Text_lektsiy_z_TTD_chastina_1__3-y_sem_ukr_2015

2.4 ЗАСТОСУВАННЯ ПЕРШОГО ЗАКОНУ ДЛЯ СТАЦІОНАРНИХ ПОТОКОВИХ ПРОЦЕ-

СІВ ДО КРУГОВИХ ПРОЦЕСІВ ( ЦИКЛІВ)

Цикл - це сукупність розімкнених процесів. Для кожного і -го процесу (і = 1, 2, . n - число розімкнених процесів в циклі) можна записати:

т.ч. можна записати подібне рівняння для кожного розімкненого процесу, тобто n рівнянь. Підсумовуємо, ліві і праві частини цих рівнянь, тоді для циклу отримаємо:

Перший закон термодинаміки для циклів через технічну потужність (техн. роботу) (4а) показує, як РТ здійснюючий цикл обмінюється енергією із зовні-

шнім середовищем.

У рівняння входять лише величини, що характеризують енергообмін РТ із зовнішнім середовищем!!!

Перший закон термодинаміки для циклів через технічну роботу в пито-

мих величинах

Рівняння (4) можна отримати, використовуючи узагальнену форму енергобалансу (3б), при цьому треба врахувати, що зміна енергії потоку речовини за цикл дорівнює 0 ( Епр = 0 ) (властивість параметрів стану)

а) Прямі цикли - по ним працюють теплові двигуни

Призначення прямих циклів - перетворення теплоти, що отримана за рахунок використання енергоресурсів (нафта, газ, вугілля), в корисну роботу циклу.

Особливості прямого циклу:

N техв − N техп = N ц > 0 - тоді з (4а)

N ц - корисна потужність (робота циклу) передається споживачеві. Є

продукцією циклу (тобто «користь»). «Користь» визначається призначенням, а «витрата» - це те що ми витрачаємо для здобуття даної «користі».

& - витрата на реалізацію циклу (використовуються енергоресурси).

Qп

Користь N ц визначається двома способами:

а) як алгебраїчна сумма технічних потужностей (робіт)

N техв − N техп = N ц > 0

б) як алгебраїчна сумма теплових потоків за цикл (теплот)

І-й закон для прямих циклів широко використовується при аналізі циклу.

Рівнянню відповідає схема Е/Б:

єнт (ТМК).

Qотв

Використовуючи перший закон:

(тільки для прямих циклів)

Те що η < 1 завжди - буде доведено при вивченні 2-го Закону. Оскільки η < 1,

ну потужність). З цього місця матеріал наданий для студентів як СРС до Лекції

б) Зворотні цикли - по ним працюють ХУ, ТНУ.

Для них справедливе рівняння (4а), а схеми Е/Б представлена у вигляді:

боти.

§ 2.5. ЗАСТОСУВАННЯ 1-ГО ЗАКОНУ ДЛЯ СТАЦІОНАРНИХ ПОТОКОВИХ ПРОЦЕСІВ ДО ТЕПЛОТЕХНІЧНИХ ПРИСТРОЇВ.

Схема дій при складанні енергобалансу:

1). Формулювання завдання. Зображення схеми установки або її елементу (системи) і виділення обмежень по умові завдання. У нашому курсі зазвичай g z = 0 . Приклади:

А). ТО (ТЕПЛООБМІННИКИ) ПОВЕРХНЕВОГО ТИПА - ПРИЗНАЧЕНІ ДЛЯ ПЕРЕДАЧІ ТЕПЛОТИ ВІД ГРІЮЧОГО ПОТОКУ ДО ТОГО, ЩО НАГРІВАЄТЬСЯ.

Для потокових процесів масову витрату водяної пари часто позначають як D[кгс]. (замість m& [кгс])

Обмеження:

1) & = 0

lтех ( N тех )

2) , & для кожного k ( K ) = 0

Нагреваемый

поток

У нашому курсі вважатимемо, що теплообмінник добре теплоізольований і відведення теплоти в довкілля відсутнє (Qо с=0)

Б) АДІАБАТНІ (Q = 0) МАШИНИ —

(Турбіни, нагнітачі: компресори, димососи, насоси, вентилятори)

редині турбіни. По відношенню до РТ лопатки є зовнішнім середовищем. Робота виконується за рахунок зменшення ентальпії (потенційній енергії потоку робочого тіла).

б ) Адіабатні нагнітачі -

призначені для підвищення тиску газоподібних робочих тіл (повітря, інші гази, пари) до заданого тиску. У них робота передається від лопаток до РТ

( l тех < 0 ).По відношенню до РТ лопатки є зовнішнім середовищем.

малості

Q

1

w1, m , h1

2). Часто доцільно представити схему установки або її елемент у вигляді зручному для складання енергобалансу з нанесенням тих енергопотоків, які задані в завданні.

Наприклад:

теплообмінник (два варіанти рис.):

H1

1

3). Складання енергетичного балансу і вирішення завдань.

Особливість складання енергобалансу визначається особливостями виводів рівнянь (3а) і (3б)

А) Часткова форма (3а)

1. Виділимо в термодинамічній системі, потоки з однаковою витратою речовини на вході і виході (( m& 1 = m& 2 = m& [кг/с]) ). Для кожного потоку записати

рівняння в частковій формі і нанести обмеження за умовами завдання.

2. Пам’ятати, що в рівнянні (3а) всі алгебраїчні (підставляти зі своїм знаком).

Б) Узагальнена форма (3б)

1)За допомогою контрольної поверхні виділити дану систему і нанести лише ті енергетичні потоки, які для неї характерні.

2)В узагальнене рівняння енергобалансу підставляємо модулі числових значень величин, і результат розрахунку теж завжди модуль. Напрям енергетичного потоку оцінюється по стрілці на малюнку і по індексах «підв» і

«відв.»

Зауваження по рівняннях 1-го закону ТТД

1.Рівняння (1) і (2) - для закритих систем. Уміти виводити і знати.

2.Рівняння (3) і (4) - для потокових процесів. Уміти виводити, знати особливості виводу цих рівнянь та особливості складання балансу.

3.Для вивчення використовувати лекції, зошит для практичних за- нять, «Методичні вказівки до самостійної роботи по курсу ТТД» і «Роздавальний матеріал по курсу ТТД» .

§ 2.6. ДРУГИЙ ЗАКОН ТД І ЙОГО ФОРМУЛЮВАННЯ

Немного истории:

В 1850 г. Клаузиус на основе идей Карно, Майера и Джоуля сформулировал оба основных закона ТД. Он впервые дал количественную формулировку Первого закона ТД в виде уравнения, связывающего величины тепла и работы с внутренней энергией. При формулировке Второго закона ТД он ввел новую величину, которую вначале назвал «эквивалентом превраще- ния», а затем (1865 г.) энтропией. Утверждение Второго закона ТД о направлении всех естественных процессов нашло выразительное проявление в

принципе возрастания энтропии.

Тепломеханічні процеси підкоряються двом законам. Виконання 1-го закону є необхідним, але недостатньою умовою протікання цих процесів. Якщо дотримується 1-й, а 2-й ні, то такі процеси протікати не можуть. Таким чином, 2-й закон накладає обмеження на протікання реальних процесів. 2-й закон вказує, які процеси при дотриманні 1-го можливі, а які ні. Обидва закону носять дослідний характер і підтверджуються всім досвідом, накопиченим людством.

1-й закон - головбух

2-й закон - директор

Другий закон складається з 2-х тверджень.

1) Принцип існування ентропії (Поняття ентропії введене Клаузіусом)

Рівняння (1) використовується для обчислення ентропії тіла і її зміни в процесі. Міркування по структурно-логічному обґрунтуванню рівняння (1)

приведені в Розділі 1 (СРС до Лекції №4).

2) Принцип не зменшення ентропії ізольованої системи (принцип зростан-

ня ентропії ізольованої системи, в якій протікають реальні процеси).

Ентропія ізольованої системи не може зменшуватися.

Нагадаємо: ІС - це сукупність тіл, які обмінюються енергією лише між собою за відсутності енергообміну із зовнішнім середовищем.

n

Рівняння (2) вимагає, аби алгебраїчна сума ∑ Si ≥ 0 , при цьому зміна

i =1

ентропії окремого тіла може бути і менше 0.

З (2) можна виділити 3 ознаки протікання тепломеханічних процесів.

а) SІС > 0 - ознака протікання реальних (необоротних) процесів в ізольо-

ваних системах (ІС).

Ентропія ІС, в якій протікають реальні процеси завжди збільшується (народжується, виробляється, створюється).

SІС = ( SІС 2 − SІС1 ) > 0 , тобто

SІС 2 > SІС1 , для реальних процесів.

Уцьому і полягає однобічна спрямованість реальних процесів.

Твердження 2-го закону про однобічну спрямованість реальних (необоротних) процесів в ізольованій системі, тобто твердження про їх необоротність, є головним в 2-м законі.

Причини необоротності можна узагальнити, якщо ввести поняття узагальненого тертя (механічне, гідравлічне, магнітне, теплове тертя) і відповідно пов'язаних з тертям узагальнених опорів. В результаті узагальненого тертя всі форми руху переходять в теплову (хаотичну) форму руху, що приводить до зростання ентропії ІС. Таке явище отримало назву - дисипація енер- гії (розсіювання). Дисипацію енергії можна розглядати як виділення теплоти тертя . Дисипація енергії породжується необоротностями та призводить до зниження якості енергії, до зниження енергетичної ефективності протікання процесу, а значить до перевитрати палива.

Боротьба з необоротностями - головне завдання теплотехніки.

В курсі ТТД зручно виділити дві причини необоротності:

1.Тертя в РТ (механічне, гідравлічне і відповідно пов'язані з тертям механічний, гідравлічний опори).

2.Теплообмін при кінцевій різниці температур між РТ і джерелом тепло-

ти (термічне тертя породжує термічний опір T - курс ТМО).

ПРИКЛАДИ НЕОБОРОТНОСТІ

Теплообмінники (ТО) поверхневого типа.

H1

1Якщо хороша теплова ізоляція (адіабатна) то

основними необоротностями будуть:

Адіабатні машини:

б) SІС = 0 - ознака протікання оборотних

процесів в ізольованих системах (ІС).

SІС = ( SІС 2 − SІС1 ) = 0 SІС 2 = SІС1 .

Ентропія ІС при протіканні в ній оборотних процесів не змінюється (немає узагальненого тертя, немає узагальненого опору, немає переходу різних форм впорядкованого руху в хаотичну теплову форму) .Реально здійснити оборотні процеси не можливо. Вони досяжні лише в принципі. Це поняття є абстракцією.

Оборотні процеси у зв'язку з відсутністю в них узагальненого тертя мають найвищу енергетичну ефективність. Тому в курсі вони розглядатимуться як еталон для реальних процесів

в) SІС < 0 - ознака неможливих процесів в ізольованих системах (ІС).

Хаотичний рух у впорядкований рух сам по собі переходити не може.

§ 2.7. ОСОБЛИВОСТІ ТЕПЛООБМІНУ В ІС

а) Передача теплоти від гарячого тіла (Г) до холодного (Х):

1)Застосуємо 1-й закон: Q Г = Q Х = Q

2)Застосуємо 2-й закон:

оскільки TГ > TХ , процес можливий, але необоротний (оскільки супроводиться зростанням ентропії).

S Х > 0

(Необоротний теплообмін)

Якщо температури відрізняються на нескінченно малу величину

Sис = 0

(Оборотний теплообмін)

s

SГ < 0

S Х > 0