Диаграмма состояния рабочих веществ

Лекция 3.

Диаграмма состояния рабочих веществ.

    В настоящее время для любого использующегося рабочего вещества (холодильного агента) разработаны уравнения состояния, которые описывают взаимосвязь в термических параметрах состояния: Р, МПа; t (Т), ^оС (К); υ, м³/кг – и два калорических: 𝒾, ; S .

    С помощью уравнения состояния для инженерных расчетов строятся диаграммы состояния. Используются два типа диаграмм: S – T, 𝒾 – P. Для диаграммы S – T на поле наносятся изолинии Р=const, 𝜐=const, 𝒾 =const, а также линия насыщения х=0 и х=1 (х – степень сухости вещества в области насыщения). В области насыщения наносятся линии х=const (линия постоянной степени сухости вещества).

    Диаграмма S – T используется для анализа процессов и циклов, а диаграмма 𝒾 – P для инженерных расчетов ХМ.

    Для диаграммы 𝒾 – P наносятся T=const, 𝜐=const, S=const, x=const, x=0, x=1.

 Обобщающая диаграмма состояния рабочего вещества в координатах S – T, в которой отражены все возможные состояния рабочего вещества:

Рекомендуемые материалы

а) Твердое вещество;

б) Двухфазное состояние твердое вещество – жидкость;

в) Жидкое вещество.

г) Двухфазное состояние жидкость – пар;

д) Парообразное вещество;

е) Газообразное вещество в области температур выше Т_кр.

    Области:  I – жидкость-пар;

                        II – сухой перегретый пар;

                        III – жидкость переохлажденная;

                        IV – твердое тело-пар;

                        V – твердое тело-жидкость;

                        VI – твердое переохлажденное тело.

    Процессы: 1-2 – кипение жидкости (Р=const);

1-3 – дросселирование жидкости с ↓ давления в области влажного

пара;

                          4-5 – плавление;

                          6-7 – сублимация;

                          8-9 – дросселирование в области перегретого пара (газа);

                          8-10 – расширение пара (газа) по изоэнтропе;

                          11-12 – дросселирование газа за пределами линии инверсии;

                          5-1 – нагрев жидкости до состояния насыщения по Р=const.

    4-5-1-2-8 – изобара.

Охлаждение с помощью расширения газов.

    Имеется в виду, что газ предварительно сжат до давления р₁ и затем его расширяют до более низкого давления, например, до атмосферного. Достигаемое охлаждение зависит от способа расширения.

1.

1.                                         (2)                             внешних сил. а возвращается в первонОхлаждение с помощью дросселирования.

    Дросселирование газа – это процесс падения давления рабочего вещества при протекании через сужения в канале. Характерные свойства дросселирования:

а) Поток газа не совершает внешней работы;

б) Давление падает быстро без теплообмена с окружающей средой;

в) Процесс проходит по линии , при этом изменяется внутренняя энергия U и объемная энергия PV.

    При дросселировании энергия затрачивается на проталкивание газа через узкое сечение при этом кинетческая энергия (скорость) резко возрастает и температура снижается. После узкого сечения скорось газа резко снижается и необратимые потери,  связанные с проталкиванием газа, снова нагревают поток.

    Процесс по 𝒾=const (ℐ=const) выполняется только по конечным точкам.

    Соблюдается закон сохранения энергии

U₁ + P₁V₁ = U₂ + P₂V₂

    Температура Т₂<Т₁, если U₂<U₁, а P₂V₂>P₁V₁

    В принципе, в зависимости от того в какой области диаграммы состояния происходит дросселирование в результате может быть получено и охлаждение (Т₂<Т₁) и охлаждение (Т₁<Т₂).

    Для оценки ожидаемого результата используют дифференциальный эффект Джоуля-Томпсона.

      - это отношение безконечно малого изменения температуры к безконечно малому изменению давления.

    Если , то будет охлаждение;

    Если , то будет охлаждение;

    Если  в точках перегиба линии 𝒾=const в диаграмме состояния. Если эти точки в дмаграмме состояния соединить между собой, то это будет линия инверсии.

    В соответствии с диференциальными уравнениями термодинамики

    Для идеального газа, у которого изоэнтальпы и изотермы совпадают  эффект охлаждения или нагрева газа является принадленостью реального газа.

    Интегральный эффект дросселирования – это конечное изменение температуры при конечном изменении давления.

    На практике используют дифференциальный эффект соответствующий изменению давления на 1 бар (0,1 МПа), тогда

    Для воздуха  ^оС

Изотермический эффект дросселирования.

    Это холодопроизводительность, которая может быть получена при нагреве пара от Т₂ до Т₁.

    Процесс дросселирования необратимый, проходит с возрастанием энтропии, он малоэффективен и в холодильной технике не применяется, но он используется в криогенной технике в установках ожижения и разделения газов на ряду с другими процессами охлаждения, например, в цикле Линде

Охлаждение при расширении газов с получением работы.

    Предварительно сжатый газ может быть расширен до более низкого давления в расширительных машинах – детандерах. Используются турбодетандеры, и в некоторых случаях поршневые детандеры.

    Работа снимаемая с вала детандера может быть использована для сжатия газа, выработки электрической энергии.

    При расширении газов предварительно сжатого газа от давления Р₁ до Р₂ в расширительной машине, с отдачей работы, температура газа во всех случаях снижается.

    Работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося газа. Если процесс совершается без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то он будет проходить по линии S=const и следовательно будет обратимым. Эффект охлаждения в обратимом изоэнтропном процессе расширения характеризуется отношением безконечно малого изменения температуры к безконечно малому изменению давления.

    В соответствии с диференциальным уравнением термодинамики

    Интегральный эффект

    Для воздуха

    Изотермический эффект

    Для расчета этого эффекта можно использовать приблтженное уравнение:

  , где к-показатель адиабата

   При условиях: Р₁ = 1 МПа (10 бар), Т₁ = 300 К. Расширение до атмосферного давления ,

     – это температра при расширении газа до давления Р₂ по изоэнтропе. Это предельно возможная низкая температура, которую можно получить при заданных Т, Р₁, Р₂. Поэтому разность температур  используют как эталон для оценки эффективности охлаждения расширением газов.

    В действительности эта разность температур достигнута быть не может, т.к. процесс расширения происходит с потерями, с ростом энтропии и действительная температура, до которой охладился расширившийся газ будет выше, т.е.  и

    Температурная эффективность процесса определяется:

Охлаждение с помощью расширения газа в вихревой трубе. Эффект Ранка.

    Предварительно сжатый газ подается в трубу через сопло направленное тангенциально к трубе. В трубе газ завихряется в пространстве между диафрагмой и вентилем. При завихрении потока его центральная часть отдает энергию перефирийным слоям и охлаждается до температуры . Охлаждаемый воздух, доля которого , выводится через диафрагму; нагретая чась воздуха, доля которой , выводится из трубки через вентиль. Нагретый воздух имеет температуру .

    Изменением положения вентиля вдоль оси трубки можно изменять соотношения потока холодного и горячего газа. При этом будут меняться и температуры Т_г и Т_х. Процесс расширения в вихревой трубе заведомо необратим как и дросселирования (происходит с ↑ энтропии). Известно, что если после расширения смешать между собой горячий и холодный потоки, то температура будет равна Т_др.

Характеристика процесса в вихревой трубе.

    График показывает зависимость достигаемого понижения температуры в трубе от доли охлаждения воздуха. Максимальное охлаждение достигается при доле охлаждения воздуха .

    Тепловой и материальный баланс в трубе:

"10 Понятие и виды субъектов предпринимательской деятельности" - тут тоже много полезного для Вас.

                                             (1)

    Выразив разность энтальпий через разность температур газа запишем

   (2)