Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Теоретические основы теплотехники: Учебное пособие

Голосов: 4

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный объем информации для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими дозами, структурированность и последовательность изложения которых диктуется внутренней логикой названных наук. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий". Может быть использовано студентами других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                                                             pv = zRT ,   (1.29)

где z называют общим коэффициентом сжимаемости, показывающим насколько реально-газовые со-
стояния отличаются от состояний идеального газа при тех же условиях.
     Величина z зависит от особенностей состояния газа и задается обычно для каждого конкретного га-
за в виде функции

                                                         z = f ( p, T ).

Характер этой зависимости определяют опытным путем, исследуя сжимаемость газа в простых процес-
сах. Для технических расчетов используют обычно специальные таблицы, приводимые в справочной
литературе [9] и позволяющие определить значение z по заданным величинам p и Т. Для этой же цели
используют обобщенную графическую зависимость в безразмерных координатах, отражающую суть
термодинамического подобия. Для наиболее распространенных рабочих тел (воздух и его компоненты,
вода и водяной пар и др.) требуются более точные расчеты. В этом случае величину z описывают поли-
номом с вириальными коэффициентами
                                           z = 1 + A1 / v + A2 / v 2 + A3 / v 3 + ...,
где величины A1, A2 , A3 ... сами являются полиномами:
                          A1 = a0 + a1T + a2T 2 + a3T 3 + ..., A2 = b0 + b1T + b2T 2 + b3T 3 + ....
Значения коэффициентов a0 , a1, a2 ..., b0 , b1, b2 ... рассчитываются на основании экспериментальных сведе-
ний о сжимаемости газа или жидкости в простых процессах. Степени полиномов получаются достаточ-
но высокими (от шести до четырнадцати), поэтому и обработку опытных данных, и расчеты по уравне-
нию (1.29) ведут с помощью ЭВМ, для чего разработаны специальные процедуры и программы.
    При ручных расчетах уравнение (1.29) невозможно точно реализовать, учитывая сложность расчета
величины z. Для многих задач это можно сделать только методом последовательных приближений, при-
нимая в качестве первого приближения z = 1,0. Поэтому на практике широко используются другие формы
представления зависимости (1.29) – в виде специальных таблиц состояний или в виде особых диаграмм,
с которыми мы познакомимся при более подробном изучении свойств воды и водяного пара и процес-
сов с ними.

                       1.3.2 Термические коэффициенты и связь между ними

  о многих случаях для отдельных веществ проводить широкие исследования и составлять уравнение
В состояния нет необходимости, поскольку на практике с этими веществами реализуются только один
или два частных термодинамических процесса. Поэтому опытным путем определяют только значения так
называемых термических коэффициентов, содержащих значения соответствующих частных производных:

                                                       1  ∂v 
    – коэффициент теплового расширения α =                     ;
                                                       v0  ∂T  p
                                                             1  ∂v 
    – коэффициент изотермического сжатия βt = −                   ;
                                                             v0  ∂p T
                                                                 
                                                                      1  ∂v 
    – коэффициент адиабатической сжимаемости β s = −                       ;
                                                                      v0  ∂p  S
                                                                          
                                   1  ∂p 
    – коэффициент давления γ =             .
                                   p0  ∂T V

    Например, чтобы определить изменение объема газа или жидкости при изобарном нагревании от Т1
до Т2, достаточно, проинтегрировав формулу для α, рассчитать v2 − v1 = αv0 (T2 − T1 ).
    Таким образом, система термических коэффициентов адекватно заменяет уравнение состояния при
расчетах частных процессов.
    Между термическими коэффициентами существует однозначная связь, которую нетрудно устано-
вить. Из уравнения состояния F ( p, v, T ) следует, что p = f (v, T ) . Полный дифференциал этой функции
будет


                                                                          ∂p     ∂p 
                                                                    dp =   dv +      dT .        (1.30)
                                                                          ∂v T   ∂T  v

Для процесса при p = const величина dp = 0 , и тогда формула (1.30) принимает вид

                                ∂p       ∂p            ∂p         ∂v     ∂p 
                           0 =   d pv +      d pT или                 +      = 0,
                                ∂v T     ∂T  v         ∂v T       ∂T  p  ∂T  v


откуда после простейших преобразований получаем уравнение состояния в дифференциальной форме

                                            ∂p   ∂v   ∂T 
                                                            = −1.
                                                                 
                                            ∂v T  ∂T  p  ∂p  v
Значения производных выразим через величины термических коэффициентов
                                 ∂p     1           ∂v                 ∂T     1
                                  =−        ,           = α v0 ,      
                                                                           ∂p  = γ p
                                                                               
                                 ∂v T βt v0         ∂T  p                 v      0

и подставим в предыдущую формулу
                                                    1          1
                                             −          α v0      = −1.
                                                 β t v0      γ p0
После сокращения подобных членов получаем искомую связь
                                                         α 1
                                                    γ=         .
                                                         βt p0
    Можно доказать, что величины βt и βs связаны зависимостью

                                                     βt = kβs.

    Таким образом, для полного описания свойств рабочего тела при совершении им простых термоди-
намических процессов достаточно определить опытным путем только два термических коэффициента и
значение величины k.

                         1.3.3 Состояния и свойства воды и водяного пара

                         Пар теплее воды, ибо содержит в себе
                         еще и огонь, который возгонял его вверх
                                                                                                Аристотель

  ода и водяной пар очень широко используются в качестве рабочего тела в современных энергетиче-
В ских и технологических промышленных установках.

    Переход жидкости в пар называют парообразованием, обратный переход (пар в жидкость) – кон-
денсацией. Парообразование с открытой поверхности называют испарением. В неограниченном про-
странстве в результате испарения вся жидкость может превратиться в пар. Если же парообразование
происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы постепенно заполняют простран-
ство над ней, при этом некоторая часть из них в результате хаотического движения вновь возвращается
в жидкость. С течением времени число молекул над жидкостью увеличивается и в конце концов насту-
пает состояние динамического равновесия: сколько молекул вылетает из жидкости в паровое простран-
ство, столько же молекул возвращаются назад в жидкость.         В таком состоянии пар имеет наиболь-
шую при данной температуре плотность и его называют насыщенным. При изменении температуры
равновесие сначала нарушается, но постепенно снова восстанавливается, только уже при других давле-
нии и плотности пара. Если к жидкости интенсивно подводится тепло, то парообразование происходит
не только с поверхности, но и внутри жидкости и сопровождается выделением пузырьков пара. Это на-
зывают кипением. Над поверхностью кипящей жидкости находится насыщенный пар. Говорят, что и
жидкость, и пар в этом случае находятся в состоянии насыщения.
    С особенностями различных состояний воды и пара удобно познакомиться, прослеживая процесс
изобарного нагревания одного килограмм воды при t = 0 °С сначала до кипения, затем до полного пре-


вращения в пар с последующим перегревом пара. На рис. 1.27 показаны последовательно (слева напра-
во) пять специфических состояний, представляющих наибольший интерес.
      Рис. 1.27, а отражает состояние воды при t = 0 °С и некотором зафиксированном давлении р.
Удельный объем воды в таком состоянии обозначим vж. Изобразим это состояние на p–v диаграмме точ-
кой а       (см. рис. 1.28). Аналогично будем изображать и другие состояния. При подводе тепла q темпе-
ратура и объем воды будут увеличиваться. Увеличение vж определяется степенью нагрева и величиной
коэффициента теплового расширения ∆v = α v0 (T − T0 ) , где v0 – удельный объем воды при нормальных
условиях (t = 0 °С, p0 = 1,01310 Па). По мере нагрева воды точка а на p − v диаграмме будет смещаться
вправо. На рис. 1.27, б зафиксировано состояние, когда температура воды достигла температуры насы-
щения и начинается процесс кипения. Все параметры такого состояния принято отмечать штрихом: v′,
h′, s′. На p–v диаграмме состояние насыщения изображается точкой b.
      Если продолжить подвод тепла, то в результате кипения часть воды превратится в пар и под порш-
нем окажутся в равновесном состоянии вода и пар. При кипении подводимое тепло             a)          б)
частично расходуется на дисгрегацию молекул и повышение их энергии (скрытая                F           F
теплота парообразования), а другая часть трансформируется в работу расширения
пара. В промышленных условиях при кипении воды всегда получается механическая
                                                                                                vж       v′
смесь воды и насыщенного пара, которую называют влажным паром. Двухфазное
                                               p–v диаграмме это состояние отражено q t = 0 C q t = tн
                                                                                              o
состояние показано на рис. 1.27, в. На
точкой с. По мере выкипания жидкости объем паровой фазы возрастает и точка с
смещается вправо. Влажный пар может содержать много воды и мало пара или на- Рис 1 27 Нагрев вод
оборот. Для однозначного описания этого состояния используется дополнительно параметр, который
называют степенью сухости и который представляет собою массовую долю насыщенного пара в смеси

                                            x = mп /(mп + mв ),


где mп и mв – массы пара и воды, соответственно. Ясно, что величина x может меняться от 0 до 1,0. Зна-
чение x = 0 соответствует воде в момент насыщения.
    На рис. 1.27, г показано состояние, когда выкипает последняя капля воды, и цилиндр заполнен на-
сыщенным паром. Пар при температуре tн, не содержащий в себе влаги, называют сухим насыщенным.
Параметры такого пара отмечают двумя штрихами: v" , h" , s" . На диаграмме это состояние отражено точ-
кой d. Степень сухости сухого насыщенного пара x = 1,0.
    Если и дальше подводить тепло, то температура и объем пара будут увеличиваться. Такой пар, тем-
пература которого больше, чем температура насыщения при заданном давлении, называют перегретым.
На рис. 1.27, д показано состояние перегретого пара. На p–v диаграмме ему соответствует точка е. По
мере подвода тепла увеличивается степень перегрева ∆t = t – tн, и объем пара, и точка е перемещается
вправо.
    Если повторить описанный опыт при более высоком давлении, то в результате сжимаемости жидко-
сти и пара точки а, b и d сместятся влево. Смещение точки b определяется двумя факторами: из-за сжи-
маемости воды она сместилась бы влево, но одновременно из-за повышения давления возрастает и тем-
пература насыщения, а значит и увеличивается тепловое расширение жидкости. В результате суммар-
ный эффект сводится к смещению точки b вправо. Если повторять опыт при более низком давлении, то
эффекты поменяют знак.
    Объединяя точки a, b и d однофазных состояний, на p–v диаграмме получим пограничные кривые,
разделяющие отдельные зоны фазовых состояний. Левее линии точек а находится область равновесного
существования воды и льда. Между линиями точек а и b находится область состояний жидкости. Об-
ласть между верхней и нижней пограничными кривыми (так называют линии точек b и d) соответствует
состояниям влажного пара, а область праве линии x = 1 – состояниям перегретого пара.


    Опыты обнаруживают, что при некотором достаточно высоком давлении (его называют критиче-
ским) свойства воды и пара становятся одинаковыми, исчезают физические различия между жидким и
газообразным состояниями вещества. Такое состояние называют критическим состоянием вещества (см.
точку k на рис. 1.28). Если через точку k проведем критическую изобару и критическую изотерму, то на
p–v диаграмме выделяются еще две области: область сверхкритических состояний воды (область I) и
область сверхкритических состояний перегретого пара (область II) . Переход от жидкости к перегретому
пару при p > pкр сопровождается скачкообразным изменением свойств вещества без образования двух-
фазных смесей. При этом когда Т достигает величины Tкр, возникает критическое состояние, а при
дальнейшем нагреве – перегретый пар сверхкритических параметров. Такие переходы называют фазо-
выми переходами второго рода. Приобретая все большее практическое значение, эти переходы еще
ждут своих внимательных исследователей.

                            1.3.4 Определение параметров воды и пара

    остояние воды и пара описываются стандартным уравнением состояния реальных газов
С
                                                       ,
                                                    pv = zRT
но для повышения точности все состояния разделены на ряд областей и для каждой такой области, ис-
пользуя опытные данные о сжимаемости, находят свои полиномы с вириальными коэффициентами. Как
уже отмечалось, использовать такое уравнение для практических расчетов неудобно из-за большой
сложности (даже при наличии ЭВМ). Поэтому на его основе рассчитаны и издаются специальные таб-
лицы [10], в которых вместе с данными о соотношениях между параметрами p, v и Т приводятся значе-
ния энтальпии h и энтропии s для этих состояний. Для расчета этих величин привлекаются эксперимен-
тальные сведения о теплоемкостях воды и пара, теплоте парообразования r.
    Количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму жидкости, чтобы нагреть ее
от 0 °С до температуры t, называют теплотой жидкости. Из-за малой сжимаемости воды теплота жидко-
сти практически равна ее энтальпии

                                            q ж = h = c pm ж t0 t.


Состоянию насыщения соответствует наибольшая теплота жидкости

                                           q ж = h′ = c pm ж t0 t н .


    Энтальпия сухого насыщенного пара превышает энтальпию h′ на величину теплоты парообразова-
ния r

                                                   h" = h'+ r.

     Энтальпию перегретого пара находят с помощью численного интегрирования по формуле
                                                         t
                                                h = h"+ ∫ c p dt.
                                                         t’



    Энтропию воды и перегретого пара рассчитывают, также прибегая к численному вычислению инте-
гралов

                                            T                 p
                                                   dT      ∂v 
                                        s = ∫ cp      − ∫      dp,
                                           T0
                                                   T    p 
                                                            ∂T  p
                                                              0



где значение частной производной находят с помощью уравнения состояния pv = zRT. Изменение эн-
тропии за процесс парообразования будет ∆s = r/Tн. Значит величины s′ и s′′ связаны между собой соот-
ношением
                                           s′′ = s′ + r/Tн.


     Параметры влажного пара рассчитывают, используя свойство аддитивности. Например,


                                       hx = hв + hп = (1 – x) h′ + xh′′.


Аналогично записываем и для других параметров:



                                vx = (1 – x) v′ + xv′′,    sx = (1 – x) s′ + xs′′.




    Величины v′, v′′, h′, h′′, s′ и s′′ приводят в таблицах насыщенных состояний (таблицы насыщения),
которые строятся или по аргументу pн, или по аргументу tн. Для примера приводится небольшой фраг-
мент такой таблицы (см. табл. 1).
                 1 Параметры воды и пара на линии насыщения (по давлениям)


pн,           v′ ⋅
                              r,                   s′′,
          tн, 103, v′′,  h′,       h′′,
                    3                   s′, кДж/
МП                 м /к кДж/ кДж/ кДж/            кДж/
          °С м3/к                        (кг⋅К)
 а                  г    кг   кг   кг            (кг⋅К)
               г
0,10 99,6 104 1,69 417,5 2674 2257            1,3026       7,3579
                6
0,12 105 104 1,43 439,3 2683 2243             1,3610       7,3972
               0
0,16 113 105 1,09 475,4 2696 2220             1,4550       7,2017
               2

    Параметры воды и перегретого пара приводятся в таблицах с двумя аргументами р и t. В соответст-
вие этим величинам приводятся значения v, h и s. Таблица 2 иллюстрирует фрагмент такой таблицы со-
стояний.
                                2 Параметры перегретого пара

            t, °C
                     220      240          260             280
 p, MПа
             v      0,3688   0,3855      0,4019           0,4181
    0,6      h       2891     2933        2975             3017
             s       7,051    7,135       7,215            7,292
             v      0,2739   0,2867      0,2993           0,3118
    0,8      h       2883     2926        2969             3011
             s       6,905   6,9091       7,073            7,151
             v      0,2169   0,2274      0,2377           0,2478
    1,0      h       2874     2918        2962             3005
             s       6,788    6,877       6,961            7,040

                                    1.3.5 Диаграмма h–s воды и пара

    тобы упростить и облегчить решение многих практических                   задач, немецким теплофизиком Мо-
Ч


лье в начале нашего века (1904 г.) была предложена специальная диаграмма, на которой в координатах
h–s графически отображаются сведения, приводимые в таблицах состояний.
     Упрощенный вид такой диаграммы приведен на рис. 1.29. Если в координатах h–s по значениям h′ и
s′, h′′ и s′′, взятым из таблицы насыщения, нанести соответствующие точки и объединить их плавными
кривыми, получим две линии, которые называют соответственно верхней (при x = 1) и нижней (при x =
0) пограничными кривыми. Как и на p–v диаграмме, область, заключенная между этими кривыми – это
область влажного пара. Область, лежащая выше линии x = 1, соответствует перегретому пару. Область
воды стягивается практически в линию               x = 0, поскольку вода практически несжимаема.
                                                    Если в таблице перегретого пара выбрать некоторую тем-
                     p + ∆p p p – ∆p            пературу t и для нее по значениям h и s при разных р нанести на
          h
                v – ∆v v v+                     диаграмму соответствующие точки, то, объединяя их, мы полу-
                           ∆v        t + ∆t
                                                чим изображение изотермы. Совершенно аналогично можно
                                        t
                                                нанести и другие изотермы, получив в результате сетку изо-
                                     t – ∆t
                                                терм. На рис. 1.29 ради упрощения приведены лишь три изо-
                                      х = 1,0   термы: при температуре t, при t + ∆t и t − ∆t .
          k•                          х = 0,9
                                      х = 0,8
                                                    Если выбрать некоторое давление р и по табличным значе-
                                                ниям h и s при разных t нанести соответствующие точки и объ-
            x=0                                 единить их, то получим изображение изобары. Изображая изо-
                                            s s
                                                бары для различных значений р, получим на h–s диаграмме
другую сетку – сетку изобар (на рис. 1.29 их изображено только три). Таким же способом наносится и
сетка изохор, хотя это и требует более кропотливой работы с таблицей состояний.
     Все изолинии строятся и в области влажного пара, для чего сначала рассчитывают величины hx и sx при
фиксированном давлении pн или температуре tн и различных значениях x. Поскольку величины pн и tн одно-
значно связаны между собой, то изобары и изотермы в области влажного пара совпадают. В этой области
наносится еще одна сетка – сетка линий равной сухости (линий, на которых степень сухости x одна и та же).
     Чтобы выявить характер основных кривых, из первого закона термодинамики
                                                 dh = Tds + vdp


выразим значение производной dh / ds и проанализируем ее величину:


                                                                    dh / ds = T + vdp / ds.             (1.31)

   В процессах при p = const производная dp / ds равна нулю и тогда угловой коэффициент, выражае-
мый производной (∂h / ∂s ) p , будет

                                                                        (∂h / ∂s ) p = T .              (1.32)

Таким образом, в области перегретою пара изобара – это кривая, имеющая выпуклость вправо, ибо
только тогда по мере роста Т будет расти и величина производной (∂h / ∂s ) p . В области влажного пара
T = Tн и угловой коэффициент изобары (или изотермы) есть постоянная величина (∂h / ∂s ) p = Tн . Это гово-
рит о том, что в области влажного пара изотермы-изобары представляют собою прямые линии, которые
проходят тем круче, чем больше Tн (или pн). При T = Tкр значение производной (∂h / ∂s ) p не равно нулю, а
равно Tкр . Значит на h–s диаграмме точка k не лежит на максимуме.
    В процессах при v = const формула (1.31) принимает вид

                                               ∂h       ∂p 
                                                = T + v  .
                                               ∂s  v    ∂s  v

Заменим здесь частную производную (∂p / ∂s) v с помощью дифференциального соотношения производ-
ной – (∂T / ∂v) s , тогда
                                               ∂h       ∂T 
                                                = T − v     .
                                               ∂s  v    ∂v  s


   Адиабатное расширение любого газа всегда сопровождается уменьшением внутренней энергии и
температуры, т.е. всегда (∂T / ∂v) s < 0. Значит (∂h / ∂s) v > T , или, учитывая (1.32)
                                                   ∂h   ∂h 
                                                    >  .
                                                   ∂s  v  ∂s  p
    Мы показали, что изохора на h–s диаграмме всегда проходит круче, чем изобара и это облегчает
распознавание этих изолиний на h–s диаграмме.
   Наличие сеток и надписей на изолиниях позволяет достаточно просто по любым двум заданным пара-
   метрам определить точку на диаграмме (как точку пересечения соответствующих изолиний), а следо-
   вательно и найти остальные параметры этого состояния. Применение достаточно подробных и круп-
   номасштабных диаграмм гарантирует высокую точность определения параметров. Как правило, ниж-
   няя часть, соответствующая очень влажному пару, на таких диаграммах не приводится.

                             1.3.6 Уравнение Клапейрона-Клаузиуса

                                                                Побеждать природу можно только повинуясь ей
                                                                                                 Ч. Дарвин

                                                 У
равнение Клапейрона-Клаузиуса устанавливает связь между температурой и теплотой фазового перехо-
да. Получим его для перехода жидкость-пар. Для этого рассмотрим элементарно малый цикл Карно, в
котором подвод и отвод тепла осуществляется в результате ки-
       p                        пения воды и конденсации насыщенного пара. Ниже на рис. 1.30 при-
                                ведено изображение такого цикла на p–v диаграмме воды и пара. В
                 k
         x = 0 dq               процессе 1–2 подводится тепло q1 = r .   С достаточной точностью
           1     1 2
                      dp        работа за цикл определится произведением
            4   dq2 3    x=1
                                                                         lц = Fц = dpн (v"−v' )
                            v
      Рис. 1.30 Элементарно (при этом считаем, что заштрихованные фигуры равны; это очень
        малый цикл Карно       близко к действительности, когда речь идет об очень малой величине
разницы давлений dpн). Величину термического КПД можно рассчитать как для любого цикла по фор-
муле

                                                     lц dpн (v"−v' )
                                              ηt =      =            .
                                                     q1      r


    С другой стороны, эту же величину рассчитаем, как для цикла Карно через температуры подвода и
отвода тепла, заменяя для элементарно малого цикла разницу T2 – T1 элементарно малой величиной dTн:

                                     ηt = 1 − T2 / T1 = (T1 − T2 ) / T1 = dTн / Tн .

Приравнивая правые части полученных формул для ηt , находим
                                  dTн dpн (v"−v' )                                dpн
                                     =                  или r = Tн (v"−v' )           .
                                  Tн       r                                      dTн
    Уравнение Клапейрона-Клаузиуса в аналогичном виде можно получить и для других фазовых пере-
ходов (плавление, сублимация). Обычно оно служит для проверки достоверности, "увязки" полученных
опытных данных. При высоких давлениях с помощью этого уравнения рассчитывают величину v" , по-
скольку опытное ее определение в этом случае затруднительно.

                                1.3.7 Расчет процессов с водой и паром

  режде чем рассчитывать характеристики таких процессов, необходимо с помощью таблиц или h–s
П диаграммы определить агрегатные состояния и все параметры начала и конца процесса:


                              p1 = ..., t1 = ..., v1 = ..., h1 = ..., s1 = ...,

                              p2 = ..., t2 = ..., v2 = ..., h2 = ..., s2 = ....                                                   p


    Если в начале или в конце процесса пар влажный, то следует определить, если                                                              k
                                                                                                                                             •
это не задано, величину x1 или x2 .                                                                                                         •
                                                                                                                                            1
                                                                                                                                                       2
                                                                                                                                                           •
                                                                                                                                       4
                                                                                                                                       •              •3

    На рис. 1.31 приведено изображение различных изобарных процессов на p–v и h–                                                           x=0
                                                                                                                                                               x=
s диаграммах. Работу за процесс находим интегрированием:
                                           2           v2
                                     l p = ∫ pdv = p ∫ = p (v2 − v1 ).
                                           1           v1
                                                                                                                         Р            1 31 И б
Тепло за процесс равно разнице энтальпий qp = h2 – h1. Чтобы определить изменение внутренней энер-
гии ∆u за процесс, запишем сначала соотношение u = h – pv, которое непосредственно следует из опре-
деления энтальпии h = u + pv. Тогда

                              ∆u = u2 − u1 = (h2 − p2 v2 ) − (h1 − p1v1 ) = (h2 − h1 ) − ( p2 v2 − p1v1 ).

    Подчеркнем, что полученная формула справедлива для любого процесса с водой и паром.
    На рис. 1.32 приведено изображение изохорного процесса на p–v и h–s диаграммах. В таком процес-
се работа lv не совершается. В соответствии с первым законом термодинамики будем иметь qv = ∆u , где
величину ∆u и можно рассчитать по приведенной выше формуле.


                                                                                                                              p
       p                             h
                                                                              1                   На     рис.1.33                           k
                                                                                  •           изображены типич-                             •    •2
        p      k                     h
            3 •                                         • 1                       х = 1,0     ные    изотермиче-
            • 2•          1
                                      k•
                                                      •2                                      ские процессы, где
                         •                                                                                                             x=0
                 4                   3•          •                                                                                               •1        x=1
               k•
               • •1
                                                  4                                           тепло за процесс
             х=0                                                              х = 1,0
                         х = 1,0     k •х = 0                                                 определяют интег-
                              v                         •2                                    рированием      из-
                                                                                          s
             х=0
       Рис. 1.33       • х = 1,0
                   Изотермические 0
                     2           х = процессы                 на p–v и h–s диа-               вестного выражения для q
                              v                                                                              2
                                                                                      s
                                                                                                       qT = ∫ Tds = T1,2 ( s2 − s1 ) .
                                                                                                             1
        Рис 1 34 Адиабатный процесс на p–v и h–s диаграм- Величину ∆u рассчитывают по приве-
денной ранее формуле, а работу за процесс находят затем, используя уравнение первого закона термо-
динамики
                                              lT = qT − ∆u .
     Адиабатный процесс изображен на рис. 1.34. В таком процессе внешний теплообмен отсутствует,
т.е. q = 0, поэтому работу за процесс находят по формуле ls = −∆u , которая вытекает из первого закона
термодинамики с учетом особенностей этого процесса. В первом приближении адиабатный процесс с
водяным паром можно рассчитывать так же, как рассчитывают его для идеального газа. Значение пока-
зателя адиабаты в этом случае для перегретого пара принимают равным 1,31, а для влажного пара (при x
> 0,8) – равным 1,13.
                          1.4 ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗОВОГО ПОТОКА

                                                Спустил седой Эол Борея
                                                С цепей чугунных из пещер
                                                                                                                             Г. Р. Державин

                        1.4.1 Первый закон термодинамики для потока газа


                                                В
о многих технических устройствах преобразования энергии осуществляются в движущемся газе при те-
чении его в открытой системе. Полученные ранее основные выводы и заключения справедливы и для
таких случаев, но специальное рассмотрение с учетом всех особенностей явления позволяет выявить
взаимосвязь между параметрами газа, характеристиками процесса и скоростью течения газа.
    Рассмотрим течение газа в канале произвольной формы (см. рис. 1.35), внутри которого имеется не-
кое механическое устройство У, способное совершать (турбина, lу > 0) или подводить (компрессор, lу < 0)
механическую энергию к газу. Будем рассматривать установившиеся режимы течения, при которых
массовый расход М в любом сечении канала одинаков и не меняется со временем
                                            M = wi Fi pi = wi Fi / vi = const ,
где wi , vi , Fi – скорость, удельный объем газа, площадь сечения в любом конкретном месте рассматри-
ваемом канала. Сечениями А–А и В–В выделим мысленно один килограмм газа, как бы превращая от-
крытую систему в некоторую закрытую, перемещающуюся в пространстве по направлению движения
газа и изменяющую при этом свое состояние из-за изменения объема системы и в результате внешнего
теплообмена.
    Пусть за время ∆τ выделенный объем газа переместится так, что сечения А–А и В–В переместятся
на x1 и x2 соответственно, а центр масс газа переместится на величину ∆H. Для выделенного газа, как и
для любой термодинамической системы, можно записать известное выражение первом закона термоди-
намики
                                                                 du = dq − dl .                 (1.33)
Здесь dq и dl – это сложные суммарные эффекты, содержащие ряд составляющих. Теплота dq склады-
вается из внешнего теплообмена и выделения тепла в результате преодоления внутреннего трения:
                                                    dq = dqвн + dq тр .
    Работа dl складывается из работы, затрачиваемой на перемещение (проталкивание) выделенного
объема вдоль по каналу, на изменение (в нашем примере – на увеличение) потенциальной и кинетиче-
ской энергии газа, на преодоление внутреннего трения и на совершение (будем рассматривать этот слу-
чай) механической работы на механическом устройстве dlу:

                                           dl = dlпрот + dlп + dlк + dl тр + dl у .


    Величину dlпрот определим как сумму работ, совершаемых при перемещении сечений А–А и В–В,
учитывая при этом принятое нами правило: считать работу положительной тогда, когда направление
действия силы и направление перемещения совпадают, и отрицательной, когда они противоположны
(как для сечения А–А):

                            lпрот = l AA + l BB = − p1F1 x1 + p2 F2 x2 = p2 v2 − p1v1 = pv 1 .
                                                                                           2



    Для элементарно малого процесса, следовательно, можно записать

                                                      dlпрот = d ( pv),
поскольку интегрирование такого выражения приводит к предыдущей формуле.
    Составляющие dlк и dlп определяются величинами изменений соответствующих видов энергии
                                      dlк = dEк = d (mw2 / 2) = d (1w2 / 2) = wdw,

                                      dlп = dEп = d (mgH ) = d (1gH ) = gdH .
    Подставим теперь в формулу (1.33) значения полученных выше составляющих dq и dl :

                                 du = dqвн + dqтр − d ( pv ) − gdH − wdw − dlтр − dl у .


   Поскольку работа трения практически полностью трансформируется в тепло ( dqтр ≈ dlтр ), то слагае-
мые dqтр и dlтр взаимно уничтожаются, и, после переноса величины d ( pv) в левую часть, можно запи-
сать
                                         du + d ( pv) = dqвн − gdH − wdw − dl у


или
                                                      d (u + pv ) = dqвн − gdH − wdw − dl у
и окончательно, учитывая, что u + pv = h ,
                                                         dh = dqвн − wdw − gdH − dl у .
    Мы получили выражение первого закона термодинамики в тепловой форме, которое широко ис-
пользуется для анализа течений.
    Величину dh можно определить и по другому, формулой (1.12),
                                                                dh = Tds + vdp,
где Tds = dq = dqвн + dq тр . Тогда полученное выше уравнение первого закона для потока газа можно пере-
писать так:

                                                  dqвн + dq тр + vdp = dqвн − wdw − gdH − dl у
                                             или, заменяя dqтр на dl тр ,
         h
                                                                            vdp = − wdw − gdH − dl тр − dl у .
                      p1   p2
                  1
                                                 Нами получено выражение первого закона термодинамики для потока
                                2др
                                             газа в механической форме, которое часто называют уравнением Бернул-
              4                              ли.
                           2д         ∆hтр
                                                 Для горизонтальных каналов ( dH = 0 ), при отсутствии трения (dlтр = 0)
              3       2
                                             и механических устройств (dlу = 0) получаем
                                       s
                                                                            vdp = − wdw ,

     Рис. 1.37 Процессы
     течения на h–s диа- откуда интегрированием находим известную формулу Бернулли для не-
сжимаемой жидкости (при v = const )
                                      v ( p2 − p1 ) = w2 / 2 .
                       2
      Величину – ∫ vdp называют располагаемой работой потока, поскольку именно такое количество ме-
                       1
ханической работы можно получить на выходе из канала, если направить поток в соответствующее тех-
ническое устройство (турбину), где энергия потока трансформируется в работу на валу машины. На p–v
диаграмме располагаемая работа определяется площадью, расположенной слева от кривой, изобра-
жающей процесс истечения (см. рис. 1.36).

                                                 1.4.2 Анализ адиабатных течений

                                                                                       Над важным думать – никогда не лишне
                                                                                                                       Гете

                                                  В
 абсолютном большинстве практических случаев количество тепла, которое получает (или отдает) один
килограмм газа при протекании через канал в результате внешнего теплообмена несоизмеримо меньше
энтальпии газа. Поэтому величиной dqвн почти всегда можно пренебрегать. Как правило, пренебрегают и
изменением потенциальной энергии из-за относительной малости этой величины. Во многих случаях, когда
канал имеет простую геометрическую форму, хорошо обработанные, гладкие поверхности, можно пренеб-
регать и работой трения. В этом случае формулы первого закона термодинамики значительно упрощаются:

                                                                                  dh = − wdw     и vdp = − wdw.       (1.34)

Из формул видно, что с разгоном потока ( dw > 0 ) давление газа в нем уменьшается ( dp < 0 ), уменьшается
его энтальпия ( dh < 0 ), и поскольку для идеального газа dh = cpdT, уменьшается и его температура.
С учетом критерия устойчивости ( (∂p / ∂v) s < 0 ), запишем что при этом dv > 0. При торможении газа (dw <
0) все эффекты меняют знак:

                                                       dp > 0, dh > 0, dT > 0 , dv < 0.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика