Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая теплотехника. Учебное пособие
.pdf
Насыщенным влажным воздухом называют смесь насыщенного
пара с сухим воздухом.
Он содержит максимально возможное при заданных условиях коли-
чество пара.
В таком воздухе испарение не наблюдается, а малейшее его охла-
ждение приводит к образованию конденсата в форме росы. Поэтому тем-
пературу насыщенного влажного воздуха называют
ки росы p
.
t
температурой точ-
Ненасыщенный влажный воздух – влажный воздух, содержащий
при данной температуре водяной пар в перегретом состоянии (p
п<pн
).
Абсолютной влажностью f называют массу пара, содержащегося
3
в 1 м
влажного воздуха.
Относительной влажностью
ϕ
называют отношение абсолютной
влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной
влажности насыщенного воздуха при той же температуре:
/ ρн
= ρ
п
ϕ = 0, для ненасыщенного ϕ < 1, для насыщен-
ного
Для сухого воздуха
ϕ = 1(100%).
ϕ
= fп / fн = pп / pн
Давление влажного воздуха как газовой смеси определяется по фор-
муле:
p
где p
– парциальное давление сухого воздуха; pп – парциальное давление
с.в.
в.в.
= p
+ pп, (42)
с.в.
перегретого пара.
Масса влажного воздуха, находящегося в некотором объеме V:
m
в.в.
= m
+ mп. (43)
с.в.
Плотность влажного воздуха:
ρ
в.в.
= ρ
с.в.
+ ρ
п.
(44)
Влагосодержание d – это отношение массы пара к массе сухого воз-
духа:
d = m
/ m
п
. (45)
с.в
Связь между влагосодержанием с относительной влажностью:
d = 0,622
где p
– парциальное давление насыщенного пара.
н
ϕ·p
·/( p
н
- ϕ pн).
в.в.
Молекулярная масса влажного воздуха:
μ = 28,95 – 10,934ϕ pн / p
при температуре воздуха t берется из таблицы водяного
н
– по барометру.
в.в.
пара,
Значение p
ϕ – по данным психрометра, p
в.в.
(46)
31
Энтальпия влажного воздуха определяется как энтальпия газовой
смеси, состоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:
Н = h
+ hп d. (47)
с.в.
Объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:
Vв.в.
= R·T / р, (48)
где R – газовая постоянная.
Удельный обьем влажного воздуха:
ν = Vв.в.
/ (1 + d). (49)
Удельная массовая теплоемкость влажного воздуха равна сумме 1
кг сухого воздуха и d кг пара:
с
в.в.
= с
+ d· сп . (50)
с.в
1.21. H-d диаграмма влажного воздуха
H-d диаграмма влажного воздуха показана на рис. 13. На ней нанесе-
ны сетка кривых относительной влажности
ϕ = const, сетка изотерм t =
const и линии Н = const, направленные под углом 45° к вертикали. Наличие
этих сеток позволяет по любым двум заданным параметрам из перечня t,
ϕ, d и Н найти точку на диаграмме, а значит и другие два неизвестных па-
раметра.
АВ – процесс нагрева на H-d диаграмме изображается вертикальной
прямой линией при d = const.
Рис. 13
СD – процесс охлаждения при d = const. Он справедлив только до со-
стояния полного насыщения (φ = 100%). При дальнейшем охлаждении
воздух будет пересыщен влагой, и она будет выпадать в виде росы.
32
Процесс конденсации можно условно считать проходящим по
φ = 100%. Например, при конденсации от точки D до точки Е количество
выделившейся влаги будет равно d
– d2 .
1
Чтобы определить температуру точки росы, проводим из данной
точки вертикаль по d = const до пересечения с φ = 100%. Изотерма, проходящая через эту точку пересечения, и будет определять температуру точки
росы.
На нашей диаграмме мы опускаемся по d = const из т. С в т. D.
Изотерма, проходящая через т. D, будет определять температуру точки
росы.
Температурой мокрого термометра tм является такая температура,
которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и сохранения постоянной энтальпии воздуха, равной начальной. Для
определения температуры мокрого термометра необходимо на поле Н-d
диаграммы через точку, соответствующую состоянию влажного воздуха,
провести линию h = const до пересечения с кривой φ = 100%. Изотерма,
проходящая через точку пресечения, соответствует значению температуры
воздуха
по мокрому термометру.
На нашей диаграмме мы опускаемся по h = const из т. С в т. О.
Изотерма, проходящая через т. О, будет определять температуру мокрого термометра.
1.22. Стационарное течение газа в потоке
Теория газового потока базируется на основных положениях термодинамики и некоторых допущениях:
– течение газа установившееся, т.е. в каждом выделенном сечении
параметры газа во всех его точках остаются постоянными;
– от сечения к сечению параметры газа практически не изменяются.
Т.е. газ при своем движении будет проходить ряд последовательных
равновесных
состояний.
Чтобы описать стационарное течение газа, используются следующие уравнения:
1. Уравнение неразрывности потока.
Уравнение неразрывности характеризует неизменность массового
расхода газа в любом сечении канала при установившемся течении:
Gv = Fw. (51)
Так как ρ = m/V или для 1кг газа ρ = 1/v, v = 1/ ρ, то
G = ρFw = ρ1F1w1 = ρ2F2w2 = const,
где G – массовый секундный расход газа; F1, F2 – площади поперечных
сечений канала; w1, w2 – скорости в соответствующих сечениях; ρ 1, ρ 2 –
плотности газа для данных сечений.
33
2.Уравнение состояния для реальных газов (описано в п.1.18).
A
w
gdH
3.Уравнение первого закона термодинамики для потока.
Рассмотрим течение газа в канале произвольной формы, внутри которого имеется некое механическое устройство (компрессор или турбина),
в результате действия которого совершается механическая работа. Будем
рассматривать установившиеся режимы течения (G = const).
Сечениями А–А и В–В выделим мысленно один килограмм газа, который будет перемещаться по каналу. Наш килограмм газа стал
теперь
термодинамической системой. Через какое-то время система изменит свои
параметры. Запишем для нее выражение первого закона термодинамики:
dudvpdudq
d
или
dAdqdu
.
Здесь
dq = dq
где dq
– внешний теплообмен; dqтр – выделение тепла в результате пре-
вн
+ dqтр,
вн
одоления внутреннего трения.
dА = dА
где dА
– работа проталкивания, затрачиваемая на перемещение (про-
прот
талкивание) выделенного объема вдоль по каналу; dА
ленная на изменение кинетической энергии газа; dА
ная на изменение потенциальной энергии газа; dА
на преодоление внутреннего трения; dА
+ dАп + dАк + dАтр + dАу,
прот
– работа, направленная на совер-
у
– работа, направ-
п
– работа, направлен-
к
– работа, направленная
тр
шение механической работы.
Для элементарно малого процесса можно записать:
dА
= d( pv),
прот
где dАк и dАп определяются изменением величин соответствующих видов
энергии.
22
mw
(
ddEdA
кк
2
w
d
,
wd
)
()
2
)()(
пп
С учетом наших преобразований
du = dq
dq
du = dq
+ dqтр − d( pv) − gdH − wdw − dАтр – dАу,
вн
≈ dАтр, эти слагаемые уничтожаются.
тр
− d( pv) − gdH − wdw − dАу; →
вн
du + d( pv) = dq
d(u + pv) = dq
− gdH − wdw − dАу; → h= u + pv →
вн
Выражение первого закона термодинамики для потока в тепло-
вой форме:
dh = dq
34
вн
gHdmgHddEdA
− gdH − wdw − dАу; →
вн
.
− gdH − wdw – dАу. (52)
На практике величиной dqвн, изменением потенциальной энергии
(dH) пренебрегают. Также если отсутствуют турбины или компрессоры,
формула
первого закона термодинамики для потока примет вид:
dh = −wdw.
1.23. Дросселирование
При наличии трения за счет dqтр увеличивается энтропия газа.
В предельном случае, когда канал имеет очень большое гидравлическое
сопротивление, весь располагаемый теплоперепад расходуется на преодоление трения и разгона газа не происходит. В этом случае говорят о
селировании
.
дрос-
Для идеального газа при дросселировании можем записать
dh = cpdT = 0. (53)
Отсюда следует: dT = 0 и T = const.
дросселирование изобразится на р-V диаграмме в виде изо-
термы
Итак,
.
Поток без трения изображается на р-V диаграмме как обычная
адиабата.
Все промежуточные процессы с трением будут лежать между этими
кривыми и их можно принимать за политропные процессы с 1< n < k.
1.24. Разгон и торможение газа. Сопла и диффузоры. Сопло Лаваля
При разгоне потока (dw>0) давление газа в нем уменьшается (dp<0),
уменьшается его энтальпия (dh<0), и поскольку для идеального газа
dh=cpdT, уменьшается и его температура. Изменение удельного объема
будет положительным (dv > 0). Энтальпия газа уменьшается.
При торможении газа (dw<0) все эффекты меняют знак: dp>0, dh>0,
dT >0, dv<0. Энтальпия газа увеличивается.
Соплами называются каналы, в которых происходит снижение дав-
ления газа (dp<0).
Диффузорами называются каналы, в которых происходит повыше-
ние давления газа (dp>0).
В соплах происходит разгон потока, в диффузорах – торможение.
Для несжимаемой жидкости увеличение сечения всегда приводит к
торможению потока, а уменьшение – к его разгону. В качестве примера
сопла можно привести
сопло Лаваля (рис. 14).
Это комбинированное сопло, которое состоит из короткого суживающегося участка и конического расширяющегося насадка.
Критическим давлением ркр называется такое давление, при кото-
ром достигается максимальный расход газа.
35
Рис. 14
Критической скоростью w
называется скорость газа при р
кр
кр
.
Длину суживающейся части сопла обычно принимают равной диа-
метру минимального сечения.
В суживающейся части поток движется с дозвуковой скоростью, в
узком сечении скорость равна скорости звука и в расширяющейся части
она становится больше скорости звука, т.е. сопло Лаваля разгоняет проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей.
1.25. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Процесс сгорания топлива в поршневых ДВС происходит внутри рабочего цилиндра.
Классификация ДВС:
– двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме (v=const) –
цикл Отто;
– двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении (р=const) –
цикл Дизеля;
– двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом
тепла при р=const и v=const –
цикл Тринклера.
Кроме описанных, к циклам поршневых ДВС относится и рассмотренный ранее
цикл Карно.
Величины, определяемые в ходе исследования циклов ДВС:
– количество подведенной и отведенной теплоты q;
– основные параметры состояния в характерных точках цикла;
– термический КПД цикла.
1. Цикл Отто (рис. 15).
1-2
– процесс адиабатного сжатия газа с начальными параметрами
р1,v1,Т1.
2-3 – изохорный подвод теплоты q1 от внешнего источника. Процесс
горения.
3-4 – процесс адиабатного расширения продуктов сгорания до пер-
воначального объема v1.
36
4-1 – изохорный процесс возвращения рабочего тела в исходное со-
стояние с отводом от него теплоты q2.
Рис. 15
Характеристики цикла Отто:
Степень сжатия ε – уменьшение объема рабочего тела в ходе такта
сжатия:
v
1
,
v
2
где v1 и v2 – удельные обемы в начале и в конце процесса сжатия.
Степень повышения давления
р
3
.
р
2
Количество подведенной и отведенной теплоты:
q1 = cv(T3-T2),
q2 = cv(T4-T1).
Термический КПД цикла:
q
2
t
q
11
1
1
. (54)
1
k
2. Цикл Дизеля (рис. 16) обычно используется в компрессорных
двигателях.
1-2 – процесс адиабатного сжатия газа с начальными параметрами
р1,v1,Т1.
2-3 – изобарный подвод теплоты q1 от внешнего источника. Процесс
горения.
3-4 – процесс адиабатного расширения продуктов сгорания до пер-
воначального объема v1 .
4-1 – изохорный процесс возвращения рабочего тела в исходное со-
стояние с отводом от него теплоты
q2.
37
Рис. 16
Характеристики цикла Дизеля:
v
Степень сжатия:
Степень предварительного расширения ρ:
1
.
v
2
v
3
.
v
2
Количество подведенной и отведенной теплоты:
q1 = cр(T3-T2),
q2 = cv(T4-T1).
Термический КПД цикла:
q
t
2
q
1
11
k
k
1
р
1
k
. (55)
)1(
3. Цикл Тринклера (со смешанным подводом теплоты) (рис. 17).
38
Рис. 17
1-2 – процесс адиабатного сжатия газа с начальными параметрами
р1,v1,Т1
2-3 и 3-4 – изохорный и изобарный подвод первой q1’ и второй доли
теплоты
q1’’ от внешнего источника. Процесс горения.
4-5 – процесс адиабатного расширения продуктов сгорания до пер-
воначального объема v1.
4-1 – изохорный процесс возвращения рабочего тела в исходное со-
стояние с отводом от него теплоты
q2.
Характеристики цикла Тринклера:
v
Степень сжатия ε:
1
.
v
2
р
Степень повышения давления
р
Степень предварительного расширения ρ:
Количество подведенной q1 = q1’ + q1’’ и отведенной q2 теплоты:
q1’ = cv(T3-T2),
3
.
2
v
4
.
v
3
q1’’ = cp(T4-T3),
q2 = cv(T5-T1).
Термический КПД цикла:
q
1
t
2
qq
11
1
'''
1
k
k
1
р
k
(56)
)1()1(
Если λ=1, то цикл Тринклера трансформируется в цикл Дизеля.
При ρ=1 цикл Тринклера становится циклом Отто.
1.26. Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сго-
рания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Этих недостатков
нет в ГТУ, к тому же последние имеют относительно небольшие габариты.
На практике применяются ГТУ со сгоранием топлива при р = const и
v = onst.
1. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
(рис. 18).
Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через
форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и
поступают на лопатки газовой турбины 3.
39
Рис. 18
1-2 – адиабатное сжатие до давления р
2-3 – изобарный подвод теплоты q
2
, сгорание топлива;
1
3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления р
4-1 – изобарное охлаждение рабочего тела (отвод теплоты q
Характеристики цикла:
р
Степень повышения давления
р
Степень изобарного расширения ρ:
Количество подведенной и отведенной теплоты:
q1 = cр(T3-T2),
q2 = cр(T4-T1).
Термический КПД цикла:
;
2
1
;
1
);
2
.
v
3
.
v
2
q
t
2
q
1
11
1
. (57)
1
k
k
Работа турбины: Ат = h3 – h4 .
Работа компрессора: А
= h2 – h1 .
н
Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессо-
ра: А
= Ат – Ак .
ГТУ
2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме
(рис. 19).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]