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.
        Процессы течения на h–s координатах изображаются отрезками адиабат (см. рис. 1.37). Разгон газа
сопровождается уменьшением энтальпии, следовательно, это процесс, направленный по вертикали
вниз; процесс торможения наоборот, направлен снизу вверх, поскольку энтальпия газа растет.
    При наличии трения энергия потока расходуется и на разгон газа, и на преодоление трения. Форму-
лы первого закона для этого случая:
                                 dh = wdw – dlтр и vdp = wdw – dlтр.

Понятно, что из-за трения действительная скорость газа wд будет меньше, чем теоретическая wт (без
учета трения). Величину ϕ = wд / wт называют коэффициентом скорости. Она характеризует степень ка-
чества канала, уровень потерь на трение в нем.
    Ссылаясь на предыдущие формулы, величины dh и dp можно представить двумя слагаемыми

                           dh = dhдвиж + dhтр   и dp = ( −wdw − dlтр ) / v = dpобр + dpнеобр

и говорить, что располагаемый теплоперепад hр = h1 − h2 расходуется частично на разгон газа, и частично
– на преодоление трения, причем dhтр = dq тр . Величину hд = hр − ∆hтр называют действительным теплопе-
репадом hд = h1 − h2 д . Аналогично заключаем, что располагаемый перепад давлений dp включает перепад
обратимого процесса и перепад, необходимый для преодоления трения dpнеобр. При наличии трения за
счет dqтр увеличивается энтропия газа, поэтому процесс такого течения, если его изобразить условно,
будет отклоняться вправо от вертикали (см. процесс 1–2д). Отклонение будет тем больше, чем больше
qтр.       В предельном случае, когда канал имеет очень большое гидравлическое сопротивление, весь
располагаемый теплоперепад расходуется на преодоление трения и разгона газа не происходит. В этом
случае говорят о дросселировании (процесс 1–2др).
     На p–v диаграмме изобразим сначала предельные случаи течения (см. рис. 1.38). Поток без трения
изобразится как обычная адиабата. Для идеального газа при дросселировании можем записать

                                                    dh = c p dT = 0,
откуда следует dT = 0 и T = const . Значит другой предельный случай – дросселирование – изобразится в
виде изотермы. Все промежуточные процессы с трением будут лежать между этими кривыми и их мож-
но принимать за политропные процессы с 1 < n < k .
    Приравнивая левые части упрощенных уравнений первого закона термодинамики для потока (фор-
мулы (1.34)), поскольку равны их правые части, можем записать
                                                        vdp = dh.
Если проинтегрировать эту формулу, учитывая, что
                                          2                     2

                                          ∫ vdp = −lрас    и    ∫ dh = h2 − h1,
                                          1                     1
то получим
                                    −lрас = h2 − h1     или lрас = h1 − h2 = hр .

    При течении без трения s1 = s2 и тогда изменение эксергии газа при течении в канале определится
такой же разницей энтальпий


                                  ∆e = e2 − e1 = (h2 − T0 s2 ) − (h1 − T0 s1 ) = h2 − h1.



    Сопоставление двух предыдущих формул позволяет записать следующее важное соотношение,
справедливое для обратимых процессов течения,
                                                 lрас = −∆e = e1 − e2 .


Оно означает, что в процессах адиабатного расширения без трения (при разгоне потока) вся распола-
гаемая работа получается за счет уменьшения эксергии. В процессах торможения без трения (при рабо-


те осевых компрессоров, например) вся затрачиваемая на разгон газа техническая работа идет на увели-
чение эксергии.
    При наличии трения потери работоспособности от необратимости определяются, как и в общем
случае, формулой

                                                           ∆l = T0 ∆sн ,

где для потока газа ∆sн = s2 − s1 . Тогда общие потери эксергии при течении с трением будут определяться
суммой

                                ∆e = ∆l = ∆lобр + ∆lнеобр = (h2 − h1 ) − T0 ( s2 − s1 ).


    Чтобы облегчить и упростить эксергический анализ процессов и аппаратов, пользуются специаль-
ной e–h диаграммой, на которой, как и на h–s диаграмме, нанесены сетки изобар, изотерм, изохор и линий
равной сухости. Такие диаграммы для отдельных индивидуальных веществ приводятся в специальной
технической литературе, например в [7].

                              1.4.3 Скорость истечения и расход газа

                                               П
роинтегрируем правую и левую части известного уравнения dh = − wdw . Тогда получим

                                                   h2             w1

                                                      ∫ dh = − ∫ wdw ,
                                                      h1          w2
откуда находим
                                                 w2                             2
                                                                               w2 w1 2
                                      h h1 = −
                                        h
                                          2            w2
                                                       w1 ,    h2 − h1 = −        +    ,
                                                 2                             2    2
                                                                            2
                                              w2 =          2 (h1 − h2 ) + w1 .


    Полученная формула особенно удобна для расчетов скорости истечения пара, когда величины h1 и
h2 определяются с помощью h–s диаграммы. Как правило, в большинстве технических устройств перво-
начальная скорость w1 настолько мала, что ею можно пренебрегать. Для идеального газа эту формулу
можно записать еще и так:
                                                 w2 =         2 c p (T1 − T2 ) .
    Чтобы определить зависимость скорости от параметров р и v газа, проинтегрируем другое уравне-
ние первого закона термодинамики для газового потока vdp = − wdw :
                                                                               2           w2
                                                                                                   1 2
                                                                               ∫ vdp = − ∫ wdw = − 2 (w2 − w1 ).
                                                                                                            2
                                                                                                                   (1.35)
                                                                               1         w1
   Подынтегральное выражение первого интеграла заменим, воспользовавшись уравнением адиабаты
pv = const . Прологарифмируем, а затем продифференцируем это уравнение, определяя тем самым связь
  k


между соответствующими частными дифференциалами
                                                                           ds p   dv
                                    lnp + k lnv = ln const;                     +k s =0,
                                                                            p      v
откуда
                                                      vd s p = − kpd s v
и значит для адиабатного процесса
                                                   2                   2

                                                  ∫ vdp = −k ∫ pdv
                                                   1                   1
или
                                                           l рас = klад .


    Мы обнаружили, что располагаемая работа lрас в k раз больше работы адиабатного расширения lад.
Разница между этими работами равна работе проталкивания, взятой с обратным знаком. Действительно,

                                                      lрас − lад = lад (k − 1) ,


где величину lд рассчитываем по формуле работы политропного процесса при n = k (см. стр. 32):
                                                                                                        1
                                                                                             lад =         ( p1v1 − p2 v2 ).   (1.36)
                                                                                                      k −1
Тогда
                                                            k −1
                                          l рас − lад =          ( p1v1 − p2 v2 ) = −lпрот
                                                            k −1

и значит l рас = lад − lпрот , а lпрот < 0 , поскольку на проталкивание газа работа всегда затрачивается.
    Вернемся однако к формуле (1.35), переписывая ее так:

                                             2    2                2            2
                                            w2 − w1
                                                    = − ∫ vdp = k ∫ pdv = k lад .
                                               2        1         1


Подставим теперь значение lад по формуле (1.36)

                                                  2    2
                                                 w2 − w1     k
                                                         =      ( p1v1 − p2 v2 ) ,
                                                    2      k −1
откуда находим
                                                              k                      2
                                             w2 =       2        ( p1v1 − p2 v2 ) + w1 .
                                                            k −1
    Обычно полученную формулу преобразуют следующим образом
                                                                                                            1
                                    k         p v      2                        k            p2   p2  k  2
                         w2 =   2      p1v11 − 2 2  + w1 =
                                                                             2      p1v1 1 −      + w1
                                  k −1         p1 v1 
                                                                               k −1            p  p 
                                                                                            1  1  
                                                                                                              
и окончательно
                                                                          k −1 
                                                        k         p2  k       2
                                         w2 =       2      p1v1 1 −    + w1 .
                                                                      p 
                                                      k −1
                                                                  1 
                                                                               
    Отметим, что перепад давлений p2 – p1 теоретически может меняться от нуля до бесконечности.
При этом отношение давлений p2 / p1 меняется в гораздо узких пределах 0 < p2 / p1 < 1,0 и наибольшему
перепаду соответствует p2 / p1 = 0. Тогда из полученной формулы видно, что теоретическая максималь-
ная скорость истечения (при бесконечно большом перепаде давлений) имеет конечное значение
                                                                               k
                                                     w2 max =            2        p1v1 .
                                                                             k −1
    Массовый расход газа определим по уравнению неразрывности, записав его для выходного сечения
канала M = F2 w2 / v2 . Из уравнения адиабаты pv k = const следует, что p1v1k = p2 v2 , откуда
                                                                                    k


                                                       v2 = v1 ( p1 / p2 )1 / k .

    Подставим теперь в формулу для М выражения параметров w2 и w1 и проведем несложные преобра-
зования:

                                                            1/ k                            k −1 
                                             1 p                         k         p2  k 
                                       M = F2  2                     2      p1v1 1 −    =
                                                                                        p 
                                             v1  p1                    k −1
                                                                                     1 
                                                                                                 
                                                                     2/ k
                                                                                             k +1 
                                                       k p1  p2                   p      k 
                                          = F2     2                              − 2        .
                                                     k − 1 v1  p1                 p 
                                                                                   1        
                                                                                                


     На рис. 1.39 полученные выше                A            зависимости w2 и М от величины
отношения p2 / p1 представлены графически,                    откуда     видно,   что     заметное
повышение скорости w2 имеет место только           p, T p+ dp при 0,7 < p2 / p1 < 1,0. Дальнейшее
                                              c
увеличение перепада давлений (это                       T+ dT приводит к уменьшению отношения
p2 / p1) все меньше увеличивает w2. Ниже                      будет показано, что левые части
кривых представят чисто теоретические           A     x       зависимости, которые не могут быть
получены на практике.
     Весь предыдущий анализ проведен Рис. 1.41 Канал нами без учета трения. При наличии
трения, как это было показано в предыдущем параграфе, на разгон потока расходуется только действи-
тельный теплоперепад hд = = h1 – h2д. Проинтегрируем выражение первого закона термодинамики для
потока газа в этих пределах:
                                                   wд            2д

                                                   ∫ wdw = − ∫ dh.
                                                   0              1
После интегрирования получаем
                                          w2 д =       2 (h1 − h2 д ) =   2 hд   .
    Затраты энергии на трение зависят от величины коэффициента скорости ϕ:
                                               h           w2            
                             ∆hтр = hр − hд = 1 - д  hр = 1 − 2 д         hр = (1 - ϕ 2 ) hр .
                                               hр          w2            
                                                              2т         

                   1.4.4 Скорость распространения колебаний давления в газе

   еренос энергии в пространстве возможен не только за счет передвижения массы газа, но и в резуль-
П тате колебаний давления, вызванных колебаниями микрообъемов газа относительно некоторых не-
подвижных (или движущихся) центров. Пусть, например, внутри равномерного канала (см. рис. 1.40)
расположена жесткая мембрана, совершающая колебательные движения. При резком перемещении ее
вправо около мембраны возникает зона уплотнения с повышенным давлением. Сжатый газ будет рас-
ширяться, сжимая при этом слои газа, расположенные правее (влево не дает мембрана). В результате
вправо от мембраны будет распространяться волна давления. Влево от мембраны при этом пойдет волна
разряжения. При постоянных колебаниях мембраны в канале возникнут волновые колебания давления,
которые будут переносить вдоль по каналу энергию Е.             В дальнейшем ограничимся рассмотре-
нием только плоских волн, у которых E/F = const. Именно такие волны характерны для газовых каналов.
    Скорость с распространения импульса давления вдоль канала найдем, анализируя процесс распро-
странения волны за время dτ, гораздо меньшее периода колебаний. В канале с плоской волной (см. рис.
1.41) выделим мысленно сечение А–А. За время dτ оно как бы переместится с газом на расстояние x. При
этом давление и температура получат соответствующие приращения dp и dT, а через выделенное сечение
пройдет dm килограмм газа:

                                   dm = d (c dτ F ρ) = c F ρ d (dτ) + c F dτ dρ .


    Величина d(dτ) – бесконечно малая второго порядка малости, и поэтому первым слагаемым приве-
денной формулы можно пренебрегать.
    Воспользуемся теперь известной теоремой механики о равенстве импульса силы количеству движения,
записывая ее для этих dm килограмм

                                  dm c = F dp dτ    или (c F dτ dρ) c = F dp dτ .
Отсюда находим
                                                    c 2 = dp / dρ .
    Из формулы видно, что скорость импульса давления зависит как от свойств и состояния газа dρ, так и
от формы и частоты импульсов dp.
    Наиболее простые условия возникают, когда колебания газа малы, ∆p << p. Такие колебания в тер-
модинамике называют звуковыми. Они распространяются практически без внутреннего трения, и по-
этому процесс распространения звуковых колебаний можно считать изоэнтропным. Тогда скорость рас-
пространения таких колебаний – скорость звука, а в газе – определится частной производной


                                                               ∂p 
                                                         a2 =   .
                                                               ∂ρ 
                                                               s
   Значение этой производной легко найдем, воспользовавшись уравнением адиабаты pvk = const и за-
меняя в нем v на 1/ρ: p ρ – k = const. Последовательное логарифмирование и дифференцирование этой
формулы позволяет получить

                                         ln p − k ln ρ = ln const   и dp / p = k dρ / ρ.

Отсюда (∂p / ∂ρ) s = kp / ρ = kpv и значит

                                                     a = kpv = kRT         .

    Из формулы видно, что скорость звука в газе зависит от вида и состояния газа, но не зависит от час-
тоты колебаний.
Естественно, что колебания давления могут возникать и в движущемся по каналу газе. При этом, если
волновые колебания распространяются по направлению движения газа, то скорость их равняется сумме
скоростей w + a (или w + c ). Если же колебания давления возникают в устье канала и распространяются в
направлении, противоположном движению потока, то распространяться они будут со скоростью a − w , и
чем выше скорость потока, тем больше импульс давления будет сноситься назад, тем с меньшей скоро-
стью будет распространяться он вверх по потоку.
    Сложная ситуация возникает, когда скорость потока возрастает до скорости звука. При этом всякая
информация о дальнейшем уменьшении давления p2 не может проникнуть в канал, а значит и как-то по-
влиять на скорость газа. Такой поток называют слепым, а течение – критическим. Соответственно отме-
чают и параметры газа pкр, vкр, Tкр, hкр, sкр, (не путать с параметрами критического состояния вещества!).
    В заключение сформулируем вывод: за счет перепада давлений в равномерных каналах газ можно
разогнать только до скорости звука, добиться сверхкритических скоростей невозможно.

                        1.4.5 Связь между скоростью импульса и скоростью звука

                                                                                Ищите и найдете; стучите и отворят вам
                                                                                                  Евангелие от Матфея

                                                 П
ри больших амплитудах колебаний давления (а следовательно и микрообъемов газа) в результате тре-
ния выделяется тепло, и это приводит к изменению параметров газа, а значит и скорости распростране-
ния импульсов.
    Чтобы установить связь между с и а, на основании уравнения состояния запишем
                                                    p = f ( s, v) = f ( s, ρ)

    Полный дифференциал такой функции будет


                                                                                dp = (∂p / ∂s ) ρ ds + (∂p / ∂ρ) s dρ .   (1.37)


    Производную (∂p/∂s)ρ заменим, воспользовавшись одним из дифференциальных соотношений, а так-
же используем следующие формулы:

                               ∂p     ∂p     ∂T         dq тр    ∂p                     dp
                                =   = −          ; ds =       ;   = a2 ;
                                                                       ∂ρ                        = c2 .
                               ∂s  ρ  ∂s  v  ∂v  s       T       s                      dρ


    Производную (∂T / ∂v) s найдем, записав уравнение адиабаты в другой форме Tvk – 1 = const, и после-
довательно логарифмируя и дифференцируя эту формулу


                                 ln T + (k − 1) ln v = ln const ; d sT / T + (k − 1) d s v / v = 0 .
Отсюда получаем
                                                  d sT  ∂T             T
                                                       =     = −(k − 1) .
                                                  d s v  ∂v  s         v
    Если теперь подставить приведенные выше выражения в формулу (1.37), то она принимает вид
                                                                             dqтр
                                                       c 2 = a 2 + (k − 1)          .
                                                                             v dρ
   Количество тепла, выделяющееся за счет трения всегда невелико и это не приводит к сколько-нибудь
   заметному изменению температуры газа. Поэтому процесс распространения колебаний давления
   можно считать одновременно и изотермическим. В этом случае для идеального газа первый закон
   термодинамики принимает вид
                                                            0 = dq тр − p dv ,
откуда следует (поскольку dqтр > 0 ), что при течении газа с трением dv > 0 . Но dv = d (1 / ρ) = −dρ / ρ2 , и зна-
чит при этом dρ < 0 . Отмечая, что все остальные члены полученной выше формулы для c2, а также вели-
чина ( k − 1 ), положительны, приходим к заключению, что c 2 < a 2 и c < a . При этом уменьшение с тем
больше, чем больше dq тр , и это полностью соответствует нашим физическим представлениям о влиянии
трения на скорость распространения импульсов.
       A, c                    При движении импульсов вдоль канала амплитуда колебаний А под
                           влиянием трения постепенно уменьшается (см. рис. 1.42), значит и умень-
                  с=a
                           шается величина dqтр. Следовательно, вдоль по каналу в направлении дви-
        c                  жения газа скорость импульсов с постепенно увеличивается и достигает
                  A
                           значения а, когда амплитуда колебаний становится очень малой и колеба-
                       l   ния становятся звуковыми. На рис. 1.42 показан качественный характер из-
                           менения величин А и с вдоль достаточно длинного канала при движении в
      Рис. 1.42 Измене- нем импульсов давления.
              ние
     А и с вдоль канала             1.4.6 Связь между скоростью газа и скоростью звука

                                               П
ри изменении скорости газа изменяются параметры его состояния, а значит изменяется и скорость звука
а. Непосредственную связь между w и a можно установить только для идеального газа, учитывая, что в
этом случае dh = cpdT. Запишем с учетом этого формулу первого закона термодинамики для потока и
проинтегрируем ее правую и левую части
                                                      t                w
                                                                                                      w2
                                c p dT = − wdw;       ∫ c p dT = −∫ wdw;         c pm (T − Tн ) = −
                                                                                                      2
                                                                                                         ,
                                                      T’               0

откуда
                                                                                              w2
                                                                                        T+         = Tн .    (1.38)
                                                                                             2c pm
                                                                                     2
Умножим обе части полученной формулы на величину kR и учтем, что kRT = a2 и kRTн = aн , где ан –
скорость звука в неподвижном газе.
    При неизменных параметрах неподвижного газа величина aн остается постоянной. Тогда формула
(1.38) принимает вид

                                                                   kR 2
                                                           a2 +               2
                                                                         w = aн .
                                                                  2 c pm


Преобразуем множитель при w2/2 следующим образом:

                                            =
                                                  (
                                        kR k c pm − cvm
                                                        =k
                                                           c pm    )
                                                                   c
                                                                − k vm = k − 1 .
                                       c pm     c pm       c pm    c pm
В результате предыдущая формула принимает вид


                                                                                         k −1 2
                                                                                  a2 +            2
                                                                                             w = aн .                        (1.39)
                                                                                          2
    Полученные формулы представляют собой количественные зависимости между параметрами T и a
и скоростью течения газа w в потоке. Температуру Tн называют еще температурой полного торможения
газа (при w = 0 T = Tн). Из формулы (1.38) следует, что при уменьшении скорости газа на величину
∆w = w1 − w2 (неполное торможение) температура газа увеличится на
                                          ∆T = (w1 − w2 ) 2c pm .
                                                 2    2


Теперь понятно, почему датчики для измерения температуры движущегося газа делают обтекаемой
формы. Такая форма существенно уменьшает торможение газа этим датчиком, и дополнительная по-
грешность ∆T от уменьшения скорости на ∆w получатся минимальной. Формула (1.39) показывает, что
с разгоном потока величина а уменьшается (и наоборот – при торможении растет). Это наглядно пред-
ставлено на рис. 1.43.
    По мере увеличения перепада давлений (уменьшения отношения p1 / p2 при постоянстве p1) растет
скорость потока w, а скорость звука а при этом уменьшается. При некотором значении отношения p2 / p1
= βкр эти величины становятся равными друг другу: wкр = aкр. Поток становится слепым, наступает кри-
зис течения и никаких изменений w, М и а при дальнейшем уменьшении p2 / p1 не происходит.
    Формула (1.39) позволяет определить критические параметры потока. Запишем ее для этого случая,
учитывая, что wкр = акр ,
                                                  2          k −1 2
                                                 aкр +                  2
                                                                 aкр = aн ,
                                                               2
откуда
                                                                              2
                                      2      k −1           aкр    2
                                                   = aн или      
                                                       2
                                     aкр 1 +
                                              2             a  = k +1 .
                                                              н 
Для идеального двухатомного газа k = 1,41 и тогда aкр = 0,915aн.
    Заменим в полученной формуле значения aкр и aн соответствующими выражениями
                                                     2
                                       kRTкр    
                                                 = 2 или Tкр = 2 .
                                       kRT        k +1   Tн k + 1
                                          н     
При k = 1,41 по полученной формуле находим Tкр = 0,834Tн.
    Воспользуемся связью между параметрами для адиабаты в следующей форме p1 / p2 = (T1 /T2)k/(k – 1) .
Для нашего случая получаем
                                                         k                           k
                                      pкр     Tкр    k −1     p
                                                            или кр = 
                                                                       2  k −1
                                            =
                                             T
                                                     
                                                                          .
                                      pн      н               pн  k + 1 
    При k = 1,41 получаем pкр = 0,528pн или βкр = 0,528. При течении водяного пара показатель адиабаты k
равен 1,31 для перегретого и 1,13 для влажного. В среднем принимают k = 1,29, и тогда βкр = pкр pн = 0,546 .

                            1.4.7 Влияние формы канала на скорость газа

                                                                                         Мы диалектику учили не по Гегелю...
                                                                                                          В. В. Маяковский

  ыше мы изучали, в основном, влияние перепада давлений ∆p =     = p1 – p2 на скорость потока и па-
Враметры газа в нем при течении в каналах с постоянным проходным сечением. Выявим теперь, как
будет влиять изменение сечения вдоль по каналу на эти же характеристики при неизменном перепаде
давлений p1 – p2. Ради упрощения влиянием трения будем пренебрегать, поэтому любые получаемые
ниже зависимости будут относиться к изоэнтропным процессам.
    Как уже отмечалось, для любого сечения канала при установившемся режиме течения справедливо
уравнение неразрывности
                                          M = wF ρ = const .
Приведем это уравнение к дифференциальной форме нашим излюбленным приемом (логарифмируя, а
затем дифференцируя его):

                                                         ln w + ln F + ln ρ = ln const или        dw w + dF F + dρ ρ = 0 .   (1.40)


   Уравнение первого закона термодинамики для потока газа v dp = w dw перепишем в виде
                                                                  w2 dw w + dp ρ = 0 .              (1.41)
Умножим теперь обе части формулы (1.40) на a 2 = (dp dρ)s = d s p / d s ρ :

                                              dw      dF dρ d s p
                                         a2      + a2    +        =0,
                                               w       F   ρ d sρ


и вычтем из полученного результата почленно формулу (1.41):

                                               w
                                                 (
                                              dw 2
                                                        )
                                                 a − w2 + a 2
                                                              dF
                                                               F
                                                                 = 0.

Отсюда выражаем
                                                                            dF      dF
                                                                   dw        F − F ,
                                                                      =−                            (1.42)
                                                                    w         w2 1 − Ma 2
                                                                           1− 2
                                                                              a
где Ma = w/a называют числом Маха-Маевского. Полученная формула позволяет проанализировать
влияние формы канала на изменение скорости газа.
    Равномерно суживающийся канал называют конфузором или суживающимся соплом (см. рис. 1.44).
У такого канала dF/F < 0, тогда при дозвуковых течениях (w < à, Ma < 1, (1 – Ma2) > 0) на основании
формулы (1.42) получаем dw/w > 0. Это означает, что поток разгоняется, при этом dT < 0, dp < 0, что и по-
казано графически на том же рисунке.
    Если начальная скорость газа w превышает скорость звука а, то течение в сопле будет сверхзвуко-
вым. При этом        w > a и (1 – Ma2) < 0. Тогда все выявленные нами эффекты меняют свой знак на про-
тивоположный (dw < 0, dp > 0, dT > 0, da > 0). Изменение характера течения при переходе через ско-
рость звука, характерное и для других каналов, называют принципом обращения воздействия.
       w1                     w2          Равномерно расширяющийся канал называют диффузором (см. рис.
           p1                p2    1.45). У диффузора dF/F > 0. Тогда при дозвуковом режиме, когда (1 –
                                   Ma2) > 0, из формулы (1.42) получаем, что dw/w < 0, т.е. в таком канале
                           a       при дозвуковом режиме происходит торможение газа. При этом давле-
                   T               ние газа возрастает (dp > 0), увеличиваются температура и скорость зву-
                           w
                                   ка, уменьшается удельный объем газа. При сверхзвуковых режимах, ко-
                 p
                               l
                                   гда w > a и (1 – Ma2) < 0, все эффекты изменяют знак, и в диффузоре
                                   будет происходить разгон потока. Значит в диффузоре при дозвуковых
                                   режимах располагаемая работа трансформируется в эксергию газа, при
                                   этом увеличиваются значения параметров состояния p и T. При сверх-
звуковых режимах эта работа затрачивается на разгон газа, и его эксергия, параметры p и Т уменьшают-
ся.
    Из формулы (1.42) следует, что при w = a величина dw/w стремится к бесконечности, и это не имеет
физического смысла. Физически допустимый результат тогда возможен только при dF/F = 0, поскольку
формула (1.42) дает при этом неопределенность.
                                         Последовательное соединение конфузора и диффузора называют со-
       w1                     w2  плом Лаваля в честь шведского инженера, предложившего в 1881 г. та-
                            p2
          p1                      кую конструкцию (см. рис. 1.46) . В минимальном сечении такого сопла
                                  dF/F = 0, и если перепад давлений p1 – p2 больше критического (p2 / p1 <
                T                 β кр ), то в критическом сечении скорость w достигает скорости звука а.
                     w
                                  Тогда диффузорная часть сопла работает при сверхкритических режи-
                            a
                 p                мах, и разгон потока продолжается. Соответствующим образом изменя-
                              l   ются параметры газа. Сопло Лаваля – это практически единственное
                                  техническое устройство, позволяющее разогнать поток пара или газа до
       Рис. 1.46 Течение га- сверхзвуковых скоростей. Оно широко используется в современных па-
ровых и газовых турбинах. Еще раз подчеркнем: сопло Лаваля дает эффект только при p2 / p1< βкр. В
противном случае диффузорная часть будет не разгонять, а тормозить поток. Подробная методика рас-
чета сопла Лаваля и особенности режимов его работы приведены в учебной литературе [4], [5], [6]
                     1.4.8 Дифференциальный и интегральный дроссель-эффекты


   Ранее мы отмечали, что при дросселировании dh = 0 и dw = 0. Из формулы первого закона термоди-
намики

                                             v dp = −w dw − dlтр .
Отмечая, dlтр > 0, приходим к заключению, что при дросселировании d h p < 0. На основании критерия
устойчивости ( ∂p / ∂v ) < 0, и значит при дросселировании dhv > 0. Изменение температуры газа при дрос-
селировании зависит от свойств и состояния газа. О величине этого изменения судят по значениям
дифференциального дроссель-эффекта αд. Так называют частную производную (∂T / ∂p) h
                                                 α д = (∂T ∂p )h .


    Если учитывать знак величины dhp, то понятно, что при положительной величине αд температура
газа уменьшается (dhT < 0), а если же αд < 0, то dhT > 0, т.е. температура газа растет. Изменение темпера-
туры газа при дросселировании объясняется двумя эффектами. При прохождении газа через дроссель-
ное сечение газ, теряя энергию на преодоление трения, подвергается практически адиабатному расши-
рению сразу же за этим дросселирующим сечением, поскольку там он попадает в среду с гораздо более
низким давлением. От этого температура газа уменьшается. С другой стороны, в процессе преодоления
дросселирующего сечения работа трения трансформируется в тепло и оно нагревает газ. Суммарный
эффект, как уже отмечалось выше, может приводить или к охлаждению, или к нагреванию газа. Воз-
можна и полная компенсация обоих эффектов, когда температура газа остается неизменной и αд = 0.
    Изменение температуры в процессе дросселирования газа от давления p1 до давления p2 называют
интегральным дроссель-эффектом

                                                p1
                                         ∆T =   ∫ α д dp = α д ( p2 − p1 ) .
                                                p2



   Чтобы определить зависимость αд от состояния и свойств газа, запишем первый закон термодина-
мики в такой форме


                                                dh = c dT + v dp.

Из формулы видно, что h является функцией двух переменных h = f (T, p). Полный дифференциал этой
функции будет

                                               ∂h        ∂h 
                                         dh =      dT +   dp .
                                                           ∂p 
                                               ∂T  p     T
    В процессах дросселирования dh = 0 и из приведенной формулы, если учесть, что (∂h ∂T ) p = c p полу-
чаем
                                                                                     ∂h 
                                                                                     
                                                                                     ∂p 
                                                                            d hT     T
                                                                       αд =      =−        .        (1.43)
                                                                            dh p       cp
Значение производной (∂h / ∂p)T найдем, записав формулу первого закона термодинамики через энтро-
пию

                                            dh = T ds + v dp.

    В процессах при T = const все дифференциалы станут частными, и из этой формулы находим
                                        dT h    d s        ∂s 
                                             = T T + v = T  + v .
                                                           ∂p 
                                        dT p    dT p       T


    Воспользуемся теперь одним из дифференциальных соотношений термодинамики, и заменим произ-
водную (∂s ∂p )T производной – (∂v ∂T )s . С учетом приведенных выше соотношений формула (1.43) прини-
мает вид

                                                      ∂v 
                                                    T     −v
                                                      ∂T  p
                                               αд =                                  .
                                                        cp



    Из формулы видно, что величина αд        p, МПа             действительно зависит от состояния
(T, v) и свойств газа (∂v/∂T)p и ср . В  40                     зависимо-сти      от     соотношения
                                            αд < 0      αд < 0
величин,    составляющих      числитель,                        величина αд может принимать
положительные или отрицательные 20                              значения, а при v = (∂v/∂T)p T получа-
ем αд = 0. Состояния, при которых αд,            αд > 0  αд = 0 меняя знак, принимает значение αд =
0, называют точкой инверсии. На р–t 0                           диаграмме такие точки дают линию
инверсии        (на рис. 1.47 приведена -200 -100 0 100 t, оС кривая инверсии для азота).
    Отметим, что при дросселировании                            идеального       газа       изменения
температуры не происходит. Записав pv = RT, находим v = RT/p и (∂v/∂T)p = R/p. Тогда


                                    α д = ( RT / p − v) / c p = (v − v) / c p = 0 .


Поэтому кривую инверсии называют еще линией идеальногазовых состояний.
     При дросселировании водяного пара интегральный дроссель-эффект легко находится с помощью h–
s диаграммы. Для этого по известным параметрам р1 и Т1 находят точку на диаграмме. Далее проводят
горизонталь (при дросселировании h = const) до пересечения с изобарой, соответствующей давлению
р2, определяя тем самым положение точки 2дp, что позволяет найти и температуру Т2. В результате
дросселирования эксергия пара уменьшается.

                             1.5 СМЕСИ И СМЕШИВАНИЕ ГАЗОВ

                                          1.5.1 Газовые смеси

                                                  В
качестве рабочего тела во многих случаях используются не чистые газы, а их механические смеси, та-
кие как воздух, продукты сгорания и др. В таких смесях химические реакции между составляющими
смесь газами отсутствуют, а каждый газ ведет себя так, как будто он один занимает весь объем сосуда:
молекулы его рассеиваются равномерно в пространстве и создают свое, его называют парциальным,
давление pi на стенки сосуда. Если смесь находится в равновесном состоянии, то температура всех газов
одинакова и равна температуре смеси Tсм. Масса смеси равна сумме масс компонентов; давление смеси
по закону Дальтона равно сумме парциальных давлений:


                                                     n                               n
                                         mсм = ∑ mi               ;       pсм = ∑ pi       .
                                                    i =1                            i =1




Здесь n – число компонент, составляющих смесь.
    Свойства смеси зависят от ее состава, который можно задавать различными способами. Наиболее
простой и удобный – это задание массового состава, т.е. для каждого газа задается его массовая доля в
смеси
                                                            n                 n
                                         g i = mi        ∑ mi         ;     ∑ g i = 1.
                                                           i =1              i =1



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика