Теоретические основы теплотехники - РУС

5.4. Парообразование в TS – координатах.

r = S Tн

S		r
		Тн
Теплота сухого пара	?`` = q` + r
Теплота влажного пара		?х = q` + r x

Теплота перегретого пара ?пер = q` + r +qпер

5.5. Уравнение Кланейрона – Клазиуса.

Элементарная работа в процессе парообразования dl = (υ`` – υ`) dp

Затраченное на эту работу количество теплоты составит dq = (S`` – S`) dT

Т. к. в этих элементарных циклах dl = dq, то получим уравнение Кланейрона

– Клаузиуса

dp		S`` S`		r
				Тн ( `` `)
dT		`` ``

5.6. Таблицы водяного пара

Для расчетов термодинамичческих процессов водяного пара используются таблицы водяного пара. В этих таблицах даются для различных значений температуры и давление величины ?; υ; i; i; r; s; s;.Остальные параметры вычисляют.

Для инженерных расчетов вместо таблиц часто используют i – s – диаграмму водяного пара.

5.7. i – S диаграмма водяного пара.

Предложена Молье в 1904 г. Основное преимущество – работа и теплота, участвующее в процессе изображаются отрезками линий, а не площадями. Не нужен планиметр, как для подсчета по TS иPυ диаграммам.

dS dqp di T T

T ( i)p - изоборы прямые линии

s

При низких давлениях изотермы весьма близки к горизонтальным прямым. Для идеального газа изотермы в i – s диаграмме являются горизонтальными отрезками.

31

Обычно на i –s диаграммы наносят также изохоры, которые идут круче изобар i – s диаграммы позволяют давать грубую оценку теплоты и работы в различных процессах. Для более точных расчетов пользуются таблицами М. П. Вукаловича.

С i – s диаграммой более подробно можно познакомится на практических занятиях.

32

6. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ 6.1. Основные определения и характеристики.

В атмосферном воздухе всегда содержится влага в виде водяного пара, т. е. Атмосферный воздух представляет собой их смесь.

Влажный воздух – смесь сухого воздуха с водяным паром.

Давление водяного пара в атмосферном воздухе невелико, причем пар находится в перегретом состоянии, поэтому влажный воздух можно считать смесью идеальных газов.

По закону Дальтона давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара

pбар = p + pп

На р - ? диаграмме водяного пара точка А соответствует состоянию перегретого пара, точка В – состоянию сухого насыщенного пара.

Очевидно, что при постоянном парциальном давлении перегретый водяной пар, содержащийся во влажном воздухе, может стать насыщенным только при понижении температуры воздуха, т. к. tВ < tА.

Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называется насыщенным влажным воздухом.

Смесь сухого воздуха и перегретого пара – ненасыщенный влажный воздух. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы. При дальнейшем охлаждении воздуха образуется туман (часть пара переходит в

капельно – жидкое состояние).

Обычно влажный воздух имеет низкое давление (близкое к атмосферному), а парциальное давление водяного пара в нём невелико. Поэтому его свойства близки к свойствам идеального газа.

Все удельные величины, характеризующие влажный воздух, относят к 1 кг сухого воздуха (а не смеси!).

6.2.Основные параметры влажного воздуха.

1.Абсолютная влажность – количество водяного пара, содержащегосяв 1м3 влажного воздуха

п	=	mп	; Vп = 1м3 [ρ] = кг / м3
		Vп

2.Относительная влажность – отношение абсолютной влажности к максимально возможной при той же температуре

		п	=	pп	обычно [φ] = %
		пmax		pпmax

33

т. к. соотношение плотностей равно соотношению давления для идеальных газов.

3.Влагосодержание – отношение массы пара к массе сухого воздуха

d

mп

=

Rв Tв Pп Vп

287

Pп

0.622

Pп

0.622

Pн

;

mcв

Rп Tп Pв Vв

Pв

P Pп

462

P Pн

[d]= г / кг с. в.

4.Парциальное давление водяного пара .

Выражение можно получить из предыдущего уравнения

d p – d pп = 0.622 pп pп ( 0.622 + d ) = d p

	pп =	d p	[pп] = Па
		0.622 d

5.Энтальпия влажного воздуха

J=Jв + Jп = Ср t + (2500 + 1.97 t) d

r – теплота парообразования

J кДж кг

6.Температура мокрого термометра – температура, при которой воздух

находится в состоянии насыщения после изоэнтальпического охлаждения

i – d диаграмма

Предложена в 1918 г. Л. К. Рамзиным. i – d диаграмма построена в косоугольной системе координат.

7. Точка росы – температура, при которой влажный воздух становится насыщенным, а водяной пар – сухим насыщенным (? = 100 %).Образуется туман.

6.3. Определение влажности.

Существует несколько способов и приборов для определения влажности. Среди них наиболее часто применяют следующие приборы.

1.Волосяной гигрометр. Применяются в бытовых приборах. Точность невелика.

2.Психрометр. Применяются в метеорологии, устанавливаются в музеях, картинных галереях и т. п. Состоит из двух идентичных термометров – “сухого” и “влажного”. Шарик “влажного” термометра обернут мокрой лентой, обеспечивающей подвод воды к шарику.

Если относительная влажность воздуха меньше 100%, то температура,

“мокрого” термометра всегда меньше, чем “сухого”. Оба термометра заключены в заградительные кожухи и обдуваются в процессе измерений воздухом от вентилятора.

34

По показаниям двух термометров с помощью психрометрических таблиц или i – d диаграммы можно определить абсолютную и относительную влажности воздуха.

С i – d диаграммой и устройством психрометра можно познакомится на практических занятиях.

Рис. 6.2.

35

7.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПРЕССОРОВ.

7.1Одноступенчатый поршневой компрессор, его устройство, цикл и

КПД.

Компрессор – машина, предназначенная для сжатия и перемещения газов и паров.

Компрессоры классифицируют по следующим признакам.

1.По роду сжимаемой среды: воздушные, газовые, паровые.

2.По принципу действия:

объемные – поршневые, ротационные; лопастные – осевые, центробежные;

Иногда встречаются струйные компрессоры (точнее насосы).

3. По степени повышения давления ( k p2 ): p1

компрессоры низкого, среднего и высокого давления; или вентиляторы, нагнетатели и собственно компрессоры.

Кроме того, компрессоры классифицируют по конструктивным признакам (число и расположение цилиндров, число ступеней сжатия), наличию системы охлаждения и т. д.

К объемным компрессорам относят поршневые, ротационные и шестеренчатые.

Одноступенчатый поршневой компрессор, схематическое устройство которого изображено на рис. 15.1, состоит из следующих элементов:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – впускной клапан;4 – выпускной клапан; 5 – система охлаждения цилиндра; 6 – кривошипно шатунный механизм.

Ротационный компрессор (см. рис. 15.2) включает корпус 1, в котором эксцентрично установлен ротор 3 с подвижными пластинами 2. При вращении ротора объем газа между двумя соседними пластинами уменьшается, поэтому повышается давление газа.

Цикл идеального компрессора представлен на рис. 15.3 в рν – координатах. Он состоит из следующих процессов:

4-1 – заполнение цилиндра при давлении р1; 1-2

– сжатие газа до требуемого давления р2; 2-3– выталкивание сжатого газа через выпускной клапан

Клапаны в компрессорах обычно открываются автоматически при достижении заданного давления.

Линия всасывания 4-1 и нагнетания 2-3 не являются термодинамическими процессами, т. к. состояние рабочего тела на этих линиях остается

36

постоянным, а изменяется лишь количество рабочего тела. Общая работа сжатия составит

1

k p1 1 p2 2 n 1(p1 1 p2 2),

где n – показатель политропы сжатия. После преобразований получим

n

k n 1(p1 1 p2 2 )

Если сжатие осуществляется по изотерме, то p1 1 p2 2, следовательно

k p1 1 n p2 p1

При сжатии по изотерме работа сжатия меньше, чем при сжатии по политроне или адиабате.

На рис. 15.4а показаны циклы идеального компрессора со сжатием по этим трем процессам. При сжатии по изотерме работа цикла минимальна. На рис. 15.4б представлены процессы сжатия в TS – координатах.

Для приближения процесса сжатия к изотермическому применяют охлаждение компрессоров (обычно водяные).

Для охлаждаемых компрессоров вводятся понятие изотермического КПД

		из		из
				пол

обычно ηиз 0.65…0.75

Для неохлажденных компрессоров введено понятие адиабатного КПД

ад ад пол

Значение ηад составляют 0.7…0.9 Потери на трение в механизмах учитываются механическим КПД Обычно для поршневых компрессоров

м 0.85

37

Тогда эффективный КПД составит

из м	или к ад м

В реальных поршневых компрессорах всегда имеется вредное пространство, определяемое объемом между крышкой цилиндра и поршнем, находящимся в верхней мертвой точке.

Часть газа, оставшаяся в вредном пространстве, при движении поршня от верхней мертвой точки вниз, расширяется. Поэтому полезный рабочий объем цилиндра уменьшается.

Если Vh – рабочий объем цилиндра; V0 – объем вредного пространства,

то V1-V4 – действительный объем всасывания. Vh – V1 – всегда

При повышений давления величина действительного объема всасывания уменьшается и в пределе может достигнуть нуля.

Объемный КПД компрессора учитывает влияние вредного пространства

V1 V4

Vh

обычно 0.75...0.90

7.2. Многоступенчатый поршневой компрессор.

При увеличении степени повышения давления объемный КПД поршневого компрессора уменьшается. Кроме того, несмотря на охлаждение, температура газа или воздуха в конце процесса сжатия достигает 2000С, что может привести (и приводит) к вспышкам масла, смазывающего стенки цилиндра, вследствие его разжижения и повышения температуры.

В силу указанных причин для одноступенчатых поршневых компрессоров величина степени повышения давления

	k		p2	обычно не превышает 10
			p1

Для достижения больших давлений применяют многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени сжатия.

Схематическое устройство двухступенчатого поршневого компрессора с промежуточным охлаждением приведено на рис. 15.5а

Рис. 15.5. (а)

38

Оба цилиндра компрессора охлаждаются водой. Кроме того, после сжатия в ступени I газ поступает в промежуточный холодильник, также охлажденный водой.

Цикл этого компрессора изображен на рис. 15.5б. заштрихованная площадка пропорциональна по площади работе, на которую уменьшилась суммарная работа цикла.

Промежуточное охлаждение позволяет приблизить процесс сжатия к изотермическому.

На рис. 15.5в показаны процессы сжатия и промежуточного охлаждения в TS – координатах.

Обычно степень повышения давления во всех ступенях принимают одинаковой, т. е.

		p2		p3	.....	pi 1
		p		p
kст						p	i
	1		1

7. 3. Лопаточные компрессоры.

Лопаточные (лопастные) компрессоры иногда называют турбокомпрессорами. В лопаточных компрессорах газу сообщается кинетическая энергия, которая затем преобразуется в потенциальную. Оба этих процесса происходят в

непрерывном режиме.

Лопаточные машины обратимы (турбины и компрессоры).

По направлению потока рабочего тела лопаточные машины делятся на осевые и центробежные. Иногда встречаются диагональные машины.

7.4. Осевой компрессор.

39

Планы скоростей осевых ступеней обычно строят методом наложения окружных скоростей.

Энергообмен в ступени определяется

u Wu

Дж м2 [ ] кг с2

Рис. 15.6.

Мощность на привод компрессора

Ni G;

[N] = Вт, т.к. [G] = кг/с

В осевых компрессорах процесс сжатия воздуха происходит как в рабочем колесе, так и в спрямляющем аппарате.

Степень повышения давления в одной ступени обычно невелика, поэтому для достижения больших давлений приходится устанавливать целый ряд рабочих колес и спрямляющих аппаратов.

Число ступеней в некоторых многоступенчатых компрессорах достигает 14 в одном каскаде

Степень повышения давления в одной степени до 1.35. для сверхзвуковох ступеней до 2.

7.5. Центробежный компрессор

u2C2u u1C1u

Центробежные компрессоры обеспечивают повешение давления до 4 – 4.5 раз в одной ступени.

40