Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт заочно-вечернего обучения Кафедра теплоэнергетики Контрольная работа по дисциплине «Введение в профессиональную деятельность» Тема: «Водяной пар - как основное рабочее тело паровых двигателей.» Выполнил: студент гр. ТЭБз- __________________ФИО Принял: ________________Эйзлер А.М. Иркутск 2020 Содержание: 1. Введение. 2. Основная часть. 2.1. Принцип действия парового двигателя. Цикл Карно. 2.2. Водяной пар – как рабочее тело. 2.3. Рабочий цикл в Pv, Ts, hs- диаграммах. 3. Заключение. Водяной пар - как основное рабочее тело паровых двигателей. Введение. Энергия проявляется во многих формах, и её переходы с одного места на другое или из одной формы в другую имеют для нас огромное значение. Чтобы осуществлять такой переход, нам нужны машины: паровые и бензиновые двигатели, паровая турбина, электромотор и т.д. Прогресс паровых машин от первого промышленного применения в 1700 г. и почти до современного вида, которого они достигли к 1800г., в значительной степени обязан работам Джемса Уатта. Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше. Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин. В принципе в паровом двигателе может быть использован любой пар или газ. Однако оказывается, что далеко не безразлично, какой именно пар или газ будет выбран для этой цели. Теория и опыт показывают, что водяной пар обладает «рядом преимуществ по сравнению с другими парами и газами. Современные мощные энергетические тепловые двигатели — паровые турбины — не случайно работают на водяном паре. Использование водяного пара в качестве рабочего тела является наиболее целесообразным. Рассмотрим весь процесс более подробно. 2. Основная часть. 2.1. Принцип действия парового двигателя. Цикл Карно. Все термодинамические процессы, протекающие в замкнутой системе, подразделяются на обратимые и необратимые. Термодинамический процесс называется обратимым, если, протекая в обратном направлении, он возвращает систему в исходное состояние без затрат энергии. Все изопроцессы идеального газа являются обратимыми. В противном случае процесс называется необратимым. Все реальные процессы необратимы, так как их нельзя провести в обратном направлении без затраты дополнительной энергии (расширение газа в пустоту, затухающие колебания, на преодоление трения, обусловленными вязкостью газа, шероховатостью стенок канала и т. д.). К реальным газам в технической термодинамике относят перегретые пары некоторых жидкостей. В отличии от воображаемого идеального газа, реальный газ при соответствующих условиях может быть сжижен, т.е. сконцентрирован, или же переведён в твердое состояние. Если прямой необратимый процесс АВС дополнить обратным процессом СДА, то получим замкнутый процесс, называемый круговым или циклом (рис. 1). Круговым процессом или циклом называется такой процесс, при котором система после ряда изменений возвращается в исходное состояние. Цикл изображается замкнутой кривой ABCD. Циклы могут состоять как из обратимых, так и необратимых процессов. Цикл, состоящий из обратимых процессов, называется обратимым. Тепловой двигатель - это система, совершающая многократно круговой процесс (цикл), при котором за счёт подведённого извне тепла совершается механическая работа. Для этого необходимо рабочему веществу в начале цикла сообщать некоторое количество теплоты Q1, а в конце цикла отнимать количество теплоты Q2. Принцип действия теплового действия представлен на рис. 2. Рабочее тело приводится в контакт с нагревателем и получает от него количество теплоты Q1. При этом температура газа повышается, он расширяется и перемещает поршень, совершая работу А1. Затем рабочее тело приводится в контакт с холодильником, отдает ему Q2, газ охлаждается и сжимается, перемещая поршень в обратном направлении, что равносильно совершению газом отрицательной работы А2. После установления теплового равновесия с холодильником рабочее тело вновь приводится в контакт с нагревателем; цикл завершен. Количество получаемого за цикл тепла равно Q1, а отданного Q2. Их разность перешла в полезную работу: 𝐴 = 𝑄1 − 𝑄2 Разные тепловые машины, получив одинаковое количество теплоты, могут совершать разную полезную работу. Способность разных тепловых двигателей превращать тепловую энергию в работу характеризуется их коэффициентом полезного действия (КПД). 𝜂= 𝑄1 − 𝑄2 𝑄1 Для того чтобы двигатель работал экономично, рабочее тело должно последовательно совершить ряд вполне определенных процессов. Сначала рабочее тело должно быть адиабатически сжато от начальной температуры, равной температуре окружающей среды, до наивысшей температуры. Затем к рабочему телу должно быть подведено тепло от внешнего источника (например, от горячих газов), а температура рабочего тела в процессе подвода тепла должна остаться неизменной; такое нагревание (или охлаждение) именуется в технике изотермическим. Вслед за этим рабочее тело адиабатически расширяется, производя работу; температура рабочего тела в конце расширения снова должна стать равной температуре окружающей среды. Последним процессом, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, должен быть изотермический отвод тепла от рабочего тела и передача этого тепла окружающей среде. В термодинамике, занимающейся исследованием процессов превращения тепла в работу, строго доказывается, что двигатель будет работать наиболее экономично в том случае, когда рабочее тело будет последовательно совершать следующие процессы: адиабатическое сжатие, изотермический подвод тепла (изотермическое расширение), адиабатическое расширение, изотермический отвод тепла (изотермическое сжатие). Сочетание этих четырех процессов именуется циклом Карно (рис. 3). Большое теоретическое и практическое значение цикла Карно заключается в том, что он является наиболее выгодным из всех возможных циклов эталоном, по которому можно проверять степень совершенства любого теплового двигателя. 2.2. Водяной пар – как рабочее тело. Какие же требования предъявляются к рабочему телу? Какими свойствами должно обладать рабочее тело для того, чтобы двигатель работал наиболее экономично? Для наиболее экономичной работы установки необходимо подводить тепло к рабочему телу изотермически, при наивысшей его температуре, и отводить тепло также изотермически, но при наинизшей температуре рабочего тела. Оказывается, что это важное условие экономичной работы двигателя далеко не всегда удается выполнить. Как можно представить себе изотермический подвод тепла? Разберем для этой цели конкретный случай. Допустим, что в цилиндре с подвижным поршнем находится воздух. Для того чтобы подвести тепло к воздуху, необходимо привести в соприкосновение цилиндр с каким-либо телом, имеющим более высокую температуру, например погрузить цилиндр в сосуд с нагретой жидкостью. Только в этом случае вообще возможен переход тепла от греющего тела к воздуху, заключенному в цилиндре. Чем больше будет разность температур между греющим телом и воздухом, тем быстрее будет происходить переход тепла. Но если переход тепла осуществляется сравнительно быстро, то температура воздуха, конечно, не будет оставаться неизменной — она будет повышаться. В результате подвода тепла температура воздуха будет стремиться к увеличению, потребуется применять рукав кислородный. Но в процессе подвода тепла поршень не будет оставаться неподвижным — он будет перемещаться. Перемещение поршня и преодоление им сопротивления внешних сил, в частности, давления окружающей среды, обусловливается расширением воздуха, увеличением его объема или работой расширения, производимой воздухом. На изменение, температуры воздуха будут одновременно влиять два обстоятельства. Первое — это подвод тепла, он будет вызывать повышение температуры воздуха. Второе — это расширение воздуха, совершение им работы; последнее будет вызывать понижение температуры воздуха. В результате изменение температуры воздуха будет определяться соотношением подведенного к воздуху тепла и произведенной за то же время работы. Если количество подведенного в единицу времени тепла будет превышать произведенную за то же время работу, то температура воздуха будет увеличиваться. Наоборот, если произведенная работа будет больше подведенного тепла, то воздух будет охлаждаться. Температура воздуха должна оставаться неизменной только в одном Случае, когда количество подведенного тепла равно совершаемой за то же время работе. Но как же осуществить это последнее требование? Как добиться того, чтобы произведенная за определенное время работа была равна подведенному за то же время теплу? Представить себе это можно таким образом. Допустим, что разность температур между греющим телом (источником тепла) и заключенном в цилиндре воздухом очень мала. Очевидно, что в этом случае и переход тепла будет происходить чрезвычайно медленно. Столь же медленно должно происходить и расширение воздуха, а значит и перемещение поршня. При этих условиях можно представить себе, что все подведенное тепло успевает превратиться в работу, а температура воздуха не изменяется, т.е. процесс расширения воздуха и подвода к нему тепла является изотермическим. Но одно дело представить себе мысленно какой-либо процесс, а другое дело осуществить его на практике. Процессы в двигателях протекают в действительности очень быстро и ясно, потому что попытка осуществить изотермический процесс описанным способом заранее обречена на неудачу. Получается с одной стороны, для экономичной работы паросиловой установки требуется осуществить изотермический процесс, а с другой стороны, предлагаемый способ его проведения оказывается практически не осуществимым. Изотермический процесс оказывается крайне трудно осуществить для воздуха или какого-либо другого газа, то осуществление его для испаряющейся при неизменном давлении жидкости или конденсирующегося, также при неизменном давлении, пара, наоборот, провести весьма просто. Из опыта известно, что если производить испарение жидкости при неизменном давлении, то за время парообразования температура жидкости и образующегося пара остаётся постоянной. С такими примерами приходится сталкиваться на каждом шагу. Если нагревать воду, налитую, скажем, в чайник, на пламени газовой горелки, то через некоторое время будет достигнута температура кипения, равная примерно 100 °С. Если крышка чайника открыта, то давление на поверхности воды постоянно и, очевидно, равно атмосферному давлению. Если оставить чайник на пламени горелки и далее, то, несмотря на продолжающийся подвод тепла к воде, температура ее больше повышаться не будет, в чем легко убедиться, опустив в воду термометр. Так будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся вода, находящаяся в чайнике. Известно, что температура кипения для данной жидкости зависит от давления, при котором происходит парообразование. Представим себе, что вода налита не в чайник, а в цилиндр с подвижным поршнем. Давление, под которым будет находиться вода, зависит исключительно от веса гири, положенной на подвижный поршень; чем больше вес гири, тем больше и давление воды. Если подводить тепло к воде, заключенной в цилиндре, то через определенное время начнется процесс парообразования. В процессе парообразования температура будет оставаться неизменной, а величина ее будет определяться только лишь давлением, при котором происходит испарение. После того как превратится в пар последняя капля воды, начнется перегрев пара: при дальнейшем подводе тепла температура пара снова будет возрастать. Аналогичным образом при отводе тепла от пара и при неизменной его температуре происходит процесс конденсации. Таким образом, каждому значению давления соответствует для данного вещества определенная температура кипения. В результате тщательных измерений установлена зависимость температуры кипения от давления для многих веществ, в том числе и для воды. Следует иметь в виду, что каждое вещество имеет свою так называемую критическую температуру. Критическая температура замечательна тем, что любой газ (пар) может быть превращен в жидкость только в случае, если он будет охлажден до более низкой температуры, чем критическая. Для воды критическая температура равна 374,15° С. Из всего сказанного ясно, что в качестве рабочих тел мощных тепловых энергетических установок выгоднее использовать легко превращаемые в жидкости пары. Почему же из большого числа самых различных паров именно водяной пар заслуживает особого предпочтения? Ответить на этот вопрос нетрудно. Очевидно, что в качестве рабочего тела нужно избрать такое вещество, критическая температура которого является достаточно высокой. В противном случае не удастся осуществить изотермический подвод тепла при высокой температуре. Кроме того, желательно, чтобы давление парообразования, соответствующее температуре изотермического подвода тепла, было бы не слишком высоким, а давление конденсации при изотермическом отводе тепла было бы не слишком низким. Последнее требование основывается на том, что с технико-экономической точки прения в паросиловой установке желательно избежать как весьма высоких давлений, так и глубокого разрежения (вакуума). Водяной пар лучше, чем любое другое вещество, отвечает этим требованиям. Правда, было бы еще лучше, если бы критическая температура водяного пара была бы не 374 °С, а, например, 800 °C. В этом случае удалось бы осуществить изотермический подвод тепла при более высокой температуре, например, при 500 — 550° С. Также было бы лучше, если бы давление парообразования при высоких температурах было бы ниже, а при низких температурах — несколько выше. Тогда не было бы необходимости и таи на весьма высокие давления пара перед турбинной, а также не было бы необходимости создавать в конденсаторе глубокий вакуум. Но с этими недостатками водяного пара как рабочего вещества приходится мириться, так как другое, более подходящее вещество нам неизвестно. 2.3. Рабочий цикл в Pv, Ts, hs- диаграммах. Допустим, в цилиндре находится 1 кг. воды под давлением и при t=0 0C. Кривая Fa’b’c’k – называется нижней пограничной кривой или пограничной кривой жидкости. Кривая kc”b”a” – верхней пограничной кривой или пограничной кривой пара. Нижняя и верхняя пограничные кривые пересекаются в т. k. Линия b’b” – изобара P=const и изотерма T=const, x – степень сухости пара: Величина (1-x) называется степенью влажности пара. Удельный объем влажного насыщенного пара можно определить по правилу аддитивности Vx=V’(1-x)+Vx”. Свойства PV координат. Диаграмма Т-S водяного пара. Площадь 0Fc’1 – количество теплоты, необходимое для нагревания воды от 0°С до ts при заданном давлении. Площадь c’c”21 – количество теплоты, необходимое для процесса парообразования. Площадь c”c32 – количество теплоты, необходимое для перегрева пара. Принимают энтальпию в тройной точке F: h0=0. Площадь 0Fc’1 – изобарный подвод теплоты и определяется qp=h’-h0, Площадь c’c”21– изобарный – qP=h”-h’, Площадь c”c32 – изобарный – qP=h”-h’. Энтальпия в т. c q=h-h0=h. Диаграмма h-S водяного пара. Для практических расчетов обычно пользуются h-S диаграммой водяного пара. Диаграмма представляет собой график, построенный в системе координат h-S, на котором нанесен ряд изобар, изохор, изотерм, пограничные кривые и линии постоянной степени сухости пара. Эта диаграмма строится следующим образом. Задаваясь для данного давления различными значениями энтропии, по таблицам находят соответствующие значения энтальпии и по ним в системе координат h-Sв масштабе строят по точкам соответствующую кривую давления — изобару. Поступая далее таким же образом, строят изобары для других давлений. Пограничные кривые строят по точкам, находя для различных давлений по таблицам значения s' и s" и соответствующие им значения h'и h". Чтобы построить изотерму для какой-либо температуры, нужно найти по таблицам ряд значений h и S для различных давлений при выбранной температуре. 3. Заключение. Водяной пар обладает, кроме перечисленных, рядом других физических свойств, подтверждающих целесообразность использования его в качестве рабочего вещества. Одновременно следует отметить, что, кроме нужных физических свойств, рабочее тело должно обладать и рядом других необходимых качеств. В частности, рабочее тело должно быть невзрывоопасно и неядовито, не должно разлагаться при используемых в установке температурах и вредно действовать на металл. Кроме того, вещество, используемое в качестве рабочего тела, должно быть широко распространено в природе, т.е. недорого. Перечисленным требованиям водяной пар также отвечает лучше других веществ. Очевидно, современные мощные энергетические тепловые двигатели — паровые турбины — не случайно работают на водяном паре. Использование водяного пара в качестве рабочего тела является наиболее целесообразным.
