Контрольная работа: Термодинамика теплофизических свойств воды и водяного пара

Условие и содержание задания

Идеальный газ (μ – 18,0 г/моль, к = 1,33) при V1; P1; T1 изохорно нагревается до T2, а затем изотермически до Р3. После изобарного и изоэнтропного сжатия рабочее тело возвращается в начальное состояние.

Определить термические и удельные калорические характеристики рабочего тела в переходных точках цикла (P; V; T; h; s; u).

Вычислить изменения калорических характеристик в каждом из составляющих циклов изопараметрических процессов (ΔH; ΔS; ΔU).

Вычислить количество теплоты, деформационной работы, работы перемещения для каждого из изопараметрических процессов (Q; L; Lп).

Выяснить энергетические особенности этих процессов и цикла в целом, составить для них схемы энергобаланса и кратко прокомментировать их особенности

Оценить эффективность тепломеханического цикла и эквивалентного ему цикла Карно.

Таблица 1

№ варианта	Начальный объем рабочего тела, V1, м3	Начальное давление, P1, кПа	Начальная температура, T1, К	Конечная температура в изохорном процессе, T2, К	Конечное давление в изотермическом процессе, P3, кПа
9	2,6	4000	573	723	100

1 Рабочее тело — идеальный газ

Предварительные вычисления

Удельная газовая постоянна

Удельная изобарная теплоемкость газа при к = 1,33

Удельная изохорная теплоемкость

Масса идеального газа

Определение характеристик термодинамического состояния идеального газа в переходных точках

На рис. 1 и 2 показан тепломеханический цикл в диаграммах Pv и Ts.

Расчет характеристик термодинамического состояния выполняется в соответствии с исходными данными табл.1 по следующему плану:

Состояние (точка) 1.

Известны: V1; P1; T1.

Определяется удельный объем

Удельные калорические характеристики для каждого из состояний вычисляются по расчетным соотношениям при Тб = 273,15 К и Рб = 100 кПа.

Удельная энтальпия

Удельная внутренняя энергия

Удельная энтропия

Состояние (точка) 2.

Известны: T2;

V2 = V1 (процесс 1-2 изохорный);

v2 = v1

Определяются:

Давление

Удельная энтропия

Удельная внутренняя энергия

Удельная энтропия

Состояние (точка) 3.

Известны: Р3;

Т3 = Т2 (процесс 2-3 изотермический).

Определяются:

Удельный объем

Объем

Удельная энтальпия

Удельная внутренняя энергия

Удельная энтропия

Состояние (точка) 4.

Известны: Р4 =Р3 (процесс 3-4 изобарный);

s4 = s1 (процесс 4-1 изоэнтропный).

Определяются:

Термодинамическая температура

Удельный объем

Объем

Удельная энтальпия

Удельная внутренняя энергия

Результаты расчета сведены в табл.2

Таблица 2

Номер точки	Р, кПа	Т, К	t°, °С	V, м3	v,	h,	u,	s,
1	4000	573	300	2,6	0,066	560	295	-0,325
2	5061	723	450	2,6	0,066	837	502	-0,0002
3	100	723	450	131,2	3,34	837	502	1,812
4	100	230	-43	41,73	1,062	-80	-186	-0,325

Характеристики термодинамического состояния идеального газа в переходных точках цикла

Вычисление изменения калорических характеристик в процессах с идеальным газом

Изменение калорических характеристик при переходе рабочего тела из начального состояния Н в конечное К определяется на основе следующих соотношений:

Изменение энтальпии

Изменение внутренней энергии

Изменение энтропии

По данным табл.2 получаем

Процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

Процесс 3-4 (Р = const)

Процесс 4-1 (S = const)

1.4 Определение количества теплоты, деформационной работы и работы перемещения в процессах с идеальным газом

Характеристики термодинамических процессов (Q; L; Lп) определяются на основании Первого и Второго законов термодинамики. Деформационную работу и работу перемещения при равновесном изменении состояния от начального (Н) до конечного (К) можно вычислить также путем интегрирования выражений.

По данным 1.3 получим

Процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

;

Процесс 3-4 (Р = const)

;

Процесс 4-1 (S = const)

;

Результаты расчетов, выполненных в 1.3 и 1.4, сведены в табл.3

Таблица 3

Некруговые процессы	ΔН, кДж	ΔU, кДж	ΔS, кДж	Q, кДж	L, кДж	Lп, кДж
1-2	10960	8238	12,77	8238	0	-2722
2-3	0	0	71,17	51458	51458	51458
3-4	-36066	-27108	-83,94	-36066	-8958	0
4-1	25105	18869	0	0	-18869	-25105
цикл	0	0	0	23630	23630	23630

Характеристики термодинамических процессов и изменения калорических свойств идеального газа

Оценка эффективности тепломеханического цикла с идеальным газом

Тепломеханический коэффициент цикла

Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе подвода теплоты

Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе отвода теплоты

Тепломеханический коэффициент эквивалентного цикла Карно

Схемы энергобалансов процессов с идеальным газом

Схемы энергобаланса можно представить в виде графических совокупностей элементов, соответствующих следующим частным формам Первого закона технической термодинамики:

Здесь приведены схемы энергобаланса для каждого из четырех изопараметрических процессов и цикла в целом по второй форме:

Каждая схема термодинамически комментируется в соответствии с энергетическими особенностями процесса (табл.4).

Таблица 4

Процессы	Схемы энергобалансов	Пояснение к схеме
1-2	ΔH Q Lп	В данном т/д процессе 1-2 энтальпия идеального газа увеличивается за счет подвода теплоты и затрачивания работы перемещения
2-3	ΔH Q	В данном изоэнтальпийном процессе 2-3 работа перемещения совершается за счет подвода теплоты к идеальному газу
3-4	ΔН Q Lп	В данном изобарном процессе 3-4 теплота идеального газа отводиться за счет уменьшения энтальпии
4-1	ΔН Q Lп	В данном адиабатном процессе 4-1 энтальпия идеального газа увеличивается за счет затрачивания работы перемещения
Цикл	ΣΔН ΣQ ΣLп	В данном т/д цикле суммарное количество теплоты равно суммарному количеству работы перемещения

Рис.1 Тепломеханический цикл с идеальным газом в диаграмме P – V

Рис. 2 Тепломеханический цикл с идеальным газом в диаграмме Т – s

1.7 Определение характеристик термодинамического состояния водяного пара

Неизвестные величины в состояния 1, 2, 3, 4 определяются с помощью таблицы «Теплофизические свойства воды и водяного пара» или с помощью масштабной диаграммы h – s.

Состояние 1

В соответствии с исходными данными табл.1 известны:

V1 = 2,6 м3; Р1 = 4000 кПа = 40 бар

Т1 = 573 К; t1 = 300 °С

При заданных Р1 и t1, предварительно убедившись, что в состоянии 1 рабочее тело – перегретый пар (t1 > ts при р1), по таблице «Вода и перегретый пар» [1] определяются:

v1 = 0,058 ;

h1 = 3000 ;

s1 = 6,3 .

Масса водяного пара

Удельная внутренняя энергия

Состояние 2

Известны: Т2 = 723 К; t2 = 450 °С

V2 = V1 = 2,6 м3

v2 = v1 = 0,058

По t2 и v2 по таблице «Вода и водяной пар» [1] определяются:

Р2 = 54 бар = 5500 кПа;

h2 = 3310 ;

s2 = 6,76 .

При этом внутренняя энергия пара составит

Состояние 3

Известны: Т3 = Т2 = 723 К

t3 = t2 = 450 °С

Р3 = 100 кПа = 1 бар.

По t3 и Р3 по таблице «Вода и водяной пар» [1] выбираются:

v3 = 3,334 ;

h3 = 3382 ;

s3 = 8,7 .

При этом объем и внутренняя энергия водяного пара состовит:

Состояние 4

Известны: Р4 = Р3 = 100 кПа = 1 бар

s4 = s1 = 6,3 .

В таблице «Состояние насыщения по давлениям» [1] по давлению Р4 находим температуру насыщения = 100 °С и удельные характеристики состояния насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара

v’=0,001 v»=1,7

h’=417,44 h»=2675

s’=1,3 s»=7,35

Сравнивая s4 с s’ и s» (s’ < s4 < s»), убеждаемся, что в данном состоянии рабочее тело – влажный насыщенный пар со степенью сухости

Вычисляем экстенсивные характеристики влажного насыщенного пара по формулам смещения

Результаты вычислений сводим в табл.5

Таблица 5

Характеристики термодинамического состояния водяного пара в переходных точках цикла

Номер точки	Р, бар	t, °C	T, K	V, м3	v,	h,	u,	s,	Состояние рабочего тела
1	40	300	573	2,6	0,058	3000	2768	6,3	Перегретый пар
2	55	450	723	2,6	0,058	3310	2991	6,76	Перегретый пар
3	1	450	723	149,43	3,334	3382	3048	8,7	Перегретый пар
4	1	100	373	63,5	1,416	2300	2159	6,3	Влажный насыщенный пар х4 = 0,933

Рис. 3 Тепломеханический цикл с водяным паром в диаграмме Т – s

1.8 Вычисление характеристик термодинамических процессов с водяным паром

В соответствии с 1.3 и 1.4 определяем изменение калорических характеристик состояния и характеристики термодинамических процессов с водяным паром

Процесс 1-2 (V = const)

Процесс 2-3 (Т = const)

;

Процесс 3-4 (Р = const)

;

Процесс 4-1 (S = const)

;

Результаты вычислений 2.2 сводим в табл.6

Таблица 6

Некруговые процессы	ΔН, кДж	ΔU, кДж	ΔS, кДж	Q, кДж	L, кДж	Lп, кДж
1-2	13894	9994	20,6	9994	0	-3899
2-3	3227	2554	87	62865	60310	59638
3-4	-48495	-39845	-107,5	-48495	-8650	0
4-1	31374	27295	0	0	-27295	-31374
цикл	0	0	0	24365	24365	24365

1.9 Характеристики термодинамических процессов и изменения калоричесикх свойств водяного пара

Оценка эффективности тепломеханического цикла с водяным паром

Тепломеханический коэффициент цикла

Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе подвода теплоты

Среднетермодинамическая температура идеального газа в процессе отвода теплоты

Тепломеханический коэффициент эквивалентного цикла Карно

Таблица 7

Процессы	Схемы энергобалансов	Пояснение к схеме
1-2	ΔH Q Lп	В данном т/д процессе 1-2 энтальпия водяного пара увеличивается за счет подвода теплоты и затрачивания работы перемещения
2-3	ΔH Q Lп	В данном т/д процессе 2-3 работа перемещения совершается, энтальпия увеличивается за счет подвода теплоты к водяному пару
3-4	ΔН Q Lп	В данном изобарном процессе 3-4 теплота водяного пара отводиться за счет уменьшения энтальпии
4-1	ΔН Q Lп	В данном адиабатном процессе 4-1 энтальпия водяного пара увеличивается за счет затрачивания работы перемещения
Цикл	ΣΔН ΣQ ΣLп	В данном т/д цикле суммарное количество теплоты равно суммарному количеству работы перемещения

Список литературы

Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров С.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – М.: Изд-во стандартов,1969. – 408 с.

Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1974. – 496 с.