Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Основные законы перехода тепловой энергии в работу
При рассмотрении работы энергоблока мы видели, что над рабочим телом (паром) осуществляется тепловой цикл: в котле вода превращается в пар и приобретает запас тепловой энергии, которая в паровой турбине частично превращается в работу, а оставшаяся часть тепла в конденсаторе передается охлаждающей воде. Естественно, что установка будет тем экономичнее, чем большая часть тепла превратится в турбине в работу. Рассмотрим законы превращения тепла в работу, которые является основной задачей любого теплового двигателя, в том числе ПТУ. Тепловая энергия в паровой турбине превращается в работу благодаря тому, что потенциальная энергия пара перед турбиной больше, чем за ней. Состояние пара и воды определяется рядом характеристик, называемых параметрами состояния. Важнейшим из параметров состояния является удельная внутренняя энергия − сумма кинетической и потенциальной энергий молекул 1 кг газа. С увеличением температуры и давления удельная внутренняя энергия и растет, а с их понижением уменьшается. Поэтому внутренняя энергия пара перед турбиной существенно больше, чем за ней. Как правило, интерес представляет изменение внутренней энергии при переходе из некоторого состояния 1 в состояние 2, т.е. При анализе процессов, происходящих в тепловых двигателях, очень часто используют другой параметр состояния − энтальпию, определяемую соотношением:
где p – давление, Па; υ – удельный объём, м3/кг. Любой тепловой двигатель, в том числе паротурбинная установка, сооружается для того, чтобы тепловую энергию преобразовать в работу. Эту работу совершает рабочее тело при расширении, которому препятствуют внешние силы. Понять это превращение очень просто из рисунка.
Если в сосуде с массой газа 1 кг под невесомым поршнем, расположенным на высоте у1, с помощью груза массой m1 создается давление p 1, то после снятия части груза массой ∆ m оставшийся груз т2 = m1 - ∆ m поднимется до высоты y2 и приобретет запас потенциальной энергии ∆ u пот= m2g∙ (y2 - y1), равной работе расширения газа ℓ. Если к сосуду с массой m1 подвести тепло, то газ начнёт расширяться и поднимать груз, т.е. выполнять механическую работу. При этом давление газа не изменится (p1 = Const), а температура Т 1 и удельный объём υ1вырастут и соответственно возрастёт внутренняя энергия газа (энтальпия).
Взаимные преобразования тепла и работы определяются первым законом термодинамики, являющимся частным случаем всеобщего закона сохранения энергии. В соответствии с первым законом термодинамики, тепло, подведенное к телу, расходуется на увеличение его внутренней энергии и совершение работы:
Отсюда следует, что работа ℓ, выполнение которой и является целью создания теплового двигателя, может быть получена либо за счет подвода тепла q, либо за счет уменьшения внутренней энергии ∆ u, либо за счет того и другого вместе:
При затрате одного и того же количества тепла q полученная работа ℓ будет зависеть от того, при каких условиях осуществляется подвод тепла. Если, например, поршень прикрепить неподвижно к стенке сосуда, т.е. образовать замкнутый объем υ1 с давлением p1, и затем к газу подвести теплоту q, то в силу того, что поршень перемещаться не может, работа совершаться не будет. В соответствии с формулой (5.4), все подведенное к газу тепло q затрачивается на изменение его внутренней энергии ∆ u = q. Такой процесс подвода тепла без изменения объема называется изохорным. Наоборот, в рассмотренном выше примере совершение газом работы без всякого подвода или отвода тепла (при абсолютной изоляции цилиндра) происходит только за счет уменьшения внутренней энергии: ℓ = − ∆u. Такой процесс называется адиабатным. Процесс близкий к адиабатному происходит в хорошо изолированной паровой турбине. Но в действительности, при течении пара в турбине за счет сил трения между его частицами, а также трения пара о детали происходит внутреннее выделение тепла. Из-за чего потенциальная энергия в конце процесса расширения оказывается больше, чем в случае отсутствия трения, и полученная работа соответственно уменьшается. Если внутренним подводом тепла можно пренебречь, то будет происходить так называемый изоэнтропийный процесс расширения, при котором один из параметров состояния − энтропия − остается постоянным. Без достаточно глубокого знания термодинамики трудно понять даже физический смысл этой величины. Энтропия характеризует близость замкнутой (изолированной) системы к термодинамическому равновесию. Заметим, что не вполне ясное представление физической сути понятия энтропии нисколько не мешает ее практическому использованию, как, скажем, использованию компьютера не мешает незнание его устройства.
Имеются подробные таблицы и диаграммы различных веществ, в частности, воды и водяного пара, позволяющие вычислить значения энтропии s, измеряемой в кДж/(кг∙К). При подводе тепла энтропия всегда возрастает, а при − отводе убывает. Можно представить себе процесс, когда при подводе к газу тепла q поршень в сосуде поднимается, перемещая груз, а давление под поршнем остается постоянным. Такой процесс называется изобарным. Работа перемещения груза при этом равна
а затраченное тепло расходуется не только на совершение работы, но и на изменение внутренней энергии (температура в сосуде будет повышаться). Используя последнее соотношение, получим
т.е. в изобарном процессе подведенное к газу тепло расходуется на изменение его энтальпии. Именно такой процесс происходит в трубах котла при подводе к пару или воде тепла от факела или продуктов сгорания. Можно себе представить и процесс, при котором за счет подвода тепла q и уменьшения груза т совершается работа, а температура газа не изменяется (при этом, конечно, будут изменяться давление и удельный объем). Такой процесс называют изотермическим. Изотермические процессы характерны для изменения фазового состояния среды, например, испарения или конденсации воды. Рассмотренные выше элементарные термодинамические процессы превращения тепла в работу являются незамкнутыми и не могут обеспечить непрерывный длительный процесс перехода тепла в работу. Для этого должен быть осуществлен замкнутый процесс - тепловой цикл, представленный в достаточно общем виде на рис. 5.5 в T,s-диаграмме.
Вертикальные линии 1-5 и 2-6 представляют собой изоэнтропы − линии постоянной энтропии. При протекании процесса 1-3-2, идущего с возрастанием энтропии, к рабочему телу подводится тепло q1, пропорциональное площади 5-1-3-2-6. На участке цикла 2-4-1 происходит отвод тепла в количестве q2, пропорциональном площади 5-1-4-2-6. После завершения цикла в точке 1 внутренняя энергия и рабочего тела вернется к прежнему состоянию и поэтому разность количеств тепла (q1 – q2) в соответствии с первым законом термодинамики может превратиться только в работу ℓo = (q1 – q2). Очевидно, что работа ℓo пропорциональна площади теплового цикла 1-3-2-4-1. Отношение работы цикла к затраченному теплу называется термическим коэффициентом полезного действия
Чем большая часть подведенного тепла q1 превращается в работу, тем более совершенным в термодинамическом отношении является тепловой двигатель. Термический КПД указывает предельно возможное значение КПД теплового двигателя при абсолютном совершенстве входящих в него агрегатов.
Из соотношения (5.7) для термического КПД цикла следует, что он тем выше, чем меньшее количество тепла q2 отводится от рабочего тела. При q2 = 0 термический КПД ηt = 1. Однако второй закон термодинамики гласит, что периодически действующий тепловой двигатель имеет термический КПД, всегда меньший единицы. Это означает, что тепловой двигатель обязательно должен иметь не только источник тепла и устройство, преобразующее его в работу, но и теплоприёмник, который будет поглощать часть подведенного тепла, не превращая его в работу. В рассмотренной паротурбинной установке роль источника тепла играет котел, устройства преобразующего тепло в работу – турбина, а теплоприёмника − конденсатор. Наибольший термический КПД при зафиксированных температурах источника тепла и теплоприемника имеет цикл Карно (рис. 5.6), состоящий из двух изотерм и двух изоэнтроп. В цикле Карно рабочее тело сжимается изоэнтропийно (процесс 4-1), и затем к нему при постоянной температуре подводится тепло q1. Изоэнтропийный процесс 2-3 изображает превращение запасенной потенциальной энергии в работу; наконец, в изотермическом процессе сжатия 3—4 происходит отвод тепла q2 к теплоприёмнику. Так как для цикла Карно подведенное тепло (см. рис 5.6) q1 = T1/(s2 – s1), а отведенное q2 = T2/(s2 – s1), то термический КПД цикла Карно
Применительно к ПТУ это означает, что чем ниже температура конденсации пара и чем выше температура за котлом, тем выше термический КПД. Температура пара за котлом ограничивается прочностью металла и требованием к сроку его службы. Температура конденсации пара определяется в первую очередь климатическими условиями, так как она не может быть ниже температуры охлаждающей (циркуляционной) воды, поступающей в конденсатор. Если принять, что температура за котлом T1 = 540 °С = 813 К, а Т2 = 273 + 15 °С = 288 К, то термический КПД цикла Карно, если бы его можно было осуществить, составил бы ηt = 1−288/813 = 0,646. В действительности реальный тепловой цикл ПТУ отличается от цикла Карно и его термический КПД оказывается существенно ниже.
|
||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-09; просмотров: 753; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.216.239.46 (0.013 с.) |