Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Прямая доставка чая из Китая

Гуманитарные науки

Гуманитарные науки

Выполнение 
работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Выполнение работ на заказ. Контрольные, курсовые и дипломные работы

Занимайтесь онлайн 
        с опытными репетиторами

Занимайтесь онлайн
с опытными репетиторами

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Физика. Примеры решения задач
контрольной работы
Кинематика
Механические колебания
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Термодинамический анализ
энергетических установок
Принцип термотрансформации
Конвективный теплообмен
Тепловое излучение
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ
КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Электростатика

 

Термодинамический анализ энергетических установок

 Применение законов термодинамики к преобразованию энергии в технических системах.

 Для технических приложений особое значение имеют положения I и II законов термодинамики, относящихся к процессам преобразования энергии.

 По I закону невозможны процессы, в которых бы производилась или уничтожалась энергия: возможны только преобразования одних форм энергии в другие в виде балансовых уравнений I закона.

 Второй закон налагает определенные ограничения на эти преобразования: не всякая форма энергии может быть преобразована в любую другую форму энергии. По II закону имеются две группы форм энергии: формы, способность которых к преобразованию не ограничивается II законом (все виды энергии направленного движения, в том числе механическая, электрическая, химическая, внутриядерная, потенциальные энергии различных физических полей) и формы, преобразуемые из одной в другую только в ограниченной мере (все виды энергии теплового движения, в том числе тепловая внутренняя энергия тела (или потока вещества) и энергия, передаваемая через границы системы в форме тепла).

 Указанные особенности преобразования энергии позволяют ввести в рассмотрение два новых понятия с размерностью энергии – эксергию и анергию.

 Эксергия – это энергия, которая при участии заданной окружающей среды может быть преобразована в любую другую форму энергии; анергия – это энергия, которая не может быть преобразована в эксергию.

 Преобразование энергии в земных условиях зависит от свойств окружающей среды. В технической термодинамике окружающая среда рассматривается как неограниченно большая, находящаяся в равновесии масса вещества, для которой интенсивные параметры , а также химический состав остаются неизменными вне зависимости от восприятия или отдачи ею энергии либо вещества. Окружающая среда участвует во всех процессах как система неограниченной энергоемкости, которая может воспринимать или отдавать энергию без изменения своих интенсивных параметров. Согласно II закону, преобразование внутренней энергии окружающей среды в эксергию невозможно, т.е. внутренняя энергия окружающей среды является анергией.

 Утверждения о том, что существуют эксергия и анергия, можно рассматривать как одну из общих формулировок II закона: все формы энергии состоят из эксергии и анергии, причем каждая из этих составляющих может быть равна 0, т.е.

.

  Эта формулировка естественно включает и I закон, т.к. во всех процессах сумма эксергии и анергии остается постоянной. Однако, в соответствие со II законом, во всех реальных необратимых процессах эксергия превращается в анергию, которую обратно в эксергию превратить невозможно; эксергия остается постоянной только в идеализированных обратимых процессах.

 Следовательно, часть эксергии, превращаемая в реальном необратимом процессе в анергию, представляет собой потерю эксергии в процессе. Например, для стационарного поточного процесса в контрольном пространстве баланс эксергии можно представить в виде

 , (75)

где   − мощность эксергии на входе и выходе контрольного пространства, Вт;  − потери эксергии в потоке вещества, Вт.

 Классификация энергетических установок. Задачей энергетики является получение необходимой для осуществления технических процессов эксергии в виде механической полезной работы или электроэнергии. Эксергию вырабатывают из имеющихся на Земле источников; это прежде всего ископаемое топливо, химическая или внутриядерная энергия которого превращается в механическую или электрическую энергию. К другим источникам эксергии относится гидравлическая энергии воды, кинетическая энергия ветра и излучаемая на Землю солнечная энергия. Важнейшими энергоресурсами в настоящее время и в ближайшей перспективе являются химическая и ядерная энергии, преобразование которых в механическую и электрическую формы энергии осуществляется в теплоэнергетических установках (тепловых двигателях). Ведутся работы по использованию прямого преобразования химической энергии в электрическую с помощью топливных элементов.

 В теплоэнергетических установках химическая энергия топлива освобождается в процессе горения и преобразуется далее во внутреннюю энергию продуктов сгорания. При ядерном делении атомная энергия также преобразуется во внутреннюю энергию теплоносителя, используемого для охлаждения ядерного реактора. Эти необратимые процессы преобразования сопровождаются большими потерями эксергии, что является основным недостатком этих установок.

 В закрытой теплоэнергетической установке энергия топлива передается в форме тепла от продуктов сгорания к рабочему телу теплового двигателя. Это рабочее тело совершает круговой процесс (цикл), причем полезная работа цикла в электрическом генераторе может быть преобразована в электрическую энергию. В качестве рабочего тела здесь обычно используется вода и водяной пар (паротурбинная установка).

 В открытой теплоэнергетической установке (газотурбинная установка, дизельный или карбюраторный двигатель) сами продукты сгорания служат рабочим телом.

 Цикл теплового двигателя обычно включает 4 основных процесса: 1) сжатие рабочего тела в компрессоре или насосе, 2) подвод тепла к рабочему телу в парогенераторе или камере сгорания, 3) расширение в турбине или поршневой машине для получения полезной работы и компенсации работы сжатия, 4) отвод неиспользованного в цикле тепла в окружающую среду – как замыкающий цикл процесс.

 Для характеристики преобразования энергии в теплоэнергетической установке используется обычно общий энергетический КПД

 , (76)

где   − полезная эффективная мощность, снимаемая с вала двигателя, Вт;  − низшая теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, Дж/кг;  − массовый расход топлива, кг/с.

 Принципиально правильнее использовать вместо величины   удельную эксергию топлива , которая является частью его химической энергии, способной, в соответствие со
II законом, к преобразованию в любую другую форму энергии. Для любых топлив  (для природного газа , для жидких и твердых топлив , где  − высшая теплота сгорания ()); эти величины различаются мало и поэтому в теплоэнергетике принято использовать величину  как условную химическую энергию топлива.

 В качестве ориентировочных значений  можно указать: для эксплуатируемых паротурбинных электростанций – от 25 до 35%, открытых газотурбинных установок  – от25 до 35%, автомобильных двигателей − около 25%, малооборотных дизелей − до 42%. Важнейшим преимуществом закрытых теплоэнергетических установок является возможность применения в них широкого спектра топлив, включая альтернативные.

  Вторую группу представляют низкотемпературные энергетические установки, в которых реализуется обратный цикл. Это термотрансформаторы различных видов: криогенные установки (обеспечивают уровень температур в камере от нескольких градусов до (примерно) -140С), холодильные машины, тепловые насосы отопления, комбинированные установки совместного производства тепла и холода, и др.

 Анализ теплоэнергетической установки. Для определения доли эксергии и анергии ограниченно превратимых энергоресурсов – тепла и потока вещества как энергоносителя – рассмотрим теплоэнергетическую установку, рабочее тело которой совершает круговой процесс (рис.8). Эксергия тепла выступает здесь как полезная работа, а анергия тепла – как неиспользованное тепло кругового процесса. Это утверждение справедливо при выполнении следующих условий:

 - круговой процесс (а-с-z-b-a) протекает обратимо (в противном случае эксергия частично превращается в анергию и полезная работа будет меньше подведенной эксергии);

 - теплоотвод в круговом процессе осуществляется только при температуре окружающей среды , так что отведенное в окружающую среду тепло (площадь ) состоит только из анергии.

Рис. 8 – Схематизация кругового процесса теплоэнергетической установки

на -диаграмме рабочего тела (энергоносителя).

 В обратном (идеализированном) круговом процессе энергия (эксергия) топлива  подводится в форме тепла  к рабочему телу во внутренне обратном процессе при средней температуре . Согласно (11), (Дж/кг)

  (77)

где -переносимая с теплом  энтропия.

 Таким образом энергия (эксергия) топлива , передаваемая в форме тепла  к рабочему телу в обратимом процессе, согласно (77), равна площади под кривой процесса в -диаграмме рабочего тела, т.е. площади .

 Передаваемая от рабочего тела в окружающую среду в обратимом процессе   теплота  (при температуре )

  (78)

где -переносимая с теплом  энтропия.

 Так как в обратном круговом процессе энтропия не производится (, см.(21)), то ее изменении как функции состояния должно быть равно нулю, т.е.

   (79)

 Откуда для отводимого тепла получаем

   (80)

 Это тепло, отводимое к окружающей среде при температуре , состоит только из анергии и представляет искомую анергию тепла, Дж/кг

  (81)

 Следовательно, анергия тепла определяется как произведение температуры окружающей среды  на переносимую с теплом энтропию . Анергия тепла, согласно (78), (81), равна площади ().

 Эксэргия тепла  является «безэнтропийной» ее частью, проявляющейся в виде полезной работы  идеализированного обратимого кругового процесса. Согласно (75), в рассматриваемом преобразовании энергии топлива  в механическую работу  неизбежно появляются потери эксергии  равные по величине анергии тепла   и обусловленные необратимостью процесса подвода тепла  к рабочему телу при конечной величине температуры :

  . (82)

 С учетом зависимостей (77), (81) и (82), получим выражение для определения эксергии тепла в виде

 . (83)

 Для рассматриваемого обратимого цикла эксэргия тепла равна площади этого цикла () в -диаграмме рабочего тела. Величину коэффициента  называют фактором Карно. Эксэргия тепла тем больше, чем выше температура  и ниже температура .

 Так как переносимая с теплом  энтропия  производится внутри камеры сгорания или парогенератора установки в необратимом процессе, то потери эксергии для закрытой системы (контрольного пространства), согласно (80), равны произведенной в ней энтропии , умноженной на абсолютную температуру окружающей среды, т.е. Дж/кг

 . (84)

 Эксэргию потока вещества (энергоносителя) можно определить как величину максимальной технической работы, которую совершает поток, пересекающий контрольное пространство и покидающий его в состоянии равновесия с окружающей средой, т.е. при давлении  и температуре , на гидравлическом уровне  с пренебрежимо малой скоростью  относительно окружающей среды. С учетом первого закона (35) для стационарного поточного процесса, нетрудно получить выражение для расчета удельной эксергии потока вещества, Дж/кг:

 , (85)

где   - полная энтальпия потока на входе в контрольное пространство;

  – энтропия на входе в контрольное пространство;  – энтальпия и энтропия потока в условиях равновесия с окружающей средой.

 Обычно определяют разность эксэргий  в поточном процессе 12, т.е.

  . (86)

 Если  и , то .

 Энтропийный метод расчета потерь эксергии. В реальных энергетических установках потери эксэргии, обусловленные необратимостью реальных процессов во всех элементах, могут быть определены по зависимости (84) по результатам расчета реального цикла. Графически эти потери можно представить площадями прямоугольников с высотой  (если известны величины производства энтропии  в элементах установки) в -диаграмме рабочего тела.

 На рис.8 показан условный реальный цикл теплоэнергетической установки . Потери эксэргии в процессе  подвода тепла  равны площади , а потери эксэргии в процессе  отвода тепла  в окружающую среду – площади , которая равна площади , представляющей эксэргию  тепла , отводимую в окружающую среду. Дополнительные потери эксэргии в процессе подвода тепла , обусловленные тепловыми потерями от корпуса парогенератора или камеры сгорания в окружающую среду и потерями с выбрасываемыми в атмосферу продуктами сгорания, условно показаны прямоугольником .

  В теплоэнергетических установках необходимо учитывать внешние механические потери в узлах трения, потери в электрогенераторе и дополнительные эксплуатационные потери. После суммирования всех потерь определяют эффективную мощность энергоустановки, согласно (75), в виде, Вт

 , (87)

где - потери мощности эксэргии в -ом элементе установки; - массовый расход рабочего тела, кг/с.

 Учитывая (76) и (87), получим выражение для расчета эксергетического к.п.д. установки

 . (88)

 Величину  называют степенью термодинамической эффективности (совершенства) или эффективным к.п.д. установки (или элемента установки).

Пример. В парогенератор поступает вода при давлении   бар и температуре , где нагревается, испаряется и перегревается (снижения давления воды в трубах можно не учитывать) до . Массовый расход воды составляет  т/час. Топливо – мазут; теплота сгорания  МДж/кг. Определить расход топлива  и степень эффективности парогенератора, если температура окружающей среды .

Пример. В системах теплоснабжения применяются водогрейные котлы. Определить степень эффективности  водогрейного котла, обеспечивающего подогрев циркуляционной воды в системе теплоснабжения от  до , если потери тепла в трубопроводах подачи составляют 30%. Топливо- природный газ; теплота сгорания  МДж/кг. Температура окружающей среды . За счет установки эффективных газовых горелок удалось довести значение энергетического к.п.д. котла   до 95%.

Определите удельную работу турбины  и насоса , внутренний к.п.д. цикла , эффективную мощность паротурбинной установки Ne, потери эксэргии в основных элементах и степень эффективности  ПТУ. К.п.д. турбины , ; к.п.д. насоса , давление в конденсаторе Р3=0,04 бар, к.п.д. электрогенератора .

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга