Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических

• Название: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
• Анкор: Учебное пособие по Теплотехнике
• Дата: 11.04.2023
• Размер: 6.53 Mb.
• Имя файла: УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07).doc
• Тип: Учебное пособие; #1054101
• страница: 5 из 13

ГЛАВА 5. СМЕСИ ГАЗОВ И ПАРОВ. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО

ВОЗДУХА
5.1. Основные характеристики газовых смесей
При работе различных теплотехнических аппаратов в качестве рабочего тела в большинстве случаев применяются смеси различных реальных газов и паров.

Под газовыми смесями понимают механические смеси газов и паров, химически между собой не взаимодействующих.

Примеры использования газовой смеси:

• 
  Воздух.
  
• 
  Продукты сгорания в котлоагрегатах на ТЭС.
  
• 
  Рабочая смесь паров топлива и воздуха в ДВС.
  
• 
  Отработавшие газы ракетных и реактивных двигателей.
  
• 
  Смесь пропана и бутана – топливо.
  
• 
  Смесь природных газов в химической промышленности.
  
• 
  Смесь кислорода и азота или гелия (в подводных исследованиях).
  

Для смеси идеальных газов справедливо уравнения состояния, причем оно выполняется для каждой компоненты смеси.

. . ………….…………………. .

. , – два независимых параметра смеси газов.

Таким образом, каждый из газов, входящих в смесь, ведет себя в объеме так, как если бы других газов в смеси не было, то есть распространяется по всему объему газа равномерно.

Давление P_i, которое развивает данная компонента смеси, называется парциальным.

ЗАКОН ДАЛЬТОНА: При отсутствии химического взаимодействия давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений компонент, составляющих смесь:


5.2. Определение параметров газовой смеси
Газовая смесь может задаваться массовыми долями:

;

и объемными долями:

; .

Все параметры газовой смеси находятся при известных массовых или объемных долях (таблица 5.1).

Таблица 5.1.

Расчётные формулы для определения параметров газовой смеси

Наименование параметра	Расчётная формула
Молекулярная масса	.
Газовая постоянная смеси	или .
Парциальное давление	.

Продолжение табл. 5.1.

Наименование параметра	Расчётная формула
Энтальпия смеси и её энтропия	.
Энтропия смеси	.
Внутренняя энергия смеси	.
Температура смеси	.
Массовая теплоёмкость смеси газов	.
Объёмная теплоёмкость смеси газов	.

5.3. Основные параметры влажного воздуха
Воздух, представляющий из себя смесь газов, является одним из наиболее распространенных рабочих тел.

Если в воздухе не содержится водяных паров, то его называют сухим воздухом. Однако, добиться условия, чтобы воздух стал абсолютно сухим, технически очень трудно.

В большинстве случаев воздух содержит большое количество водяных паров и является влажным воздухом.

Воздух, содержащий максимально возможное количество водяного пара, называется насыщенным воздухом, при этом водяной пар находится также в состоянии насыщения ( ), соответствующем данной температуре и давлению.

Влажный воздух в обычных условиях содержит перегретый пар, температура которого выше температуры насыщения ( ).

Давление содержащегося в воздухе пара может быть определено по закону Дальтона:

,

где – барометрическое давление;

– давление сухого воздуха.

Метрологическими характеристиками влажного воздуха служат его абсолютная и относительная влажность.

Абсолютная влажность – количество пара, содержащееся в 1 м³ воздуха (эквивалентна плотности пара при данном давлении), определяется из выражения

, кг/м³.

Отношение действительной абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности (свойственной насыщенному воздуху) называют относительной влажностью:

= (0 ÷100) %.

Для определения влажности воздуха используют психрометры и гигрометры.

В технических расчетах процессов с влажным воздухом используют параметр влагосодержание – количество водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

, кг/кг.

Влагосодержание можно определить по зависимости:

,

где .

Так как , то

.

Теплоемкость и энтальпия воздуха находятся по зависимостям, справедливым для газовых смесей:

; .

При .
5.4. H – d диаграмма влажного воздуха
Ряд практических задач в области кондиционирования, сушки материалов, вентиляции и отопления довольно просто решается с помощью H–d диаграммы (рис. 5.1). Для удобства пользователя H–d диаграмма построена в косоугольных координатах (ось Hнаправлена под углом 135 ^К оси d).

На диаграмме наносятся следующие основные линии:

• 
  Изотермы (по сухому термометру).
  
• 
  Линии постоянной относительной влажности .
  
• 
  Линии постоянной температуры мокрого термометра для определения параметров воздуха с помощью психрометра.
  
• 
  Нижняя линия % соответствует состоянию насыщенного воздуха.
  

Рис. 5.1. H – d диаграмма воздуха
Для определения парциального давления паров при нормальном барометрическом давлении используется линия .

Основные процессы с влажным воздухом:

• 
  А–В - процесс охлаждения воздуха, В – точка росы.
  
• 
  А–С - процесс нагрева воздуха.
  
• 
  В–Е - процесс конденсации паров в количестве .
  
• 
  В–F - процесс испарения воды в насыщенный воздух.
  
• 
  С–D - процесс сушки (фазовый переход воды в перегретый пар с материала в количестве с понижением температуры воздуха).
  

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Приведите примеры использования газовых смесей.
   
2. 
   Запишите закон Дальтона для газовой смеси.
   
3. 
   Дайте определение, что такое парциальное давление газа.
   
4. 
   Какими показателями задается состав газовой смеси?
   
5. 
   В чем заключается отличие влажного и сухого воздуха?
   
6. 
   В каком состоянии воздух называется насыщенным?
   
7. 
   Назовите метрологические параметры влажного воздуха.
   
8. 
   Назовите технические параметры влажного воздуха.
   
9. 
   В каких единицах измеряются относительная влажность воздуха и влагосодержание?
   
10. 
    Как определить энтальпию влажного воздуха?
    
11. 
    Как определить влагосодержание воздуха?
    
12. 
    Какие приборы используются для определения давления и влажности воздуха?
    
13. 
    Изобразите Н-d диаграмму влажного воздуха.
    
14. 
    Какие параметры воздуха можно найти по Н-d диаграмме?
    
15. 
    Назовите основные процессы, происходящие во влажном воздухе.
    
16. 
    Как изменяются параметры воздуха при его нагреве (покажите на Н-d диаграмме)?
    
17. 
    Как изменяются параметры воздуха при его охлаждении (покажите на Н-d диаграмме)?
    
18. 
    Как изменяются параметры воздуха при конденсации влаги (покажите на Н-d диаграмме)?
    
19. 
    Что такое точка росы, покажите ее на H-d диаграмме?
    
20. 
    Как изменяются параметры воздуха в процессе сушки (покажите на Н-d диаграмме)?
    

ГЛАВА 6. СЖАТИЕ ГАЗОВ И ПАРОВ
6.1. Исследование процессов сжатия в одноступенчатом компрессоре
Процессы сжатия рабочего тела широко распространены в тепловых машинах. На практике используются сжатые до высокого давления газы и пары различных веществ.

Примеры применения:

• 
  сжатый воздух – на производстве для привода машин и агрегатов различного назначения;
  
• 
  сжатые газы – в качестве топлива;
  
• 
  сжатый газ передается по газопроводам;
  
• 
  сжатие рабочего тела сопутствует работе ДВС и холодильных машин.
  

Устройства, предназначенные для сжатия газов и паров, называются компрессорами. В технике используют следующие виды компрессоров:

а) объёмного сжатия (поршневые, роторные);

б) кинетического сжатия (центробежные и осевые вентиляторы, турбокомпрессоры, эжекционные компрессоры).

Задачей термодинамического анализа процессов сжатия в компрессорах является определение работы, которую необходимо затратить для сжатия газа при заданных начальных и конечных параметрах рабочего тела.

Рассмотрим процесс сжатия на примере одноступенчатого поршневого компрессора (рис. 6.1, 6.2). Для упрощения термодинамического анализа введем допущения:

а) весь объем цилиндра компрессора – рабочий;

б) силы трения отсутствуют;

в) ;

г) .

Рис. 6.1. Схема одноступенчатого компрессора

Рис. 6.2. Процессы сжатия в компрессоре

При работе компрессора совершается следующая последовательность процессов:

• 
  – всасывание рабочего тела в цилиндр через впускной клапан;
  
• 
  – сжатие рабочего тела под поршнем от давления P₁ до P₂;
  
• 
  – нагнетание при постоянном давлении через выпускной клапан (к потребителю);
  
• 
  - условный процесс расширения рабочего тела при обратном ходе поршня.
  

Рассмотрим, какие работы совершаются при перемещение поршня в цилиндре компрессора.

В процессе : – работа заполнения цилиндра рабочим телом, совершаемая внешними силами за счет давления источника (окружающей среды). Эта работа в P–V диаграмме графически изображается площадью .

В процессе : – работа выталкивания сжатого газа, совершаемая поршнем и изображаемая площадью .

В процессе : – работа сжатия газа, совершаемая поршнем компрессора и равная площади .

Таким образом, если графически суммировать все рассмотренные работы на P–V диаграмме, то получим

.

По площади это – техническая работа ( ), то есть

, .
6.2. Определение параметров основных процессов сжатия
В качестве процесса сжатия ( ) может быть использован любой политропный процесс, кроме изохорного и изобарного. Основные процессы сжатия в P-V и T-S диаграммах представлены соответственно на рис. 6.3 - 6.4.

Рис. 6.3. Основные процессы сжатия в P-V диаграмме

Рис. 6.4. Основные процессы сжатия в T-S диаграмме

Используем для анализа процессов сжатия Первый закон термодинамики:

,

так как , то и, следовательно,

.

Из этого выражения можно сделать следующее выводы:

а) работа компрессора тем меньше, чем больше количество тепловой энергии отводится от рабочего тела в процессе сжатия рабочего тела;

б) работа компрессора отрицательна, так как она затрачивается внешними силами, эта работа является технической работой;

в) при адиабатном сжатии и вся работа компрессора затрачивается на увеличение энтальпии рабочего тела: ;

г) при изотермическом сжатие и вся работа компрессора должна быть превращена в тепловую энергию, отводимую от рабочего тела: .

Вычислим работу компрессора для различных процессов сжатия. В общем случае: .

1. Работа компрессора при изотермическом процессе сжатия ( ; ):

.

2. Работа компрессора при политропном процессе сжатия ( ; ):

.

3. 
   Работа компрессора при адиабатном процессе сжатия ( ; ):
   

.

Рассматривая эти зависимости, а также графические изображение работы компрессора в P–V диаграмме можно сделать вывод, что минимальная работа совершается компрессором при изотермическом сжатии, однако осуществить этот процесс в реальных компрессорах технически не возможно.

В качестве важных характеристик компрессоров используются величины:

• 
  – степень повышения давления рабочего тела;
  
• 
  – степень сжатия рабочего тела.
  

6.3. Действительная P–V диаграмма компрессора
На рис. 6.5 представлена действительная P-V диаграмма процессов в поршневом компрессоре. Действительная диаграмма процессов поршневого компрессора отличается от теоретической, так как она учитывает:

а) потерю давления при всасывании, затрачиваемую на открытие впускного клапана и преодоление сил трения ( );

б) потерю давления при выхлопе, затрачиваемую на открытие выпускного клапана и преодоление сил трения ( );

в) наличие в объеме цилиндра вредного пространства ;

г) наличие остаточного объема газа , который создается за счет расширения газа из вредного пространства

.

Таким образом, рабочий объем компрессора меньше полного объема V на величину

.

Рис. 6.5. Действительная P-V диаграмма процессов в поршневом компрессоре

Эффективность процесса сжатия может быть оценена объемным КПД:

= (0,3÷0,7).

Количество поступающего в компрессор газа в единицу времени называется производительностью компрессора ; кг/с.

Теоретическую мощность, затрачиваемую на привод компрессора можно определить:

, Вт.

С увеличением m объем возрастает и в предельном случае (см. рис. 6.6) и , то есть вся работа компрессора затрачивается на сжатие газа до вредного объема, при этом производительность компрессора . В одноступенчатом компрессоре трудно получить высокое давление газа.

Рис. 6.6. К определению предельного значения степени повышения давления

6.4. Процессы в многоступенчатом компрессоре
Многоступенчатые компрессоры применяются для получения сжатого газа высокого давления. На рис 6.7 представлена схема многоступенчатого поршневого компрессора.

Увеличение числа ступеней дает определенные преимущества:

а) повышает объемный КПД компрессора, так как снижается доля вредного объема в общем объеме сжимаемого газа;

б) уменьшается работа, затрачиваемая на привод компрессора;

в) многоступенчатая структура позволяет понизить конечную температуру газа за счет промежуточного охлаждения, что улучшает условия эксплуатации компрессора.

Рис. 6.7. Схема двухступенчатого поршневого компрессора
Промежуточное охлаждение рабочего тела в холодильнике позволяет приблизить процесс сжатия к оптимальному – изотермическому процессу. Полученная экономия работы компрессора будет тем больше, чем больше будет промежуточных ступеней в компрессоре (рис. 6.8 – 6.9).

Рис. 6.8. Многоступенчатое сжатие в P-V диаграмме

Рис. 6.9. Многоступенчатое сжатие в T-S диаграмме

Работа многоступенчатого компрессора определяется по зависимости

,

где z – количество ступеней;

- оптимальная промежуточная степень повышения давления.

С увеличением числа ступеней компрессора возрастает его сложность и удорожается изготовление, поэтому число ступеней ограничивается технико–экономической целесообразностью.

Процессы сжатия в реальных компрессорах характеризуются наличием внутренних потерь на трение, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается больше, чем техническая работа идеального компрессора.

Если процесс сжатия идет по адиабате (без охлаждения цилиндра), то эффективность работы компрессора оценивается адиабатным КПД:

Для сравнения совершенства конструкции компрессоров применяют изотермический КПД:

, .

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Какие виды компрессоров применяются для сжатия газов или паров?
   
2. 
   Назовите основные технические характеристики компрессоров.
   
3. 
   Приведите примеры использования сжатых газов и паров в технике.
   
4. 
   Какие термодинамические процессы можно использовать в качестве процессов сжатия?
   
5. 
   Как определить работу сжатия в P-V диаграмме?
   
6. 
   Докажите, что работа сжатия является технической работой.
   
7. 
   В каком идеальном процессе сжатия работа компрессора минимальна?
   
8. 
   В каком процессе сжатия работа на привод компрессора имеет максимальную величину?
   
9. 
   От чего зависит объемный КПД компрессора?
   
10. 
    Каким способом модно снизить затраты работы на привод компрессора?
    
11. 
    Изобразите основные процессы сжатия в P-V и T-S диаграммах?
    
12. 
    Как рассчитать мощность, затраченную на привод компрессора?
    
13. 
    Изобразите действительную диаграмму процессов в поршневом компрессоре.
    
14. 
    В каких случаях используются многоступенчатые компрессоры?
    
15. 
    Как зависит работа, необходимая на привод компрессора от количества ступеней сжатия?
    
16. 
    Назовите КПД, используемые для оценки эффективность работы компрессора?
    
17. 
    Какие преимущества имеют многоступенчатые компрессора?
    
18. 
    Какие виды компрессоров позволяют получить газ или пар высокого давления?
    
19. 
    Объясните принцип действия компрессора объемного сжатия.
    
20. 
    Объясните принцип действия компрессора кинетического сжатия.