Панов В.К. Физические основы теплотехники. Ч. I: Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

§ 36. Процессы в компрессорах 153

ь на ступени, для начала на две: Значит, надо сжатие разбиват

130 = 5,48 < 9.

В этом случае хватит двух ступеней. При р

вс

= 1 бар

пр

= 5,48

вс

= 5,48 бар, р

наг

= 5,48

5,48 бар = 30 бар. Двух

ступеней будет достаточно вплоть до р

на

бар.

= 91

§ 38. Опыты Эндрюса 159

шины принято разде-

в том, какое вещество

ой области состояний

х цикл осуществляется

в обл В паровых машинах

находится в области

лодильная установка

в принципе работать в

парокомпрессионной),

Физи-

чески

ьных,

отлич

я расширения;

ожен-

Выигрыш в работе особенно важен для компрессоров,

входящих в состав холодильных машин, предназначенных для

получения криогенных температур — ниже –150 °С.

§ 37. Газовые холодильные машины

Промышленные холодильные ма

лять на газовые и паровые. Причина не

является рабочим телом, а в том, в как

располагается цикл. В газовых машина

асти состояний идеального газа.

цикл захватывает или большей частью

перехода газ – жидкость. Одна и та же хо

с одним и тем же рабочим телом может

режиме газовой и в режиме паровой (

хотя при проектировании на это не рассчитывают.

Рабочее тело холодильных машин называют холодиль-

ным агентом, хладоагентом, хладагентом.

В первых холодильных установках, появившихся в 70-е

годы XIX века, в качестве хладагента использовался воздух.

Сейчас используют и другие: этан, пропан, бутан и пр.

е свойства газообразного рабочего тела различаются ма-

ло, поэтому в газовом цикле на выбор хладагента влияют дру-

гие обстоятельства.

Рассмотрим цикл воздушной холодильной установки.

Любая промышленная холодильная машина состоит из

четырех основных элементов (и множества дополнител

ающихся в разных типах машин):

−

устройство для сжатия;

−

устройство дл

−

два теплообменника: низкотемпературный, распол

ный в охлаждаемом объеме, и высокотемпературный.

Схема установки представлена на рис. 7.12. Устройство

для сжатия — это компрессор любого типа (в данном случае

изображен поршневой). Назначение его состоит в следующем.

В компрессор Кр воздух из низкотемпературного тепло-

обменника НТО поступает холодным. Там у охлаждаемого

§ 38. Опыты Эндрюса 16

л тепло,

пературу вещества: подвести т

пло или адиабатно сжать его.

ь источ-

ер

вода от охлаждения

гл

ок

хо

не зв

тепло,

пературу вещества: подвести т

пло или адиабатно сжать его.

ь источ-

ер

вода от охлаждения

гл

ок

хо

не зв

объема воздух отня

рое должен передать окру-рое должен передать окру-

щей среде при более высокой

температуре и снова вернуться.

Есть два способа повысить тем

щей среде при более высокой

температуре и снова вернуться.

Есть два способа повысить тем

е-е-

Первый хорош, когда естПервый хорош, когда ест

ник бросового тепла, напримник бросового тепла, наприм

80-градусная 80-градусная

авно о-

раненный, в том числе потому, что хладагент все р

ется сжать для последующего получения низкой тем

оздух останется холоднее

руж

лод

авн о-

ране

ется сжать для последующего получения низкой те

оздух останется холоднее

руж

лод

го судового двигателя. Второй способ — самый распрого судового двигателя. Второй способ — самый распр

нный, в том числе потому, что хладагент все рс авно потре-

б пературы.

с авно потре-

б мпературы.

В предыдущем параграфе показано, что с точки зрения

меньших затрат работы выгоднее изотермическое сжатие. Но

здесь это неприемлемо, поскольку в

В предыдущем параграфе показано, что с точки зрения

меньших затрат работы выгоднее изотермическое сжатие. Но

здесь это неприемлемо, поскольку в

ающей среды и не сможет передать ей тепло. Поэтому в ающей среды и не сможет передать ей тепло. Поэтому в

ильном компрессоре целесообразно проводить сжатие

ближе к адиабатному. Это процесс 1–2 на диаграммах рис. 7.13.

Точки на схеме соответствуют состояниям с теми же номера-

ми на диаграмме — считается, что в магистралях между уст-

ройствами состояние не меняется.

ильном компрессоре целесообразно проводить сжатие

ближе к адиабатному. Это процесс 1–2 на диаграммах рис. 7.13.

Точки на схеме соответствуют состояниям с теми же номера-

ми на диаграмме — считается, что в магистралях между уст-

ройствами состояние не меняется.

Из компрессора газ при высоком давлении и темпера-

туре поступает в высокотемпературный теплообменник

ВТО. Там, охлаждаясь, он передает тепло Q

окружающей

среде. Процесс этот, 2–3, происходит в потоке газа далеко

Из компрессора газ при высоком давлении и темпера-

туре поступает в высокотемпературный теплообменник

ВТО. Там, охлаждаясь, он передает тепло Q

окружающей

среде. Процесс этот, 2–3, происходит в потоке газа далеко

уковой скорости, поэтому его следует считать изобар-

ным (§17). Часто в промышленных установках окружающей

средой является водопроводная или забортная вода.

уковой скорости, поэтому его следует считать изобар-

ным (§17). Часто в промышленных установках окружающей

средой является водопроводная или забортная вода.

НТО

ВТО

3 2

Кр

4 1

Оо

Рис

хо

. 7 12 Схема в здуш ой

лодильной

. . о н

становки

Рис. 7.13. Цикл воздушной

cons

холодильной установки

в диаграммах р-v (а) и Т-s (б)

охл.об.

окр.ср.

4′

р =

Q =

3 2

§ 38. Опыты Эндрюса 161

ратур окружающей среды ( в действительности

неско

шневой де-

тандер Д. В нем происходит адиабатное расширение, процесс

3–4, газ совершает работу, расходуя на это внутреннюю энер-

гию. В результате снижается его температура. Как упомина-

лось в § 18, адиабатное расширение — самый эффективный

способ получения низких температур. После детандера темпе-

ратура воздуха значительно ниже, чем в охлаждаемом объеме.

Работа, полученная в детандере, может быть использована для

уменьшения затрат привода компрессора.

Далее воздух поступает в низкотемпературный теплооб-

менник НТО. Там в изобарном процессе 4–1 он нагревается,

отбирая тепло Q

у охлаждаемого объема Оо. На выходе из

НТО воздух имеет температуру несколько ниже температуры

охлаждаемого объема (в идеале – равную ей). Цикл замкнулся.

Основными термодинамическими характеристиками хо-

лодильного цикла являются холодопроизводительность и хо-

лодильный коэффициент.

Холодопроизводительность — это количество тепла,

отнятое у охлаждаемого объема в секунду, Q

, Дж/с = Вт.

Удел это количество

тепла, отн м килограммом

хладоагента

). (7.30)

Здесь М – массовый расход хладоагента, кг/с.

Показателем эффективности холодильного цикла явля-

ется холодильный коэффициент (§ 24):

= | q

Работу l

можно найти из первого начала термодинамики:

= q

+ q

= с

(Т

– Т

) + с

(Т

– Т

Тогда

На выходе из ВТО температура воздуха равна темпе

е в идеале, но

лько выше). Холода пока еще нет.

Охлажденный воздух высокого давления поступает в уст-

ройство для расширения. Как и устройство для сжатия, оно

может быть разным. На схеме (рис. 7.12) это пор

ьная холодопроизводительность —

ятое у охлаждаемого объема одни

, q

, Дж/кг. Тогда

= M q

= M(i

– i

) = М с

(Т

–

)(

)()(

234123

−

−+−

−

ТТ

ТТТТТТ

ТТ

(7.31)

§ 38. Опыты Эндрюса 162

Температуры можно связать, используя уравнения про-

цессов цикла (предоставляю читателю поупражняться в этом

самостоятельно): Т

/Т

= Т

/Т

С учетом этого выражение (7.31) приводится к виду

−

ТТ

. (7.32)

Такое же по виду выражение соответствует обратному

циклу Карно. Принципиальная разница в том, что Т

и Т

цикле Карно равны Т

охл.об

и Т

окр.ср

соответственно (см. Т-s

диаграмму на рис.7.13).

Сравним рассматриваемый цикл с эквивалентным цик-

лом Карно, который осуществляется в том же диапазоне пара-

метров. На Т–s диаграмме это прямоугольник 1–2

–3–4

–1.

Отнятое тепло Q

в цикле Карно равно площади под линией

–1. Оно больше Q

в воздушном цикле, равного площади

под линией 4–1. Затраты работы L

цикла Карно равны площа-

ди прямоугольника цикла. Она меньше площади воздушного

цикла. Поэтому эффективность воздушной холодильной ма-

шины в несколько раз меньше эффективности холодильной

машины, которая работала бы по циклу Карно.

Анализ формулы (7.32) и особенно Т-s диаграмма пока-

зывает, что с понижением Т

при неизменной Т

(температуру

окружающей среды можно считать постоянной) эффектив-

ность любого холодильного цикла уменьшается. Чем более

низкую температуру нужно обеспечить в охлаждаемом объе-

ме, тем дороже это обходится в прямом и переносном смысле.

В самом деле, понижение температуры заморозки означает все

более низкое расположение процесса 4–1 в Т-s диаграмме. При

этом уменьшается площадь под этой кривой — отнимаемое

тепло. Одновременно растет площадь цикла, равная затратам

работы. Это означает, что тот же джоуль тепла, отнятый на

более низком температурном уровне, требует бóльших затрат

работы.

Выказывая должное почтение первенцу холодильной

техники, приходится сказать о недостатках помимо малой

экономичности и способах их уменьшения.

Воздух в качестве рабочего тела хорош тем, что его

много, он нетоксичен, ничего не стоит, но зато плох всем ос-

§ 38. Опыты Эндрюса 163

тальн

расходы

задачей

ми турбоком-

е эффектив-

м?

Че

ся тепло к холодному

тто?

13.

Че

16.

Ка

ым. Во-первых, малой плотностью и небольшой тепло-

емкостью. Поэтому для обеспечения промышленных значений

холодопроизводительности требуются очень большие

воздуха. Поршневые компрессоры и детандеры с этой

не справляются. Их заменяют более эффективны

прессорами и турбодетандерами.

Во-вторых, коэффициент теплоотдачи к воздуху тоже

мал. Это обстоятельство требует больших поверхностей в теп-

лообменниках. Однако без теплообменников, бывает, можно

вовсе обойтись: хладоагент — тот же воздух, что и снаружи, и

если в детандере он расширится до атмосферного давления, то

схема может быть разомкнутой. Например, холодный воздух

после детандера поступает прямо в охлаждаемый объем, а оте-

пленный, как говорят холодильщики, оттуда забирается и по-

дается в компрессор.

Газовые холодильные установки находят свое применение,

но в промышленных масштабах их вытеснили боле

ные парокомпрессионные, о которых речь пойдет в 9-й главе.

Вопросы для самопроверки

В чем отличие прямого и обратного циклов?

Каково главное термодинамическое достоинство ДВС?

Какой цикл осуществляется в тепловом двигателе?

Что является рабочим телом в цикле Отто?

Какова роль процесса сжатия в цикле Отто?

Почему процесс горения в цикле Отто изображен изохорны

м определяются параметры (местоположение на диа-

грамме) состояния 3 в цикле Отто? в цикле Дизеля?

Что происходит в процессе 3–4 цикла ДВС?

Каким образом в цикле ДВС отводит

источнику?

10.

Чем определяется КПД цикла О

11.

Имеет ли значение, что будет рабочим телом в цикле Отто?

12.

Чем ограничивается КПД цикла Отто?

м вредно самовоспламенение топливовоздушной смеси?

14.

В чем принципиальное отличие циклов Дизеля и Отто?

15.

Какова роль ТНВД в дизельном двигателе?

ково назначение топливных форсунок?

17.

Как происходит смесеобразование в цикле Дизеля?

§ 38. Опыты Эндрюса 164

18. Почему процесс горения и ?

19.

От чего и как зависит КП ?

20.

Какой цикл, Дизеля или О

21.

Что такое компрессор?

22.

Какой цикл осуществляет

23.

Какого принципа действи

24.

Каковы основные характе

25.

Опишите процессы в цик

26.

Что такое теоретическая п

27.

Что такое техническая ра ?

31.

Ка

лодильной машине?

38.

Что такое газовая холодильная машина?

Каки устройства входят ста холодильной машины?

Каково на а ение холо ного ком

41.

Какова те ера воздуха на выход

42.

Каково назначе е ?

43.

Что такое хол производительность цикла?

Что такое холодильный коэффициент?

45.

От чего и как холо ный коэффициент ВХУ?

в цикле Д зеля изобарный

Д цикла Дизеля

тто, экономичнее?

ся в компрессоре?

я бывают компрессоры?

ристики компрессоров?

ле идеального компрессора.

роизводительность компрессора?

бота компрессора

28.

Чем определяются затраты работы в компрессоре?

29.

Чем отличается реальный компрессор от идеального?

30.

В чем проявляется вред мертвого пространства компрессора?

к влияет на производительность компрессора степень

повышения давления?

32.

Что такое коэффициент подачи? от чего он зависит?

33.

Какие причины ограничивают степень повышения давле-

ния в одноступенчатом компрессоре?

34.

Что представляет собой многоступенчатый компрессор?

35.

Для чего применяют многоступенчатое сжатие?

36.

Как выбирается величина промежуточного давления?

37.

Какой цикл осуществляется в хо

9. е в со в

40 зн

мп

ч диль прессора?

е из ВТО? тура

ние д

до

тандера

зависит диль

§ 38. Опыты Эндрюса 165

ниями. В практиче-

и демонстрируют способность пере-

ходит

тва

ормирование

моле уляр

нглийский физик и хи-

мик Томас Эндрюс. По с торил опыты Бойля по

изотер

диапа удивитель-

ными ись результаты опытов с углекислым газом СО .

Они представлены качественно на рис. 8.1.

Как и следовало ожидать, при сжатии достаточно разре-

женного газа (в области больших значений удельного объема)

ГЛАВА 8

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ПАРЫ

Закономерности поведения газов, изложенные в преды-

дущих главах, хорошо объясняются моделью строения веще-

ства по имени идеальный газ. Эти закономерности, как мы ви-

дели, с успехом могут быть использованы для расчета и ана-

лиза циклов газовых тепловых машин.

Вместе с тем применимость модели идеального газа ог-

раничена довольно разреженными состоя

ской, инженерной деятельности часто приходится иметь дело

с более плотными состояниями вещества, в которых модель «не

работает» или дает существенную погрешность. Да и житей-

ский опыт подсказывает — вещество бывает не только газом,

но и жидкостью, и твердым телом с плотностью, на порядки

превышающей плотность газов даже при большой степени их

сжатия. Помимо этого, некоторые вещества в условиях нашей

обычной жизнедеятельност

ь из твердого состояния в жидкое, газообразное и наобо-

рот. Это делает естественным изучение поведения вещес

в более широком диапазоне параметров состояния.

§ 38. Опыты Эндрюса. Ф

к но-кинетических представлений

Замечательные опыты (по важности выводов, следую-

щих из них) проделал в 1857–1869 гг. а

ути, он пов

мическому сжатию газов, но в гораздо более широком

зоне параметров. Особенно интересными и

оказал

§ 38. Опыты Эндрюса 16

перболу — закон Бойля (пунк-

уплот

все б

том давления. Это продолжа-

и то же вещество только что было жидким, а теперь

ным свойствам.

экспериментальные точки

жились в р-

v диаграмме на

тир на рис. 8.1). Но по мере

нения газа обнаружилось

олее нарастающее отли-

чие. Вплоть до того, что начи-

ная с некоторого состояния

(точка а) дальнейшее сжатие

вовсе не сопровождалось рос-

лось до некоторого другого

состояния (точка б), после чего совершенно незначительное сжа-

тие приводило к резкому росту давления. На изотерме появилась

характерная особенность — горизонтальная «ступенька», про-

ступающая на разных изотермах.

Оказалось, что при переходе через точку а в сосуде, изна-

чально заполненном одним лишь газом, появлялись капли жид-

кости. Количество жидкости увеличивалось, и начиная с со-

стояния б сжатию подвергалась только жидкость. Естественный

вопрос: что за жидкость и откуда она взялась?

Успехи химии и экспериментальной техники позволяли

не сомневаться в том, что сжатию подвергался один, именно

углекислый, газ. Тогда оставалось одно предположение, весь-

ма смелое по тем временам: появившаяся жидкость – это жид-

кий СО

. Приняв его, можно прийти к важным выводам.

Одно и то же вещество может находиться в газооб-

разном и жидком состояниях. Возможен непрерывный пере-

ход между ними.

Сейчас это представляется нам естественным и даже

очевидным, хотя в повседневной жизнедеятельности лишь

очень немногие вещества могут навести на такую мысль (вода,

некоторые спирты, эфиры). И все же есть повод задуматься:

одно ли

улетучилось, стало газообразным?

Вопрос отнюдь не наивный. В самом деле, как мы отлича-

ем одно вещество от другого? По многочислен

Рассмотрим это на примере Н

О. Пусть часть сосуда за-

полнена жидкостью, часть – паром (рис. 8.2). При переходе че-

Т = const

v, м

/кг (~l

ср

)

а б

Рис. 8.1. Изотермы реального газа,

полученные Эндрюсом