Энергоносители паровоздушных и газовых молотов

Газ. Отличие реального газа от идеального обусловлено его микрофизическим строением. Во-первых, между молекулами реального газа существуют силы межмолекулярного притяжения, приводящие к возникновению внутреннего давления и соответствующему повышению полного давления газа при заданном объеме и температуре. Во-вторых, суммарный объем молекул в газовой системе вполне реален. Поэтому при сжатии, когда его доля все возрастает, начинают сказываться 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:

- коэффициент, учитывающий внутреннее давление; Ь - коэффициент, учитывающий изменение объема молекул.

Для исследования термически изолированной системы, в которой протекает адиабатический процесс, очень удобно использовать уравнение (17.3). При этом следует 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 сопровождается потерями 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 система оказывается неравновесной и без изменений во внешней среде процесс провести нельзя. 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 идеального и реального газов. Поэтому неопределенно долгое действие тепловой машины становится 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 размерах цилиндров тепловых машин, которые используются в натуре, давление в их полостях в каждый данный момент всюду практически одинаково и обусловливает мгновенное механическое равновесие системы. В пределах требуемой точности можно принять, что перепад температур по цилиндру также незначителен, исключая, быть может, малый объем, непосредственно прилегающий к стенкам.

Водяной пар. Чтобы подчеркнуть специфические условия существования реального 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 при полном испарении воды (сухой пар) или двухфазной, но физически однородной

системы, являющейся смесью сухого пара и взвешенных в нем мельчайших капелек воды (влажный пар).

Дополнительный подвод теплоты к змеевику пароперегревателя котельной установки сначала подсушивает влажный пар, а затем повышает температуру сухого пара, превращая его в перегретый. Разность температур сухого насыщенного и перегретого паров одного и того же давления называют степенью перегрева. Очевидно, что при достаточно высоком перегреве пар становится газом в обычном понимании.

Если на термомеханическую систему с водяным паром наложить наперед заданные связи, то его можно заставить работать так, что определенный параметр или характеристическая функция состояния будет выдерживаться постоянной, т. е. совершаться один из основных газовых изопроцессов. Для влажного пара характер протекания 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 связи с изменением фазового состояния воды. На участке АВ существует только вода. В точке В начинается процесс парообразования, и ее координаты характеризуют состояние кипящей воды. При заданном давлении процесс парообразования совершается при неизменной температуре (экспериментальный факт). Поэтому изобара ВС для двухфазной структуры влажного пара одновременно является и изотермой. В точке С вся жидкость выкипела и обратилась в сухой насыщенный пар. 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.

при которых пре-

дельно 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 aBKCb с участками: аВК - кривой жидкости и КСЪ - кривой пара. При высоких степенях перегрева пара изотерма модифицируется, приближаясь к гиперболе.

В технике поршневых тепловых машин применяют влажный насыщенный пар либо пар с небольшой степенью перегрева (участок CD). Следовательно, для них неприменимы уравнения состояния газовой системы. Однако в приближенных

расчетах паровых машин можно пользоваться эмпирической формулой, аналогичной уравнению (17.3). Для влажного пара показатель к определяют по формуле Цейнера:

- начальная сухость пара. Для сухого насыщенного пара k= 1,135,

для перегретого к = 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 = 1. Тогда получают уравнение вида

Это приближенное уравнение адиабатического процесса влажного пара, которое не имеет никакого отношения к изотермическому расширению-сжатию последнего.

скорости движения

элементарных 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 требованиями к машине, а в трубе, т. е. на входе в цилиндр, быть пропорциональной отношению площадей:

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 тепловых машин.

Дифференциальное уравнение процесса адиабатического истечения без теплообмена с внешней средой имеет вид

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 входе превышает давление в цилиндре.

Дросселирование. Если на пути газа или пара встречаются сопротивления в виде местных сужений, то на их преодоление необходимо затрачивать энергию. Проявляется это в форме работы адиабатического расширения, сопровождающегося падением давления. Понижение давления при перетекании через местные сужения без использования освобождающейся при этом кинетической энергии 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.

  выполняется, если возрастает энтропия. В результате работоспособность энергоносителя на входе в цилиндр машины падает. На этом основан метод качественного регулирования тепловых машин.