Техническая термодинамика и теплопередача. Учебное пособие

Ниже приведены температуры инверсий некоторых газов:

Процесс дросселирования в какой-то степени вреден в технике, так как при передаче газа по трубопроводам в результате прохож- дения различных заслонок, клапанов и просто сужения каналов давление газа падает, т. е. теряется часть энергии, способной совершать работу.

Дросселирование иногда используют для понижения давления с помощью протарированных дроссельных шайб.

Понижение температуры в результате дросселирования используется в парокомпрессионных холодильниках (дроссельный вентиль).

1.24. КОМПРЕССОРЫ

Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газа.

Компрессор является одним из основных агрегатов газотурбин- ных, поршневых и комбинированных двигателей. Компрессоры используются в металлургии, нефтяной промышленности, в пневмо- инструментах, холодильных агрегатах.

По способу сжатия воздуха или газа компрессоры можно разде- лить на две группы. К первой относятся объемные компрессоры (поршневые, ступенчатые, ротационные). Давление в них повышается при непосредственном уменьшении объема газа, поступающего в рабочее пространство.

Ко второй группе относятся компрессоры центробежные, осе-

вые и диагональные.

Несмотря на конструктивные различия компрессоров, с термо- динамической точки зрения процессы сжатия, происходящие в них, одинаковы. Задачей термодинамического анализа является определе- ние работы, которую необходимо затратить для получения некоторо- го количества (например, 1 кг) сжатого газа при заданных начальных и конечных параметрах.

51

1.25. ДИАГРАММА РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Поршневой объемный компрессор – компрессор статического

2

p1

1

Рис. 1.29. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора

При движении поршня слева на право открывается всасываю- щий клапан, цилиндр заполняется газом, т. е. 1–2 – всасывание при давлении p1 (например, давлении окружающей среды). При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 2–3 (более подробно о процессе сжатия поговорим позднее). При достижении давления p2 в точке V3 срабатывает нагнетательный клапан, и газ выталкивается поршнем в сеть.

Давление остается постоянным до конечной точки движения поршня, затем мгновенно падает до p1, и все повторяется сначала.

Работа, затрачиваемая на сжатие газа, представляет собой пло- щадь фигуры 1–2–3–4. Эта работа зависит от характера процесса сжа-

52

тия 2–3. На следующем графике (рис. 1.30) изображены изотермиче- ский (n = 1), адиабатный (n = k) и политропный процессы сжатия.

p

2 2` 2``

n = k

n ≈ 1,2

n = 1

1

V

Рис. 1.30. Сравнение работы изотермического, адиабатного и политропного сжатия

Сжатие по изотерме 1–2 дает наименьшую площадь, т. е. про- исходит с наименьшей затратой работы, следовательно, применение изотермического сжатия в компрессоре является энергетически наи- более выгодным.

Чтобы приблизить процесс сжатия к изотермическому, необхо- димо отводить от сжимаемого газа тепло.

Это достигается путем охлаждения наружной поверхности ци- линдра водой, подаваемой в рубашку, которая образуется полыми стенками цилиндра. Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе 1 − 2′с показателем n = 1,18…1,20, поскольку достичь значения n = 1 не удается.

Работа, затрачиваемая на сжатие, находится по формуле

Если расход газа в компрессоре m, кг/с, то теоретическая мощ- ность привода компрессора определяется по уравнению

53

С помощью одноступенчатого компрессора можно повышать давление ≈ до 1 МПа (≈ 10 атм.). Для получения газа более высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры.

1.26.МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР

Вмногоступенчатых компрессорах сжатие газа осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах с его промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благопри- ятные условия смазки.

Рассмотрим для примера процесс сжатия газа в трехступенчатом компрессоре (1.31).

V

Рис. 1.31. Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора

Газ всасывается в первый цилиндр (0–1), сжимается по поли- тропе 1–2 и поступает в промежуточный холодильник (2–3), где ох- лаждается. Затем газ всасывается во второй цилиндр (3–4), сжимается (4–5) и поступает в холодильник (5–6), охлаждается и поступает в цилиндр (6–7) третьей ступени, где сжимается до давления p4 и идет потребителю.

Чем больше число ступеней сжатия и промежуточных охлади- телей, тем ближе процесс к наиболее экономичному – изотермиче- скому, но тем сложнее и дороже конструкция компрессора. Поэтому вопрос о выборе числа ступеней решается на основании технических и технико-экономических соображений.

54

Процесс сжатия в реальном компрессоре характеризуется наличием потерь на трение, наличием объема вредного пространст- ва, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, рассчитывается по формуле для lk.

Эффективность работы реального компрессора определяется

относительным внутренним КПД, представляющим собой отно-

шение работы, затраченной на привод идеального компрессора, к действительной.

1.27. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Охлаждение тел до температуры, лежащей ниже температуры окружающей среды, осуществляется с помощью холодильных уста- новок, работающих по обратному тепловому циклу.

Холодильная установка включает в себя устройство для сжа- тия рабочего тела (компрессор или насос) и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела, или так называемого хладоагента. Расширение рабочего тела может происходить с совершением полезной работы (в поршневой машине), и без совершения работы путем дросселирования. Эффективность работы определяется холодильным коэффициентом ε = q2/lц, где q2 – тепло, отведенное от охлажденного тела, lц – затраченная на это работа цикла.

Холодильные установки по роду хладоагента делятся на две основные группы:

1)газовые, в частности – воздушные установки, когда рабо- чим телом является газ;

2)паровые; хладоагентом выступают пары.

Отдельную группу составляют термоэлектрические холодиль- ные установки, где используется эффект Пельтье.

1.28. ЦИКЛ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Воздушные холодильные установки были одними из первых, применяемыми на практике. Основными элементами установки явля-

ются (рис. 1.32):

1 – детандер (устройство, где воздух, расширяясь, совершает работу);

2 – охлаждаемая камера;

55

3 – компрессор;

4 – охладитель.

4

2

Рис. 1.32. Схема воздушной холодильной установки

Процессы в охлаждаемой камере и охладителе идут при посто- янном давлении, в компрессоре давление повышается, а в детандере падает, причем эти процессы можно считать адиабатными. Таким образом, идеализированный цикл холодильной машины состоит из двух изобар и двух адиабат. Изобразим их в p, v и T, S-координатах

(рис. 1.33).

S

Рис. 1.33. Цикл воздушной холодильной установки в p, v и T, S-координатах

Идеализированный цикл холодильной машины включает: 1–2 – адиабатное расширение (в детандере); 2–3 – изобарный подвод тепла, воздух нагревается; 3–4 – адиабатное сжатие в компрессоре;

4–1 – изобарный процесс отвода тепла, воздух остывает.

В настоящее время воздушные холодильники не применяются на практике из-за их небольшой холодильной мощности и громоздкости.

56

1.29. ЦИКЛ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В парокомпрессионных холодильных установках в основном осуществляются те же процессы, что и в воздушных холодильниках. В качестве хладагентов применяют легкокипящие жидкости с ts ≤ 0 °С, такие как аммиак NH3, сернистый ангидрид SO3 и фреоны – фторо- хлоропроизводные углеводородов: CmHxFyClz. Основные требования к хладагентам следующие:

низкая температура кипения ts ≤ 0 °С;

давление насыщенных паров в рабочем интервале температур должно быть не слишком высоким или низким;

нетоксичность (особенно для бытовых холодильников); низкая коррозионная активность;

желательно высокое значение r – теплоты парообразования. Сейчас наиболее широко используются фреоны, например, фре-

он 12, фреон 22. Приведем их температуры кипения:

Кстати, первая холодильная установка работала на парах эфира (1834 год), фреоны стали входить в практику в 30-х годах двадцатого века.

В настоящее время проводятся работы по синтезу и применению новых хладагентов, которые не разрушали бы озоновый слой Земли. Многие страны производят именно такие холодильники.

Итак, рассмотрим принципиальную схему парокомпрессионного холодильника и цикл работы в T, S-координатах (рис. 1.34).

3

2

Рис. 1.34. Схема парокомпрессорной холодильной установки:

1 – дроссельный вентиль; 2 – охлаждаемая камера или испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор

57

Процесс работы установки осуществляется следующим образом. В компрессоре 3 происходит адиабатное сжатие (процесс 3–4), в результате образуется перегретый пар с высокими T и p. Он посту- пает в конденсатор 4, где сначала происходит его охлаждение при p = const (линия 4–5), а затем конденсация при p, T = const. Тепло q1 отдается во внешнюю среду. Жидкость поступает в дроссельный вентиль 1, где происходит процесс дросселирования (необратимый процесс 1–2) (рис. 1.35).

T

q1 4

Рис. 1.35. Цикл парокомпрессионной холодильной установки в T, S-координатах

Давление и температура падают, из вентиля выходит влажный пар (состояние в точке 2). Он поступает в испаритель 2, где отбирает тепло q2 (например, от продуктов) и за счет этого при постоянных p и T испаряется (линия 2–3). Из испарителя пар направляется снова в компрессор.

Цикл, совершаемый в такой машине, отличается от обратного цикла Карно только наличием необратимой адиабаты 1–2.

Для получения весьма низких температур (от –40 до –70 °С) одноступенчатые парокомпрессионные установки оказываются не- экономичными или непригодными. Тогда применяют многоступен- чатое сжатие.

Холодильный коэффициент агрегатов на фреоне с холодопроиз- водительностью ~200 кВт равен ε = 3–4.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие параметры состояния рабочего тела являются основными?

2.Как формулируется уравнение состояния идеального газа?

3.Что такое равновесный термодинамический процесс?

4.В каких единицах измеряется теплоемкость; удельная тепло- емкость?

5.Какие факторы оказывают влияние на теплоемкость газов?

58

2. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Теплопередача является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены еще М. В. Ломоносовым, который в середине XVIII века создал механическую теорию теплоты и сформулировал основы закона сохранения и превращения материи и энергии. С раз- витием техники и ростом мощности устройств и машин роль процес- сов переноса тепла в различных тепловых устройствах возросла. Особенно важную роль наука о теплообмене играет в развитии авиационной и ракетно-космической техники, где совершенствование летательных аппаратов связано с повышением температуры продук- тов сгорания в двигателях, а увеличение скорости полета сопровож- дается увеличением температуры обтекающего аппарат воздуха.

Окончательное учение о теплоте – теория тепломассообмена – сформировалось в самостоятельную научную дисциплину лишь в начале ХХ века. Значительный вклад в него внесли русские ученые: М. В. Кирпичев, А. А. Гухман, советские: Г. М. Кондратьев, М. А. Михеев, C. C. Кутателадзе. Большое развитие в нашей стране получила теория подобия, являющаяся по существу теорией экспе- римента.

2.1. ВИДЫ (СПОСОБЫ) ТЕПЛООБМЕНА

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры. Наблюдения за процессами распространения теплоты показали, что теплообмен – сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых. Теплота может передаваться простейшими, принципиально отличными друг от друга способами:

1)теплопроводностью;

2)конвекцией;

3)излучением.

Теплопроводностью называется процесс переноса тепла (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Причем обмен энергией осуществляется микрочастицами, из которых состоят вещества: моле- кулами, атомами, свободными электронами. За счет взаимодействия друг с другом быстродвижущиеся микрочастицы отдают свою

60