> шщ»ц> и> «нчнн шак д, т.е. будел( пи> «>ь >!! и >1(», ншнмня нс>о условность та- >нп>~ >«и> нннн'ннн, з Рнс. 1.2 Ркс. ПЗ Для теплоты и работы в технической термодинамике принято следующее правило знаков: теплота считается положительной, когда она подводится к системе, и отрицательной при отводе ее от системы (рис.

1.2). Работу же считают положительной, если она совершается системой (т.е. отводится), и отрицательной, если совершается над системой (т.е. затрачивается). По характеру протекания различают процессы равновесные (квазистатические) и неравновесные. Равновесный процесс осуществляется при равенстве сил, действующих на границы системы с внутренней и внешней сторон, и представляет собой бесконечную последовательность равновесных состояний системы.

Процесс, не удовлетворяющий этим условиям, является неравноввсны,ы. Поскольку равновесное состояние определяется двумя параметрами, то равновесный процесс может быть представлен линией в термодинамических диаграммах (рис. 1.3). Так как теплота и работа являются функциями процесса, следовательно, если посредством ряда процессов осуществить цикл, то пи теплота, ни работа, суммарные за цикл, не будут равны нулю. На этом и основано действие всех тепловых машин.

Понятие равновесного процесса есть некоторая абстракция, однако только такие процессы можно анализировать методами термодинамики. Получаемые при этом идеализированные энергетические характеристики (значения теплоты и работы) являются наилучшими, а отклонения от них в реальных процессах учитываются с помощью различных эмпирических коэффициентов. 7 1.2. Аналитические выражения йервого закона термодинамики Первый закон термодинамики устанавливает, что изменение энергии системы Е в результате ее взаимодействия с окружающими телами равно алгебраической сумме теплоты и всех видов работ, переданных через границы системы. С учетом установленного выше правила знаков можно записать Д=Š— Е, +юг (1.б) В термомеханнческих системах основным видом энергии является внутренняя энергия У, представляющая собой собственную энергию частиц (атомов, молекул и др.), составляющих систему, и равная сумме кинетической энергии движения этих частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

Она является функцией состояния: У=ЯТ, 1), и, следовательно, для нее справедливо выражение дУ= (дЫдТ),,бТ+ (дУ/д1)т41К (1.7) Абсолютное значение внутренней энергии может быть определено лишь с точностью до неизвестной величины ӄ— энергии вещества при абсолютном нуле температуры.