Понятие о термодинамическом процессе

Содержание

 

Теоретическая часть……………………………………………………………	3
11. Понятие о термодинамическом процессе. Обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные) процессы. Основные термодинамические процессы. Общий метод исследования термодинамических процессов…...	3
50. Классификация теплообменных аппаратов. Методика приближенного проверочного расчета теплообменных аппаратов и использование ее в практике пожарного дела………………………………..	5
Расчетная часть…………………………………………………………………	10
Задача 1……………………………………………………………………….	10
Задача 2……………………………………………………………………….	11
Задача 3……………………………………………………………………….	12
Задача 4……………………………………………………………………….	13
Список литературы……………………………………………………………..	16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

1. Понятие о термодинамическом процессе. Обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные) процессы. Основные термодинамические процессы. Общий метод исследования термодинамических процессов

Под термодинамическим процессом понимают последовательное изменение состояния рабочего тела. Изменение состояния рабочего тела происходит под влиянием механического (сжатие или расширение рабочего тела) или термического (нагрев или охлаждение рабочего тела) воздействия окружающей среды. 

Различают равновесные и неравновесные процессы. Под равновесным понимают процесс, который протекает с бесконечно малой скоростью так, что в каждый момент времени в рабочем теле успевает установиться равновесное состояние. 

Основное условие равновесного процесса — механическое и термическое равновесие, т. е. одинаковость давления и температуры по всей массе рабочего тела, а также отсутствие трения. Равновесный процесс есть процесс идеальный. Равновесные процессы называют обратимыми, так как они могут протекать сначала в прямом, а затем в обратном направлении через одну и ту же последовательность равновесных состояний. При этом вся система тел, принимающих участие в процессах, возвращается в исходное состояние. 

Под неравновесным процессом понимают все действительные процессы (реальные), в которых рабочее тело проходит через неравновесное состояние. Неравновесные процессы называют необратимыми, так как они протекают с конечными скоростями, и, следовательно, давления и температуры по всей массе рабочего тела не могут быть одинаковыми в каждый момент времени. 

В технической термодинамике изучают главным образом обратимые процессы, которые подчиняются уравнению состояния идеального газа. При изучении необратимых процессов (действительных) можно пользоваться результатами исследований обратимых процессов, вводя опытные коэффициенты, учитывающие отклонения необратимых процессов от обратимых.

Основными термодинамическими процессами являются:

• изохорный - термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.
• изобарный -  термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и постоянной массе идеального газа.
• изотермический - термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.
• адиабатный - термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии. Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса.
• политропный - термодинамический процесс, во время которого удельная теплоёмкость c газа остаётся неизменной. Предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс и адиабатный процесс. В случае идеального газа изобарный процесс и изохорный процесс также являются политропическими.

 

Для всех этих процессов устанавливается общий метод исследования, который заключается в следующем:

выводится уравнение процесса кривой Pυ и TS – диаграммах;

устанавливается зависимость между основными параметрами рабочего тела в начале и конце процесса;

определяется изменение внутренней энергии по формуле, справедливой для всех процессов идеального газа , или при постоянной теплоемкости  .

Все процессы рассматриваются как обратимые.

 

 

 

2. Классификация теплообменных аппаратов. Методика приближенного проверочного расчета теплообменных аппаратов и использование ее в практике пожарного дела

 

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость − горячая среда, передает теплоту другой жидкости − холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные. 
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью. 
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку. Только такие аппараты будут рассмотрены в дальнейшем.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения — паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.1,а).

         Рис. 1

Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.1,б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.1,в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

Расчет теплообменного аппарата.

Проверочный расчет теплообменного аппарата проводят, чтобы узнать, как изменятся режимные параметры аппарата при изменении каких-либо начальных условий. Например, понижение температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат неизбежно приведет к понижению температуры подогреваемого раствора на выходе. Чтобы этого не случилось, придется изменить производительность аппарата. Насколько уменьшится производительность аппарата в новых условиях, покажет проверочный расчет. Рассмотрим подробно последовательность проверочного расчета теплообменного аппарата.

Пусть требуется установить коэффициент теплопередачи для одноходового кожухотрубного теплообменника, используемого для подогрева раствора концентрацией х% (по массе), в количестве G2 кг/с, от начальной температуры t2Н  до температуры t2К. В качестве горячего теплоносителя используют сухой насыщенный пар давлением p, Па. В аппарате установлены n латунных труб длиной 1 м с наружным и внутренним диаметром dН/dВ м. Пар подается в межтрубное пространство. Конденсат из аппарата отводится при температуре конденсации. Процесс теплопередачи можно считать установившимся.

Рассмотрим последовательно все этапы расчета.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи  от конденсирующегося пара к  стенкам трубок.

Предварительно, по таблицам для сухого насыщенного пара, по заданному давлению пара p,Па находят его температуру tП,°С и скрытую теплоту парообразования r, Дж/кг. Предполагается, что давление пара при входе в аппарат не изменится и температура процесса конденсации будет равна температуре пара. Задаются перепадом температур на пленке конденсата   и определяют температуру стенки трубы со стороны пара:

Средняя температура пленки конденсата:

Для этой температуры по таблицам физических свойств воды находят характеристики пленки конденсата: плотность ,   теплопроводность ,

динамический коэффициент вязкости .

Затем по формуле Кутателадзе рассчитывают коэффициент теплоотдачи:

2. Расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к раствору.

Расчитывают скорость движения раствора по трубам , оспользовавшись уравнением расхода:

Рассчитывают критерий Рейнольдса для раствора

где v — кинематический коэффициент вязкости  раствора при концентрации х% (по массе) и средней температуре, м2/с. В зависимости от значения Re и режима движения жидкости в табл. выбирают соответствующее уравнение для расчета критерия Нуссельта. Как и ранее, значения физических величин, входящие в критерии Прандтля и Грасгофа, устанавливают по справочным таблицам при средней температуре раствора. Разность температур, входящую в критерий Gr, рассчитывают как разность между температурой стенкиtст. и средней температурой раствора. Снижением температуры при прохождении теплоты через стенку на данном этапе расчета можно пренебречь. Далее рассчитывают коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору:

3. Расчет коэффициента теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи для трубы  находят по уравнению

а коэффициент теплопередачи K, получают пересчетом по уравнению:  

4. Расчет средней разности температур.

Строят температурную диаграмму и определяют  и   (°С).

Сравнивают полученные величины и рассчитывают   (°С).

5. Проверка принятого перепада  температур на пленке конденсата 

Действительное для данных расчетных условии значение перепада температур   можно получить, приравнивая количество теплоты, передаваемой от конденсирующего пара к стенке (закон теплоотдачи Ньютона), к количеству теплоты, передаваемой от пара к раствору:

Приравнивая правые части, получим  .

Если полученное значение   отличается от принятого ранее   , расчет повторяют, подставляя в формулу Кутателадзе новое значение   . Расчет повторяют до тех пор, пока расхождение в значениях задаваемого   и проверочного   не будет выходить за пределы установленной точности, после чего окончательно рассчитывают Kl и K. В данном расчете использован метод последовательных приближений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная часть

Задача 1

52 б. Определить удельный  объем и плотность метана (CH4), находящегося под давлением 98642 Па, если его температура равна 170С.

Дано:

                  

 

, 

Решение:

а) анализ данных и формул:

Задача на определение параметров состояния газа

,  ,    

, 

б) вычисления:

1) Определяем газовую постоянную:

2) Определяем удельный объем  метана:

3) Определяем плотность метана:

Ответ: , 

 

Задача 2

В результате аварий из аппарата наполненного кислородом при давлении 0,12 МПа и температуре 500С, происходит истечение газа наружу. Площадь отверстия 10 мм2. Давление среды в которую происходит истечение, равно 96000 Па. Определить теоретическую скорость истечения кислорода и секундный массовый расход газа. Показатель адиабаты принять 1,4. Начальную скорость истечения принять равной нулю.

Дано:

Кислород