3. Термодинамические процессы в реальном газе

1. Термодинамический анализ процессов в реальном газе

Цель исследования термодинамических процессов в реальном газе и необходимые исходные данные такие же, как и для идеального газа (см. пара-граф 1.1 настоящего пособия). При этом следует иметь в виду, что для воды и водяного пара, а также для хладагентов имеющиеся таблицы термодинамических свойств и диаграммы состояния заменяют уравнения состояния и уравнения для внутренней энергии, то есть позволяют определять данные, необходимые для расчета термодинамических процессов.

При расчете и исследовании процессов в реальном газе используют табличный, графический (с помощью диаграмм) либо аналитический (с помощью уравнений состояния и термодинамических соотношений) методы определения свойств в зависимости от рассматриваемого процесса и требуемой точности расчета. Все термодинамические процессы можно рассчитать с помощью таблиц, но при этом приходится много интерполировать. Поэтому иногда сочетают два метода: часть свойств определяют по таблицам, а часть – по диаграммам.

В последнее время всё чаще применяют аналитический метод расчёта термодинамических свойств рабочих тел непосредственно по их уравнениям состояния на ЭВМ с использованием термодинамических соотношений. Такой метод особенно эффективен при оптимизационных расчетах циклов паротурбинных и холодильных установок, когда приходится многократно определять с высокой точностью и, главное, с внутренней согласованностью, термодинамические свойства рабочих тел.

Важной особенностью процессов в реальном газе является возможность их протекания, как в однофазной так и в двухфазной области (влажный пар) либо последовательно в двух областях состояния. В связи с этим необходимо определять с помощью таблиц либо диаграмм к какой области относятся начальное и конечное состояния рабочего тела, совершающего термодинамический процесс. Это обстоятельство обуславливает необходимость использования таблиц для однофазной области либо для состояния насыщения и известных аддитивных формул для расчета свойств влажного пара.

При расчетах термодинамических процессов в реальном газе встречаются следующие случаи:

• начальное и конечное состояния находятся в однофазной области (пар либо жидкость), причем процесс может проходить через двухфазную область, то есть начинаться в жидкости и оканчиваться в паре (либо наоборот). В этом случае задача решается с помощью таблиц термодинамических свойств жидкости и перегретого пара;

• начальное и конечное состояния находятся в двухфазной области. Тогда используют только таблицы свойств насыщенных жидкости и пара и аддитивные формулы для расчета свойств влажного пара;

• процесс начинается в однофазной области (жидкости либо паре), а заканчивается в двухфазной области (либо наоборот). В таком случае термодинамические свойства в однофазной области определяют по таблицам для жидкости либо перегретого пара, а в двухфазной области рассчитывают по аддитивным формулам, используя таблицы для состояния насыщения.

В большинстве перечисленных случаев можно определять свойства и рассчитывать процессы с помощью диаграмм состояния, но при этом надо учитывать, что на диаграмме h,s для воды и водяного пара отсутствуют пограничная кривая насыщенной жидкости и область жидкости.

Ниже приводятся примеры расчета и анализа процессов, протекающих в воде и водяном паре при постоянных значениях термических параметров (удельного объёма, давления и температуры), а затем более сложных процессов, совершающиеся при постоянных значениях калорических свойств (адиабатного (изоэнтропного) и процесса дросселирования). В конце раздела подробно рассмотрен процесс течения пара – основной рабочий процесс паротурбинных установок.