Дроселювання реальних газів. Ефект Джоуля-Томпсона. При яких умовах ефект дроселювання додатній, від’ємний чи рівний нулю. Інверсія, точка інверсії, температура інверсії.
Дроселюванням називається процес необоротного зниження тиску без виконання роботи при проходженні потоку через звужений переріз. В зв’язку з нерозривністю потоку і однаковою витратою газу або пари на всій довжині каналу, швидкість потоку в звуженому перерізі збільшується. За звуженим перерізом швидкість практично оновлюється, а тиск p2<p1. Дроселювання газу або пари супроводжується зростанням ентропії і зменшенням робото здатності робочого тіла.
; ;
; ; ; .
П роцес дроселювання є процес ізоентальпії .
;
.
Для реального газу температура потоку при дроселюванні може збільшуватись ( ), може зменшуватись ( ), може залишатися незмінною ( ).
Явище зміни знаку температури при дроселюванні газів вперше було виявлено Джоулем і Томпсоном і має назву ефекта Джоуля-Томпсона.
Температура, при якій іде дроселювання ; температура, при якій іде зміна знаку називається температурою інверсії . Якщо , то газ буде охолоджуватись ( ); : ; : ; .
Майже всі гази мають достатньо високу температуру інверсії: . Для водяної пари .
, .
Тому при дроселюванні всі гази охолоджуються. На цьому побудована практика скраплення газів. Так як процес дроселювання супроводжується явищем тертя, то він є необоротним процесом і його практичне зображення є умовним.
Стан реального газу при адіабатному дроселюванні, в якому температурний ефект дроселювання змінює свій знак або, в якому диференціальний ефект Джоуля-Томсона дорівнює нулю, називається точкою інверсії, тобто в цій точці: (2а/RT) – b=0, dT=0.
Температура, яка відповідає точці інверсії, називається температурою інверсії.
Дослідження дроселювання водяної пари різних станів по hs діаграмі.
При дроселюванні водяних парів зменшується їх робото здатність, бо вони завжди при цьому охолоджуються. Аналіз процесу дроселювання водяної пари краще всього проаналізувати за допомогою hs-діаграми.
;
.
Дроселювання є процес невигідний через втрату роботоздатності потоку. Незважаючи на це, завдяки простоті конструкції та експлуатації дросельних пристроїв явище дроселювання широко використовується в техніці для регулювання, виміру розходів, отримання низьких температур.
При дроселюванні насиченої пари тиск і температура її знижуються, а питомий об’єм і ентропія збільшуються.
Термодинамічні основи роботи поршневого компресора. Зображення роботи одноступінчатого компресора на PV діаграмі при ізотермічному, адіабатному та політропному стиску газу. Вивести формулу для визначення роботи, що витрачається на стиск газу в компресорі. Вплив шкідливого об’єму на роботу компресору. Об’ємний ККД. До яких тисків стиснення газу використовують одноступінчатий компресор?
Компресор – це машина для стиснення газів. На стиснення газів витрачається робота.
П
оршневий
компресор являє собою циліндр 1, який
має всмоктувальний 2 та нагнітальний 3
клапани. Всередині циліндра вміщується
поршень 4, який здійснює зво-ротно-поступальний
рух.
5 – оболонка для охолодження.
Індикаторна діаграма відображає робочий процес одноступінчатого поршневого компресора. У цій діаграмі по осі ординат відкладемо тиск робочого тіла в циліндрі, по осі абсцис – об’єм газу.
С
тиснення
може протікати за трьома процесами:
1-2 – ізотермічний процес;
1-2` – політропний процес;
1-2`` – адіабатний процес.
Також у діаграмі показано наступні процеси:
2-3 – випуск стисненого газу з циліндра компресора;
а-1, 2-3 – не являються ізотермічними, так як у цих процесах змінна маса робочого тіла, тому графічне зображення їх є умовним.
Розглянемо Ts-діаграму даного циклу. Компресор виконує роботу. Найменше роботи витрачається для ізотермічного процесу, тому він найефективніший. Для компресора треба виконувати роботу.
Стиснення при .
1
-2
–ізотермічний процес.
;
;
;
;
;
. Стиснення
при
.
; 
.
Стиснення при .
; 
.
Охолодження оболонки циліндра компресора виконують із метою наближення процесу до ізотермічного. Оскільки у біль-шості випадків значення n невідомо, то враховують роботу, яка втрачається при ізотермічному чи адіабатному стисненні.
Робочий процес одноступінчатого компресора з урахуванням шкідливого простору
З
метою безпечного використання компресорів
між стінкою поршня і кришкою циліндра
в крайньому лівому положенні залишається
простір, який називають шкідливим
простором.
При
русі поршня вправо спочатку буде
розширюватись газ, який знаходиться в
шкідливому просторі від тиску
до тиску
,
і тільки з точки
почнеться пуск наступної порції газу
в циліндр.
Відношення
об’єму
до
називається об’ємним
коефіцієнтом компресора.
,
де
– дійсний об’єм, що поступає в ци-ліндр; – об’єм, який описує поршень.
Робочий процес багатоступінчастого поршневого компресора. Зображення теоретичного робочого процесу триступінчастого компресора на PV та TS –діаграмах. Основні умови роботи багатоступінчастого компресора: робота, що витрачається на стиснення газу в багатоступінчастому компресорі.
Якщо потрібен газ більш високого тис-ку, то використовують багатоступінчате стиснення.
Багатоступінчате стиснення
Особливості такого процесу:
У кожний ступінь газ поступає з однаковою температурою; у кожному ступені газ стискується до однакової температури.
Розглянемо робочий процес трьох ступінчатого компресора:
а-1 – впуск газу в перший ступінь цилі-ндра;
1-2 – стиск газу в першому ступені ци-ліндра;
2-б – випуск газу в холодильник першо-го ступеня;
б-3 – впуск газу в циліндр другого сту-пеня;
3-4 – стиск газу в циліндрі другого сту-пеня;
4-в – випуск газу в холодильник друго-го ступеня;
в-5 – впуск газу в третій ступінь цилін-дра;
5-6 – стиск газу в третьому ступені ци-ліндра;
6-г – випуск газу в холодильник третьо-го ступеня.
Стиснення у всіх ступенях протікає з однаковим показником політро-пи.
1-2
;
3-4
;
5-6
; 
.
У кожному ступені стиснення газу протікає в одну і ту ж кількість ра-зів.
;
;
. 
;
;
; 
,
де
z – кількість ступенів компресора.
; 
;
; 
;
;
Що призвело до появи двигунів внутрішнього згорання(ДВЗ). На які групи діляться поршневі ДВЗ та яке паливо в них використовується? Індикаторна діаграма ДВЗ. Термодинамічний метод вивчення ДВЗ. Які двигуни називаються чотирьохтактними?
При горінні палива утворюються газоподібні продукти згорання, які мають високу температуру. Тому доцільно використовувати як робоче тіло самі продукти згоряння, а процес згоряння виконувати в робочому просторі теплового двигуна.
;
Двигунами внутрішнього згоряння називаються двигуни, в яких згоряння палива і перетворення енергії проходить в циліндрі самого двигуна. У залежності від умов підведення теплоти та від принципу роботи ДВЗ бувають:
Турбінного типу (газова турбіна).
Поршневого типу.
Недоліком цих двигунів є те, що в них використовується тільки рідинне та газоподібне паливо. ДВЗ поршневого типу поділяють на три групи:
з ізохорним підведенням теплоти;
з ізобарним підведенням теплоти;
зі змішаним підведенням теплоти.
Для аналізу цих циклів використовується термодинамічний метод дослідження. Він полягає у тому, що процеси, які відбуваються в циліндрі двигуна ототожнюються з оборотними термодинамічними процесами, що складають теоретичний цикл ДВЗ. При цьому процес горіння горючої суміші розглядається як термодинамічний процес, в якому підводиться теплота, а процес виштовхування відпрацьованих газів в атмосферу – як процес відводу теплоти.
Індикаторна діаграма
1
– циліндр; 2 – поршень;
3 – всмоктувальний клапан; 4 – вихлопний клапан.
Р
озглянемо
робочий процес цього двигуна. Об’єм
між поршнем та лівою стінкою циліндра
називається камерою
стиснення (камерою
згоряння).
У цих двигунах використовується рідке легке паливо. Горюча суміш (бензин і повітря) готується у спеціальному пристрої ззовні циліндра – карбюраторі. Тому такі двигуни називаються карбюраторними. Роб-чий процес полягає в наступному:
Поршень починає рухатися вправо, і через поршень 3 в циліндр всмоктується горюча суміш. У точці 1 поршень приходить в крайнє праве положення і починає рухатися вліво.
1-2
– адіабатний процес стиснення горючої
суміші. У точці 2 стискується приблизно
до тиску
і
.
У точці 2 за допомогою стороннього
джерела запалюється горюча суміш. Так
як ця суміш знаходиться під час достатньо
високої температури, легко запалюється
і швидко горить, то згоряння палива
проходить теоретично ізохорно.
2-3 – ізохорний процес згоряння палива в циліндрі двигуна; 3-4 – адіабатний процес розширення продуктів згоряння. У точці 4 відкривається вихлопний клапан 4, і тиск у циліндрі різко падає. 4-5 – ізохорне падіння тиску, відводиться теплота. Поршень іде вліво.
5-6 – виштовхування продуктів згоряння з циліндра. У точці 6 поршень знаходиться у крайньому лівому положенні. З точки а` починається новий цикл. Робочим процесом є тільки процес 3-4. Інші процеси є лише підготовчі. Відстань між лівим і правим положенням поршня називається робочий хід, або такт. Весь цикл виконується за чотири такти, і тому цей двигун називається чотирьохтактним. Цей робочий процес називається ще індикаторна діаграма.
Індикаторна діаграма ДВЗ з підводом теплоти при пострійному об’ємі. Теоретичний цикл цих двигунів. Зображення циклу в PV та TS –діаграмах, характеристики циклу, термічний ККД циклу. Вплив ступеня стискання на ККД циклу.
Індикаторна діаграма
1 – циліндр;
2 – поршень;
3 – всмоктувальний клапан;
4 – вихлопний клапан.
Розглянемо робочий процес цього двигуна. Об’єм між поршнем та лівою стінкою циліндра називається камерою стиснення (камерою згоряння).
У цих двигунах використовується рідке легке паливо. Горюча суміш (бензин і повітря) готується у спеціальному пристрої ззовні циліндра – карбюраторі. Тому такі двигуни називаються карбюраторними. Роб-чий процес полягає в наступному:
Поршень починає рухатися вправо, і через поршень 3 в циліндр всмоктується горюча суміш. У точці 1 поршень приходить в крайнє праве положення і починає рухатися вліво.
1-2 – адіабатний процес стиснення горючої суміші. У точці 2 стискується приблизно до тиску і . У точці 2 за допомогою стороннього джерела запалюється горюча суміш. Так як ця суміш знаходиться під час достатньо високої температури, легко запалюється і швидко горить, то згоряння палива проходить теоретично ізохорно.
2-3 – ізохорний процес згоряння палива в циліндрі двигуна;
3-4 – адіабатний процес розширення продуктів згоряння.
У точці 4 відкривається вихлопний клапан 4, і тиск у циліндрі різко падає. 4-5 – ізохорне падіння тиску, відводиться теплота. Поршень іде вліво.
5-6 – виштовхування продуктів згоряння з циліндра.
У точці 6 поршень знаходиться у крайньому лівому положенні. З точки а` починається новий цикл. Робочим процесом є тільки процес 3-4. Інші процеси є лише підготовчі. Відстань між лівим і правим положенням поршня називається робочий хід, або такт. Весь цикл виконується за чотири такти, і тому цей двигун називається чотирьохтактним. Цей робочий процес називається ще індикаторна діаграма.
Ступінь
стиснення
Індикаторна діаграма ДВЗ з підводом теплоти при постійному тиску. Переваги роздільного стиснення повітря та палива, недоліки таких двигунів. Зображення циклу в PV та TS –діаграмах, характеристики циклу, термічний ККД циклу. Аналіз ККД циклу. Порівняння циклів ДВЗ з підводом теплоти при p=const, v=const.
Цикл ДВЗ з ізобарним підведенням теплоти (цикл Дизеля)
Для підвищення ступеня стиснення в циліндрі двигуна Дизель запропонував цикл з роздільним стисненням повітря і палива.
Робочий процес циклу Дизеля:
1 – циліндр;
2 – поршень;
3 – всмоктувальний клапан;
4 – вихлопний клапан;
5 – форсунка.
П
оршень
рухається вправо, і в циліндр всмоктується
чисте повітря. У точці 1 завершується
процес всмоктування, значить, а-1 – це
ізобарний процес всмоктування повітря
в циліндр.
1-2 – поршень іде вліво і стискується повітря.
У
точці 2 тиск досягає
,
а температура –
.
У точці 2 починає працювати форсунка.
За допомогою компресора стиснуте паливо
передається до форсунки 5, і так як у цей
час у циліндрі температура вище за
температуру самозапалення, паливо
згоряє під час сталого тиску, і поршень
рухається вправо.
2-3 – це ізобарний процес підведення теплоти.
У точці 3 перестає працювати форсунка, і продукти згоряння продовжують розширюватись в адіабатному процесі 3-4. У точці 4 відкривається вихлопний клапан 4, об’єм циліндра з’єднується з атмосферою, і в циліндрі різко падає тиск.
4-5 – ізохорний процес зниження тиску в циліндрі. І далі поршень рухається вліво, відкривається клапан 4, і йде виштовхування продуктів згоряння з циліндра.
5-6 – ізобарний процес виштовхування газів з циліндра.
6-а` – розширення.
З точки а` цикл повторюється.
Теоретичний цикл Дизеля
1
– початковий стан робочого тіла;
1–2 – адіабатне стиснення робочого ті-ла;
2-3 – ізобарне підведення теплоти до робочого тіла;
3-4 – адіабатне розширення робочого ті-ла;
4-1 – ізохорне відведення теплоти від робочого тіла.
Характеристики:
; 
;
– ступінь попереднього розширення.
ККД цього циклу декілька вище, ніж ККД циклу Отто:
.