Файл: Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок.pdf

из [83]. Полученные в результате расчетов значения &л- н°4 также помещены в табл. 32. Следует отметить, что весьма большие значе­ ния k' объясняются малой сжимаемостью воды.

На рис. 49 даны изотермы зависимости k = k (Т, х) на основе расчетов, выполненных по формуле (396).

ГЛАВА III

ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСШИРЕНИЯ* ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС И ЕГО

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

§ 34. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОИЗВОЛЬНОГО ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ. ХАРАКТЕРНЫЕ ТОЧКИ ПРОЦЕССА

В процессе развития методов получения работы из теплоты теория турбин развивалась исключительно на базе адиабатного процесса расширения. Ход этого процесса и его свойства были заложены не только в основу теории и тепловых расчетов турбин, но и в конструк­ тивные формы «адиабатных» машин. Большие скорости потока рабо­ чего агента, текущего через проточную часть турбины, позволяли пренебрегать при надлежащей изоляции теплообменом потока с окру­ жающей средой и считать поток теплоизолированным в процессе расширения. Это значило, что кинетическая энергия в потоке созда­ валась только за счет соответствующего уменьшения внутренней энергии U!, которой поток обладал в начальной точке процесса расширения. Конструкция проточной части турбины обеспечивала непрерывный отвод кинетической (механической) энергии потока через лопаточные венцы вращающихся дисков ротора и через его вал на привод полезного сопротивления (генератор электрического тока, гребной винт и т. п.).

Поскольку до настоящего времени при расчетах и конструиро­ вании энергетических установок безоговорочно клали в основу тепло­ изолированные процессы расширения, то все методы расчетов и само конструирование были направлены на создание установок с ади­ абатными машинами. Поэтому на тепловых диаграммах состояния рабочего агента по оси абсцисс откладывали энтропию, а по оси орди­ нат — другие термодинамические параметры, нужные расчетчику или исследователю. Это было удобно: исходный изоэнтропийный про­ цесс шел по прямой, параллельной оси ординат. К этому привыкли, и специалисты по лопаточным машинам мысленно легко воспроиз^- водили линии других термодинамических процессов на поле такой Диаграммы.

Таким же образом развивалась теория И отыскивались оптималь­ ные решения задач выбора принципиальных схем турбинных энер­ гетических установок. Действительно, оптимальный цикл Карно в диаграмме Т— s изображался прямоугольником со сторонами, па­ раллельными координатным осям. Это было наглядно удобно и при­ вычно, пока не возник вопрос: всегда ли и при всяких ли внешних условиях адиабатный процесс расширения является единственным и бесспорно наилучшим?

На этот вопрос могут быть два ответа:

1.В энергетических установках адиабатный процесс оптимален,

иэто не подлежит сомнению. Поэтому и при дальнейшем прогрессив­ ном развитии энергетики должно быть принято это привычное, хо­ рошо известное положение.

2.Не всегда оптимальными являются адиабатные процессы рас­ ширения. Необходимо изучить процессы расширения, учитывая на­ личие внешнего теплообмена наряду с энерогообменом (отводом вы­ работанной механической энергии) в этих процессах. В ходе изучения следует выяснить возможности внешнего подвода тепловой энергии в процессе расширения прц существующих конструкциях адиабат­ ных турбин. Здесь полезно отметить, что современная теплофизика

и внешней энергии в других ее формах. Возможно, что это будут формы, удобные для подвода добавочной энергии в поток, расширяю­ щийся в проточной части современных турбин (хотя тогда они уже не смогут быть названы адиабатными). Несомненно одно, что при любых формах подвод внешней добавочной энергии в расширяющийся поток будет связан с нарушением обратимости процесса расширения. Поэтому первым мероприятием, связанным с увеличением энерго­ вооруженности рабочего агента в процессе расширения, должна быть разработка конструктивных форм осуществления такого добавочного подвода энергии. Когда это сделано, можно изучить характер не­ обратимости и оценить вызванную ею потерю работоспособности рабочего агента. Затем следует идеализировать полученный неадиа­ батный процесс расширения, чтобы можно было применить к нему формулы классической термодинамики и определить его полезную работу.

Рассчитав затем реальный процесс расширения в действительных условиях, можно будет видеть эффект запроектированной оптими­ зации процесса расширения.

Расширение является наиболее ответственным процессом термо­ динамического цикла энергетической установки. Это единственный процесс цикла, непосредственно осуществляющий основное назна­ чение энергетической установки — получение механической энергии из тепловой и отпуск этой энергии потребителю. Чтобы лучше из­ учить процесс расширения с внешним теплообменом, удобно рас­ смотреть такой процессе произвольно заданными параметрами точек его начала и конца. Назовем этот процесс п р о и з в о л ь н ы м и посмотрим, как можно выполнить его термодинамический анализ.

276

Как известно, все термодинамические параметры процесса можно выразить как функции от двух независимых параметров, причем последние могут быть выбраны произвольно. В энергетических рас­ четах удобно принять в качестве независимых параметров температуру Т и давление р. Тогда любой термодинамический параметр со­ стояния рабочего агента может быть выражен в функциональной зависимости от Т и р по уравнению

последовательно идущими процессами. Первый из них — и з о т е р ­ м и ч е с к и й при постоянном Т, идущий от точки 1 по изотерме Т * до пересечения этой изотермы с изобарой р 2. Обозначим точку пере­ сечения 2'. Она будет определяться параметрами 7 \ и р 2. В точке 2' закончим изотермический процесс и перейдем на и з о б а р н ы й при давлении р 2. По изобаре р 2 идем до пересечения ее с изотермой Т 2 в точке 2 конца произвольно заданного процесса расширения

(рис. 50).

Преследуя цель изучить лишь обратимые процессы и параметры состояния, являющиеся полными дифференциалами двух выбранных нами переменных независимых Т и р , можно утверждать, что любой из параметров х, определяемых формулами (402) и (403)< в заданных начальной и конечной точках произвольного процесса расширения будет иметь значение, независимое от пути перехода из точки 1 в точку 2. Следовательно, выбрав удобные для исследования два последовательно идущих процесса 1—2' и 2'—2, мы в начальной точке 1 и конечной точке 2 получим такие же значения всех термо­ динамических параметров рабочего агента в заданном произвольном

Обозначив этот изотермический процесс 1—2' и интегрируя урав­ нение (404) в пределах от р х до р 2, будем иметь

X2 — Xi = Axi-2'= 2'J { ^ ) тdp.

I

У нас нет аналитической зависимости (402), но имеются таблицы теплофизических свойств нашего рабочего агента (если это водяной пар — то таблицы [22]), составленные по значениям р при разных Т.

277