birmaga.ru
добавить свой файл

1
Вопрос10

Смесь идеальных газов

Газовой смесью понимается смесь отдельных газов, вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ (компонент) в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси.

Парциальное давление – это давление, которое имел бы каждый газ, входящий в состав смеси, если бы этот газ находился один в том же количестве, в том же оюъеме и при той же температуре, что и в смеси.

Газовая смесь подчиняется закону Дальтона:

║Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений ║отдельных газов, составляющих смесь.Р = Р1 + Р2 + Р3 + . . .Рn = ∑ Рi , (2.14)где Р1 , Р2 , Р3 . . .Рn – парциальные давления.

Состав смеси задается объемными, массовыми и мольными долями, которые определяются соответственно по следующим формулам:r1 = V1 / Vсм ; r2 = V2 / Vсм ; … rn = Vn / Vсм , (2.15)

g1 = m1 / mсм ; g2 = m2 / mсм ; … gn = mn / mсм , (2.16)

r1′ = ν1 / νсм ; r2′ = ν2 / νсм ; … rn′ = νn / νсм , (2.17)где V1 ; V2 ; … Vn ; Vсм –объемы компонентов и смеси;

m1 ; m2 ; … mn ; mсм – массы компонентов и смеси;

ν1 ; ν2 ; … νn ; νсм – количество вещества (киломолей)

компонентов и смеси.

Для идеального газа по закону Дальтона:r1 = r1′ ; r2 = r2′ ; … rn = rn′ . (2.18)Так как V1 +V2 + … + Vn = Vсм и m1 + m2 + … + mn = mсм , то r1 + r2 + … + rn = 1 , (2.19)

g1 + g2 + … + gn = 1. (2.20)Связь между объемными и массовыми долями следующее:g1 = r1∙μ1/μсм ; g2 = r2∙μ2 /μсм ; … gn = rn∙μn /μсм , (2.21)где: μ1 , μ2 , … μn , μсм – молекулярные массы компонентов и смеси.

Молекулярная масса смеси:μсм = μ1 r1 + r2 μ2+ … + rn μn . (2.22) Газовая постоянная смеси:Rсм = g1 R1 + g2 R2 + … + gn Rn =

= Rμ (g1/μ1 + g2/μ2+ … + gn/μn ) =

= 1 / (r1/R1 + r2/R2+ … + rn/Rn) . (2.23)Удельные массовые теплоемкости смеси:ср см. = g1 ср 1 + g2 ср 2 + … + gnср n . (2.24)

сv см. = g1ср 1 + g2сv 2 + … + gnсv n . (2.25)Удельные молярные (молекулярные) теплоемкости смеси:

срμ см. = r1 срμ 1 + r2 срμ 2 + … + rnсрμ n . (2.26)

сvμсм. = r1сvμ 1 + r2сvμ 2 + … + rnсvμ n . (2.27)

ВОПРОС 12Второй Закон Термодинамики, как и Первый Закон сохранения энергии установлен эмпирическим путем. Впервые его сформулировал Клаузиус теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении.

Другая формулировка все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. Энтропия мера хаотичности, неупорядоченности системы.

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как, поопределению, dSdQT температура в знаменателе!. То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась!

Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее или теплооттока из нее нет для простоты, чтобы не пудрить себе мозги то есть, считали ее изолированной или замкнутой. Отсюда еще одна формулировка Второго Закона Термодинамики При прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает. Или Энтропия изолированной системы стремится к максимуму так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.

А что будет, если наша система из двух тел будет неизолирована незамкнута и, допустим, в нее поступает тепло? Ясно, что ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается dSdQT.

Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют Второй Закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как мы видим, он действует точно также и для открытых



ВОПРОС 19img016.jpgДросселирование

Дросселированием называется явление, при котором пар или газ переходит с высого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты. Такое явление происходит в трубопроводе, где имеется место сужения проходного канала (Рис.5.2). При таком сужении, вследствие сопротивлений, давление за местом сужения - Р2, всегда меньше давления перед ним – Р1.

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара, следовательно падения давления. В большинстве случаев это явление приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходим и создается искусственно (регулирование паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах для измерения расхода газа и т.д.).

При прохождении газа через отверстие, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления.

Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту. Кроме того, в теплоту превращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется (уменьшается или увеличивается).

В отверстие скорость газа увеличивается. За отверстием газ опять течет по полному сечению и скорость его вновь понижается. А давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.

Дросселирование является необратимым процессом, при которм происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.

Уравнением процесса дросселирования является следующее уравнение:i1 = i2 . (5.14)

Это равенство показывает, что энтальпия в результате дросселирования не изменяется и справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.

Для идеальных газов энтальпия газа является однозначной функцией температуры. Отсюда следует, что при дросселировании идеального газа его температура не изменяется (Т1 = Т2).

При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура изменяется (увеличивается, уменьшается или остется неизменной).

Изменение температуры жидкостей и реальных газов при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю. Различают дифференциальный температурный эффект, когда давление и температура изменяются на бесконечно малую величину, и интегральный температурный эффект, при котором давление и температура изменяются на конечную величину.

Дифференциальный температурный эффект обозначается - б:

a = (¶T/¶P)i . (5.15)

Интегральный температурный эффект определяется из следующего уравнения:

DT = T2 – T1 = ò [T·(¶n/¶T)p – n] / cp dP . (5.16)

Для реальных газов DT¹0 и может иметь положительный или отрицательный знак.

Состояние газа, при котором температурный эффект меняет свой знак, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии - Тинв.

Тинв = n·(¶Т/j¶ n)p . (5.17)



ВОПРОС14Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадает соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Описание цикла Карно

Цикл Карно в координатах P и V



200px-carnot_cycle_p-v_diagram.svg.png

Цикл Карно в координатах T и S



200px-thermodynamic_cycle_carnot.png

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.

Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остается постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия (поскольку при δQ = 0).

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.d9ff49d4d208baa2d17ca200904da8fa.png

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.f26998b92032bb9b66c49a6f7ec3c1aa.png

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.0cdf58da7ef2d7e73e2c40ed564bbfcf.png

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.


ВОПРОС13Замкнутые процессы (циклы) занимают особое место в термодинамике, так как получение механической и электрической энергии, получение холода производятся в технике почти исключительно в машинах, осуществляющих термомеханические циклы.

Пусть рабочее тело в одной машине осуществляет прямой цикл (рис. 1.2,а, в — процессы направлены по часовой стрелке), а в другой — обратный цикл (рис. 1.2,д, г — процессы направлены против часовой стрелки). Из рис. 1.2,а видно, что работа прямого цикла равна алгебраической сумме работ двух процессов и больше нуля:



lectur12.jpg

(1.11)


Рис. 3.1.1,в аналогично находим, что теплота прямого цикла равна сумме теплоты двух процессов и больше нуля:

lectur13.jpg

(1.12)


Принимая во внимание , что §di=0, заключаем:

lectur14.jpg

(1.13)


(1.14)

lectur15.jpg

Таким образом, отличие обратного цикла от прямого заключается в следующем. В прямом цикле теплота подводится от теплоотдатчика (т. е. горячего источника) с более высокой температурой в большем количестве, чем отводится к теплоприемнику (т. е. холодному источнику) с низкой температурой, разница между ними превращается в работу. В обратном процессе теплота подводится от теплообменника с более низкой температурой и меньшим количеством, чем от водится, но уже к теплоприемнику с высокой температурой; недостающее количество теплоты получается за счет затраты работы в цикле.


lectur16.jpg

Рисунок 1.2 Прямой и обратный циклы

Следовательно, если мы хотим превратить теплоту в работу, то должны осуществить прямой цикл — цикл теплового двигателя. Если же хотим перекачивать теплоту от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой, то должны осуществить обратный цикл


lectur17.jpg
Рисунок 1.3 Обратные циклы

(рис. 1.3) — цикл холодильной машины (температура Тх в холодильнике ниже температуры То.с окружающей среды), цикл теплового насоса (температура Тг потребителя теплоты выше температуры То.с окружающей среды) или цикл термокомпрессора (температура теплоотдатчика Гх выше температуры окружающей среды То.с)аким образом количество теплоты qн приводим к 1 кг.


ВОПРОС29Эжектирование - это приведение в движение пара или газа путем разряжения среды, которая создается другим, движущимся с большей скоростью, рабочим потоком. Поток, движущийся под напором создает разряжение и называется эжектирующим (активным потоком), а приводимая в движение смесь является эжектируемой (пассивной смесью). В результате их смешения, при эжектировании, пассивная смесь передает энергию активному потоку, в следствии чего скорости и другие показатели выравниваются. В качестве потока может использоваться как газ, так и жидкость, а также пар различного характера. Эжектирование лежит в основе работы всех пароструйных аппаратов, к которым относятся эжекторы и инжекторы. По своему устройству, а так же по принципу действия многие инжекторы и эжекторы очень схожи. Однако у каждого в принципе работы есть отличительные черты. Так же в истории упоминается об их одновременном открытии французским ученым Анри Жиффаром в 1852 году. Запатентованная в 1858 году конструкция инжектора принципиально не имеет отличий с современной. Изобретенная конструкция инжектора нашла свое широкое применение в паровозостроении, в паровых котельных, на пароходах, а также применялась для дезинфекции армейских мундиров. Однако упоминание о применении пароструйного аппарата для целей поддержания вакуума в паровой турбине было лишь в 1903 году. Такой аппарат на трубостоительном заводе впервые применил английский инженер Чарльз Альдежрнон Парсонс. Он при помощи этого аппарата, известного в наши дни под названием «эжектор», удалял из конденсатора паровой турбины паро-воздушную смесь. А необходимо ему это было для поддержания вакуума в системе турбины. Таким образом известный уже 1852 году эжектор, только в 1903 году получил свое широкое применение. Связанно это было с тем, что не были описанных к тому времени некоторые законы физики. Недостающие законы, описывающие расширение пара были выведены к 1900 годам. Изобретенный в 1880 году двигатель внутреннего сгорания только к 1900 году достиг своего апогея. Данное изобретение положило начало «войне моторов». Корабли перестали зависеть от силы ветра, а значит от стихии, самолеты поднялись в небо, танки, субмарины стали ударной силой армии. Теперь не только в воздухе и под водой развивались военные действия. Военные конфликты стали еще и промышленными, тот сильней у кого техника на высоте.

Шведский инженер Карл Густав де Лаваль в 1889 году впервые применил сопло расширенное на выходе. Такое сопло позволило получить большие скорости пара. Скорость вращения ротора в турбинах увеличилась. А применение в 1903 году Парсонсом прототипа эжектора и наработки его шведского коллеги приблизили эжектор к устройствам повышенной мощности.

Эжекторы удаляют газа или жидкости из рабочего пространства и характеризуется данное устройство коэффициентом эжекции.

,n=m1/m2=v2/v1

где m1 - массовый расход активного потока пара или газа, кг/с;

m2 - массовый расход захваченного воздуха, кг/c;

V1, V2 - объемный расход активного пара или газа, а так же захваченного воздуха, м3/с.

Эжекторное оборудование нашло свое широкое применение в эжекционных системах охлаждения двигателей, в паротурбинных установках, в эксгаустерах, в кондиционерах и даже в простых пульверизаторах. Эжекторы используются для вентиляции помещений, для откачки горячих газов, для выведения из многочисленных установок отработанных газов, для всасывания атмосферного воздуха через радиатор, для распыления масел и мазута в форсунках. Эжекторные устройства применяются для вентилирования помещений движущихся объектов, которыми являются вагоны поездов, салоны автомобилей, каюты кораблей. В случае движущихся объектов в конструкции эжектора применяется конфузор, который имеет обратные диффузеру параметры и некоторые конструктивные различия. Поток воздуха, движущийся навстречу эжектору имеет скорость движения транспорта. При этом движении в конфузор эжектора попадает небольшая масса воздуха. В некоторой части эжектора создается давление ниже, чем в помещении. Соответственно воздух из помещения направляется по отводящей трубке, где его подхватывает струя эжектирующего потока, которая в последующем выводит его наружу. Чем выше скорость движения транспорта, тем эффективнее работает система эжектора. Устройство может работать при наличии ветровой нагрузки и в стационарном режиме.

Эжектор применяется для транспортировки жидкостей за счет кинетической энергии движущегося потока воздуха. Побелочные устройства и пульверизаторы, в которых используется эжектор работают так: поток воздуха, нагнетаемый дополнительным устройством в цилиндрическую трубку, создает разряжение в отсасывающей трубке и жидкость поднимается по трубке, после чего на выходе распыляется воздушным потоком. В нефтяной промышленности эжектор плотно занял свою нишу. Эжекторно-насосные системы используются для переработки низконапорных нефтяных газов. В промышленности, связанной с переработкой и добычей нефти и газа часто используется жидкостно-газовый эжектор. Принцип работы такого эжектора сводится к тому, что насос, производящий забор рабочей жидкости из сепаратора, подает ее на эжектор. Он в свою очередь откачивает жидкость и компремирует газ. Газ отбирается из сырьевых емкостей, из системы переработки нефти либо из концевых участков сепарации, а так же из очистительного резервуара, предназначенного для очистки сточных вод. Образованная газом и жидкостью смесь из эжектора направляется в сепаратор, там происходит ее отделение от газа. Газ, прошедший процедуру сепарации под необходимым давлением для потребителя подается в систему газосбора. Насосом из сепаратора жидкость снова откачивается и подается к эжектору. Таким способом используемая жидкость постоянно циркулирует по замкнутому контуру, осуществляя тем самым откачку, компримирование и транспортировку газа. В качестве рабочих жидкостей используют различные водные и нефтяные растворы, а так же просто техническую воду.
По сравнению с компрессорными станциями эжекторное компремирования имеет множество преимуществ, таких как:

1. высокая надежность при эксплуатации;

2.отсутствие подвижных элементов;

3.минимальные вложения при вводе в эксплуатацию.


Значительное преимущество перед компрессором эжекторный сепаратор имеет в том, что дополнительно перерабатывает газовый конденсат. Так же эжекторы успешно используются в масложировой промышленности. В этой отрасли эжекторы преимущественно применяются в составе пароэжекторных вакуумных насосов. Пароструйные эжекторы расположены за конденсаторами, имеют многоступенчатую структуру, а так же включаются последовательно в эжектируемой среде. В конденсаторах происходит конденсирование пара, а в эжекторах повышается давление пассивной среды. В пароэжекторных вакуумных насосах расход пара значительно снижается, это происходит из-за того, что они не всю выходящую смесь из предыдущих эжекторов сжимают. Эта смесь образованна несконденсированными газами и некоторой частью водяного пара. Пароэжекторные вакуумные насосы с конденсаторами смешивающего типа именно в масложировой промышленности активно используются и связанно это с тем, что именно там необходимо конденсирование на струях и каплях охлаждающей воды.А так же применяемые установки, дезодорирующие масло, работают при низких значениях давления, больших объемах подач и имеют высокие температуры рабочих сред.