background image

T

ERMODYNAMIKA 

T

ECHNICZNA

 

 

 

 

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 

 

 

19 

PRZEMIANY CHARAKTERYSTYCZNE GAZÓW DOSKONAŁYCH I 

PÓŁDOSKONAŁYCH 

 
równanie przemiany – charakterystyczna dla danej przemiany zależność pomiędzy termicznymi parametrami stanu 

PRZEMIANY BEZTARCIOWE – izotermaizochoraizobaraizentropa (adiabata odwracalna) i politropa 

 

ZESTAWIENIE WAŻNIEJSZYCH WZORÓW DLA PRZEMIAN POLITROPOWYCH 

(UWAGA - dotyczy GAZÓW DOSKONAŁYCH!!!) 

przemiana 

 

izochoryczna  

izobaryczna 

izotermiczna 

izentropowa 

politropowa 

równanie ogólne 

T p 

-

1

 = idem 

T v 

-

1

 = idem 

p v = idem 

pv 

κ

= idem 

T v 

κ

-

1

= idem

 

pv 

m

= idem 

T v 

m-

1

= idem

 

=

2

1

p

p

 

2

1

T

T

 

1

2

v

v

 

1

2

1

1

2





=





κ

κ

κ

T

T

v

v

 

1

2

1

1

2





=





m

m

m

T

T

v

v

 

=

2

1

v

v

 

2

1

T

T

 

1

2

p

p

 

1

1

1

2

1

1

2





=





κ

κ

T

T

p

p

 

1

1

1

2

1

1

2





=





m

m

T

T

p

p

 

zależność 

pomiędzy 

parametrami 

=

2

1

T

T

 

2

1

p

p

 

2

1

v

v

 

1

1

2

1

2

1





=





κ

κ

κ

v

v

p

p

 

p

p

v

v

m

m

m

1

2

1

2

1

1

=

 

praca  

bezwzględna 

l

1-2

=

 

R(T

- T

1

p(v

- v

1

)

 

2

1

p

p

ln

RT

 

1

2

v

v

ln

pv

 




1

2

1

1

1

T

T

RT

κ

 

1

2

2

1

1

κ

v

p

v

p

 







κ

κ

κ

1

1

2

1

1

1

1

p

p

v

p

 




1

2

1

1

1

T

T

m

RT

 

1

2

2

1

1

m

v

p

v

p

 







m

m

p

p

m

v

p

1

1

2

1

1

1

1

 

praca techniczna 

l

t 1-2

=

 

-v(p

2

 - p

1

)

 

l

1-2

 

κ

 l

1-2

 

m l

1-2

 

ciepło przemiany 

q

1-2

=

 

c

v

(T

2

 - T

1

1

1

2

κ

)

p

p

(

v

 

c

p

(T

2

 - T

1

2

1

1

l

κ

κ

 

l

1-2 

= l

t 1-2 

2

1

p

p

ln

RT

 

(

)

1

2

1

T

T

m

m

c

v

κ

 

przyrost entropii 

 s

1-2

=

 

1

2

v

v

ln

c

v

 

1

2

v

v

ln

c

p

 

1

2

v

v

ln

RT

 





1

2

1

T

T

ln

m

m

c

v

κ

 

przyrost energii 

wewnętrznej 

 u

1-2

=

 

c

v

(T

2

 - T

1

c

v

(T

2

 - T

1

c

v

(T

2

 - T

1

c

v

(T

2

 - T

1

przyrost entalpii 

 i

1-2

=

 

c

p

(T

2

 - T

1

c

p

(T

2

 - T

1

c

p

(T

2

 - T

1

c

p

(T

2

 - T

1

wykładnik politropy 

m=

 

±∞

 

v

p

c

c

=

κ

 

v

p

c

c

c

c

 

ciepło właściwe 

c=

 

c

v

 

c

p

 

±∞

 

1

m

m

c

v

κ

 

obraz przemiany 

na wykresie T, s 

Τ

s

 

Τ

s

 

Τ

s

 

Τ

s

 

zależnie  

od  

wykładnika m 

obraz przemiany 

na wykresie p, v 

p

v

 

p

v

 

p

v

 

p

v

 

zależnie  

od  

wykładnika m 

opracował dr inż. Tomasz Odlanicki-Poczobut 

 

background image

T

ERMODYNAMIKA 

T

ECHNICZNA

 

 

 

 

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 

 

 

20 

PRZEMIANY  NIEODWRACALNE  (w  których  występuje  tarcie)  –  adiabata  nieodwracalna,  dławienie  i 
dyfuzja  
 
Sprawność wewnętrzna adiabatycznych maszyn przepływowych: 

 

rozprężanie (turbina): 

2s

1

2

1

o

i

i

i

i

i

i

l

l

η

=

=

 

 

sprężanie (sprężarka): 

1

2

1

2s

i

o

i

i

i

i

i

l

l

η

=

=

 

 
dla gazów doskonałych: 

 

rozprężanie (turbina): 

2s

1

2

1

i

T

T

T

T

η

=

 

 

sprężanie (sprężarka): 

1

2

1

2s

i

T

T

T

T

η

=

 

gdzie: 

o

o

l

 ,

l

  –  teoretyczna  praca  wykonana  przez  maszynę  i  teoretyczna  praca  napędowa  (w  przemianie 

izentropowej) 

i

2s

T

2s

 dotyczą stanu końcowego w przemianie izentropowej 

 
 

 

PRZEMIANY W MASZYNACH PRZEPŁYWOWYCH – PRZYKŁADY 

 
Sprężarka lub turbina izotermiczna 
(gaz doskonały i półdoskonały): 

1

2

T

T

=

,    

2

1

1

i

p

p

ln

(MR)T

n

N

&

=

,     

i

2

1

N

Q

=

&

 

Sprężarka lub turbina adiabatyczna (gaz doskonały): 

κ

1

κ

1

2

1

2s

p

p

T

T





=

,   

)

T

)(T

(Mc

n

N

2

1

p

i

=

&

,   

0

Q

2

1

=

&

 

Sprężarka lub turbina politropowa (gaz doskonały): 

m

1

m

1

2

1

2

p

p

T

T





=

,   

)

T

(T

1

m

m

(MR)

n

N

2

1

i

=

&

,   

)

T

(T

1

m

κ

m

)

(Mc

n

Q

1

2

V

2

1

=

&

&

 

gdzie: 

indeks dolny 1 i 2 oznacza warunki odpowiednio na początku i końcu przemiany, 

i

N

,

Q

&

   strumień ciepła na drodze przemiany i moc wewnętrzną maszyny 

 

background image

T

ERMODYNAMIKA 

T

ECHNICZNA

 

 

 

 

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 

 

 

21 

PRZEMIANY CHARAKTERYSTYCZNE 

27.

 

Objętość  10 kg  powietrza  (dwuatomowy  gaz  doskonały)  o  ciśnieniu  0,2 MPa  i  temperaturze  600 K 
zmniejszono  dwukrotnie.  Proces  prowadzono:  a)  izobarycznie;  b)  izotermicznie;  c)  adiabatycznie; 
d)  politropowo  (przy  m=1,2).  Oblicz  parametry  końcowe,  pracę  bezwzględną  i  techniczną,  ciepło 
przemiany i zmianę energii wewnętrznej. Przemiany przedstaw na wykresach p-V i T-s. 

a)

 

p

2

=0,2 MPa; T

2

=300 K; L

1-2

= -861,4 kJ; L

t1-2

=0; Q

1-2

= -3014,5 kJ; U

2

-U

1

= -2154,7 kJ 

b)

 

p

2

=0,4 MPa; T

2

=600 K; L

1-2

= -1194,1 kJ; L

t1-2

= -1194,1 kJ; Q

1-2

= -1194,1 kJ; U

2

-U

1

=0 kJ 

c)

 

p

2

=0,528 MPa; T

2

=792 K; L

1-2

= -1378,2 kJ; L

t1-2

= -1929,5 kJ; Q

1-2

=0 kJ; U

2

-U

1

=1379 kJ 

d)

 

p

2

=0,459 MPa; T

2

=689 K; L

1-2

= -1277,7 kJ; L

t1-2

= -1533,2 kJ; Q

1-2

= -639,2 kJ; U

2

-U

1

=639,2 kJ 

 

28.

 

Sprężarka  napędzana  jest  turbiną.  Sprawność  mechaniczna  turbiny  wynosi  0,97,  sprawność 
mechaniczna  sprężarki  wynosi  0,95.  Do  turbiny  dopływa  23  kg/s  azotu  o  temperaturze  950 K. 
Temperatura  azotu  za  turbiną  wynosi  350 K.  Przy  założeniu,  że  sprężanie  i  rozprężanie  jest 
adiabatyczne,  a  azot  zachowuje  się  jak  gaz  półdoskonały,  wyznacz  moc  wewnętrzną  turbiny  i 
sprężarki. Bilans energii przedstaw w postaci wykresu Sankeya. 

N

iT

=15057 kW; N

iS

=13875 kW 

 

29.

 

Do  turbiny  o  mocy  efektywnej  700 kW  i  sprawności  mechanicznej  0,96  dopływa  powietrze  (gaz 
doskonały) o ciśnieniu 0,6 MPa i temperaturze 800 K w ilości 2,5 kg/s. Oblicz temperaturę powietrza 
na wylocie z turbiny zakładając, że w turbinie zachodzi przemiana adiabatyczna odwracalna. 

T

2

=510 K 

 

30.

 

Trójatomowy  gaz  doskonały  dopływa  do  turbiny  politropowej  (m=1,35)  strumieniem  0,1 kmol/s. 
Oblicz  moc  wewnętrzną  turbiny  oraz  strumień  wody  chłodzącej  turbinę,  jeżeli  parametry  gazu  na 
dopływie  wynoszą  T

1

=800 K;  p

1

=0,5 MPa,  a  na  wypływie  p

2

=0,1  MPa,  natomiast  parametry  wody 

chłodzącej wynoszą t

w1

=20°C i t

w2

=50°C. 

N

i

=875,6 kW; 

w

G

& = 0,266 kg/s 

 

31.

 

Gaz  doskonały  (

κ

=1,35)  o  temperaturze  800 K  i  ciśnieniu  10 bar  rozpręża  się  adiabatycznie 

nieodwracalnie  do  ciśnienia  1 bar  w  turbinie  o  sprawności  wewnętrznej  0,9  i  sprawności 
mechanicznej 0,98. Turbina napędza sprężarkę politropową (m=1,1) o sprawności mechanicznej 0,96, 
która spręża powietrze od ciśnienia 1 bar i temperatury 20°C do ciśnienia 20 bar. Strumień powietrza 
wynosi 1000 m

n

3

/h. Oblicz strumień gazu napędzającego turbinę. 

n

& = 0,0107 kmol/s 

 

 

background image

T

ERMODYNAMIKA 

T

ECHNICZNA

 

 

 

 

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 

 

 

22 

PRZEMIANY CHARAKTERYSTYCZNE – ZADANIA DODATKOWE 

d56.

 

Azot  uległ  przemianie  izobarycznej.  Temperatura  azotu  przed  przemianą  wynosiła  620°C,  a  po 
przemianie 200°C. Masa gazu biorącego udział w przemianie wynosiła 0,04 kg. Traktując azot jako 
gaz doskonały oblicz pracę bezwzględną tej przemiany. 

L

1-2

= -4986 J 

 

d57.

 

Znajdujący  się  w  zbiorniku  o  objętości  3 m

3

  gaz  doskonały  o  parametrach  początkowych  t

1

=7°C, 

p

1

=0,2 MPa został podgrzany izochorycznie do t

2

=847°C. Oblicz pracę techniczną tej przemiany. 

L

t1-2

= -1800 kJ 

 

d58.

 

Gaz  doskonały  uległ  odwracalnej  przemianie  izotermicznej  od  stanu  p

1

=0,6 MPa,  V

1

=3 dm

3

  do 

stanu, w którym jego objętość wynosi V

2

=12 dm

3

. Oblicz pracę bezwzględną i techniczną przemiany 

oraz ilość ciepła doprowadzonego do gazu podczas przemiany. 

L

1-2

=L

t1-2

=Q

1-2

=2495 J 

 

d59.

 

Dwuatomowy  gaz  doskonały  uległ  odwracalnej przemianie  adiabatycznej.  Parametry  tego  gazu na 
początku przemiany wynosiły p

1

=1,2 MPa, V

1

=0,1 dm

3

, T

1

=2000 K, ciśnienie zaś na końcu przemiany 

miało  wartość  p

2

=0,15 MPa.  Oblicz  objętość  i  temperaturę  czynnika  na  końcu  przemiany,    pracę 

bezwzględną i techniczną przemiany oraz przyrost energii wewnętrznej czynnika. 

V

2

=0,4417 dm

3

; T

2

=1104 K; L

1-2

=134,4 J; L

t1-2

=188,1 J; U

2

-U

1

= -134,4 J 

 

d60.

 

0,002 kg sprężonego powietrza uległo odwracalnej przemianie politropowej, przy której wykładnik 
politropy  miał  wartość  m=1,05.  Parametry  początkowe  czynnika  wynosiły  p

1

=1,62 MPa,  T

1

=540 K, 

ciśnienie zaś na końcu przemiany miało wartość p

2

=0,3 MPa. Oblicz temperaturę końcową czynnika, 

pracę  bezwzględną  i  techniczną  przemiany  oraz  ilość  ciepła  doprowadzonego  do  gazu  podczas 
przemiany. 

T

2

=498 K; L

1-2

=481 J; L

t1-2

=504 J; Q

1-2

=421 J 

 

d61.

 

Roztwór helu i azotu uległ adiabatycznej przemianie odwracalnej od stanu p

1

=2,4 MPa, V

1

=10 dm

3

 

do  stanu  p

2

=0,3 MPa,  V

2

=40 dm

3

.  Traktując  gazy  jako  doskonałe,  oblicz  udziały  objętościowe 

składników roztworu.  

r

He

=0,5; r

N2

=0,5 

 

d62.

 

Traktując  gazy  jako  doskonałe,  oblicz  wykładnik  adiabaty  dla  spalin  o  składzie  objętościowym 
r

CO2

=15%, r

O2

=6%, r

N2

=79%. 

κ=1,39 

 

d63.

 

Roztwór  gazów,  którego  stosunek  κ  wynosi  1,6,  został  sprężony  adiabatycznie  odwracalnie. 
Parametry  tego  roztworu  przed  sprężeniem  p

1

=0,2 MPa,  V

1

=35 dm

3

,  t

1

=15°C,  temperatura  po 

sprężeniu  t

2

=591°C.  Oblicz  ciśnienie  i  objętość  czynnika  po  sprężeniu  oraz  pracę  bezwzględną 

przemiany. 

p

2

=3,74 MPa; V

2

=5,61 dm

3

; L

1-2

= -23,3 kJ 

 

d64.

 

Przez turbinę gazową przepływają gorące spaliny, których stosunek κ wynosi 1,35. Parametry spalin 
przed turbiną wynoszą p

1

=0,55 MPa, t

1

=700°C. Ciśnienie spalin opuszczających turbinę ma wartość 

p

2

=0,11 MPa.  Natężenie  przepływu  spalin  przez  turbinę  wynosi  1338 kmol/h.  Przyjmując,  że 

ekspansja  spalin  w  turbinie  przebiega  odwracalnie  wg  równania  politropy  o  wykładniku  m=1,45 
oblicz moc turbiny oraz molowe ciepło właściwe czynnika w przemianie politropowej.  

N=3800 kW; (Mc

p

)=5,28 kJ/kmolK 

 
 

background image

T

ERMODYNAMIKA 

T

ECHNICZNA

 

 

 

 

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 

 

 

23 

d65.

 

Przez  idealnie  zaizolowaną  turbinę  przepływa  50 kmol/h  powietrza.  Temperatura  sprężonego 
powietrza  przed  maszyną  wynosi  t

d

=327°C,  a  ciśnienie p

d

=0,6 MPa.  Ciśnienie  powietrza za  turbiną 

wynosi p

w

=0,1 MPa. Traktując powietrze jako gaz doskonały oraz przyjmując, że układ jest w stanie 

ustalonym, oblicz temperaturę T

w

 za turbiną oraz moc generatora. Sprawność wewnętrzna turbiny 

wynosi 0,76, sprawność mechaniczna turbiny 0,96, a sprawność generatora 0,99. 

T

w

=418 K; N=73,8 kW 

 

d66.

 

W  idealnej  sprężarce  odbywa  się  politropowe  (m=1,2)  sprężanie  azotu  o  parametrach:  ciśnienie 
0,1 MPa temperatura 300 K do ciśnienia 0,5 MPa. Strumień gazu wynosi 0,2 m

n

3

/s. Oblicz strumień 

ciepła  odprowadzanego  przy  założeniu,  że  azot  zachowuje  się  jak:  a)  gaz  doskonały,  b) 
półdoskonały. 

 

  a) 

=

2

-

1

Q

&

 17,03 kW;  b) 

=

2

-

1

Q

&

 16,97 kW  

 

d67.

 

Czynnikiem  roboczym  w  turbinie  gazowej  jest  dwuatomowy  gaz  doskonały,  który  w  rurociągu 
dolotowym  ma  parametry  t

1

=600°C,  p

1

=0,6 MPa.  Przed  wlotem  do  turbiny  gaz  zostaje  zdławiony 

izentalpowo  do  p

2

=0,5 MPa.  Ciśnienie  gazu  na  wylocie  z  turbiny  wynosi  p

3

=0,1 MPa,  moc 

wewnętrzna  turbiny  3 MW,  sprawność  wewnętrzna  przemiany  adiabatycznej  0,737,  sprawność 
mechaniczna  turbiny  0,96,  sprawność  elektromechaniczna  generatora  0,97.  Oblicz  strumień  gazu, 
moc generatora oraz sprawność energetyczną układu. 

=

n

&

0,433 kmol/s; N=2794 kW; η=0,254 

 

d68.

 

Sprężarka  o  wydajności  1000 m

n

3

/h  spręża  powietrze  (gaz  doskonały)  od  parametrów  t

1

=27°C, 

p

1

=0,1 MPa  do  p

2

=0,4 MPa.  Przemiana  zachodzi  politropowo  (m=1,2),  przy  czym  36,4%  mocy 

napędowej sprężarki odprowadza się z wodą chłodzącą, która zmienia temperaturę od t

w1

=20°C do 

t

w2

=40°C. Oblicz moc sprężarki oraz strumień wody chłodzącej. 

N=48,2 kW; Ġ=0,209 kg/s 

 

d69.

 

W  sprężarce  dwustopniowej  sprężana  jest  adiabatycznie  nieodwracalnie  mieszanina  CO

2

,  N

2

,  O

2

 

(gazy  doskonałe).  Udział  molowy  CO

2

  w  sprężanym  roztworze  wynosi  0,2.  W  pierwszym  stopniu 

sprężarki gaz jest sprężany od nadciśnienia p

m1

=0,3 bar i t

1

=20°C do p

2

=0,5 MPa. Sprężony roztwór 

jest  następnie  chłodzony  w  doskonale  zaizolowanym  izobarycznym  wymienniku  ciepła 
podgrzewając  wodę,  której  strumień  masowy  wynosi  46,95 kg/s,  od  temperatury  t

w1

=30°C  do 

t

w2

=90°C.  Ochłodzony  roztwór  jest  następnie  sprężany  w  drugim  stopniu  sprężarki  osiągając 

t

4

=239°C,  p

4

=2 MPa.  Ciśnienie  otoczenia  wynosi  0,1 MPa.  Sprawność  wewnętrzna  obu  stopni 

sprężarki  wynosi  0,76,  sprawność  mechaniczna  obu  stopni  sprężarki  0,98.  Oblicz  wartości 
temperatur t

2

 i t

3

, strumień sprężanego gazu oraz moc efektywną zużywaną do napędu sprężarki.  

t

2

=194°C; t

3

=46°C; 

=

n

&

2,65 kmol/s; N=28575 kW