Уважаемый студент!

Данная работа не готова, но Вы можете заказать ее у нас за символическую цену, связавшись с нами любым удобным для Вас способом:

Мы ответим Вам в самое ближайшее время. Всегда рады помочь!

Раздел  1. Основные понятия и определения. Первый и второй законы термодинамики. Термодинамические процессы

Тема 1.1. Назначение и содержание курса

Содержание курса и его значение. Энергетика и ее значение в народном хозяйстве страны. Тепловые установки и их роль в энергетике страны. Топливные ресурсы и топливный баланс России. Энергетическое и технологическое использование теплоты. История развития топливно-энергетических ресурсов. Топливно-энергетические ресурсы в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности.

Общие понятия и определения технической термодинамики. Основные определения. Термодинамическая система, рабочее тело, основные параметры состояния, термодинамическая и потенциальная работы, внутренняя энергия, теплота. Равновесное и неравновесное состояние. Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые термодинамические процессы. Законы идеальных газов. Уравнение состояния. Физический смысл удельной газовой постоянной. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия идеального газа. Смеси жидкостей, паров и газов. Закон Дальтона. Способы задания смеси. Определение средней молекулярной массы смеси и ее газовой постоянной. Связь между массовыми и объемными долями. Понятие о теплоемкости. Виды теплоемкостей. Истинная и средняя теплоемкость. Зависимость теплоемкости идеального и реального газа от температуры.

Методические указания

Изучив материалы, связанные с этой темой, студент должен твердо усвоить значение и место энергетики в народном хозяйстве страны, знать основные направления развития энергетики.

Материалы этой темы представляют собой необходимый комплекс определений и понятий, на базе которых излагаются последующие темы. Поэтому студент должен уделить особое внимание четкому усвоению этих понятий и определений. При изучении этой темы студент должен уделить особое внимание следующим вопросам: отличие идеального газа от реального газа, параметры, влияющие на теплоемкость газа, в каких единицах выражаются отдельные физические величины (давление, объем, температура, универсальная и удельная газовая постоянная, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, теплоемкости и др.), и уметь правильно рассчитать их по соответствующим формулам.

Литература:  [2, с.15-17]; [3, с.4-5]; [4, с. 3-14]; [2, с.18-40]; [1, с.19-36, 45-49], [3, с.6-10, 11-13, 15-18]; [4, с.84-106].

Вопросы для самопроверки

1 Каково значение теплоэнергетики в народном хозяйстве страны?

2 Преимущества и недостатки тепловых электростанций.

3 Из каких составляющих состоит топливный баланс страны?

4 Каковы перспективы развития энергетики страны?

5 Что понимают под термодинамической системой?

6 Сколько независимых параметров характеризуют состояние рабочего тела?

7 Что называется термодинамическим процессом?

8 Приведите примеры равновесных процессов.

9 Что понимают под внутренней энергией тела?

10 Каковы формулы для определения термодинамической и потенциальной работы?

11 Какой газ называется идеальным?

12 Сформулируйте законы Авогадро, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта. 

13 Напишите уравнение Клайперона-Менделеева.

14 В чем физический смысл удельной газовой постоянной?

15 Как можно определить удельную газовую постоянную для любого газа?

16 Дайте определение теплоемкости.

17 В чем отличие средней теплоемкости от истинной теплоемкости?

18 Как зависит теплоемкость идеального газа от температуры?

19 Сформулируйте закон Дальтона.

20 Что такое парциальное давление газа?

21 Как можно рассчитать молярную массу смеси газов?

22 Как можно рассчитать массовую долю вещества в смеси, зная его объемную долю?

 

Тема 1.2. Основные законы термодинамики

Формулировка первого начала термодинамики. Первое начало термодинамики для открытых и закрытых систем, для простого тела, идеального газа и потока. Аналитические выражения первого начала термодинамики. Закон Майера. Энтропия идеального газа. Определение Работы в рv- координатах. Круговые термодинамические процессы  или циклы. Циклы прямые и обратные. Оценки эффективности прямого и обратного циклов. Цикл Карно. Работа цикла, термический КПД и коэффициент холодопроизводительности. Сущность второго начала термодинамики и основные его формулировки. Математическое выражение и основные определения второго начала термодинамики. Основные  следствия второго начала термодинамики. Изменение энтропии и работоспособности изолированной термодинамической системы при необратимых и обратимых процессах. Потеря работоспособности. Уравнение Гюи-Стодолы.

Методические указания

Изучая первое начало термодинамики, студент должен обратить внимание на принципиальное различие между внутренней энергией как функцией состояния и теплотой и работой как функциями процесса. Надо твердо усвоить, что если внутренняя энергия вполне определена для каждого заданного состояния газа (тела), то работа и теплота вообще не существуют для отдельного состояния, а появляются лишь при наличии процесса. При изучении второго начала термодинамики, студент должен твердо усвоить следующие вопросы.

  • Так как КПД цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от рода рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с КПД любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур, следовательно, никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле все подводимое тепло превратить в полезную работу; для увеличения КПД нужно стремиться к таким процессам, образующим цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты как можно меньше.
  • Нельзя смешивать понятия «энтропия тела» и «энтропия системы». Энтропия как функция состояния тела обладает вполне определенными свойствами – изменение ее при протекании какого-либо процесса не зависит от характера процесса, а зависит лишь от параметров тела в начальном и конечном состоянии его. Поэтому изменение энтропии тела может быть положительным, отрицательным или равно нулю в зависимости от того, подводится или отводится теплота от тела или процесс происходит без теплообмена. Энтропия системы не является функцией состояния системы, состоящей из нескольких тел, которые характеризуются своими параметрами. Поэтому на изменение энтропии системы влияет характер процесса теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты. При протекании обратимых процессов энтропия системы остается постоянной, при необратимых процессах энтропия системы растет.

Литература: [1, с.36-45, 54-75]; [2, c.54-61 ]; [3, с.11-30]; [4, с.29-62 ].

Вопросы для самопроверки

1 Дайте формулировку и аналитическое выражение первого начала термодинамики.

2 Что такое «функция состояния» и «функция процесса»? Приведите примеры этих функций?

3 Когда теплота, работа и изменение  внутренней энергии считаются положительными и когда отрицательными?

4 Почему изобарная теплоемкость больше изохорной?

5 Какой цикл называется прямым и обратным?

6 Чем оценивается эффективность прямого и обратного циклов?

7 Для чего служат машины, работающие по прямому и обратному циклу?

8 Как связано изменение энтропии с теплотой и абсолютной температурой?

9 В чем сущность второго начала термодинамики? Приведите основные его формулировки.

10 Почему коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы?

11 Что такое потеря работоспособности? Приведите формулу для ее определения.

 

Тема 1.3. Политропные процессы с идеальной газовой смесью. Термодинамические  свойства  реальных  газов (водяной  пар,  влажный воздух, продукты сгорания топлива и т.п.)

Термодинамические процессы. Изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный процессы. Графическое изображение в РV- и TS- координатах. Определение работы, теплоты, изменения энтропии. Политропные термодинамические процессы. Уравнение политропы. Показатель политропы. Графическое выражение. Расчет политропных процессов. Термодинамические процессы в реальных газах и парах. Водяной пар. Основные понятия и определения. Степень сухости и степень влажности. Теплота парообразования. Свойства влажного насыщенного, сухого и перегретого пара. Уравнение Вукаловича-Новикова для перегретого пара. Производство водяного пара. РV-, ТS- и НS- диаграммы водяного пара. Расчет параметров водяного пара и его свойств по термодинамическим таблицам и НS-диаграмме. Термодинамические процессы с водяным паром: изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный процессы. Влажный воздух. Влагосодержание, относительная и абсолютная влажность воздуха, точка росы. Определение параметров влажного воздуха по hd-диаграмме. Продукты сгорания органического топлива. Теплота сгорания и ее расчет. Основные свойства продуктов сгорания.

Методические указания

Изучая эту тему, студент должен знать применимость термодинамических процессов в технике, уметь их рассчитывать и изображать в РV-, ТS- координатах. При расчете параметров и процессов с паром необходимо пользоваться  аналитическими уравнениями, термодинамическими таблицами и  НS- диаграммой. При расчете параметров и процессов с влажным воздухом необходимо пользоваться  как аналитическими уравнениями, так и   hd- диаграммой.

Литература: [1, с.102-134]; [2, c.63-88]; [3, с.30-41]; [4, с.106-146].

Вопросы для самопроверки

1 Приведите примеры из практики различных термодинамических процессов.

2 Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на увеличение внутренней энергии?

3 Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на совершение работы?

4 Как называется процесс, в котором работа совершается лишь за счет уменьшения внутренней энергии?

5 Как называется процесс, в котором подведенная к рабочему телу теплота численно равна изменению энтальпии?

6 Какой процесс называется политропным?

7 Какой физический смысл показателя политропы?

8 Чему равен показатель политропы для изотермического, изобарного, изохорного и адиабатного процессов?

9 Какой пар называется сухим насыщенным?

10 Дайте определение степени сухости. Чему она равна для сухого насыщенного пара?

11 Дайте определение теплоте парообразования, как она изменяется с увеличение давления и температуры?

12 Чем характерна критическая точка?

13 Изобразите РV- и ТS- диаграммы для водяного пара и покажите в них характерные области и линии фазовых переходов.

14 Изобразите на НS- диаграмме водяного пара основные термодинамические процессы. Приведите формулы для определения теплоты, работы и изменения внутренней энергии пара в этих процессах.

15 Что называется сухим и влажным воздухом?

16 Что называется температурой точки росы?

17 Каково назначение Hd – диаграммы?

18 Объясните, что понимается под абсолютной и относительной влажностью.

19 Как изменяются абсолютная и относительная влажность при повышении температуры в процессе при постоянном давлении?

20 Что называется влагосодержанием?

21 Из каких частей складывается энтальпия влажного воздуха?

22 Расскажите, как построена Hd – диаграмма и как определяется относительная влажность и температура точки росы по Hd – диаграмме?

23 Расскажите, как изображаются процессы нагревания, охлаждения на Hd – диаграмме.

24 Какие основные характеристики необходимы для продуктов сгорания органического топлива?

25 Что такое теплота сгорания топлива?


Раздел  2. Термодинамика потока. Компрессорные машины. Циклы тепловых и холодильных машин.

Тема 2.1. Термодинамика потока

Основные понятия. Уравнение первого начала термодинамики для потока. Работа проталкивания, техническая работа. Адиабатическое течение газов и паров в каналах. Конечная теоретическая линейная скорость истечения. Конечная массовая скорость истечения. Основные уравнения истечения. Массовый секундный расход газа. Режимы истечения. Критическая скорость, максимальный расход газа, пара. Анализ профиля канала. Преобразование энергии в соплах и диффузорах. Условия перехода через критическую скорость. Сопло Лаваля. Действительный процесс истечения. Истечение водяного пара через сопло и диффузор. Расчет процесса истечения водяного пара по НS- диаграмме водяного пара. КПД сопла. Теоретическое и располагаемое теплопадение. Дросселирование (мятие) газов и паров. Изменение параметров рабочего тела при адиабатном дросселировании. Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Томсона). Особенности дросселирования реального газа. Явление инверсии, кривая инверсии, температура инверсии. Изображение процесса дросселирования на НS- диаграмме водяного пара. Основные области применения дроссельного эффекта.

Методические указания

При изучении этой темы студент должен обратить внимание на те допущения, которые кладутся в основу вывода основных уравнений истечения. Следует знать условия перехода от дозвуковой (докритической) скорости к сверхзвуковой (закритической), уметь рассчитать сужающее сопло и сопло Лаваля. Надо знать, как влияет трение газа или пара на процесс истечения по каналам, и уметь изображать процессы течения в ТS- и НS- диаграммах. Нужно уяснить принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором нет подвода теплоты и происходит увеличение энтропии, и адиабатным обратимым процессом дросселирования, при котором нет подвода теплоты и не происходит изменения энтропии. Необходимо понять смысл температуры инверсии и кривой инверсии, чтобы объяснить сжижение газов в процессе дросселирования.

Литература: [1, с.138-151]; [2, c.105-130]; [3, с.43-52]; [4, с.246-260, 267-276].

Вопросы для самопроверки

1 Что такое работа проталкивания, и какой знак она может иметь?

2 Напишите уравнение первого начала термодинамики для потока и дайте объяснение всем входящим в него членам.

3 Каков физический смысл критической скорости?

4 Что такое сопло и диффузор?

5 Как связано изменение поперечного сечения канала с изменением скорости потока и числом Маха?

6 Что такое располагаемое теплопадение?

7 Какой процесс называется дросселированием?

8 Как изменяются параметры влажного пара при дросселировании?

9 Как и в зависимости от чего меняется температура идеального и реального газа при дросселировании?

10 Где применяется процесс дросселирования?

11 Что такое температура инверсии?

12 В чем суть диссипации энергии при дросселировании?

 

Тема 2.2. Термодинамика компрессорных машин

Процессы сжатия и расширения. Компрессорные машины, принцип действия, их классификация, основные технические характеристики. Принцип сжатия в одноступенчатом поршневом компрессоре. Теоретическая и действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора. Вредное пространство. Полная работа, затраченная на привод компрессора. Изотермическое, политропное и адиабатное сжатие. Многоступенчатое сжатие. Изображение процесса одноступенчатого и многоступенчатого сжатия в РV- и ТS- координатах. Относительный внутренний КПД компрессорных машин. Принципы расчета работы реального процесса сжатия.

Методические указания

При изучении этой темы студент должен уяснить причины применения многоступенчатого сжатия, целесообразность применения промежуточного охлаждения, а также охлаждение самих цилиндров.

Литература: [1, с.152-163]; [2, c.209-225]; [3, с.52-54]; [4, с.325-333].

Вопросы для самопроверки

  • Что называют компрессором?
  • Как классифицирируются компрессоры в зависимости от степени сжатия?

3 Как зависит работа привода компрессора от показателя политропы сжатия?

4 Можно ли в одноступенчатом компрессоре получить газ любого конечного давления?

5 С какой целью используют промежуточное охлаждение в многоступенчатом компрессоре?

6 Какой процесс сжатия является самым экономичным?


Тема 2.3. Термодинамика циклов тепловых и холодильных машин

Термодинамические основы получения работы. Цикл Карно и обобщенный термодинамический цикл двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ). Циклы двигателей внутреннего сгорания, классификация и их анализ. Влияние степени сжатия на КПД циклов. Циклы газотурбинных установок. Классификация ГТУ. Принципиальные схемы и изображение в PV- и TS- координатах. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты. Работа и КПД циклов. Методы повышения КПД циклов ГТУ. Теплосиловые установки, используемые в химической технологии. Типы теплосиловых установок. Паротурбинные  установки. Принципиальная схема цикла Карно и цикла Ренкина на перегретом паре. Цикл Ренкина и его исследование. Изображение цикла в PV-, TS- и HS- диаграммах. Работа и КПД цикла. Пути повышения экономичности паротурбинных установок. Понятие о бинарных и парогазовых циклах. Термодинамические основы получения холода. Классификация холодильных машин. Принцип действия парокомпрессорной холодильной машины. Принципиальная схема и изображение в TS- координатах. Хладопроизводительность, работа цикла, холодильный коэффициент. Цикл абсорбционной холодильной машины. Принципиальная схема. Тепловой баланс. Тепловой коэффициент. Виды хладагентов, применяемых в холодильных машинах. Цикл теплового насоса.

Методические указания

При изучении тепловых циклов нужно обратить внимание, что процессы сжатия и расширения в циклах можно считать адиабатными из-за высоких скоростей их протекания. Принципиальное отличие ДВС от ГТУ заключается в процессе отвода теплоты. В ГТУ осуществляется полное расширение газа до давления окружающей среды, и поэтому процесс отвода теплоты принимают изобарным. В ДВС газы выбрасываются из цилиндра при давлении в 2-4 раза больше атмосферного. Поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным. Термический КПД любого цикла растет с увеличением степени сжатия и температуры рабочего тела перед процессом расширения.

Рассматривая циклы паротурбинных установок, следует обратить внимание на следующие вопросы: почему для пара не применяют цикл Карно, каковы преимущества цикла Ренкина перед циклом Карно, каковы способы повышения эффективности паротурбинных установок.

При изучении циклов холодильных машин следует обратить внимание на то, что как для тепловых циклов, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Для холодильных машин холодильником является внешняя атмосфера или водопроводная вода, у которой температура ниже температуры хладагента, а источником теплоты – содержимое холодильной камеры, у которого температура выше температуры хладагента.

Литература: [1, с.163-217]; [2, c. 138-174, 182-206]; [3, с. 56-68, 200-203]; [4, с. 278-325, 333-346].

Вопросы для самопроверки

1 Почему для газовых тепловых циклов не применим цикл Карно?

2 Почему процессы сжатия и расширения рабочего тела в циклах можно принять адиабатными?

3 Как классифицируются ДВС?

4 Какой цикл ДВС имеет наибольший КПД?

5 Как классифицируются ГТУ?

6 Напишите формулы для расчета полезной работы цикла и КПД цикла ГТУ.

7 Как можно повысить эффективность работы ГТУ?

8 Какие параметры увеличивают КПД циклов ДВС и ГТУ?

9 От каких параметров и как зависит К.П.Д. цикла Ренкина?

10 Как влияет перегрев пара перед турбиной на степень сухости пара и КПД турбины после его расширения?

11 Целесообразно ли перегретый пар перед турбиной сначала дросселировать? Как это повлияет на КПД цикла?

12 В чем экономическая целесообразность совместной выработки электрической и тепловой энергии на паротурбинных установках?

13 Какой параметр характеризует эффективность холодильной машины?

14 Какие хладагенты применяют в холодильных машинах?

 

Раздел 3. Топливо. Основы энерготехнологии

Тема 3.1. Топливо и рациональное его сжигание

Топливо. Виды сжигаемого топлива и их характеристика. Классификация топлив. Основные технические характеристики. Элементный состав, теплота сгорания, условное топливо. Проблема экономии топлива и пути ее решения. Основы теории горения. Полное и неполное горение. Коэффициент избытка воздуха. Расчет процессов горения. Организация сжигания топлив. Особенности сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Топочные устройства. Классификация топок. Основные технические характеристики топок.

Методические указания

При изучении этого раздела следует начать с классификации топлив по происхождению и агрегатному состоянию. Усвоить различие между рабочей, сухой и горючей массами топлива. Разобрать основные характеристики различных видов топлив и их значение при организации процесса горения. Разобраться в понятиях высшая и низшая теплота сгорания. Запомнить, что твердое и жидкое топливо задаются элементным составом, а газообразное топливо представляет собой механическую смесь различных углеводородов и неорганических газов. Вспомните из химии реакции окисления углерода, водорода и серы. Запомните, что коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение действительного количества воздуха, подаваемого на процесс горения, к теоретически необходимому. Необходимо усвоить, что коэффициент избытка воздуха влияет на потери тепла от химической неполноты горения и потери тепла с уходящими газами. Разобрать классификацию топок по назначению, принципу сжигания топлива. Отметить такие характеристики топок, как тепловая мощность, тепловое напряжение зеркала горения, тепловая мощность топочного объема, КПД топок.

Литература: [1, с.538-360]; [2, c. 613-630]; [3, с. 118-146, 191-197, 203-208]; [4, с. 362-375].

Вопросы для самопроверки

1 Что называется топливом?

2 Каков элементный состав топлив?

3 Что входит в горючую и негорючую часть топлива?

4 Назовите основные характеристики топлив.

5 В чем разница между низшей и высшей теплотой сгорания топлива?

6 Что такое условное топливо?

7 Что такое коэффициент избытка воздуха?

8 Расскажите о способах организации жидкого, твердого и газообразного топлива.

9 Что такое горение топлива?

10 В чем разница между полным и неполным горением топлива?

11 Как по назначению классифицируются топки?

12 Как рассчитывают КПД топок?

 

Тема 3.2. Основы  энерготехнологии

Значение и сущность энерготехнологии. Направления разработки энергохимикотехнологических схем производств. Энерготехнологическое комбинирование и термодинамический анализ энергохимикотехнологических систем. Методы  термодинамического анализа: энергетический, энтропийный и эксергетический методы. Эксергия. Виды эксергий. Теплоснабжение химических предприятий. Особенности потребления теплоты на предприятиях химической промышленности. Основные направления экономии топливно-энергетических ресурсов в отраслях промышленности. Классификация вторичных энергоресурсов. Основные направления использования вторичных энергоресурсов. Оценка экономической  эффективности использования вторичных энергоресурсов. Утилизационные установки. Котлы-утилизаторы.

Методические указания

При изучении этого раздела следует усвоить понятия энерготехнология, эксергия, теплоснабжение, вторичные энергоресурсы, утилизация тепла.

Литература: [1, с.75-100]; [2, c. 613-630]; [3, с. 203-208, 27-30, 54-55]; [4, с. 362-375].

Вопросы для самопроверки

  • Что понимают под энерготехнологией?

2 На чем основаны термодинамические методы анализа (энергетический, энтропийный и эксергетический) энергохимикотехнологических схем производства?

3 Дайте определение понятию эксергия.

4 Что понимают под вторичными эрергоресурсами? Каковы основные направления их использования.

5 Для чего предназначены котлы-утилизаторы?

 





ИЛИ