10.2 Теплоотдача при сверхкритическом состоянии вещества

В настоящее время в технике используются высокие давления и высокие температуры. В некоторых установках давление теплоносителя превышает термодинамическое критическое давление. Температура при этом может быть как больше, так и меньше термодинамической критической температуры.

Сверхкритическая область состояния характеризуется своеобразным и значительным изменением физических свойств вещества. Особенно резко изменяется изобарная теплоемкость.

В сверхкритической области теплоемкость может изменяться во много раз и проходить при этом через максимум. Температуру, соответствующую максимуму теплоемкости при постоянном давлении, называют псевдокритической. В этой области происходит существенное изменение всех теплофизических свойств, поэтому это приведет к изменению расчетных формул.

10.3 Теплоотдача при движении газа с большой скоростью

Теплоотдача при больших скоростях течения газов имеет ряд особенностей, неучет которых может привести к существенным ошибкам.

Согласно первому закону термодинамики для струйки газа можно написать:

где h – удельная энтальпия, Дж/кг;

– кинетическая энергия струйки;

Q – тепловой поток на участке струйки между поперечными сечениями 1 и 2, Вт;

G – расход газа, кг/с.

Это уравнение записано для 1 кг газа. Предполагается, что по поперечному сечению струйки параметры потока не изменяются.

Для адиабатного процесса возрастание кинетической энергии потока может происходить только при понижении энтальпии. И наоборот, если энтальпия повышается, то уменьшается кинетическая энергия, а, следовательно, и скорость. Изменение энтальпии приводит к изменению температуры газа.

Энтальпия h_о при полном адиабатном торможении называется энтальпией адиабатного торможения

Температура, которую принимает газ при полном адиабатном торможении, называется температурой торможения.

Подставив в уравнение энтальпии h_о значение энтальпии для термодинамически идеальных газов: h = с_pT и разделив обе части уравнения на с_р, получим

Из термодинамики известно, что

где - отношение удельных теплоемкостей при постоянных давлении и объеме.

Величина w/a представляет собой отношение скорости потока к скорости звука в этой же точке. Это отношение обозначают через М и называют числом Маха. Если М<1, то поток называется дозвуковым, если М>1 – сверхзвуковым.

С учетом полученных выражений, можем записать, что

Если поток находится в звуковой области (М=1), тогда Т_о = 1,2Т, т.е. температура торможения в звуковой области равна 1,2Т термодинамической температуры. Если взять М = 5, тогда Т_о = 6Т.

В реальных условиях процесс перехода механической энергии в теплоту сопровождается обменом теплотой и работой между смежными слоями газа. Обмен будет иметь место и в том случае, когда твердое тело теплоизолировано и теплоотдача между телом и газом отсутствует. Ввиду этого частицы газа, непосредственно прилегающие к поверхности теплоизолированного тела, будут иметь температуру, превышающую температуру газа вдали от тела, при этом, не равную температуре торможения. Эта температура называется адиабатной, собственной или равновесной.

Таким образом, адиабатной называется температура, которую показал бы неподвижный теплоизолированный термометр, находящийся в потоке жидкости. Термометр показал бы термодинамическую температуру незаторможенного газа только в том случае, если бы он двигался вместе с газом.

Адиабатная температура определяется:

где r – коэффициент восстановления температуры. Он может быть больше или меньше 1.

Если интенсивность выделения теплоты трения преобладает над интенсивностью отвода теплоты в газ конвекцией и теплопроводностью, то r >1. Если r<1 – преобладает отвод теплоты. Если r=1, то процессы выделения и отвода теплоты уравновешены.

Вопросы к теме 10.

1. Какие особенности теплообмена разряженных газов?

2. Что характеризует коэффициент аккомодации?

3. Записать число Кнудсена, что оно определяет?

4. Что характерно для сверхкритической области состояния вещества?

5. Какие особенности движения газа с большой скоростью?

6. Что называется энтальпией и температурой адиабатного торможения?

7. Что характеризует число Маха? Какой поток называется дозвуковым и сверхзвуковым?

8. Как определяется адиабатная температура?

38