Учебник - КШО - Живов (1031225), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Тогда термический КПД циклаЛх(17.4)17.2. Энергоносители паровоздушных и газовых молотовГаз. Отличие реального газа от идеального обусловлено его микрофизическим строением. Во-первых, между молекулами реального газа существуют силы393РазделIV. МОЛОТЫмежмолекулярного притяжения, приводящие к возникновению внутреннего давления и соответствующему повышению полного давления газа при заданномобъеме и температуре. Во-вторых, суммарный объем молекул в газовой системевполне реален. Поэтому при сжатии, когда его доля все возрастает, начинаютсказываться силы межмолекулярного отталкивания.
Следовательно, для реального газа уравнение Клапейрона не выполняется.Известно много уравнений, достаточно точно описывающих свойства реальных газов. Наибольшее распространение получило уравнение Ван-дер-Ваальса:(p + <^lK)K-b)=RT,(17.5)где сг/У^^ - коэффициент, учитывающий внутреннее давление; Ъ - коэффициент, учитывающий изменение объема молекул.Для исследования термически изолированной системы, в которой протекаетадиабатический процесс, очень удобно использовать уравнение (17.3). При этомследует помнить, что для реального газа показатель адиабаты не является постоянной величиной вследствие изменения теплоемкостей газа в зависимости от давления и температуры. Любой реальный процесс в газовой системе сопровождаетсяпотерями энергии.
Так, при конечной разности температур между системой и внешней средой существует теплообмен, являющийся следствием реальных теплоизолирующих свойств разделяющей поверхности. Помимо этого имеются энергетические потери на трение и диффузию. В результате термомеханическая системаоказывается неравновесной и без изменений во внешней среде процесс провестинельзя. В таком случае без затраты внешней работы система не может быть возвращена в начальное состояние и, следовательно, реальные газовые процессы необратимы.
Второй закон термодинамики постулирует это правило для идеальногои реального газов. Поэтому неопределенно долгое действие тепловой машиныстановится возможным только при работе термомеханической системы по круговому циклу с несовпадающими процессами прямого и возвратного ходов.В пределах же отдельных участков термомеханической системы всегда можно наблюдать равновесие определенных факторов. Например, при тех размерахцилиндров тепловых машин, которые используются в натуре, давление в их полостях в каждый данный момент всюду практически одинаково и обусловливаетмгновенное механическое равновесие системы. В пределах требуемой точностиможно принять, что перепад температур по цилиндру также незначителен, исключая, быть может, малый объем, непосредственно прилегающий к стенкам.Водяной пар.
Чтобы подчеркнуть специфические условия существованияреального газа в состоянии, близком к насыщению, т. е. к превращению в жидкость, его называют паром, чаще всего адресуя это понятие к газообразному состоянию воды.Насыщенный водяной пар может существовать в виде однофазной системы приполном испарении воды (сухой пар) или двухфазной, но физически однородной394Глава17. Термомеханический расчет паровоздушных молотовсистемы, являющейся смесью сухого пара и взвешенных внем мельчайших капелек воды (влажный пар).Влажный пар характеризуется степенью сухости х^,равной доле массы сухого пара в смеси, и давлениемили температурой.
Величину, дополняющую значениестепени сухости до единицы, называют степенью влажности XglДополнительный подвод теплоты к змеевику пароперегревателя котельной установки сначала подсушивает влажный пар, а затем повышает температуру сухогопара, превращая его в перегретый. Разность температур Рис. 17.2. Термомеханисухого насыщенного и перегретого паров одного и того ческие кривые реальноже давления называют степенью перегрева.
Очевидно, го газа и парачто при достаточно высоком перегреве пар становитсягазом в обычном понимании.Если на термомеханическую систему с водяным паром наложить наперед заданные связи, то его можно заставить работать так, что определенный параметр илихарактеристическая функция состояния будет выдерживаться постоянной, т. е. совершаться один из основных газовых изопроцессов. Для влажного пара характерпротекания изопроцессов усложнен существованием двухфазной структуры.Для идеального газа изотерма имеет вид монотонной гиперболы.
Для пара(рис. 17.2) это - сложная кривая, имеющая характеристические точки в связис изменением фазового состояния воды. На участке АВ существует только вода.В точке В начинается процесс парообразования, и ее координаты характеризуютсостояние кипящей воды. При заданном давлении процесс парообразования совершается при неизменной температуре (экспериментальный факт). Поэтомуизобара ВС для двухфазной структуры влажного пара одновременно является иизотермой. В точке С вся жидкость выкипела и обратилась в сухой насыщенныйпар. Поскольку физическое строение системы изменилось, кривая Т^ const после точки С (в области перегретого пара) меняет свой ход, снижаясь с расширением объема пара при уменьшении его давления.Существует критическая точка К с параметрами р^, v^ и Г^, при которых предельно возможно проявление жидкости в виде отдельной фазовой структуры.В этой точке горизонтальный участок изотермы обращается в точку перегиба.Поэтому область влажного пара четко очерчена кривой аВКСЬ с участками:аВК - кривой жидкости и КСЬ - кривой пара.
При высоких степенях перегревапара изотерма модифицируется, приближаясь к гиперболе.В технике поршневых тепловых машин применяют влажный насыщенныйпар либо пар с небольшой степенью перегрева (участок CD). Следовательно, дляних неприменимы уравнения состояния газовой системы. Однако в приближенных395РазделIV.
МОЛОТЫрасчетах паровых машин можно пользоваться эмпирической формулой, аналогичной уравнению (17.3). Для влажного пара показатель к определяют по формуле Цейнера:^ - 1 , 0 3 5 +ОД х,о,где х^^о - начальная сухость пара. Для сухого насыщенного пара А: =1,135,для перегретого ^ = 1,3.Показатель к не связан с основными свойствами пара и, будучи сугубо экспериментальным коэффициентом, относится к среднему состоянию пара в течение исследуемого процесса.
Часто идут по пути еще большего упрощения,полагая для всей области влажного пара к=\. Тогда получают уравнение видаpV= const.Это приближенное уравнение адиабатического процесса влажного пара, которое не имеет никакого отношения к изотермическому расширению-сжатиюпоследнего.Изменение параметров газа и пара в потоке. Действующей термомеханической системе присуща третья внешняя степень свободы - кинетическая, обусловленная необходимостью перемещения рабочего тела с конкретной скоростью wиз резервуара с запасом газа или пара (воздушный ресивер, газовый баллон, паросборник) в цилиндр системы. Для обеспечения неразрывности потока при разныхпоперечных сечениях резервуара F^^^, труб F^yg и цилиндра F^ скорости движенияэлементарных объемов газа должны сильно различаться.
В правильно подобранном резервуаре это будет очень малая скорость, в цилиндре она должна обеспечивать движение поршня со скоростью v, заданной кинематическими требованиямик машине, а в трубе, т. е. на входе в цилиндр, быть пропорциональной отношениюплощадей:Как и любая движущаяся масса, рабочее тело обладает кинетической энергией. Увеличение скорости потока означает повышение уровня кинетическойэнергии:dL=AKd(oy2,что может быть достигнуто за счет расходования энергии другого вида, в данном случае термической.Адиабатическое истечение. Этот случай перетекания газа или пара из одного резервуара в другой особенно важен для исследования поршневых тепловыхмашин.Дифференциальное уравнение процесса адиабатического истечения без теплообмена с внешней средой имеет видd{(x^^l2) = -Vdp.уд396(17.6)Глава17.
Термомеханический расчет паровоздушных молотовИнтегрируя уравнение (17.6) при заданных />i, Vj и условии W2»W|,получаем, 2^TjiQ а = k/(k-l);b= Р2/Р1;^-{Pl/Pl)(к-\)/к(17.7)с =а ^Из уравнения (17.7) следует, что изменение скорости потока газа (пара)должно сопровождаться изменением давления, т. е. истечение газа (пара) в цилиндр тепловой машины может начаться только тогда, когда давление на входепревышает давление в цилиндре.Обычно считают развившимся истечением такой процесс, когда перепаддавлений составляет около 10%.
Этой величиной нельзя пренебречь даже пригрубых технических расчетах. Тогда критическая скорость для газа (воздуха)W-60 м/с при к= 1,4, а для влажного пара w ~ 80 м/с при А: ~ 1.Дросселирование. Если на пути газа или пара встречаются сопротивленияв виде местных сужений, то на их преодоление необходимо затрачивать энергию.
Проявляется это в форме работы адиабатического расширения, сопровождающегося падением давления. Понижение давления при перетекании черезместные сужения без использования освобождающейся при этом кинетическойэнергии называют дросселированием (мятием).В самом сужении возникают струйные завихрения, но уже в непосредственной близости за ним вихревое движение затухает и скорость потока газа или пара становится такой же, как и до сужения.Анализ термодинамических диаграмм показывает, что это условие приР\>Р2 выполняется, если возрастает энтропия. В результате работоспособностьэнергоносителя на входе в цилиндр машины падает. На этом основан метод качественного регулирования тепловых машин.17.3.
Циклы молотовых установокКаждая из полостей рабочего цилиндра паровоздушного молота представляетсобой термомеханическую систему, в которой в качестве рабочего тела (энергоносителя) используется пар либо сжатый атмосферный воздух. Энергоноситель с требуемыми параметрами необходимо генерировать и транспортировать в пределытермомеханической системы, обеспечив бесперебойное ее действие, а отработавший энергоноситель - удалять. Для выполнения всех этих операций нужна совокупность агрегатов, составляющих энергосиловую установку привода паровоздушного молота.
В ее пределах энергоноситель совершает замкнутый цикл.На рис. 17.3, а приведена простейшая схема паросиловой установки. В котле 1за счет энергии сгорающего топлива из воды генерируется влажный пар. Принеобходимости пар подсушивают и перегревают в пароперегревателе 2. Для397Раздел IV. МОЛОТЫPkb\cd\eОРис. 17.3. Схема простейшей паросиловой установки молота (а) и еедиаграмма (б)компенсации неравномерности в расходовании пара при одновременной работенескольких молотов в схеме обычно устанавливают паросборник 3 достаточнобольшого объема.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
