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
  •  

    Круговые процессы или циклы

    Круговые процессы или циклы ― это процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное состояние. При непрерывной работе машины цикл постоянно повторяется.

     Р Рис.16.

     1  а

     

     b

     2

     V1 V2   V

     
     Как мы уже знаем, величины работы и количества тепла в

     каком-либо произвольном политропном термодинамическом

     
     процессе зависят от характера процесса (показателя политропы).

     Знак работы (положительный или отрицательный) зависит от

     направления процесса (сжатия или расширения).

     Если между точками 1 и 2 рабочее тело осуществляет

     последовательно ряд процессов расширения на пути 1-а-2,

     а затем также последовательно ― ряд процессов сжатия на пути

    2-b-1, то в итоге рабочее тело совершит круговой процесс, или термодинамический цикл. Этот цикл описывает изменение термодинамических параметров рабочего тела и преобразование тепла в работу в тепловых машинах.

    Суммарная работа цикла будет измеряться заштрихованной площадью 1-а-2-b и эта площадь выражает полезную работу.

    Циклы бывают прямые и обратные. Прямые циклы осуществляются в тепловых машинах, в которых теплота переходит в работу, а обратные ― в холодильных установках, где работа переходит в теплоту. Если процессы, входящие в цикл, являются равновесными и обратимыми, то и цикл является обратимым. Если какой-либо процесс, входящий в цикл, неравновесный, то и весь цикл будет неравновесным и, следовательно, необратимым.

    Полезная работа цикла равна разности количеств тепла, подведённого и отведённого при совершении цикла. В круговых процессах начальное и конечное состояния рабочего тела совпадают, поэтому изменение его внутренней энергии равно нулю.

    Степень термодинамического совершенства прямого цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованного в цикле тепла qпол ко всему подведённому в нём тепла.

    Обозначим через q1 всё подведённое в цикле тепло, а через q2 ― всё отведённое, то, согласно второму закону термодинамики, которое мы изучим в следующем разделе, qпол=q1-q2 и, следовательно, термический КПД цикла можно выразить следующим образом:

    .

    Из этого выражения следует:

    1. В рассматриваемом цикле всегда ηt<1, так как по второму закону термодинамики q2 всегда больше нуля.(q2>0).

    2. В данном интервале температур цикл тем эффективнее, чем меньше величина , то есть чем больше в цикле подводится и меньше отводится тепла или, иначе говоря, чем больше подводимое тепло используется на совершение работы.

    1.4.13. Второй закон термодинамики

    Вспомним, что первым законом термодинамики устанавливаются:

    1. Эквивалентность взаимных превращений тепла и работы и, следовательно, количественные отношения между теплом и работой при этих превращениях.

    2. Постоянство энергии изолированной термодинамической системы.

    3. Взаимная связь между теплом, внутренней энергии системы и работой изменения объёма, совершаемой ею или совершаемой над ней окружающей средой.

    Этих закономерностей недостаточно для того, чтобы на их основе можно было решать целый ряд практических вопросов, таких как установление факторов, определяющих условия возникновения термодинамических процессов, направления и границы их развития, условия превращения тепловой энергии в механическую.

    Хаотическое движение молекул, являющееся своеобразной особенностью внутренней энергии идеального газа, отличает энергию этого вида движений от энергий направленного движений.

    В отличие от неорганизованного характера внутренней энергии идеального газа, каждая молекула которого движется в своём направлении и со своей скоростью, при энергии направленного характера движение молекул или электронов происходит в определённом направлении. Энергия направленного характера свойственна механической, электрической и другим видам энергии.

    Например, энергией направленного характера являются: механическое вращение вала турбины или насоса, движение рабочей среды по трубе, движение электрического тока по проводам (проводнику) и т.д.

    Характерная особенность тепловой энергии идеального газа, то есть ненаправленного движения, проявляется и в том, что она в отличие от энергии направленного движения не может полностью превращаться в энергию другого вида.

    Наблюдения за явлениями природы показывают, что:

    1. Возникновение и развитие самопроизвольно протекающих в ней естественных процессов, работа которых может быть использована для нужд человека, возможно лишь при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

    2. Самопроизвольно протекающие процессы всегда характеризуются односторонним их протеканием от более высокого потенциала к более низкому (например, от более высокой температуры к более низкой, или от более высокого давления к более низкому).

    3. При протекании самопроизвольных процессов термодинамическая система стремится к тому, чтобы прийти в равновесие с окружающей средой, например, равенством давления и температуры системы и окружающей среды. Как вы поняли, что самопроизвольное протекание процессов в природе происходит без участия человека.

    Односторонность протекания термодинамических процессов и то, что тепловая энергия направленного движения проявляется в хаотическом движении молекул, находят отражение в особенностях взаимного превращения тепла и работы. Если работа может быть превращена в тепловую энергию полностью, то при обратном превращении в работу возможно превратить лишь часть тепловой энергии, теряя безвозвратно всю другую её часть.

    Многие тысячелетия потребовалось человечеству, с тех пор как были установлены способы превращения механической энергии в тепловую, чтобы решить обратную задачу: превращение тепла в работу и создать непрерывно работающий тепловой двигатель. Лишь в ХVIII веке появились паровые машины, назначение которых состоит в превращении тепла в работу.

    Из наблюдений за явлениями природы следует также, что для того чтобы заставить процесс протекать в направлении, обратном направлению протекания самопроизвольного процесса, необходимо затратить взятую из внешней среды энергию.

    При соответствующей затрате энергии, получаемой из внешней среды, можно сжимать рабочее тело, способное самопроизвольно лишь расширяться, при этом можно также осуществить перенос тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

    Формулировки второго закона термодинамики, данные различными учёными, вылились в форму постулатов, полученных в результате развития положений, высказанных французским учёным Сади Карно.

    Постулат ― это утверждение, принимаемое за истинное, хотя и недоказуемое, поэтому аксиоматичное.

    В частности, постулат немецкого учёного Клазиуса состоит в том, что тепло не может переходить от холодного тела к тёплому без компенсации. Сущность постулата английского учёного Томпсона заключается в том, что невозможно осуществить цикл теплового двигателя без переноса некоторого количества тепла с более высокой температурой к источнику с более низкой температурой.

    Эту формулировку надо понимать так, что для того чтобы работала периодически действующая машина, необходимо, чтобы были минимум два источника тепла различной температуры.

    При этом в работу может быть превращена лишь часть тепла, забираемого из высокотемпературного источника, в то время как другая часть тепла должна быть передана низкотемпературному источнику. Высокотемпературный источник иногда называют теплоотдатчиком, а низкотемпературный ― холодильником.

    Таким образом, второй закон термодинамики показал на основании наблюдений за рабочими машинами, какие условия должны выполняться для превращения теплоты в работу:

    1. Должно быть два источника тепла: горячий и холодный.

    2. Тепло переходит от тел более нагретых к менее нагретым телам.

    3. В круговом процессе подводимая теплота не может быть полностью превращена в работу.

    4 Самопроизвольное протекание естественных процессов возникает и развивается при отсутствии равновесия между участвующей в процессе термодинамической системой и окружающей средой.

    5. Ход самопроизвольно протекающих процессов происходит в направлении, приводящим к установлению равновесия термодинамической системы с окружающей средой, и по достижении этого равновесия, процессы прекращаются.

    6. Процесс может протекать в направлении, обратном самопроизвольному процессу, если энергия для этого заимствуется из внешней среды.

    Наглядно суть второго закона термодинамики можно представить, если рассмотреть работу простейшей паротурбинной установки.

    Рис.17.

     
    Из этой схемы (рис.17) следует, что конденсационная паровая турбина может непрерывно работать при условии превращения пара в жидкость (конденсат). Это связано с тем, что часть тепла рабочего тела должна быть безвозвратно поглощена в конденсаторе. Аналогично этой схеме паротурбинной установки можно во всякой другой теплосиловой установке всегда установить наличие двух разнотемпературных источников тепла.

    1.4.14. Цикл Карно

    При исследовании свойств обратимых процессов особое значение имеет цикл, который был исследован в 1824 году французским учёным Карно.

    Этот простейший цикл состоит из двух изотерм и двух адиабат. Цикл Карно состоит в преобразовании тепла в работу при наличии только двух источников тепла: горячего с температурой Т1 и холодильника с температурой Т2, температура которого меньше температуры Т1. В изотерме 1—2 Т1=const, в изотерме 3—4 Т2= const.

    Подпись:  p               1               q1
           T1
                                    2
                 4
                                  T2              3
                                                            v
                          Рис.18
Итак, в прямом цикле Карно рабочее тело расширяется сначала при Т1=const с подводом тепла q1 на участке 1—2, затем в адиабатном процессе 2—3 до точки 3, охлаждаясь до температуры Т2, после чего сжимается сначала при Т2= const до точки 4 с отводом тепла q2, а затем по адиабате 4—1 до восстановления первоначальных параметров в точке 1.

    При адиабатном сжатии (4—1) происходит увеличение внутренней энергии газа и температура его повышается от Т2 до Т1. Таким образом, в цикле Карно работа адиабатных процессов расширения и сжатия равна по абсолютной величине и обратна по знаку, поэтому на результирующую работу цикла не оказывают влияния. Это значит, что работа газа за цикл будет равна разности работ, которую он совершает при изотермическом расширении и сжатии.

    Это ― прямой цикл Карно. Обратный цикл Карно состоит из тех же процессов, что

    и прямой, но изменение состояния газа происходит в направлении против часовой стрелки. Сначала происходит адиабатное расширение 1—4 и температура рабочего тела понижается от температуры Т1 до Т2. При последующем расширении газа по изотерме 4—3 газ получает теплоту от холодильника в количестве q2 при постоянной температуре Т2. Затем газ сжимается по адиабате 3—2 и по изотерме 2—1 газ возвращается в исходное состояние. При адиабатном сжатии температура газа повышается от температуры Т2 до Т1, а при изотермическом сжатии газ отдаёт горячему источнику теплоту в количестве q1 при постоянной температуре Т1.

    На осуществление обратного цикла Карно затрачивается внешняя работа цикла lц, которая на р,v-диаграмме изображается площадью 1—2—3—4.

    Термический КПД прямого цикла Карно, как и любого другого цикла, равен:

     или через температуры, которое является окончательным КПД цикла Карно: .

    Последняя формула КПД позволяет сделать следующие выводы:

    1. Термический КПД цикла Карно зависит только от температуры горячего источника Т1 и температуры холодильника Т2.

    2. Чем выше температура горячего источника и чем ниже температура холодильника, тем выше термический КПД цикла Карно.

    3. Так как температура холодильника Т2 всегда положительна, то термический КПД цикла Карно всегда меньше единицы. Это значит, что теплоту q1, подводимую в цикле к рабочему телу, невозможно полностью превратить в работу, часть её в количестве q2 отдаётся холодильнику.

    4. Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, так как в формулу КПД входят только температуры, а не такие параметры, которые характеризуют свойства рабочего тела (газовая постоянная, показатель адиабаты и другие).

    5. Цикл Карно ― это термодинамический цикл, который нельзя осуществить в действительной установке, так как невозможно подвести тепло при постоянной температуре (Т=const).

    Для обратного цикла Карно критерием эффективности служит холодильный коэффициент: , где q2 ― тепло, подведённое к рабочему телу от холодильника.

    Общим для прямого и обратного циклов Карно является то, что в соответствии со вторым законом термодинамики они могут быть осуществлены только при наличии разности температур между горячим источником и холодильником, то есть до тех пор, пока рассматриваемая термодинамическая система не придёт в состояние термического равновесия.

    Итак, основные положения пройденного материала.

    Адиабатный процесс совершается в физической системе, не получающей теплоту извне и не отдающей её, то есть отсутствует теплообмен рабочего тела с внешней средой.

    Цикл Карно ― это обратимый круговой процесс, в котором совершается наиболее полное превращение теплоты в работу или работы в теплоту.

    Круговые процессы или циклы ― это процессы, в которых рабочее тело, пройдя ряд различных состояний, возвращается в исходное состояние

    Степень термодинамического совершенства прямого цикла характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение полезно использованного в цикле тепла qпол ко всему подведённому в нём количеству тепла.

    Для обратного цикла Карно критерием эффективности служит холодильный коэффициент.

    Контрольные вопросы.

    1. Как оценивается степень совершенства прямого цикла Карно?

    А. Температурой. В. Энтальпией. С. Коэффициентом полезного действия.

    2. Что соответствует адиабатному расширению газа, когда его внутренняя энергия уменьшается?

    А. Понижение температуры. В. Повышение температуры. С. Постоянство температуры.

    Энергетика