Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 88
Текст из файла (страница 88)
!84 Ч, — пл. 12341!пл, а12348 1 — пл. а14Ыпл.,а!234а. Подстановка вышеприведенных выражений в формулу (840) дает ( Ч! —,— — 1— т,— т, (Чв $! (Тв — Тв) (! — Чи)+ (Тв — Тв) + (Тв — Тв) 'Чв — й В частном случае прн Ч„= 1, Чв = ! и $ = 0 (Т, — Т,)1(Т, — Т,). Температура газа, выходящего нз канала МГД-генератора, достигает значений 1800 — 2200 К: Целесообразной схемой, использующей теплоту этого газа, является схема МГД-генератора с регенеративтым подогревом (рис. 185). Газ, покидающий МГДвгенератор 2, сначала проходит регенератор 3 и нагревает в нем свежий воздух из комг Х пресссра.4.
Этот воздух в по- догретом состоянии поступает Трали ба . в камеру сгорания 1, Затем газ, отдавший часть Х своей теплоты регенератору, нагребает в теплообменнике б рабочее вещество турбины б. После срабатывания в турби- 7 не рабочее . вещество через . конденсатор 7 и питательный Рис, !ад МГД-геиеввтои откиатого типа насос 3 снова поступает в теплообменник б.
Если принять при этом, что энтальпия газа, поступающего в канал МГД-генератора, не изменяется, то регенерация приводит к сокращению расхода топлива в камере сгорания, а следовательно,'к повышению КПД установки в целом. Для регенеративного подогрева в цикле МГ11-генератора с регенерзцией (рис, 186) используется теплота др (участок 4 4). Количество 4!2 теплотм, которое необходимо получить от сгорания !опт!ива, при этом уменьшается.
на 7)р = б„с, (Те — 7'т), где бр — степень регенерации. В этом случае КПД цикла т — т,— 6 (т — т,) т)) ! — (7)в») (Тв — Тт) (1 — т)н) + (Тв — Та) + (Тв — Та) — Ьр !Та — !'т! яь — $ 77)кь ркг Схема электростанции е МГД-генератором замкнутого цикла, ис». пользующая атомный реактор, представлена на рис. 187. Здесь паровая утилизт)рующая турбина в главном контуре дает 38 тыс. кВт, а компрессор первого контура потребляет 135 тыо.
кВт, поэтому введен электрогенератор мощностью 97 тыа. кВт. Полная мощность МГД- генератора 515 тыс. кВт. $. 151. Термодииамический расчет электротермичесиого плазменного движителя Плазму, полученную при электродуговом нагреве, применяют в плазменных движителях в качестве рабочего тела. Так,-например, в электротермических движителях (рис. 188)'рабочее'тело по трубопроводу 3 подводится в камеру 7; нагревается элек- 4!3 Для частного случая, когда т)в = т1, = бр нм 1, $ = 0 ), = 1 (т, — т,)7 (т, — т~.
Сопоставление полученных формул показывает, что КПД цикла с регенеративным подогревом выше, чем без подогрева. Рнс. )66. Реальный цикл МГЙ генерато- ' ра с регенерацией Рис. )67, Схема атомной электростанции с ЧГЛ-генератороьы 7. т — твплооомснникн. а — атомные реактор; т — «омпрсссор: и — паоавав турбина: а — влсктрогснсратор 7 — кон аспсатор Š— питвтсльныа насос; т— Энльтр; !Π— МГдГ; П вЂ” васмна» ьлвк.
травескав цепь МГИГ трической дугой между анодом 1 и катодом б до плазменного состояния и затем истекает через сопло со. скоростью около 20 000 мlс, создавая реактивную тягу: Источником электроэнергии служит батарея 2: Жидкость, охлаждающая вопло, поступает по трубопроводу 5 и выходит через трубопровод 4. Для проведения расчета электротермического движителя следует задать температуру йлазмы в камере движителя Тео давление плазмы в камере р„» рабочее тело.. Для большей конкретизации ниже при. ни маются следующие значения этих параметров: Т„= 12 000 К;, р„= = 0,01 МПв'; рабочее тело — гст лий Не, для которого потенциал ионизации Е, = 24,5 эВ (см, табл. 16). Для устзновления состава плазмы в камере должны быть использованы: константа равновесия процесса ионизации Кр = Рне» Р»(рнеь «(841) уравнение электронейтральности йлазмы или,ое ее Рне» . (842) и закон Дальтоиа Рис.
!88, Схема электратермическога плазменного движителя Рн =Рве+Рне«+Р». (843) (844) Из уравнений (841), (842) и (843) следует; ре р =2р +рне 2р + Р Р. =- — К + )е К' + Р К Для выбранных значений исходных параметров имеем р, = 1,59 ° !О ' МПа; рне« = 1,59 ° 1О-' МПа; рн, = = 0,0099682 МПа. 414 Для определения константы. равновесия можно воспользоваться уравнением (789): 1ьКр — — — — Е,+ — 18 Т вЂ” 1,62= — 3,72; 8040 8 К, =, 1,91 ° 10-'. "тепень ионизации определяется, по формуле а=У 1/(1+Рк/Кр) а молярная масса смеси — по зависимости (848) е ! кк 1 Мек = «~ Р! М! = (Рне Мне+Рике МНе+) (849 Р !! Рк В соответствии а уравнениями (845) и (846) ж = 1,59 ° 10-" и М = 3,98 кг/моль.
Далее определяются энтальпия и энтропия газа в камере. Для зтэ го можно воспользоваться соотношением (806): 1 т /Не+ Риее+/еРе+/не Рве !ее= ' У 1!.Р!= ° (847) к4ек Рк /Нее Рк Входящие в вь!ражение (847) значения 1и,к, 1, и 1н. определяют. ся либо по з!-диаграмме, либо расчетным путем по формула 1Не ! /1! (О + СреЕе 7» где (Ы Ц" = — '6 100 Дж/моль; 'с „,='20,8 Дж!(моль К). Тогда !н, = 243 900 Дж/моль.
. Подстановка полученных данных в формулу (847) дает = 62 900 Дж/кг. Энтропия определяется в соответствии е формулой (806)! як Ре ее+ Рне ене+Рне еиее ' 848) Б 4Р З4Р!= ° (8'е Нее Рк Щ енееРк По зависимости (836) вне=вне р, ! — 17!" Р«/Ре 'и хе=акр =! /з)пРк/Ре' Если в выражении (848) принять ан', — — зн,+, ' что не внесет. болье шой ошибки, и значения зн, из, при давлении рр = 1,0 найти потаб. лицам, то зне = знее = 222>2 Дж/(моль ' К)! $» = 117 Дек/ (ноль ' К) и тогда зк = 55,5 кДж/(кг ° К).
Параметры газа на срезе соила могут быть,впределень!'при извеог ной степени,расширения газа в сопле (ниже эта степень принимается равной !000). Тогда давление на срезе сопла р, = р„/!О' = !О ' МПа. 415 Так как потенциал ионизапии Не'велик, можно допустить, что на срезе сопла ионизация отсутствует (для рабочих тел с низким потен- иналом ионизапии такое допущение принимать нельзя). Для адиабатного (изоэнтропного) процесса э = сопз1. Следователь. ио, эс = зс = 55„5 кДж/ (кг ° К). Для установленных таким образом условий температура гвва на срезе сопла определяется методом.подбора, изложенным в 2 128. Вы- полненный расчет показывает, что на срезе сопла Т, = 760 К.
Извест- ное значение Т, дает возможность определить энтальпию газа иа срезе сопла по формуле вс = /нв/Мнв = 2435 кДж/кг. Скорость истечения газа из сопла 1Рс =-44,7 $' !'„— 1, = 44,7 Р'62900 — 2435 = 11 200 м/с. Плотность газа в камере н на срезе сопла определяется в соответ- ствии с уравнением (64): Р„= Р" =0,394 10 " кг/м'. р,= Р' =0,62 10 ' кг(мс.
К„т„' /1ст Известные значения р„, Р„р„и р, дают возможность определить показатель изоэнтропы по формуле и— 1ХРс — !ЯРс 1я0,1 — 1Х10 — 1,66, !ЙРн — !ЯРс !20,394 10-'в — !ХО,02.10-в а также в соответствии с формулами (577), (579), (588) дают возмо>к- ность уточнить при Ф = н величину св, и определить критические па- раметры св„„, Р„и р„,: кс = 10850 ж ! 1200 м/с; Рсэ = 4,94 ° 10 ' МПа.и 1Р„с = 5575 м(с; р„р —— 0,257 ° 10 с кг(м'. Для определения критических значений площади /„р и диамет- ра в(„э сопла необходимо задать расход 'газа. Например, т =* = 0,3 ° 1О-" кг(с, тогда /вр ° т( (р„рсэ„р) = 0,3 ° 1О с/(0,257 ° !О ' ° 5575) = 0,209 10-' м' и в(„„= Р 4/сэ/н = 1,64 см: Размеры среза сопла! площадь /с = — = 0;0043 м', диаметр в( Рсссс с = Ф 4/с/н 7,,4 см, й '452. Термодннамнческне основы толлнвных элементов Проблема использования «холодных» реакций 'окисления, в совер.
шенстве разрешенная природой, находит свое техническое применение в топливных элементах, основными характеристиками которых являются электродвижущая сила Е и максимально возможная работа А. Оба этих параметра рассчитываются термодинамическими методами 410 Процесс, происходящий в топливном элементе, из-за малого электрического тока может с большой степенью точности приниматься в качестве обратимого изобарно-изотермного процесса. Совокупность выражений (52) и (53) дает возможность для такого процесса записать уравнение Гиббса — Гельмгольца в виде б = 1+ Т (дб(дТ)р. Для двух точек процесса это уравнение имеет вид Ьбр.г=мр,г+7~ — "~ '1..
(849) дТ /р' Для топливного элемента изменение изобарно-изотермного потенциала Ьб равно работе по переносу электрического заряда пФж где и — валентность и Фх = 96 500 Кл/моль — постоянная Фарадея. Следовательно, А = Лб = — пФьЕ ~ — 96 500 пЕ, где Š— электродвнжущая сила элемента. Изменение энтальпии (287) в изобарном процессе соответствует теплоте реакции, поэтому Мр,г бр, Следовательно, уравнение (849) может быть записано в вйде Лб = — 96 500 пЕ = б/ — 96 500 п1 (дЕ(дТ), ' (8Ы) (850) откуда Е = — Л// (96 500п) + Т (дЕ/дТ)р. (852) Соотношение между приращениями Лб н Л/ определяется алгеб. ранческим знаком (дЕ/дТ)„: если (дЕ/дТ)„= О, то Лб = б/, т.
е. работа производится за счет убыли энтальпии и топливный элемент работает без теплообмена; при (дЕ(дТ) р ( 0 выполняется условие Л/ ) Лб, свидетельствующее о том, что работа меньше теплового эф. фекта реакции и избыток теплоты элемент отдает в окружающую среду. Если же теплоотдача затруднена, то.элемент будет нагреваться; при (дЕ/дТ)р '-» 0 выполняется условие Ь/ ( Лб, т. е. работа электрического тока больше теплового эффекта реакции и теплота заим ствуется из окружающей среды. Если к тому же (дЕ/дТ)р = сопз1, то работа в элементе производится лишь за счет теплоты окружающей среды. Последнее особенно важно для работы топливных элементов, .установленных на космическом корабле В качестве примера ниже определяются э.
д. с. и максимальная работа топливного элемента, изображенного нэ рис. !81, а. В этом элементе О, и Нх поступают под давлением через пористые платиновые электроды / и 2 в электролит — раствор щелочи КОН. При этом ато. мы О, захватывают электроны с поверхности пор в металле, превращаются в отрицательные ионы и перемещаются к электроду 1, где отдают электроны и, превращаясь в нейтральные атомы, вступают в реакцию с Н„образуя Н,О в результате реакций Н, + — 'О, Н,О.
' Для этой реакции Ьбм, = — 238 000 Дж/моль и Л/гм = 286000 Дж/моль. Б соответствии с выражением (849) (дуб(дТ) р — — Лб — Л/(7 = ( — 238 000 + 286 000)/298 = 161 Дж/ (моль ° К). Совместное решение выражений (849) и (851) дает (дЕ/дТ), = — )51/'(96 500 " 2) = — 0,000834 В/К. По формуле. (852), Е = '285 060/ (96 500 2) — '298 - 0,000834 = 1,23 В, а по формуле (850)„А = ЛП = —.238 00() Дж/моль, что и требовалось определять. Приведенный пример иллюстрирует возможности топливного элемента. 'Однако для того ~чтобы эти возможности стали техническо действительностью, необходимо преодолеть значительные трудности, связанные 'главным образом с малой скоростью «холодной> реакии ' окисления; идущей к тому же лишь на поверхности электродов, ма( лой подвижностью ионов в электролите и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
