Основные процессы с водяным паром

Отсутствие практически удобного уравнения состояния пара вызывает необходимость использовать общие зависимости термодинамики, не связанные с уравнением состояния. Такими зависимостями для обратимых изменений состояния являются: первое начало термодинамики

где

или

второе начало термодинамики

математическое понятие энтальпии

Связь между термодинамическими параметрами после задания условий протекания процесса (v = const; р = const и т.д.) устанавливается с помощью таблиц или диаграмм водяного пара.

Рассмотрим вывод формул для подсчета теплоты, работы и изменения внутренней энергии, а также иллюстрацию в осях pv, Ts и is для следующих частных процессов.

Изохорный процесс (v = const или dv - 0). Для изохорного процесса (рис. 2.16) работа изменения объема

Изохорный процесс

Рис. 2.16. Изохорный процесс

Теплота, участвующая в процессе, Используя формулу i = и + pv, получим

Изобарный процесс = const или clp = 0). Теплота, участвующая в изобарном процессе (рис. 2.17),

работа изменения объема

изменение внутренней энергии

Изобарный процесс

Рис. 2.17. Изобарный процесс

Если процесс протекает в области влажного пара, где изобарный процесс одновременно является изотермическим, то можно воспользоваться следующей формулой:

Изотермический процесс (Т = const или dT = 0) лишь в области влажного пара совпадает с изобарным. Их взаимное положение в координатах pv, Ts и is представлено на рис. 2.18.

Изотермический процесс

Рис. 2.18. Изотермический процесс

Теплота, участвующая в процессе,

изменение внутренней энергии

работа изменения объема

Адиабатный процесс (s = const или ds = 0). Для адиабатного (без теплообмена) процесса dq = 0 и dl = -du (рис. 2.19), следовательно,

Адиабатный процесс

Рис. 2.19. Адиабатный процесс

Адиабатный процесс изменения состояния пара может быть приближенно описан эмпирическим уравнением

Для влажного пара с начальным паросодержанием хх показатель адиабаты определяют по эмпирической формуле [2]

Таким образом, для сухого пара = 1) показатель адиабаты k = 1,135. Для перегретого пара опытным путем установлено, что к = 1,3. Это значение достаточно близко к действительному лишь при давлении пара не выше 4 МПа.

Следует иметь в виду, что этот показатель не равен отношению cp/cv (что справедливо для идеального газа), а является только эмпирическим показателем степени.

Дросселирование — это термодинамический процесс неравновесного расширения газа, пара или жидкости, происходящий без производства работы над внешней средой.

Если пренебречь изменением кинетической энергии потока пара до и после прохождения его через дросселирующее устройство, то процесс адиабатного дросселирования может быть выражен уравнением di = 0 или i2=i, означающим, что конечная удельная энтальпия процесса равна начальной. Это следует из уравнения первого начала термодинамики для потока:

где при адиабатном дросселировании dq = 0 и dlam = 0, так как нет ни изменения работы истечения, ни отдачи технической работы вовне.

Следовательно, процесс адиабатного дросселирования — это процесс при постоянной удельной энтальпии (изоэнтальпный).

Наиболее просто и наглядно этот процесс иллюстрируется на ^-диаграмме (рис. 2.20). В области низких давлений (правая часть диаграммы) изоэнтальпа практически совпадает с изотермой. В области высоких давлений линия i = const пересекает изотермы, и в процессе дросселирования пара температура перегретого пара значительно снижается (охлаждающий эффект Джоуля — Томсона).

Процесс дросселирования

Рис. 2.20. Процесс дросселирования

Процесс дросселирования принадлежит к ярко выраженным неравновесным процессам, так как течение потока пара в этом случае может происходить только в область пониженного давления. При прохождении через дроссельный орган скорость струи резко возрастает, а затем в свободном сечении трубопровода за дросселем вновь принимает прежнее значение. Кинетическая энергия потока тратится на вихри и внутреннее трение, г.е. переходит вновь в теплоту с восстановлением прежнего значения удельной энтальпии. Как во всяком необратимом процессе, удельная энтропия возрастает (хотя q = 0). Горизонтальная прямая процесса дросселирования в диаграмме is нс может рассматриваться как изображение, верное для всех последовательных равновесных состояний. Промежуточные точки не характеризуют действительных состояний пара в процессе; только начальная и конечная точки определяют равновесные состояния до и после необратимого процесса дросселирования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >