В результате расширения и сжатия рабочего тела получена работа W0= W \—W2, равная исчезнувшему ко­ личеству теплоты. Следовательно, процесс 1-2-3-6-1—■ круговой процесс, или цикл.

Работу, полученную от теплового двигателя, исполь­ зуют для приведения в движение машин и механизмов. Поэтому ее называют полезной работой теплового дви­ гателя, а теплоту р0>за счет которой эта работа совер­ шена, называют полезной теплотой.

1.9.2. Цикл Карно

Пусть рабочее тело (единица массы газа) находится в цилиндре, стенки которого полностью теплоизолирова­ ны. Газ при необходимости приходит в соприкосновение с источниками теплоты, имеющими температуру Т\ и Гг и, следовательно, отдает или получает теплоту. Рассмот­ рим цикл Карно в pv- и Ts-диаграммах (рис. 1.10). На­ чальное состояние газа характеризуется точкой 1. От этой точки Карно предложил сначала осуществлять изо­ термический процесс расширения за счет подвода тепло­ ты q1 от источника с температурой Т\. Этот процесс в ру-диаграмме показан изотермой 1-2, а в ^-диаграм­ ме— прямой, параллельной оси s. От точки 2 дальней­ шее расширение совершается в ру-диаграмме по адиа­ бате 2—3, а в Ts-диаграмме по линии 2—3 при посто­ янной s. От точки 3, которая характеризует конечное состояние рабочего тела (газа) при его расширении, об­ ратный процесс — сжатие осуществляется в ру-диаграм- ме по изотерме 3—4 (см. рис. 1.10,а), при этом от газа отводится теплота q2 за счет соприкосновения его с ис­ точником, имеющим температуру Т2. Изотермический процесс 3—4 с отводом теплоты q2 в Гз-диаграмме изо­ бразится линией, параллельной оси s (см. рис. 1.10, 6). Окончание изотермического процесса 3—4 наступает тогда, когда газ, продолжая сжиматься, возвращается в исходную точку 1.

Очевидно, что полезная работа в ру-диаграмме выра­ жается фигурой 1-2-3-4. Ее площадь ограничена двумя изотермами 1—2 и 3—4 и двумя адиабатами, причем 2—3 соответствует процессу расширения, а 4— 1— про­ цессу сжатия. В Гя-диаграмме полезно затраченная теп­ лота «/о измеряется площадью прямоугольника 1-2-3-4.

Рис. 1.10. Цикл Карно

а — о ри*днаграмме; б —в Гз-днаграмме

ко от разности температур источника подводимой тепло­ ты Т\ и холодильника Г2. Термический КПД цикла Кар­ но не может быть равным единице, ибо Т^Т\ не может равняться нулю.

Реальные процессы не могут происходить по обрати­ мому циклу. За счет потерь на трение, теплообмен с окружающей средой и др. они необратимы. Поэтому КПД необратимого цикла Карно будет всегда меньше 1 - .(В Д ),

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Сформулируйте понятие о технической термодинамике.

?.Дайте определение энергии.

3.Что такое термодинамическая система? Какие термодинами­

ческие системы по условиям взаимодействия с другими термодина­ мическими системами вы знаете?

4.Дайте определение понятия «гидеальный газ».

5.Что называют термодинамическим параметром и какие ос­ новные термодинамические параметры вы знаете?

состояния.

10.Рассмотрите работуt совершаемую термодинамической си­

стемой.

11.Сформулируйте первый закон термодинамики и на его ос­

нове расскажите о термодинамических процессах изменения со­ стояния газа.

12.Постройте процессы изменения состояния газа в pv- и Ts-дцаграммах.

13.Расскажите о политропном процессе изменения состояния газа и постройте его в pv- и Тs-диаграммах.

14.Сформулируйте второй закон термодинамики и дайте по­

нятие о круговом процессе.

15. Из каких процессов складывается цикл Карно. Напишите зависимость термического КПД цикла Карно.

ГЛАВА 2. ВОДЯНОЙ ПАР

Водяной пар широко применяется в различных от­ раслях народного хозяйства, причем в основном в ка­ честве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. В промышлен­ ности строительных изделий и конструкций водяной пар используется для тепловлажностной обработки бетонных и силикатных изделий, для подогрева воздуха в про­ цессах сушки и пароувлажнения изделий. Кроме того, водяной пар идет на нужды отопления и вентиляции производственных зданий и на горячее водоснабжение.

2.1. Понятие о процессе парообразования

Представим себе, что мы заключили 1 кг воды в ци­ линдр с подвижным поршнем. Температура воды состав­ ляет 273 К, абсолютное давление р0 и удельный объем V ' Q. Для невысоких давлений можно принять энтальпию

/'о, тоже равную нулю [ i /Q = E i o + P o v ' o ) .

При нагреве воды в цилиндре температура ее и удельный объем будут увеличиваться1. Однако рост

начинает увеличиваться.

рой величины, зависящей от давления в цилиндре. При нормальном давлении (0,01013 МПа) эта температура составляет 373 К. Прекращение роста температуры (не­ смотря на дальнейшую подачу теплоты) объясняется из­ менением состояния воды — парообразованием, а достиг­ нутая температура — температурой кипения — Тк. Каж­ дому давлению соответствует определенная температура кипения. Эта зависимость приводится в справочной ли­ тературе.

Так как энтальпия воды при 273 К равна нулю, то энтальпия при нагреве до любой температуры в пределе от 273 до Тк будет измерять количество теплоты, кото­ рое было подведено, чтобы получить воду заданной тем­ пературы, т. е.

При этом температура воды остается постоянной, а ее объем увеличивается. Это объясняется возрастанием ско­ рости движения молекул воды, которые, преодолевая силу сцепления, переходят в парообразное состояние. При дальнейшем нагревании вся вода превращается в пар с такой же температурой, с которой начинался процесс парообразования. Этот пар как бы насыщает объем, в котором он находится, и поэтому назван на­ сыщенным паром, а его температура, равная темпера­ туре кипения, названа температурой насыщения Тв, сле­ довательно, ТК= Т В.

Обозначим удельный объем сухого насыщенного пара v", плотность р", энтальпию i". Так как энтальпия ки­ пящей воды t', то при переходе кипящей воды в насы­ щенный пар при p=const подведенное количество теп­ лоты qP— i"—t'= r . Это количество теплоты г называют

теплотой парообразования,

( 2.2)

Рассмотрим состояние воды, при котором в пар пе­ решла только часть кипящей воды в количестве х кг. Тогда единица рабочего тела состоит из х кг насыщен­ ного пара и 1—х кг кипящей воды. Такая смесь названа

влажным насыщенным паром. Состояние рабочего тела,

при котором вся кипящая вода перейдет в пар, назы­ вают сухим насыщенным паром.

Для характеристики влажного насыщенного пара в разных состояниях по количеству испаренной воды вводят понятия: степень сухости х, и степень влажности

1—х. Степенью сухости влажного насыщенного пара называют массовую долю влаги во влажном насыщен­ ном паре.

Обозначим характеристики влажного насыщенного пара vXy iX) р*, тогда при условии, что из кипящей воды перешло в пар х кг, количество подведенной для этого теплоты составит гх> т. е. qpx= ix—i'= rx , и энтальпия влажного насыщенного пара может быть вычислена по формуле

В практике при вычислении объема влажного насы­ щенного пара или влажного пара пренебрегают объе­ мом воды, находящейся во влажном паре, и объем влаж­ ного насыщенного пара считают равным объему х кг сухого насыщенного пара, находящегося в 1 кг влаж­ ного насыщенного пара. Тогда удельный объем влаж­ ного насыщенного пара подсчитывают по формуле

Плотность влажного насыщенного пара при тех же условиях составит

Е сли к сухому насыщенному пару продолжать под­ водить теплоту при p=const, то его температура и удельный объем начнут возрастать. Образующийся пар с более высокой температурой, чем температура насы­ щения при данном давлении, называют перегретым паром.

Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщения называют степенью перегрева пара. Следовательно, для перегрева до температуры Та к сухому насыщенному пару необходимо подвести коли­ чество теплоты, равное количеству теплоты для его пе­ регрева, т. е.

г=1"+ср(Гп—Гн). (2.6)

2.2.Построение процесса парообразования

вT s - и /«-диаграммах

Рассмотренный выше процесс парообразования 1 кг воды при 273 К, давлении ро, удельном объеме v'0 при условии нахождения ее в цилиндре с подвижным порш­ нем представим сначала в ^«-диаграмме (рис. 2.1).

Начальное состояние воды при Г0= 0 , «'о будет рав­ но нулю, и начало кривой процесса пройдет через коор­ динаты (273 К; 0) точки 1. Далее идет процесс подогре­ ва воды при p=const до температуры кипения Т1{. По­ строение изобарного процесса в 7«-диаграмме было рас­ смотрено ранее, поэтому на этой диаграмме нанесем изобару 1—2. Точка 2 соответствует температуре кипе­ ния Ти при давлении Ро■ Дальнейшее подведение тепло­ ты определяет процесс парообразования, который про­ ходит при постоянной температуре Тк, причем этот про­ цесс (см. прямую 2—3 ) — изотермический. Вся подве­ денная теплота в этом случае затрачивается на тепло­ ту парообразования.

В точке 3 последняя капля кипящей воды перейдет в пар, и состояние рабочего тела будет соответствовать

фигуры под кривой обратимого процесса 1-2-3-4 собтветствует количеству теплоты, подведенному к рабоче­ му телу. Тогда площадь под изобарой 1—2 соответству­ ет теплоте q', подведенной к жидкости, площадь под изотермой 2—3 — теплоте г, израсходованной на паро­ образование, а площадь под изобарой 3—4 — теплоте, затраченной на перегрев .пара qn.

Далее процесс парообразования ведем при более вы­

в точке /, но изобара будет идти не до точки 2, а до точки 2', так как температура кипения воды повысится. В точке 2' начнется процесс парообразования. На про­ цесс парообразования при более высокой температуре требуется меньше теплоты. Уменьшение теплоты идет как за счет снижения теплоты парообразования г, так и за счет повышения температуры, ибо Дs = s " —s'= r/T ,

т

Рис. 2.1. Процесс парообразования в Ts-диаграмме

снижается. В этом случае процесс парообразования идет до точки 3'.

При нанесении на диаграмму изобар с более высо­ ким давлением тенденция снижения расхода теплоты на парообразование сохраняется. В какой-то критической точке, назовем ее К, изотерма 2—3 исчезнет и превра­ тится в точку К. Такое давление называют критическим. Процесс испарения при критическом давлении приводит

ной кривой, а К—3 — верхней пограничной кривой. Ниж­ няя пограничная кривая характеризует состояние кипя­ щей воды. Область левее нижней пограничной кривой — жидкость, область верхней пограничной кривой — сухой насыщенный пар, а область правее и выше этой кри­ вой— перегретый, но ненасыщенный пар. Между ниж­ ней и верхней пограничными кривыми расположена об­ ласть влажного пара.

Для анализа процессов и циклов водяного пара ши­ роко применяется is-диаграмма (рис. 2.2). В ней, в от­ личие от Ts-диаграммы, параметрами состояния являют-

Рис. 2.2. is-диаграмма водяного пара

ся: теплота нагрева жидкости до кипения q', теплота парообразования г, энтальпия кипящей воды /', энталь­ пия сухого насыщенного пара i", а также энтальпия перегретого пара in представлены не площадями, а ли­ ниями. В /«-диаграмме на оси абсцисс откладываем зна­ чения энтропии s, на оси ординат значения энтальпии г. За начало отсчета принята нулевая точка — начало осей координат.

При составлении is-диаграммы по данным таблиц водяного пара сначала наносим нижнюю пограничную кривую (JC= 0). Координатами точек нижней погранич­ ной* кривой являются значения величин V и s', т. е. зна­ чения энтальпии и энтропии кипящей воды. Получаем кривую 0—К. Координаты точек верхней пограничной кривой ( я = 1) обозначают значения величин i" и s" сухого насыщенного пара. Возьмем на нижней погра­ ничной кривой точку В с координатами s' и i', соединим ее прямой линией с точкой С на верхней пограничной кривой, координаты которой s" и i".

Точки С я В, лежащие на пограничных кривых, ха­ рактеризуются одинаковым давлением. В этом случае расстояние между точками С и В по горизонтали равно s"—s'= r/T B, а по вертикали равно I"—i'= r. Прямая, соединяющая точки В и С,— изобара (p=const). При p=const величины s', Г и Тн постоянны, следовательно,

уравнение, связывающее координаты s'* и должно быть уравнением прямой линии. В области перегрето­ го пара, т. е. над верхней пограничной линией, изобары переходят в кривые с небольшой выпуклостью к оси абсцисс.

Кривые постоянной степени сухости пара получают путем деления отрезков изобар (например, В— С) меж­ ду пограничными линиями на равное число долей и сое­ диняют одноименные точки деления. Линии постоянной сухости пара хи х2>х3 и т. д. берут свое начало от кри­ тической точки К-

Изотермы на is-диаграмме показаны линиями, иду­ щими слева направо, но более полого, чем изобары. На практике is-диаграмму применяют не для всей области насыщения, а для части, используя более крупный мас­

пара по двум известным параметрам для влажного на­ сыщенного и перегретого пара. Параметры сухого насы­ щенного пара могут быть определены-по одному, извест­ ному, параметру (вторым параметром является х= 1 ). Например, чтобы определить температуру влажного пара, заданного его давлением р2 и степенью сухости х {точка а), необходимо из точки а подняться по изоба­ ре р2 до верхней пограничной кривой. В этом случае изотерма T2i ведущая свое начало в точке пересечения изобары р2 с верхней пограничной кривой, определит ис­ комую температуру влажного пара, одинаковую с тем­ пературой сухого насыщенного пара.

На диаграмме легко определить и количество тепло­ ты, затрачиваемое на испарение в изобарном процессе от точки В до точки С: r= i" —i'. Если в этом же изо­ барном процессе перегревать пар до точки D, то необ­ ходимо затратить на перегрев количество теплоты qu = = in—i" (см. рис. 2.2).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ1

1.Дайте характеристику видам водяного пара.

2.Перечислите параметры, определяющие каждый вид пара.

3.Как построить процесс парообразования в Тs-диаграмме?

4.Рассмотрите принцип построения is-диаграммы?

5.Расскажите о применении водяного пара в промышленности строительных изделий, материалов.

Тогда

Энтальпия водяного пара in может быть определена по теплотехническим таблицам.

3.2. /d -диаграмма влажного воздуха

Удельный расход теплоты и влажного воздуха в су­ шильных установках проще всего рассчитывать графи­ ческим методом с помощью /d -диаграммы. В /d -диа­ грамме 1 строят теоретический и действительный процес­ сы работы влажного воздуха (в качестве сушильного агента) по отбору (ассимиляции) влагц от материала, подвергаемого сушке.

По оси ординат (рис. 3.1) откладывают значения эн­ тальпий /, по оси абсцисс, расположенной под углом 135° к оси ординат, значения влагосоде^жаний возду­ ха d. Значения d указывают не на самой оси, а на вспо­ могательной горизонтальной оси. Перенос значений с оси абсцисс на вспомогательную выполнен по верти­ кали. Для определения координат точки 1 проводят из нее линии, параллельные осям координат, и читают зна­ чения так, как показано на рис. 3.1. Кроме этих осей

Рис. 3.1. Схема расположения осей координат в /d -диаграмме

1 /d -диаграмма была предложена проф. Рамзпным Л. К. для расчета сушильных процессов.

Рис. 3.2. Схема определения параметров паровоздушной смеси в /tf-диаграмме

справа проводят ось ординат, на которой откладывают значения парциальных давлений пара, находящегося во влажном воздухе.

На рис. 3.2 представлена схема /d -диаграммы. Кро­ ме значений энтальпий /, влагосодержаний й, парци­ альных давлений водяного пара в воздухе p'n= /(d ) на рис. 3.2 нанесены линии равнозначных относительных влажностей <p=const и изотерм T^const.

Если в /d -диаграмме задана какая-либо точка, на­ пример А, то по ее положению можно определить все параметры состояния влажного воздуха: энтальпию ]л, влагосодержание йл, относительную влажность срд, тем­ пературу Та, парциальное давление водяного пара во влажном воздухе р'л.

Наоборот, если состояние воздуха задано двумя ка­ кими-либо параметрами (чаще всего <р и Т), на пересе­ чении их линий находим точку, а по этой точке —другие параметры. Например, задано фв и Тв, найдем точку В, по точке В определим (аналогично с точкой А) все другие параметры.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Дайте понятие о влажном воздухе и его применении при тепловой обработке строительных изделий.

2.Расскажите о влагосодержании воздуха и параметрах, его определяющих.

3.Что называют абсолютной и относительной влажностью воз­

духа?

4.Опишите принцип построения и координируемые параметры Jd-диаграммы.

ГЛАВА 4. ОСНОВЫ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

Тепловая обработка материалов и изделий во мно­ гом определяет качество готовой продукции. При тепло­ вой обработке материала в нем происходят физико-хи­ мические превращения, формируется его структура, идут процессы тепло- и массообмена, возникает напряженное состояние. Эти процессы подчиняются основным зако­ нам физики и химии.

В каждой установке, в которой производится тепло­ вая обработка материалов и изделий, создается свой тепловой режим.

Тепловой режим представляет собой совокупность создаваемых для обработки материалов и изделий теп­ ловых, массообменных и гидродинамических процессов. За счет созданного теплового режима в материалах про­ исходят физико-химические процессы, например тверде­ ние, спекание, вспучивание и т. п.