4. Термодинамика процессов дросселирования (уравнение процесса, представление процесса на p-V и t-s диаграммах). Практическое применение дросселирования в системах тгсв.

§ 14-1. Дросселирование газа

Дросселированием, или мятием, называют необратимый процесс, в котором давление при прохождении газа через суживающееся отверстие уменьшается без совершения внешней работы.

В сякое сопротивление в трубопроводе (вентили, задвижка, шай­ба, кран, клапан и др.) вызывает дросселирование газа и, следо­вательно, падение давления. Ве­личина падения давления зави­сит от природы рабочего тела, его состояния, величины суже­ния газопровода и скорости дви­жения газа.

В большинстве случаев дрос­селирование, сопровождающееся уменьшением работоспособности тела, приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходимым и создается искус­ственно, например, при регули­ ровании паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах, замеряющих расход газа и т. д. При прохождении газа через отверстие, представляющее из­вестное сопротивление, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением темпера­туры и давления (рис. 14-1).

Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту. Кроме того, в теплоту прев­ращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется и может как уменьшаться, так и уве­личиваться.

В отверстие скорость газа увеличивается. За отверстием, когда газ опять течет по полному сечению, скорость его вновь понижается, а давление увеличивается, но до начального значения оно не под­нимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с уве­личением удельного объема газа от уменьшения давления.

Дросселирование, как указывалось, является необратимым про­цессом, при котором всегда происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.

§ 14-2. Уравнение процесса дросселирования

Пусть на участке трубопровода имеется суженное отверстие (см. рис. 14-1). Сечения I — I u II — II в трубопроводе закрыты невесомыми поршнями, которые могут перемещаться без трения. На поршень I площадью F₁ действует давление p₁ а на поршень II площадью f₂ действует давление р₂, причем р₁>р₂- Трубопровод не имеет теплообмена с внешней средой.

При перемещении 1 кг газа через отверстие поршень I перемес­тится в положение I', а поршень II — в положение II', при этом поршень I совершит путь s₁ а поршень II — путь s₂. Для пере­мещения 1 кг газа необходимо затратить работу p₁s₁F₁ или р₁v₁. Часть этой работы p₂F₂s₂ или p₂v₂ будет израсходована на преодоле­ние давления р₂, а разность работ p₁v₁ — p₂v₂ вызовет изменение энергии рабочего тела.

Если начальная скорость газа wi и внутренняя энергия и₁, конечная скорость w₂ и внутренняя энергия u₂. то будем иметь

При условии, что скорости Wi и w₂ мало отличаются друг от друга, изменением внешней кинетической энергии можно пренебрегать и считать отсюда

или

(14-1)

Полученное равенство (14-1) показывает, что энтальпия в ре­зультате процесса дросселирования не изменяется. Этот вывод к промежуточным состояниям газа неприменим. В сечениях у от­верстия энтальпия не остается постоянной величиной, т. е. процесс дросселирования нельзя отождествлять с изоэнтальпическим процессом. Равенство (14-1) справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.

Выше указывалось, что энтальпия идеального газа является однозначной функцией температуры. Отсюда следует, что в резуль­тате дросселирования идеального газа температура его не изменяет­ся (Т₁ = T₂).

В результате процесса дросселирования реального газа энталь­пия для начальных и конечных значений остается одинаковой, энтро­пия и объем увеличиваются, давление падает, а температура может увеличиваться, уменьшаться или же, в частном случае, остаться без изменения.

§ 14-3. Исследование процесса дросселирования. Эффект Джоуля — Томсона

В каждом реальном газе имеются силы притяжения между моле­кулами, и если газ расширяется, то на увеличение расстояния меж­ду частицами или на изменение внутренней потенциальной энергии тела всегда затрачивается работа, что связано с изменением тем­пературы.

Отношение изменения температуры реального газа при дрос­селировании без подвода и отвода тепла и без совершения внешней работы к изменению давления в этом процессе называют эффектом Джоуля — Томсона. Это явление было открыто Джоулем и Томсоном опытным путем в 1852 г.

Для идеального газа эффект Джоуля — Томсона равен нулю, так как температура гaзa в результате процесса дросселирования не изменяется. Следовательно, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется отклонением свойств ре­альных газов от идеального, что обусловлено действием межмоле­кулярных сил.

Процесс дросселирования 1 кг рабочего тела сопровождается затратой или совершением внешней работы (работы проталкивания) p₂v₂ — p₁v₁- При этом произведение p₂v₂ характеризует работу, затраченную телом на вытеснение среды, а произведение p₁v₁ — работу среды над рабочим телом. Так как при дросселировании ко­нечное давление р₂ всегда меньше начального p₁ а удельный объем v₂ всегда больше v₁ то разность p₂v₂ — p₁v₁ в общем случае может быть положительной или отрицательной и, в частном случае, рав­ной нулю.

Поскольку для адиабатного процесса дросселирования справед­ливо равенство i₁ = i₂, т. е. u₁ + p₁v₁ = и₂ + p₂v₂, или u₁ — u₂ = = p₂v₂ — p₁v₁ то отсюда следует, что внешняя работа (работа проталкивания) в этом процессе совершается за счет убыли внут­ренней энергии тела.

Внутренняя энергия реального газа вследствие наличия межмо­лекулярных сил состоит из двух частей: кинетической составляющей, являющейся функцией только температуры, и потенциальной со­ставляющей, определяемой положением молекул и зависящей кроме температуры еще и от объема, увеличиваясь при его возрастании.

При дросселировании потенциальная составляющая внутрен­ней энергии вследствие увеличения объема всегда возрастает.

Если бы p₂v₂ — p₁v₁ = 0 и, следовательно, u₁ — и₂ — 0, а по­тенциальная составляющая внутренней энергии увеличилась бы, то кинетическая составляющая должна при этом уменьшиться. Такой процесс дросселирования будет сопровождаться охлажде­нием газа (T₂<T₁).

Еще большее охлаждение реального газа будет при положитель­ной внешней работе, т. е. когда p₂v_z>p₁v₁ и u₂<u₁- В этом случае понижение температуры будет обусловлено не только возрастанием потенциальной составляющей внутренней энергии, но и соверше­нием газом внешней работы (также за счет внутренней энергии).

В большинстве практических случаев внешняя работа имеет от­рицательное значение, т. е. p₂v₂<p₁v₁, или иначе процесс дрос­селирования сопровождается затратой внешней работы, идущей на увеличение внутренней энергии газа (u₂>u₁). Если при этом внеш­няя работа p₂v_z — p₁v₁ по абсолютной величине будет больше при­роста потенциальной составляющей внутренней энергии, то избы­ток работы пойдет на увеличение ее кинетической составляющей и газ будет нагреваться (T₂>Ti).

В частном случае абсолютное значение p₂v₂ — p₁v₁ в процессе дросселирования может оказаться равным росту потенциальной составляющей внутренней энергии и при этом кинетическая со­ставляющая останется без изменения, а следовательно, не изменит­ся и температура газа (T₁ = Т₂).

Этот случай называется инверсией газа, а температура газа, при которой он происходит,называется температурой инверсии Т_инв. Следовательно, процесс дросселирования реального газа при температуре инверсии внешне не отличается от дросселирова­ния идеального газа.

Если при p₂v₂<p₁v₁абсолютное значение внешней работы будет меньше возрастания потенциальной составляющей внутренней энергии в процессе дросселирования, то кинетическая составляю­щая несколько уменьшится, т. е. газ будет охлаждаться. Следова­тельно, при отрицательной внешней работе могут быть случаи дрос­селирования, когда температура реального газа увеличивается, остается без изменения и уменьшается.

§ 14-5. Дросселирование или мятие водяного пара

И сследование процесса дросселирования (мятия) водяного пара очень наглядно производится по is-диаграмме водяного пара (рис. 14-3), в которой процесс мятия можно условно изобразить горизонтальной линией, так как горизонталь есть только вспомога­тельное построение для нахождения параметров состояния конеч­ной точки и не имеет физического смысла в промежуточных точках. Из диаграммы хорошо видно, что если подвергается мятию пере­гретый пар (процесс 1—2), то давление и температура уменьшают­ся, а объем, энтропия и степень перегрева увеличиваются. При мятии пара высокого давления и небольшого перегрева (процесс 7-8), пар сначала переходит в сухой насыщенный, затем во влажный, потом опять в сухой насыщенный и снова в перегретый. При дрос­селировании кипящей жидкости (процесс 5-6) она частично испа­ряется с увеличением степени су­хости. При дросселировании влаж­ного пара степень сухости его уве­личивается (процесс 3-4).

Процесс дросселирования яв­ляется необратимым процессом, который сопровождается увеличе­нием энтропии. Из предыдущих глав известно, что с ростом энтро­пии всегда понижается работо­способность газа или пара, что наглядно видно из диаграммы (рис. 14-3). Пусть водяной пар дросселируется от состояния а до с. От точки а до давления р₅, разность энтальпий выражается отрез­ком ab; от точки с разность энтальпий выражается отрезком cd, который значительно меньше отрезка ab, т. е. работоспособность пара резко падает. Чем больше мятие пара, тем меньше его работо­способность.

Холодильные циклы без отдачи внешней работы (с дросселированием газа) Рассмотрим холодильный цикл с дросселированием газа (рис. 1). Газ с давлением P1 и абсолютной температурой Т1 изотермически сжимается в компрессоре I до давления P2 (линия 1 - 2), после чего, пройдя дроссельный вентиль II , газ расширяется до первоначального давления P1 , а его температура снижается до Т3 (линия 2 – 3 при i2=const). Охлажденный газ нагревается в подогревателе III до первоначальной температуры Т1 (линия 3 – 1 при р1 =const), отнимая от охлаждаемой среды количество тепла, равное холодопроизводительности 1 кг газа:  q0=qдрос. =i1-i2 (Рис. 1) Таким образом, холодопроизводительность при дросселировании равна разности энтальпии газа (i1-i2) до и после изотермического сжатия в компрессоре. Количество тепла, отводимого при изотермическом сжатии газа, равно: -q=T1∆S  где ∆S – изменение энтропии (длина отрезка 1 - 2). Работа, затраченная в компрессоре на сжатие газа (при температуре Т1), согласно уравнению l+q=i2 – i1 составляет  lкомпр. =-q+( i1-i2)= T1∆S-qдрос. или с учетом к. п. д. компрессора ŋк  lкомп.= T1∆S-qдрос ŋк Температура после дросселирования может быть снижена путем рекуперации холода. Для этого сжатый газ до поступления в дроссельный вентиль пропускают через теплообменник, где охлаждают расширенным газом перед его подачей в компрессор из подогревателя. Холодопроизводительность и затрата работы на сжатие газа при рекуперации холода не изменяются. Используя дросселирование воздуха в сочетании с рекуперацией холода, К. Линде разработал рассматриваемые ниже циклы получения жидкого воздуха. Цикл с простым дросселированием. Сжатый в компрессоре I и охлажденный до комнатной температуры воздух поступает в теплообменник II в точке 2. Пройдя теплообменник, воздух дросселируется до атмосферного давления и вновь направляется в теплообменник, двигаясь противотоком по отношению к поступающему сжатому воздуху. Дросселированный воздух охлаждает сжатый воздух, вследствие чего температура последнего перед дросселированием все более снижается, пока не наступает частичное снижение воздуха в точке 4. После этого жидкий воздух выводится из системы и в теплообменник возвращается лишь несжиженная часть воздуха. На диаграмме T – S линия 1- 2 выражает изотермическое сжатие воздуха в компрессоре, линия 2 – 3 – охлаждение сжатого воздуха в теплообменнике (при постоянном давлении P2), линия 3 – 4 – дросселирование при (i=const). Точка 4 изображает состояние воздуха после  дросселирования. Она лежит в области влажного пара, причем доля сжиженного воздуха х равна отношению отрезка 4 – 5 к отрезку 0 – 5, а точки 0 и 5 изображают состояние жидкого и несжиженного воздуха. Линия 5 – 1 изображает нагревание несжиженной части воздуха (при постоянном давлении P1). (Рис. 2) Из уравнения q0=x(i1-i0)+qn и q0=qдрос.=i1-i2 холодопроизводительность цикла составляет: q0=x(i1-i0)+qп.= i1-i2 Разность i1-i2 возрастает с повышением давления сжатия P2 , поэтому длинный цикл требует применения значительного давления (около 200 ат) и связан с большим расходом энергии.

5. Поршневые компрессоры (принцип действия, термодинамика процесса сжатия, представление процессов на P-V и T-S диаграммах, располагаемая работа сжатия, мощность и КПД компрессора, многоступенчатое сжатие).

§ 16-1. Одноступенчатый компрессор

Компрессором называют машину, предназначенную для сжатия и перемещения различных газов. Компрессоры получили в совре­менной технике широкое применение. Их используют в химической промышленности, машиностроительной, металлургической, горно­рудной и других, на железных дорогах, в авиации, в газотурбинных установках, в пищевой промыш­ленности для холодильников и т. п.

В се компрессоры, в зависи­мости от конструктивного офор­мления и принципа работы, мо­гут быть разделены на две груп­пы: поршневые и турбинные (центробежные). Несмотря на различие принципов сжатия га­за в компрессорах и их конст­руктивные отличия, термодинамика процессов сжатия в них одинакова для любых типов машин. Процессы в компрессорах описываются одними и теми же урав­нениями. Поэтому для исследования и анализа процессов, про­текающих в любой машине для сжатия газа, рассмотрим работу наиболее простого одноступенчатого поршневого компрессо­ра, в котором все явления хорошо изучены и являются нагляд­ными.

Компрессор (рис. 16-1) состоит из цилиндра 1 с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня 2, связанного кривошипно-шатунным механизмом с электродвигате­лем или другим источником механической работы. В крышке ци­линдра в специальных коробках помещаются два клапана: всасы­вающий 3 и нагнетательный 4, которые открываются автоматически под действием изменения давления в цилиндре.

Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала или два хода поршня. При ходе поршня вправо открывается вса­сывающий клапан и в цилиндр поступает рабочее тело — газ. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходят сжатие газа до заданного давления и нагнетание его в резервуар, из которого сжатый газ направляется к потребителям. После этого наступает повторение указанных процессов. Величина давления нагнетания определяется пружиной, установленной на нагнетательном клапане.

Основной целью термодинамического расчета компрессора яв­ляется определение затрачиваемой работы на получение 1 кг сжа­того газа и, как следствие, определение мощности приводного дви­гателя.

Рассмотрим работу теоретического одноступенчатого компрес­сора при следующих допущениях. Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное прост­ранство). Отсутствуют потери ра­боты на трение поршня о стенки цилиндра и дросселирование в клапанах. Всасывание газа в ци­линдр и его нагнетание в резер­вуар осуществляются при постоян­ном давлении.

Т еоретическая индикаторная диаграмма процесса получения сжатого газа в компрессоре пред­ставлена на рис. 16-2.

При движении поршня слева направо открывается всасывающий

клапан 3 и происходит наполнение цилиндра газом при постоянном давлении р₁. Этот процесс изображается на диаграмме линией 0-1 и называется линией всасывания. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан 3 закрывается, происходит сжатие газа. По достижении заданного давления весь сжатый газ выталкивается из цилиндра при постоянном давлении через открыв­шийся нагнетательный клапан 4 в резервуар для хранения или на производство. Кривая 1-2 называется процессом сжатия. Линия 2-3 называется линией нагнетания. Следует отметить, что линии всасывания 0-1 и нагнетания 2-3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остается неизмен­ным, а меняется только его количество. При начале следующего хода поршня слева направо нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре р₂ теоретически мгновенно падает до р₁, от­крывается всасывающий клапан и далее повторяется весь рабочий процесс сжатия газа.

Затраченная работа l на получение 1 кг сжатого газа (без учета трения) при условии, что все процессы обратимы и приращение кинетической энергии газа отсутствует, может быть представлена

следующим выражением:

где p₁v₁ —работа, производимая внешней средой при заполнении

цилиндра газом; p₂v₂—-работа, затраченная па выталкивание газа;

— работа сжатия газа. Так как

. ^(16-1)

При наличии трения работа, затрачиваемая на привод компрес­сора (действительная работа), будет больше теоретической работы на величину работы против сил трения q_тp и составит

(16-2)

В этом случае площадь между линией сжатия и осью ординат представляет лишь часть затрачиваемой работы.

Если в процессе сжатия осуществляется отвод тепла q_Д от сжи­маемого газа, то, согласно первому закону термодинамики,

(16-3)

Процесс сжатия газа в компрессоре, в зависимости от условий теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра, может осуществляться по изотерме 1-2, адиабате 1-2' и политропе 1-2". Сжатие по каждому из трех процессов дает различную величину пло­щади затраченной работы.

Сжатие по изотерме 1-2 дает наименьшую площадь пл. 01230 и наименьшую затрату работы. Вся энергия, подводимая в форме работы, отводится от газа в форме теплоты. Сжатие по адиабате 1-2' дает наибольшую площадь пл. 012'30 и наибольшую затрату работы. При этом вся энергия, подводимая в форме работы, идет на изменение энтальпии газа. При политропном сжатии величина работы принимает промежуточное значение.

Чтобы уменьшить работу сжатия, необходимо процесс сжатия приблизить к изотермическому процессу, для этого требуется отво­дить тепло от сжимаемого газа в цилиндре компрессора. Последнее достигается путем охлаждения наружной поверхности цилиндра

водой, которая протекает через рубашку компрессора, образуемую полыми стенками цилиндра. Охлаждение дает возможность сжимать газ до более высоких давлений, а получаемый при этом интенсивный теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра позволяет осуществлять сжатие газа по политропе со средним показателем, равным n = 1,18—1,2. У компрессоров малой производительности при небольших давлениях сжатого газа стенки цилиндра делают ребристыми. Ребра обдуваются воздухом, что способствует охлаждению стенок цилиндра.

Определение работы на привод компрес­сора. При изотермическом процессе работа, расходуемая на сжатие газа, графически изображается пл. 01230 (см. рис. 16-2). Полная работа для получения 1 кг сжатого газа равна

l = пл. 4325 + пл. 5216 — пл. 4016.

Пл. 4325=p₂v₂ графически изображает работу нагнетания; пл. 4016 = p₁v₁ — работу всасывания, а пл.

работу сжатия.

При изотермическом процессе сжатия (пл. 5216) работа опре­деляется из уравнения (7-13); пл.

Учитывая, что при t = const

находим

(16-4)

Работа для привода компрессора равна работе изотермического сжатия.

Количество отводимого тепла

При обратимом адиабатном сжатии работа в процессе опреде­ляется по уравнению (7-16):

пл.

Работа на привод компрессора составит

Работа на привод компрессора в k раз больше работы адиабатного сжатия. Выражение (16-5) может быть представлено и в другом виде. Работа сжатия в адиабатном процессе равна

тогда работа на привод компрессора будет

(16-6)

При адиабатном сжатии работа на привод компрессора по аб­солютной величине равна разности энтальпий конца и начала про­цесса сжатия. Эта формула справедлива как для реального, так и для идеального газа.

Для компрессора с политропным процессом сжатия работа изо­бражается пл. 5"2"16, поэтому

Работа, затрачиваемая на по­лучение 1 кг сжатого газа, равна

(16-8)

Теоретическое количество отводимой теплоты находим по уравнению (7-21):

(16-9)

Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого ком­прессора (см. рис. 16-3) отличается от теоретической (см. рис. 16-2) прежде всего наличием потерь на дросселирование в впускном и на­гнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание происходит при давлении газа в цилиндре, меньшем давления среды, из кото­рой происходит всасывание, а нагнетание происходит при давле­нии, большем, чем давление в нагнетательном трубопроводе. Эти потери возрастают с увеличением числа оборотов компрессора.

Кроме того, в реальном компрессоре между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении при выталкивании сжатого га­за остается некоторый свободный объем, называемый вредным пространством. Объем вредного пространства обычно составляет 4—10% от рабочего объема цилиндра компрессора V_h, (рис. 16-3). По окончании нагнетания сжатого газа (линия 2-3) некоторое его количество остается во вредном пространстве цилиндра и занимает объем V_вр. При обратном ходе поршня оставшийся газ во вредном пространстве расширяется, и всасывание новой порции газа нач­нется только тогда, когда давление газа в цилиндре упадет до дав­ления всасывания или до давления той среды, откуда газ поступает. Процесс расширения остаточного сжатого газа во вредном прост­ранстве цилиндра изображается линией 3-0. При этом всасывание газа в компрессор начнется только в точке 0, и в цилиндр поступит, свежий газ, объем которого V_h, — V₀ = V. Вредное пространство уменьшает количество засасываемого газа и тем самым уменьшает производительность компрессора. Отношение объемов V и V_h, назы­вают объемным коэффициентом полезно­го действия:

О бъемный к.п.д. уменьшается с уве­личением вредного пространства и при определенном V_вр может стать равным нулю. При неизменном V_вр с повы­шением давления сжатия объемный к. п. д. и производительность компрес­сора также будут уменьшаться и в пределе, когда линия сжатия будет пе­ ресекать линию вредного пространства, объемный к.п.д. обращается в нуль. Данное явление наглядно по­казано на рис. 16-4.

В первом случае, когда процесс сжатия 1-2 заканчивается при давлении р₂, нагнетание осуществляется по линии 2-3. Давление в цилиндре падает по линии 3-0, и всасывание начинается в точке 0. Во втором случае с увеличением давления р₂ сжатие заканчивается в точке 2' и нагнетание производится по линии 2'-3'. В этом случае количество нагнетаемого газа стало значительно меньше, чем в пер­вом случае. В третьем случае с дальнейшим увеличением давления р₂ сжатие заканчивается в точке 4, т. е. в месте пересечения линии сжатия с линией объема вредного пространства; в этом случае ли­ния нагнетания превращается в точку, и засасывания свежей порции газа в цилиндр не производится.

Поршень работающего компрессора периодически сжимает одно и тоже количество газа без нагнетания. В этом случае объемный к. п. д. и производительность компрессора становятся равными нулю. Массовое количество поступающего газа в цилиндр компрес­сора уменьшается еще больше вследствие уменьшения удельного объема газа из-за нагревания его горячими поверхностями цилинд­ра и нагретым газом, оставшимся во вредном пространстве. Умень­шение массового количества газа, засасываемого в цилиндр, из-за

повышения температуры газа определяется отношением

где T₁ - температура газа, нагретого в цилиндре в процессе всасывания; t’₁ —температура всасываемого газа.

Общее уменьшение производительности компрессора из-за вред­ного пространства и нагревания газа характеризуется коэффициен­том наполнения:

(16-10)

О бщая теоретическая работа на привод компрессора с вред­ным пространством изображается пл. 12301 на рис. 16-4.

Уменьшение производительности компрес­сора с увеличением давления сжатого газа не позволяет получать газы высокого давления в одном цилиндре. Кроме того, при высоких дав­лениях сжатия температура газа может превы­сить температуру самовоспламенения смазочного масла в цилиндре, что недопустимо. Обычно одноступенчатый компрессор применяют для сжатия газа до давлений 6—10 бар.

Центробежные нагнетатели (турбо- и осевые компрессоры) отличаются от поршневых непре­рывностью действия и значительными скоростя­ми перемещения рабочего тела. Центробежный компрессор состоит из следующих основных ча­стей (рис. 16-5): входного патрубка 1, рабочего колеса 2, диффузора 3 и выходных патрубков 4. Газ поступает через входной патрубок в каналы, образованные ло­патками рабочего колеса. При вращении колеса газ под действием центробежных сил выбрасывается в диффузор, где сжимается до необходимой величины, т. е. сжатие осуществляется вследствие торможения потока газа.

На создание потока газа через нагнетатель расходуется работа q_д и отводится теплота q_A (q_Tp — теплота трения в д_д не входит). Если состояние потока на входе характеризуется параметрами р_ь ti, vi и w₁, а на выходе — параметрами р₂, t₂, v₂ и w_z, то основное уравнение для потока примет вид

Если разность между кинетической энергией потока на входе и на выходе из компрессора незначительна и ею можно пренебречь, то

Это выражение совпадает с уравнением для поршневых компрес­соров.

Уравнение первого закона термодинамики для потока газа имеет вид

Подставив значение q_д в выражение для l_д, получим уравнение работы, затрачиваемой на привод центробежного компрессора:

что полностью совпадает с уравнением для поршневых компрес­соров.

Процессы сжатия в реальном компрес­соре. Процесс сжатия газа в реальном компрессоре характери­зуется наличием внутренних потерь на трение и теплообменом с ок­ружающей средой. При расчете реальных компрессоров принимают,

что действительная работа на привод ох­лаждаемого компрессора равна работе при изотермическом сжатии, а неохлаждае­мого — работе при адиабатном сжатии. Эффективность работы реального компрес­сора определяется изотермическим и адиа­батным к. п. д. Эти к. п. д. представляют собой отношение теоретической работы к действительной затрачиваемой на привод компрессора, в этих процессах

И зобразимв T_s-диаграмме обратимую

1-2 и (условно) необрати­мую 1-3 (действительный процесс) адиабаты (рис. 16-6). Согласно уравнению (16-3), действительная работа l_д на привод адиабатного компрессора равна

а теоретическая работа l_т при обратимом адиабатном сжатии будет

Отсюда адиабатный к. и. д. компрессора равен

(16-11)

Необратимая адиабата может рассматриваться условно, с опре­деленным приближением, как некоторая политропа с показателем n>k, численное значение которого зависит от величины силы трения.

Тогда

откуда

(16-12)

Средняя величина показателя политропы (п) определяется по параметрам газа в начале и в конце сжатия.

Действительная работа на привод неохлаждаемого компрессора составит

или

(16-13)

Действительная работа на привод неохлаждаемого компрессора может быть определена, если будет известен условный показатель политропы п действительного процесса сжатия. На Ts-диаграмме (см. рис. 16-6) l_д изображается пл. 3456, а теоретическая работа l_т — пл. 2457 (справедливо только для идеального газа).

Для охлаждаемого компрессора знания величины показателя политропы п недостаточно, так как один и тот же показатель по­литропы при наличии отвода тепла может соответствовать различ­ным значениям работы трения q_тр.

Эффективная мощность, затрачиваемая на привод компрессора, определяется по формуле

(16-14)

где т — секундная производительность компрессора т == V_Hρ_н кг/сек (где V_н —объемная производительность при нормальных условиях м³/с; ρ_н — плотность газа при нормальных условиях); l_н — работа на привод компрессора при политропном сжатии газа дж/кг; μ_н — к. п. д. компрессора при политропном сжатии газа; μ_мех— механический к. п. д., учитывающий потери на трение; μ_нап — к. п. д. наполнения.

§ 16-2. Многоступенчатый компрессор

Для получения газа высокого давления применяют многоступен­чатые компрессоры (рис. 16-7), в которых сжатие газа осуществ­ляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным его охлаждением после каждого сжатия.

Применение сжатия газа в нескольких цилиндрах понижает отношение давлений в каждом из них и повышает объемный к. п. д. компрессора. Кроме того, промежуточное охлаждение газа, после каждой ступени, улучшает усло­вия смазки [поршня в цилиндре и уменьшает расход энергии на

привод компрессора, приближая рабочий процесс в компрессоре к наиболее выгодному изотермическому сжатию.

На рис. 16-8 приведена идеальная индикаторная диаграмма трех­ступенчатого компрессора, где 0-1 — линия всасывания в первую ступень; 1-2 — политропный процесс сжатия в первой ступени; 2-а — линия нагнетания из первой ступени в первый охладитель; а-3 — линия всасывания во вторую ступень; 3-4 — политропный процесс сжатия во второй ступени; 4-Ь — линия нагнетания из второй ступени во второй охладитель; b-5 — линия всасывания в третью ступень; 5-6 — политропный процесс сжатия в третьей ступени; 6-с — линия нагнетания из третьей ступени в резервуар или на производство. Отрезки линий 2-3 и 4-5 изображают уменьшение объема газа в процессе при постоянном давлении от охлаждения в первом и втором охладителе. Охлаждение рабочего тела во всех охладителях производится до одной и той же температуры, равной начальной Т1, поэтому температуры газа в точках Л 3 и 5 -будут одинаковыми и точки лежат на изотерме 1-7. Отношение давлений во всех ступенях обычно берется одина­ковым:

(16-15)

Это соотношение давлений обеспечивает минимальную работу на привод многоступенчатого компрессора.

При одинаковых отношениях давлений во всех ступенях, ра­венстве начальных температур и равенстве показателей политропы будут равны между собой и конечные температуры газа в отдельных ступенях компрессора:

Из уравнения (16-15) следует, что

откуда степень увеличения давления в каждой ступени равна или при z ступеней получаем

(16-16)

Степень увеличения давления в каждой ступени равна корню z-й степени из отношения конечного давления р_г к начальному р₁.

6. Термодинамический цикл парокомпрессионных холодильных и теплонасосных установок (принципиальная схема, идеальный термодинамический цикл на P-V и T-S диаграммах, холодильный коэффициент) и его применение в системах ТГСВ.

§ 21-1. Основные понятия о работе холодильных установок

В соответствии со вторым законом термодинамики (см. гл. VIII) отмечалось, что при обратном цикле Карно можно, затрачивая меха­ническую работу, отнять некоторое количество теплоты от источ­ника с низкой температурой и перенести ее к источнику с более высо­кой температурой. Машины, непрерывно поддерживающие темпера­туры тел ниже температуры окружающей среды, называют холо­дильными.

Искусственное охлаждение помещений и различных тел находит широкое применение в народном хозяйстве (при строительстве под­земных железных дорог, в угольной, горной, рудной, химической и газовой промышленностях, на машиностроительных заводах, где производится термическая обработка деталей машин при низких температурах). Холод имеет огромное значение для сохранения пищевых продуктов. Для получения холода используются различ­ные установки, в которых применяют в качестве рабочего тела газо­образные тела.

Холодильные установки можно разделить на две группы. К пер­вой группе относятся газовые или воздушные установки, в которых впервые было осуществлено промышленное получение холода. Ввиду малого холодильного эффекта и больших размеров отдель­ных аппаратов такие установки не получили широкого распростра­нения.

К о второй группе относятся компрессорные паровые установки. Рабочим телом (холодильным агентом) в них являются пары раз­личных веществ: аммиака (NH₃), углекислоты (СО₂), сернистого (ангидрида (SO₂), фреонов (фторохлорпроизводные углеводородов, характерным представителем которых является фреон-12 CF₂CI₂) и др. Паровые холодильные установки, обладающие большой надеж­ностью действия, получили в промышленности самое широкое рас­пространение. Кроме газовых и паровых, существуют холодильные установки, основанные на других принципах: пароэжекторные и абсорбцион­ные. В них для производства холода затрачивается не механическая работа, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой.

В пароэжекторной холодильной машине для сжатия холодиль­ного агента используется кинетическая энергия струи рабочего пара произвольного вещества. Такая холодильная установка отличается невысоким термодинамическим совершенством и в промышленности применяется редко. Более широкое распространение получили аб­сорбционные холодильные установки. В них для получения холо­дильного эффекта используется (как и в па-роэжекторных) энергия в виде теплоты.

Холодильная установка, в отличие от теплового двигателя, работает по обратно­му, или холодильному, циклу, наиболее со­вершенным типом которого является об­ратимый обратный цикл Карно (рис. 21-1). В процессе 1-4 к холодильному агенту подводится теплота q₂, отнимаемая от ох­лаждаемых тел; она изображается пл. 51465. В процессе 2-3 от холодильного агента от­водится теплота q₁ изображаемая пл. 52365. Эта теплота передается верхнему источнику теплоты при температуре, рав­ной постоянной температуре в процессе 3-2. Пл. 12341 эквива­лентна затрачиваемой механической работе.

Показателем совершенства обратного цикла является холодиль­ный коэффициент

Чем больше отнимается теплоты q₂ и чем меньше при этом затра­чивается механической работы или чем больше в, тем совершенней будет холодильный цикл. Холодильный коэффициент произвольного обратного цикла имеет по сравнению с холодильным коэффициентом обратного цикла Карно меньшее числовое значение.

§ 21-3. Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Н аибольшее распространение для охлаждения тел до темпера­туры — 20° С получили холодильные установки, в которых холо­дильным агентом являются легкокипящие жидкости — аммиак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (желательно близких к атмосферному).

Схема холодильной компрессорной установки, работающей на парах аммиака (NH₃), представлена на рис. 21-8. В компрессоре сжи­мается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с боль­шой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в точке 1 (рис. 21-9). Из компрессора пар нагнетается в кон­денсатор, где полностью превращается в жидкость (процесс 1-5-4). Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вен­тиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Затем жидкий аммиак с низкой температу­рой поступает в охладитель, где, получая теплоту (в процессе 3-2), испаряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждае­мых камерах. Процесс дросселирования, как необратимый процесс, изображается на диаграмме условной кривой 4-3.

В паровой компрессорной установке не применяется расшири­тельный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регу­лировочном вентиле. Замена расширительного цилиндра дросселем сопровождается возрастанием энтропии, что вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, по эта замена значительно упро­щает установку и дает возможность легко регулировать давление пара и получать необходимую температуру в охладителе, так как в области двухфазных состояний эффект охлаждения при дросселиро­вании будет таким же, как и при адиабатном процессе расширения. При наличии расширительного цилиндра процесс пошел бы по адиа­бате 4-9. Потеря холодопроизводительности от замены расширитель­ного цилиндра дроссельным вентилем измеряется пл. 93769, поэтому холодопроизводительность всей установки уменьшается и будет изображаться пл. 73287 (i₂ — iз) = (i₂ — i₄)-

Количество теплоты q₂, получаемое 1 кг аммиака от охлаждаемых тел, изображается пл. 73287. Количество теплоты q₁, отведенное охлаждающей водой в конденсаторе, изображается пл. 645186. Работа, затраченная на совершение цикла, равна l = q₁ — q₂ = = пл. 64512376 = пл. 10451210 - i₁, — i₂. Равенство пл. 64512376 и 10451210 следует из условия, что дросселирование аммиака проте­кает при равенстве энтальпий в точках 4 и 3.

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки будет

где — количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе; - работа, затраченная при адиабатном сжатии пара в компрессоре.

Отсюда холодильный коэффициент установки равен

Значения энтальпий в уравнении (21-4) определяют по is-диаграмме или по таблицам для аммиака. Паровые холодильные уста­новки имеют большое преимущество перед воздушными. Они ком­пактны, дешевы и имеют более высокий холодильный коэффициент.

§ 21-5. Тепловой насос

По обратному циклу могут работать не только холодильные ма­шины, задачей которых является поддержание температуры охлаж­даемого помещения на заданном уровне, но и так называемые теп­ловые насосы, при помощи которых теплота низкого потенциала, забираемая от окружающей среды с помощью затраченной извне работы, при более высокой температуре отдается внешнему потре­бителю.

Характеристикой совершенства работы теплового насоса будет отношение отданной внешнему потребителю теплоты к затраченной на это работе, т. е.

Коэффициент ξ называют обычно или отопительным коэффициен­том, или коэффициентом теплоиспользования, или коэффициентом преобразования теплового насоса. Работа теплового насоса в прин­ципе не отличается от работы холодильной установки. Тепловой на­сос для нужд отопления применяют в тех случаях, когда имеется источник теплоты с низкой температурой (например, вода в различных водоемах; вода, получаемая после охлаждения гидрогене­раторов и др.), а также источник дешевой работы. Использование теплоты источников с низкой температурой может иметь для народ­ного хозяйства СССР определенное значение в районах, где будет производиться огромное количество дешевой электрической энер­гии на гидроэлектростанциях. Применение теплового насоса для целей отопления и коммунального теплоснабжения с использова­нием электроэнергии от обычных конденсационных электростанций экономически нецелесообразно.

Работа теплового насоса состоит в следующем. За счет тепло­ты источника с низкой температурой в испарителе l происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой ки­пения (аммиак, фреоны) (рис. 21-13). Полу­ченный пар направляется в компрессор 2, в котором температура рабочего тела повы­шается от t₂ до t₁. Пар с температурой t₁ по­ступает в конденсатор 3, где при конденсации отдает свою теплоту жидкости, циркулирую­щей в отопительной системе. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дрос­сельный вентиль 4. Там он дросселируется с понижением давления от p₁ до р₂. После дрос­сельного вентиля жидкое рабочее тело снова поступает в испаритель 1.

Идеальный цикл теплового насоса ана­логичен циклу паровой компрессорной хо­л одильной установки (см. рис. 21-9).

Из рис. 21-9 видно, что затраченная работа, изображаемая пл. 10451210, вместе с теплотой источника низкой температуры пере­дается телу с более высокой температурой. Если обозначить теп­лоту, получаемую фреоном в испарителе, через q₂, а теплоту, от­данную в отопительную систему, через q₁ и затраченную работу в компрессоре через l, то

Из рассмотрения цикла следует, что

Энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не из­меняется, поэтому i₄ = i₃, а

откуда

(21-6)

Если бы тепловой насос работал по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования был бы равен

Например, при отопленииздания зимой температура речной воды равна Т₂~280°К, а температура рабочего тела в отопительной сис­теме T₁ = 350°K, при этих условиях

Эта величина показывает, что тепловой насос передает теплоты в отопительную систему в пять раз больше, чем затрачивается ра­боты. Если на механическую работу расходуется 1 Мдж электро­энергии, то в отопительную систему передается 5 Мдж теплоты, т. е. в пять раз больше, чем при чисто электрическом отоплении. Следовательно, энергохозяйственные перспективы использования тепловых насосов, безусловно, велики, и там, где это необходимо, они должны получить широкое распространение.

В ряде случаев благоприятные условия применения теплового насоса получаются, если осуществить привод компрессора непосред­ственно от поршневого двигателя внутреннего сгорания. В таких установках в качестве источника теплоты с низкой температурой используют воду, охлаждающую цилиндры двигателя, а теплоту отходящих газов используют в котлах-утилизаторах отопительной системы.

7. Теоретические основы процесса теплопроводности (закон Фурье, расчет теплового потока и термического сопротивления стенок различной формы) и его применение в расчетах теплотехнического оборудования систем ТГСВ и строительных конструкций зданий.

   ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

§ 22-1. Температурное поле

Теплопроводность представляет собой процесс распростра­нения энергии между частицами тела, находящимися друг с дру­гом в соприкосновении и имеющими различные температуры.

Рассмотрим нагрев какого-либо однородного и изотропного те­ла (в дальнейшем будем рассматривать только такие тела). Изотропным называют тело, обладающее одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. При нагреве такого тела тем­пература его в различных точках изменяется во времени и теплота распространяется от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. Из этого следует, что в общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопро­вождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени, т. е.

(22-1)

где t — температура тела;

х, у, z — координаты точки;

τ — время.

Эта функция определяет температурное поле в рассматриваемом теле. В математической физике температурным полем называют совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства, в котором протекает процесс.

Если температура тела есть функция координат и времени, то температурное поле тела будет нестационарным, т. е. зависящим от времени:

(22-2)

Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теп­лопроводности.

Если температура тела есть функция только координат и не из­меняется с течением времени, то температурное поле тела будет стационарным:

(22-3)

Уравнение двухмерного температурного поля для режима: ста­ционарного

Нестационарного

На практике встречаются задачи, когда температура тела яв­ляется функцией одной координаты, тогда уравнение одномерного температурного поля для режима:

нестационарного

стационарного

(22-4)

Одномерной, например, является задача о переносе теплоты в стенке, у которой длина и ширина бесконечно велики по сравне­нию с толщиной.

§ 22-2. Температурный градиент

Если соединить точки тела с одинаковой температурой, то полу­чим поверхность равных температур, называемую изотермической. Изотермические поверхности между собой никогда не пересекаются.

О ни либо замыкаются на себя, либо кон­чаются на границах тела.

Рассмотрим две близкие изотермические поверхности с температурами t и t + Δt (рис. 22-1). Перемещаясь из какой-либо точки А, можно обнаружить, что интенсив­ность изменения температуры по различ­ным направлениям неодинакова. Если пе­ ремещаться по изотермической поверхно­сти, то изменения температуры не обна­ружим. Если же перемещаться вдоль какого-либо направления S, то будет наблюдаться изменение температуры. Наибольшую разность температур на единицу длины будем наблюдать в направлении нор­мали к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по нормали Δn, когда ан стремится к нулю, называют градиентом температуры:

(22-5)

Температурный градиент есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по нормали п. За положительное направление градиента принимается направление возрастания температур.

§ 22-3. Основной закон теплопроводности

Для распространения теплоты в любом теле или пространстве необходимо наличие разности температур в различных точках тела. Это условие относится и к передаче теплоты теплопроводностью, при которой температурный градиент в различных точках тела не дол­жен быть равен нулю.

Связь между количеством теплоты dQ, проходящим через эле­ментарную площадку dF, расположенную на изотермической по­верхности, за промежуток времени dτ и температурным градиентом устанавливается гипотезой Фурье, согласно которой

(22-6)

Минус в правой части показывает, что в направлении теплового потока температура убывает и величина grad t является величиной отрицательной. Множитель пропорциональности К называют коэффициентом теплопроводности. Уравнение (22-6) носит название основного уравнении теплопроводности, или закона Фурье. Справед­ливость гипотезы Фурье подтверждается опытами.

Количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, называют плотностью, или век­тором, теплового потока:

(22-7)

Вектор теплового потока направлен по нормали к изотермиче­ской поверхности в сторону убывания температуры. Векторы q и grad t лежат на одной прямой, по направлены в противоположные стороны.

Количество теплоты, прошедшей в единицу времени через изотермическую поверхность F, называют тепловым потоком:

(22-8)

Количество теплоты, прошедшее за время т через изотермическую поверхность F конечных размеров, определяют из уравнения

(22-9)

Таким образом, для определения количества теплоты, проходя­щей через какую-либо изотермическую поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и составляет основную задачу аналитической теории теплопроводности.

§ 22-4. Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности λ, есть физический параметр вещества, характеризующий его способность проводить теплоту. Размерность коэффициента теплопроводности определяется из уравнения (22-8):

Числовое значение коэффициента теплопроводности определяет количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, при условии, что температурный градиент равен единице (grad t = 1). Коэффициент теплопроводно­сти зависит от давления и температуры. Для большинства веществ коэффициенты теплопроводности определяются опытным путем и для технических расчетов берутся из справочных таблиц.