Термодинамические процессы идеальных газов в - ; - и - диаграммах. Смеси идеальных газов. Водяной пар. Влажный воздух. Истечение из суживающегося сопла. Дросселирование газов и паров. Процессы сжатия в компрессоре.

Методические указания

При изучении термодинамических процессов студенту необходимо уяснить, что основные процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный – частные случаи политропного процесса. Расчетные формулы, применявшиеся при изучении идеального газа, для реального газа не действительны. Например, для идеального газа в процессе  изменение внутренней энергии его равнялось нулю, а для пара при нулю не равно. Линии, изображающие основные термодинамические процессы в  и - диаграммах, в общем случае различны для газа и пара. При расчете паров мы не имеем такого простого и точного уравнения состояния, как для идеального газа. Поэтому процессы и циклы с паром рассчитываются с помощью таблиц «Теплофизические свойства воды и водяного пара» и  - диаграммы. Студентам необходимо выработать навыки работы с этими таблицами и  - диаграммой водяного пара - основного рабочего тела в теплоэнергетике. Общий метод расчета по  - диаграмме заключается в следующем: по известным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем проводится линия процесса, и определяются его параметры в конечном состоянии, с помощью которых вычисляются изменение внутренней энергии, количества теплоты и работы в заданном процессе.

Студенту необходимо знать, что в инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по свойствам к идеальным газам и представляющими собой механическую смесь отдельных компонентов различных газов, химически не реагирующих между собой. Это так называемые газовые смеси. Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех входящих в неё компонентов. Парциальное давление - давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объём смеси. Состав газовой смеси задается массовыми, объёмными или мольными долями. Примером газовых смесей, используемых в промышленности, являются продукты сгорания, природный газ, воздух.

Влажный воздух является рабочим телом многих теплоэнергетических машин и представляет собой смесь сухого воздуха с водяным паром. Основные параметры влажного воздуха (плотность, газовая постоянная и др.) подсчитываются по формулам смеси идеального газа. При расчетах процессов сушки, вентиляции и отопления применяется  - диаграмма влажного воздуха, отражающая зависимость энтальпии влажного воздуха от его влагосодержания.

При изучении основных законов механики жидкости и газа студент должен обратить внимание на то, что уравнение первого закона термодинамики для потока является основой, на которой строится вся теория истечения. Поэтому студент должен твердо усвоить те предположения и допущения, которые кладутся в основу вывода уравнения энергии для газового потока

.

Следует твердо знать условия перехода от дозвуковых скоростей потока к сверхзвуковым, уметь рассчитывать сужающееся сопло и сопло Лаваля. Сопло – это канал, в котором расширяется газ с уменьшением давления и увеличением скорости его движения. Сопло имеет узкое сечение канала на его срезе. Сопло Лаваля – комбинированное сопло с сужающейся и расширяющейся частями, применяемое для получения скоростей газа больше скорости звука. Газ, проходя через сопло Лаваля, в его узком сечении имеет критические параметры, связанные со скоростью его истечения

,

где - показатель адиабаты; - критические параметры газа;  - критическая скорость истечения, равная скорости распространения звука в газе с параметрами .

Студенту надо знать, как влияет трение на течение газа или пара, и уметь изобразить процессы течения с трением в  и - диаграммах, уметь объяснить, что такое давление и температура заторможенного потока. Нужно уяснить принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором , > 0, и адиабатным обратимым процессом расширения, при котором , = 0. Надо знать, что эффект Джоуля-Томсона – это изменение температуры газа в результате адиабатного дросселирования. Процесс дросселирования используется для регулирования работы паросиловых установок, так как с увеличением дросселирования уменьшаются расход рабочего тела и располагаемая работа (теплоперепад).

Компрессор – это устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газов. При изучении процесса сжатия в компрессоре нужно понять, что различные по конструкции компрессоры характеризуются одинаковыми, по сути, термодинамическими процессами. Поэтому достаточно рассмотреть процессы, происходящие в одноступенчатом поршневом компрессоре. Многоступенчатые компрессоры используются для сжатия воздуха до высокого давления, между ступенями таких компрессоров устанавливаются теплообменники, обеспечивающие охлаждение воздуха, сжатого в предыдущей ступени, что дает дополнительную экономию в работе.