Курс лекций общая энергетика

Начертательная геометрия
Фронтально проецирующая плоскость
Фронтальная плоскость уровня
Фронталь плоскости
Прямая, параллельная плоскости
Взаимная параллельность плоскостей
Примеры изображения плоскостей общего и частного положения
Задание поверхности на комплексном чертеже
Определитель поверхности
Алгоритм конструирования поверхности
Развертывающиеся поверхности
Комплексный чертеж призматической поверхности
Задание кривых линейчатых поверхностей
Задание цилиндрической поверхности общего вида на комплексном чертеже
Неразвертывающиеся линейчатые поверхности с двумя направляющими
Алгоритм построения цилиндроида
Коноид
Поверхности вращения
Поверхности вращения второго порядка
Сфера образуется вращением окружности
Эллипсоид вращения
Гиперболоид вращения
Тор- поверхность вращения 4 порядка
Сконструировать поверхность: тор-кольцо
Винтовые поверхности
Решение позиционных и метрических задач
Позиционные задачи
Решение главных позиционных задач
Конические сечения
Построить линию пересечения сферы
Метрические задачи.
Построение плоскости, касательной к поверхности
Задачи на определение расстояний между геометрическими фигурами
Преобразование комплексного чертежа
Плоский чертёж
Третья основная задача преобразования комплексного чертежа
Решение четырех основных задач преобразованием комплексного чертежа
Плоскость общего положения поставить в положение проецирующей
Решение позиционных задач с помощью преобразования комплексного чертежа
Технические чертежи

Изображения на технических чертежах

Разрезы
Классификация разрезов
Соединение части вида и части разреза
Сечения
Выносные элементы
По наглядному изображению построить три вида детали и выполнить необходимые разрезы.
Построить три вида детали и выполнить необходимые разрезы
Сфера
Аксонометрия
Изометрия окружности
Прямоугольная диметрия
Энергетика
  • Тепловые электрические станции
  • Основные элементы паровых электростанций
  • Технологическая схема ТЭС
  • Отопление и горячее водоснабжение (ГВС)
  • Топливный тракт электростанции
  • Сжигание жидкого топлива на электростанции
  • Тракт шлакозолоудаления
  • Виды органического топлива
  • Характеристики топлива
  • Элементы теории термодинамики
  • Термодинамический процесс
  • Изобарный процесс
  • Круговые процессы или циклы
  • Энтропия как параметр термодинамической
    системы
  • Термодинамические процессы водяного пара
  • Основные параметры воды и водяного пара
  • Основное тепловое оборудование ТЭС
  • Основные параметры и обозначения
    паровых котлов
  • Паровые турбины
  • Основные узлы и конструкция паровой турбины
  • Принципиальная схема конденсационной
    установки
  • Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)
  • Компоновка главного корпуса
    и генеральный план ТЭС
  • Строительная компоновка главного корпуса ТЭС
  • Генеральный план электростанции
  • Газотурбинные, парогазовые электрические
    станции
  • Атомные электростанции
  • Принципиальные тепловые схемы АЭС
  • Альтернативные источники получения
    электрической энергии
  • Приливные электростанций (ПЭС).
  • Энергия морских течений
  • Различные типы ветроагрегатов
  • Экология
  • Экологические проблемы тепловой энергетики
  • Экологические проблемы ядерной энергетики
  •  

    Элементы теории термодинамики

    Общие определения в технической термодинамике и теплопередаче

    Историческое развитие термодинамики связано с именами выдающихся учёных, таких, как Ломоносов, который сформулировал закон сохранения энергии. Этот закон позволил получить первое начало термодинамики, создателями которого считаются Майер, Джоуль, Гельмгольц, и другие. Открытие второго начала термодинамики, указывающего направленность термодинамических процессов, связано с такими именами, как Карно, Томсон, Больцман и другими.

    Термодинамика является наукой, в которой изучаются энергия и законы превращения её из одних видов в другие. Раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии, называется технической термодинамикой. Техническая термодинамика ограничивается рассмотрением преимущественно тех частей общей термодинамики, которые необходимы для изучения основных принципов работы тепловых машин и теплообменных аппаратов как в идеальных, так и реальных условиях. Наиболее подробно в технической термодинамике изучается превращение тепла в механическую работу.

    Теплота и работа представляют собой различные формы движения материи, причём теплота является результатом молекулярного и внутримолекулярного хаотического движения частиц материи, а работа предполагает наличие направленного движения тела, происходящего под действием внешних сил. Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью.

    Тепловое движение ― это особая форма движения материи, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно, а теплота ― форма теплового движения.

    В Международной системе единиц СИ единицей работы является Джоуль, а мощности ― Ватт. Ещё применяются внесистемные единицы. Соотношения между ними будут следующие:

    Работа, энергия…………………….1 кгс·м=9,80665 Дж

     Мощность…………………………..1 кгс·м/с=9,80665 Вт.

    Основой термодинамики как науки являются два закона, полученных на основе опыта. Это первый и второй законы термодинамики. Первый устанавливает количественную меру при переходе одного вида энергии в другой и является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Второй имеет более ограниченный характер и применим к телам, которые имеют конечные размеры, но состоят из большого числа атомов и молекул. Второй закон термодинамики устанавливает направление тепловых процессов, протекающих в природе, и условия преобразования теплоты в работу.

    Применяя основные законы, техническая термодинамика исследует процессы, протекающие в тепловых двигателях, и устанавливают наиболее экономичные условия их работы.

    Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

    Взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой может быть различного рода: механическим, тепловым, химическим, электрическим и т.д.

    Из всех возможных видов взаимодействия между системой и окружающей средой в технической термодинамике рассматриваются механическое и тепловое. Для удобства изучения того или иного вида взаимодействия между системой средой термодинамическую систему условно представляют заключённой в воображаемую оболочку, отделяющую её от окружающей среды. Оболочку в зависимости от того, под каким углом зрения изучается такое взаимодействие, считают способной передавать или не передавать от системы к окружающей среде или, наоборот, от среды к системе механическое или тепловое воздействие. Другими словами, система может быть или не быть механически или термически изолированной.

    Если термодинамическая система представляет собой газообразное тело, то при наличии одного лишь механического взаимодействия объём системы под влиянием разности давлений и среды изменяется: он либо уменьшается, либо увеличивается. При одном лишь термическом взаимодействии между системой и средой вследствие их разности температур сообщается системе из окружающей среды или происходит обратное явление.

    В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой состояние системы изменяется. Применительно к газу, используемому в тепловом двигателе в качестве рабочего тела, изменение состояния газа будет в общем случае проявляться в изменении его температуры, удельного объёма и давления. Эти характерные для данной системы величины называются основными термодинамическими параметрами её состояния. Таким образом, результатом взаимодействия системы с окружающей средой будет также и изменение параметров состояния системы.

    Непрерывно протекающее состояния системы, происходящее в результате её механического, теплового или в общем случае тепломеханического взаимодействия с окружающей средой, называют термодинамическим процессом.

    Когда вследствие взаимодействия с окружающей средой объём термодинамической системы уменьшается, то происходит процесс сжатия системы, и наоборот, при увеличении её объёма происходит процесс расширения системы. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

    Теплопередача является сравнительно молодой наукой. Особенно бурно она начала развиваться с 50-х годов прошлого века. Большой вклад в развитие учения о теплообмене сделаны многими российским учёными: Кирпичёвым, Михеевым и т.д. Особенно бурное развитие теплопередачи происходило в 70—80-х годах прошлого века в связи с внедрением интенсивных способов переноса теплоты в тепловой и атомной энергетике.

    Рассмотрим общие понятия и термины из области теплопередачи.

    Теплопередача ― это учение о процессах распространения тепла. Распространение тепла осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

    Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частей тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

    Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией тепла понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды.

    Тепловое излучение ― это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно ― лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую. В природе и технике элементарные процессы распространения тепла ― теплопроводность, конвекция и тепловое излучение ― очень часто происходят совместно. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твёрдых телах.

    Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Обычно при инженерных расчётах определяют конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела; этот процесс конвективного теплообмена называется конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучения.

    В технике и быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделёнными твёрдой стенкой. Процесс передачи тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей.

    В качестве стенки может быть труба: внутри её протекает вода, а пар снаружи греет эту воду. Процесс теплопередачи осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса, происходящими одновременно.

    Например, парообразующие трубы котельного агрегата получают тепло от продуктов сгорания топлива тремя способами: теплопроводностью с, конвекцией и тепловым излучением. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи тепло передаётся теплопроводностью. От внутренней поверхности трубы к омывающей её жидкости тепло отдаётся конвекцией и теплопроводностью. Таким образом, в общем случае процесс теплопередачи может осуществляться всеми тремя способами переноса тепла.

    Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состояния рабочих сред и тому подобное. В зависимости от этого теплообмен протекает по-особому и описывается различными уравнениями.

    В природе и технике многие процессы переноса тепловой энергии сопровождается переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух, кроме теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путём. Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называется конвективным массообменном. При наличии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.

    Основные термодинамические параметры рабочего тела

    В термодинамике в качестве рабочих тел используются газы и пары, так как они имеют большой коэффициент объёмного расширения.

    Молекулы всякого тела находятся в непрерывном и быстром движении, интенсивность которого определяет степень нагретости этого тела, то есть его температуру. Во всяком реальном теле между молекулами действуют в той или иной мере силы сцепления, величина которых определяется агрегатным состоянием тела. При твёрдом состоянии тела силы взаимного притяжения молекул велики, вследствие чего тело имеет определённую форму и изменение её связано с необходимостью приложить к телу достаточно большое усилие для нарушения межмолекулярных связей. В жидком состоянии межмолекулярные силы ослаблены. Поэтому тело неспособно сохранять определённую форму, а принимает форму сосуда, в котором оно находится. В газообразном состоянии молекулы находятся на столь больших расстояниях друг от друга, что межмолекулярные силы весьма малы, и поэтому газ стремится к беспредельному расширению. Величина сил межмолекулярного воздействия у газа определяется степенью удаления газ от жидкой фазы: чем больше перегрет газ, тем силы слабее. Малоперегретые газы, сравнительно недалеко отстоящие от жидкого состояния, называются парами. Молекулы газа движутся хаотически с огромными скоростями, непрерывно соударяясь, их движение одинаково возможно в любом направлении.

    Беспорядочно движущиеся молекулы газа, находящегося в замкнутом сосуде, ударяются о стенки этого сосуда. Совокупность таких ударов воспринимается стенками сосуда как некоторое непрерывное действующее на них усилий. Величину такого среднего результирующего усилия, приходящегося на единицу поверхности сосуда и действующего перпендикулярно к ней, называют давлением газа.

    Итак, мы уже знаем, что для превращения тепла в работу требуется определённая совокупность источников тепла и материальных тел (например, газов, паров, жидкостей), находящихся между собой в тепловом и механическом взаимодействии. Источники тепла и материальные тела образуют так называемую термодинамическую систему. Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника тепла совершают механическую работу.

    Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используется ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объём v или величина. Обратная удельному объёму – плотность ρ).

    Напомню вам, что различают следующие виды давлений:

    Атмосферное давление рб создаётся массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменное значение, которое зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий, то есть от погоды.

    Избыточное давление р выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.

    Вакуумметрическое давление рв среды характеризует давление (вакуум), которое ниже атмосферного давления. Иногда вакуумметрическое давление выражается в виде относительной величины V процентах атмосферного давления:

    %.

    Абсолютное давление ра среды ― это полное давление , которое равно сумме атмосферного и избыточного давлений:

    Абсолютное давление может быть больше ра=р+рб или меньше атмосферного на величину вакуумметрического давления ра=рб-рв. В частном случае, когда избыточное давление р или вакуумметрическое давление рв равно нулю, абсолютное давление равно атмосферному.

    Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называется термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

    Абсолютная температура является одним из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела. Для измерения абсолютной температуры применяется шкала Кельвина. Единица деления этой шкалы (кельвин) равна градусу шкалы Цельсия, в которой интервал температур от точки таяния льда до кипения воды при атмосферном давлении разбит на 100 равных частей (градусов). В шкале Кельвина за температуру таяния льда принята величина 273,15 К, а в шкале Цельсия принят 00С. Таким образом, Т,К=t,0С+273,15.

    Удельный объём рабочего вещества – это объём, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Так, если G кг занимает объём V м3, то удельный объём будет равен:

    , м3/кг.

    Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объёму, то есть массу вещества в 1 м3 рабочего тела.

    , кг/м3.

    И поэтому,.

    Из определения понятия основных термодинамических параметров состояния рабочего тела следует, что их значения не зависят от того, каким путём рабочее тело пришло в рассматриваемое состояние. Это свойство параметров состояния является одной из их специфических особенностей.

    Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным.

    Равновесное состояние изолированной термодинамической системы характеризуется постоянством по всему объёму, занимаемому системой, и таких параметров, как давление и температура. Это есть термическое равновесие. В неизолированной системе равновесное состояние однозначно определяется внешними условиями, то есть давлением и температурой внешней среды.

    В равновесных термодинамических системах отсутствуют стационарные потоки, например, теплоты или вещества. Всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, которое и остаётся затем неизменным, пока система не будет выведена из него внешним воздействием.

    Если в разных частях объёма, занимаемого рабочим телом, нарушается постоянство давления, то система приходит в неравновесное механическое состояние. Если нарушается постоянство температур, то система приходит в неравновесное термическое состояние. Короче говоря, все три основных параметра связаны между собой определёнными законами.

    В тепловых двигателях в качестве рабочего тела применяют реально существующие газы, но для упрощения в технической термодинамике широко применяется понятие об идеальном газе.

    Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих очень малыми объёмами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишённых сил взаимодействия. Под взаимодействием молекул нужно понимать силы взаимного притяжения и отталкивания. Отличие реального газа от идеального заключается в том, что в реальном газе в той или иной мере проявляются силы молекулярного взаимодействия, и в том, что фактически молекулы его занимают хотя и очень малые, но, тем не менее, вполне конкретные конечные по величине объёмы. Чем дальше отстоят молекулы газа друг от друга и чем меньше их линейные размеры по сравнению с расстояниями, отделяющими их друг от друга, тем меньше становятся силы взаимодействия между ними и тем меньше реальный газ будет отличаться от идеального.

    Ко многим применяемым в технике газам (кислороду, водороду, азоту, воздуху, двуокиси углерода, газообразным продуктам сгорания топлива) в определённом диапазоне температур и давлений можно без существенных погрешностей применять законы, справедливые для идеальных газов. Однако за пределами этого диапазона к этим газам указанные законы не применимы. Свойства и поведение паров в технической термодинамике рассматриваются особо. Свойства пара мы будем рассматривать позднее, во втором семестре.

    1.4.3. Первый закон термодинамики

    В технической термодинамике рассматривают частный случай общего закона сохранения и превращения энергии, устанавливающий эквивалентность между теплотой и механической работой. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает, что энергия не уничтожается и не создаётся вновь, а лишь переходит из одной формы в другую в различных физических, химических и других процессах. Переход энергии одного вида в другой происходит по закону эквивалентности, то есть определённому количеству энергии данного вида всегда соответствует одно и то же количество энергии другого вида. И ещё: по закону эквивалентности теплота может превращаться в механическую работу или, наоборот, работа в теплоту в строго эквивалентных количествах. Это означает, что из данного количества теплоты в случае её полного превращения в работу получается строго определённое и всегда одно и то же количество работы, точно также, как и из данного количества работы при её полном превращении в тепло получается строго определённое и всегда одно и то же количество теплоты.

    Эквивалентность между работой и теплотой выражается следующим уравнением:

    Q=AL или L=EQ, где:

    L ― работа, перешедшая в теплоту, кгс·м;

    Q ― теплота, полученная за счёт работы, ккал;

    А ― коэффициент пропорциональности, который называется термическим эквивалентом работы;

    Е ― механический эквивалент теплоты.

    Значение механического эквивалента принимается равным: Е=427 кгс·м/ккал, а А=1/427 ккал/(кгс·м).

    Однако при применении системы СИ, в которой работа и количество теплоты выражаются в одних и тех же единицах ― джоулях, эквиваленты А=Е=1, а уравнение закона сохранения энергии будет выглядеть так: Q=L.

    Первый закон термодинамики имеет огромное теоретическое значение. Он находит широкое практическое применение для расчётов процессов изменения состояния рабочего тела. Этот закон устанавливает взаимосвязь между количеством сообщённого рабочему телу или отведённого от него тепла, величиной изменения его внутренней энергии и совершённой рабочим телом работы изменения объёма.

    Из первого закона термодинамики следует, что полная энергия термодинамической системы в конце любого термодинамического процесса равна алгебраической сумме энергий её в начале процесса и количества энергий, подведённых к системе и отведённых от неё в ходе процесса.

    Контрольные вопросы.

    1. Что такое мощность? Должно быть известно из школьной программы.

    2. Какой параметр не входит в число основных параметров термодинамической системы?

     А. Температура. В. Удельный объём. С. Удельный вес. D. Давление.

    3. Какое давление выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.

    А. Вакуумметрическое. В. Абсолютное. С. Избыточное.

    4. Какая единица давления входит в систему СИ?

    А. Бар. В. кг/см2 С. мм рт ст. D. Н/м2 (Па)

    5. По какой шкале измеряется температура по Кельвину?

     А. По стоградусной шкале. В. По термодинамической. С. по 180-градусной.

    6. Какими способами происходит распространение тепла от одного тела к другому?

    7. Что такое теплопроводность?

    8. Что такое конвекция?

    9. Что такое тепловое излучение?

    Энергетика