Изотермический процесс. На рис. 3.7 изображены в координатах T,s и h,s две изотермы: одна (Т1 = idem) – сверхкритическая, а вторая (Т2 = idem) – докритическая

На рис. 3.7 изображены в координатах T,s и h,s две изотермы: одна (Т ₁ = idem) – сверхкритическая, а вторая (Т ₂ = idem) – докритическая, то есть Т ₁ >Т ₂. На этих изотермах отмечены восемь точек, из которых точки 1, 2, 5, 6, 3 и 4 находятся в однофазной области: первые четыре точки соответствуют состоянию перегретого пара, точка 3 – состоянию обычной жидкости, а точка 4 – насыщенной (кипящей) жидкости. Точки 7, 8 находятся в двухфазной области (в области влажного пара).

Рис. 3.7. Изображение изотермических процессов на энтропийных диаграммах

На рис.3.7 выделим возможные варианты изотермического процесса:

1-2 и 5-6 – процессы, протекающие в области перегретого пара;

3-4 – процесс, совершающийся в области жидкости;

4-7 – процесс с фазовым переходом жидкость – влажный пар;

7-8 – изобарно-изотермический процесс в области влажного пара (остаются постоянными давление и температура);

8-5 – процесс с фазовым переходом влажный пар – перегретый пар.

Рассмотрим решение задач, в которых рабочее тело (водяной пар) совершает изотермический процесс.

Задача. Определить конечное состояние и параметры пара, имеющего температуру 200 °С и удельный объем 0,12 м³/кг (точка 8 на рис. 3.2 и 3.7), если к нему изотермически подведено 320 кДж/кг теплоты. Определить также удельную деформационную и техническую работы. Задачу решить с помощью диаграммы h,s, а затем уточнить по таблицам свойств воды и водяного пара ([3], табл. III).

Решение задачи с помощью диаграммы h,s

Количество теплоты, подводимое к 1 кг рабочего тела в изотермическом процессе, рассчитывается из соотношения . Применительно к рассматриваемому случаю

,

где значение s ₈ =6,2 кДж/(кг·К) принято по данным задачи 1 для изохорного процесса (стр.49).

На пересечении изотермы 200 °Сс изоэнтропой s ₅ = 6,876 кДж/(кг·К) находится искомая точка 5 – конечная точка заданного изотермического процесса подвода теплоты (рис. 3.7).

Поскольку точка 5 находится выше и правее пограничной кривой насыщенного пара х = 1, она соответствует перегретому пару. Искомые термодинамические свойства перегретого пара в этой точке: давление р ₅ = 0,7 МПа; удельный объём v ₅ = 0,29 м³/кг; энтальпия h ₅ = 2844 кДж/кг

Деформационная работа изотермического процесса рассчитывается на основании первого закона термодинамики по формуле

,

где

.

Здесь значение h ₈ =2680 кДж/кг принято по данным задачи 1 (стр.49).

Техническая работа изотермического процесса рассчитывается также из 1-го закона термодинамики по формуле

.

Решение задачи с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара [3]

Рассчитываем значение энтропии в точке 5, как и ранее, из выражения для расчета теплоты в изотермическом процессе

.

где значение s ₈ =6,2 кДж/(кг·К) принято по данным задачи 1 для изохорного процесса (стр.50).

Изотермический подвод теплоты сопровождается ростом энтропии, увеличением удельного объёма и уменьшением давления. Поэтому, выбрав изотерму 200 °С в области перегретого пара, ищем две смежные изобары, на которых значения энтропии больше и меньше рассчитанного значения s ₅ = 6,8728 кДж/кг. Такими изобарами являются (см. [3], табл. III, стр.96) изобары:

p _б=7,0 бар; s _б=6,8873 кДж/(кг·К); h _б=2844,8 кДж/кг; v _б=0,2999 м³/кг,

p _м=7,5 бар; s _м=6,8508 кДж/(кг·К); h _м=2842,0 кДж/кг; v _м=0,2791 м³/кг.

Заметим, что индексы «б» и «м» относят величины к большему и меньшему значению заданного параметра (в данном случае энтропии) независимо от соотношения определяемых величин в этом интервале.

Тогда интерполируем по энтропии между выбранными изобарами

.

Отсюда

.

После определения значений h₅, v₅ и p₅ рассчитываем энергетические эффекты, приняв свойства пара в точке 8 по данным задачи 1 изохорного процесса, приведенным на стр.49-50.

Деформационная работа, совершаемая в изотермическом процессе 8-5