Реальні робочі тіла - вода і водяна пара.
Коротка теоретична частина
Вода і водяний пар знайшли широке застосування в якостіробочих тіл у парових турбінах теплових машин, атомних установках і в якостітеплоносіїв у різного рада теплообмінних апаратах хіміко-технологічнихвиробництв.
Газоподібне тіло, співіснуюче з киплячою рідиноюназивається парою і значно відрізняється за своїм термодинамічних властивостяхвід властивостей ідеального газу.
пароутворення називається процес перетворення речовини зрідкого стану в пароподібний.
кипіння називається процес перетворення рідини, киплячій уусьому її обсязі, в пар при підводі до неї теплоти, а при відведенні від пара теплотивідбувається зворотний процес - конденсація.
Процеси кипіння і конденсації протікають при постійнійтемпературі і при незмінному тиску, тобто tКП = tн.
Пара, дотичної з рідиною, з якої він виходить іщо знаходиться з нею в термодинамічній рівновазі називається насиченим.
Сухий насичений пар - пар, який не містить в собі рідину.
Вологим парою називається механічна суміш, що складається зсухого пара і дрібних крапельок рідини і характеризується ступенем сухості -Х або ступенем вологості - (1 - Х).
перегрітою парою називається пара, отриманий з сухогонасиченої пари при підводі до нього при P = Constдеякої кількості теплоти і викликаного цим підвищенням його температури. Різницяміж температурами перегрітої пари - tП і сухої насиченої - tн називаєтьсяступенем перегріву.
До цих пір для реальних газів запропоновано багато рівняньстану. Проте всі вони відносяться тільки до обмеженої області станів. Длятехнічно важливих речовин, наприклад, для водяної пари розроблені доситьточні рівняння, за допомогою яких розраховано параметри та функції стану вширокій області температур та тисків і зведені в таблиці і на їх основі ці характеристикиграфічно представлені у вигляді діаграм в P - V, T - S і h - S координатах. Цідіаграми дають можливість наочно уявити процеси та їх енергетичніособливості.
Фазова P - Vдіаграма системи, що складається з рідини і пара, являє собою графікзалежності питомих обсягів киплячої води - v 'і сухої насиченої пари -v "від тиску (див. рис.1.1).
Рис. 1.1.
Графік залежності v '= f (P) представленийна ріс.8.1 кривої АК, яка називається нижньою прикордонної кривої або лінієюкиплячої рідини і характеризується ступенем сухості Х = 0.
Графік залежності v "= f (P) представленийна ріс.8.1 кривої ВК, яка називається верхньою прикордонної кривої або лінієюсухої насиченої пари і характеризується ступенем сухості Х = 1.
Обидві криві АК і ВК ділять P - V діаграму на три частини: ліворуч відлінії АК - область рідини; між лініями АК і КВ - двофазна система,складається з суміші киплячої води і сухої пари - область вологої парихарактеризується ступенем сухості 0
Процес пароутворення в області вологої пари, лінія CD,є одночасно Ізобаричний (P = Const) таізотермічним (T = Const).
Обидві криві АК і КВ зливаються в точці К, яка називаєтьсякритичною точкою і характеризується параметрами: РКР = 221,29 бар, tкр =374,15 В° C і Vкр = 0,00326 м3/кг.
У критичній точці зникає різниця між рідиною іпором, вище її існування речовини в двофазному стані неможливо.
Стан води та водяної пари аналогічним чином можебути представлено на T - S і h - S діаграмах (див. рис. 1.2).
T - S діаграма широко використовується при дослідженнітермодинамічних процесів і циклів, так як дозволяє бачити змінитемператури робочого тіла і знаходити кількість тепла в процесі. Недолікомданої діаграми є те, що при визначенні кількості теплоти доводитьсявимірювати відповідні площі.
Гідністю h - S діаграми є те, що технічнаробота і кількість тепла в процесах, зображуються відрізками ліній.
Вирішення завдань, пов'язаних із станом речовини, а також зтермодинамічними процесами в області насичених і перегрітих парів, можнавиробляти або за допомогою таблиць води і водяної пари (див. таблиці № 5 - № 7, №9 додатка), або за допомогою h - S діаграми. У цих завданнях звичайновизначаються: початкові і кінцеві параметри пари, зміни внутрішньоїенергії, ентальпії та ентропії, ступінь сухості, робота і кількість теплоти.
Згідно об'єднаному рівнянню першого і другого законівтермодинаміки:
(1.1)
Рис. 1.2.
У розрахунках станів речовини і процесів в області вологогопара за допомогою таблиць (див. таблицю № 4 додатку) використовуються формули виду:
(1.2)
Більш простим і наочним, але менш точним, єграфічний метод розрахунку процесів по h - S діаграмі, як в областінасичених, так і в області перегрітих парів (див. формулу (1.1)).
Процеси руху газу, що відбуваються в різнихтеплосилових установках, пов'язані з перетворенням енергії в газовому потоці.
Рівняння першого закону термодинаміки для газового потокупри відсутності сил тяжіння і сил тертя в газі прийме вид:
(1.3)
При адіабатні плині газу (Оґq = 0) рівняння (1.3) післяінтегрування буде:
(1.4)
З порівняння рівнянь (2.3) і (1.3) випливає, що дляоборотного процесу протягом газу:
(1.5)
(1.6)
Рівність (1.6) показує, що при русі робочого тілапо каналу знаки dw і dp протилежні. Якщо dP> 0,то газ стискається, а його швидкість буде зменшуватися dw <0 і пристрої, вяких такі процеси проходять, називаються дифузорами. Якщо dP <0, a dw> 0, то такі пристрої (канали) називаютьсясоплами.
З рівняння (1.4) за умови, що w1 <
(1.7)
Деякі якісні висновки можуть бути зроблені напідставі аналізу рівнянь масової витрати (1.8) і швидкості (1.7) пристаціонарному плині газу:
П‡ = Gv = Fw= Const. (1.8)
Так, для отримання максимальної витрати газу G, необхіднов рівняння (1.7) підставити значення розташовуваної роботи для ідеального газу ізнайти екстремум, в результаті чого виходить співвідношення, званекритичним і його значення залежить тільки від властивостей газу, і для двоатомнихгазів воно дорівнює:
(1.9)
Воно показує, що в звужується каналі тиск газу навиході не може бути менше, ніж P2 ≥ 0,53 P1, а зцього випливає, що швидкість газу буде критичною, рівної місцевої швидкостізвуку.
(1.10)
Швидкість потоку газу може бути більше швидкості звуку(Надзвуковою) за умови, що P2 <0,53 P1, якщо канал буде комбінований (Сопло Ловаліо),складається з суживающейся і розширюється частин.
У звуженої частини каналу потік газу рухається з дозвуковойшвидкістю, у вузькому перерізі швидкість дорівнює місцевої швидкості звуку і врозширюється частині вона стає надзвуковою.
Розрахунок процесу витікання пари виробляють, використовуючи h - S діаграму.
дроселювання (або мятіем) називається незворотний процеспри Оґq = 0, в якому тиск зменшується при проходженні газу череззвужується отвір, а корисної роботи не проводиться.
Рівняння процесу дроселювання виходить з рівняння (8.4)за умови w1 = w2, тоді
h1 = h2. (1.11)
У процесі дроселювання завжди dP<0, а dT <або> 0 що випливає з аналізурівняння для ефекту Джоуля - Томсона:
(1.12)
і це явище широко використовується в холодильній техніці.
Завдання для самостійного рішення.
Параметри і функції стану водяної пари.
Рішення задач за допомогою таблиць.
Задача № 1.1-1. Визначити масу 10 м3 вологого водяної парипри Р = 30 бар і Х = 0,5 і його ентальпію.
Задача № 1.1-2. Стан водяної пари заданно параметрами t= 180 В° C, v = 0, 1939 м3/кг. Визначити тиск,ентропію й ентальпію пари. Зобразити стан пара в P - V і T - Sкоординатах.
Задача № 1.1-3. Суміш води і пари укладена в обсязі V = 30л. Відома температура пари t = 180 В° C і маса води m= 0,08 кг. Визначити па...
