میانگین جرم مولی مخلوطی از گازها. مشتقات جزئی پارامترهای حالت. ضرایب حرارتی

برای انجام محاسبات ترمودینامیکی سیستم ها با مخلوط یا محلول های گازی، شناخت ترکیب آنها ضروری است. ترکیب مخلوط را می توان مشخص کرد:

در کسرهای جرمی، جایی که

- جرم مولی من-ام جزء، کیلوگرم بر مول؛ م من- وزن مولکولی نسبی من-ام جزء؛ n من- تعداد من-ام ماده، خال;

برای هر فاز
;

کسری مول
، جایی که
- مقدار ماده مخلوط، مول؛ برای هر فاز مجموع کسرهای مولی اجزای مخلوط
;

کسرهای حجمی که برابر با کسرهای مول هستند
، جایی که
- جلد منجزء ام مخلوط، که در دما و فشار مخلوط گاز، حجم کاهش یافته نامیده می شود.
m 3 /mol – حجم مولی جزء i ام مخلوط. طبق قانون آواگادرو، حجم مولی همه اجزای مخلوط گازها برابر است و
، جایی که
. مجموع حجم های کاهش یافته اجزای یک مخلوط گازی برابر با حجم مخلوط (قانون آماگ) است.
.

ترکیب مخلوطی از گازهای ایده آل را می توان با فشارهای جزئی نیز مشخص کرد آر من، غلظت جرمی و غلظت مولی
.

هنگام تعیین ترکیب محلول ها، غلظت جرمی و مولی استفاده می شود.

فشار جزئی آر من - این فشار است منجزء ام مخلوط گاز، مشروط بر اینکه کل حجم در نظر گرفته شده برای مخلوط را در دمای مخلوط اشغال کند.

3.2. روابط برای مخلوط گازهای ایده آل. قانون دالتون

میانگین جرم مولی مخلوطی از گازها با بیان تعیین می شود
، کیلوگرم بر مول، که در آن
- جرم مخلوط؛
- مقدار ماده موجود در مخلوط. سپس

.

ثابت گاز خاص یک مخلوط گازی

، J/(کیلوگرم)،

جایی که
J/(molK) – ثابت گاز مولی؛ - جرم مولی مخلوط.

قانون دالتون:

، پا،

آن ها مجموع فشارهای جزئی تک تک گازهای موجود در مخلوط برابر با فشار کل مخلوط است. بنابراین، هر گاز در ظرف، کل حجم را در دمای مخلوط اشغال می کند و تحت فشار جزئی خود قرار دارد.

معادله حالت مخلوطی از گازهای ایده آل به شکل زیر است:

.

برای فشار جزئی و برای کاهش حجم من- جزء ام مخلوط، معادلات حالت به شکل زیر است:

سپس با تقسیم این معادلات ترم به جمله، اولی بر دومی، داریم

.

تقسیم معادله
به معادله
ترم به ترم دریافت می کنیم:

.

فصل 4. ظرفیت حرارتی

4.1. انواع ظرفیت حرارتی

ظرفیت گرمایی خاصیت اجسام برای جذب و آزادسازی گرما هنگام تغییر درجه حرارت در فرآیندهای مختلف ترمودینامیکی است. بین میانگین کل و ظرفیت حرارت واقعی کل تمایز قائل شد.

میانگین کل ظرفیت گرمایی یک فرآیند ترمودینامیکی (TP) ظرفیت گرمایی جسمی با جرم m, kg برای بخش نهایی TP است:

، [J/K].

مجموع ظرفیت گرمایی واقعی یک TP ظرفیت گرمایی جسمی با جرم است متر، کیلوگرم در هر لحظه TP:

، [J/K].

یک TP دلخواه 1-2 را در مختصات در نظر بگیرید
، جایی که س- ورودی گرما در [J]؛ تی - درجه حرارت در [0C]. سپس
,
.

اگر وسیله نقلیه یک سیال کار همگن باشد، از ظرفیت های حرارتی نسبی در محاسبات استفاده می شود:

ظرفیت گرمایی ویژه - ظرفیت گرمایی به ازای هر 1 کیلوگرم ماده c=C/متر J/kgK;

ظرفیت گرمایی مولی - ظرفیت گرمایی در هر 1 مول از یک ماده
J/molK;

ظرفیت گرمایی حجمی - ظرفیت گرمایی در هر متر مکعب ماده
, J/m 3 K.

ظرفیت حرارتی تابعی از فرآیند است و به نوع سیال عامل، ماهیت فرآیند و پارامترهای حالت بستگی دارد. بنابراین، ظرفیت گرمایی در یک فرآیند با فشار ثابت را ظرفیت گرمایی ایزوباریک می گویند:

,

جایی که اچ، J – آنتالپی.

ظرفیت گرمایی در یک فرآیند با حجم ثابت را ظرفیت گرمایی ایزوکوریک می گویند:

,

جایی که U, J – انرژی درونی.

ظرفیت گرمایی یک گاز ایده آل به دما و فشار بستگی ندارد و فقط به تعداد درجات آزادی حرکت مولکول ها بستگی دارد و طبق قانون توزیع برابر انرژی بین درجات آزادی حرکت مولکول ها، ظرفیت گرمایی:
، جایی که
- درجه آزادی چرخشی برابر با صفر برای یک گاز تک اتمی
، برای یک گاز دو اتمی -
=2 و برای گازهای سه اتمی
=3;
J/molK - ثابت گاز مولی. ظرفیت گرمایی با معادله مایر تعیین می شود:

.

برای گاز تک اتمی
و
، برای گاز دو اتمی
و
، برای سه یا چند گاز اتمی
و
.

ظرفیت گرمایی گازهای واقعی به فشار و دما بستگی دارد. در تعدادی از موارد، می‌توانیم تأثیر فشار بر ظرفیت گرمایی را نادیده بگیریم و فرض کنیم که ظرفیت گرمایی گازهای واقعی فقط به دما بستگی دارد: سی= f(تی). این وابستگی به صورت تجربی تعیین می شود.

وابستگی تجربی ظرفیت گرمایی واقعی خاص به دما را می توان به صورت چند جمله ای نشان داد:

جایی که
در یک دما تی= 0 0 C. برای گازهای دو اتمی، می توانیم خود را به دو عبارت محدود کنیم:
، یا
، جایی که
.

برای بخش نهایی فرآیند 1-2، مقدار گرما برابر است با:

سپس میانگین ظرفیت حرارتی در این بخش از فرآیند برابر با:

J/kgK.

در منطقه دمای پایین در تی<100К прекращается вращательное движение молекул и колебательное движение атомов, а при температуреتی→ 0K حرکت انتقالی مولکول ها نیز متوقف می شود، یعنی. در تی=0K با آر = سی v= 0 و حرکت حرارتی مولکول ها متوقف می شود (داده های تجربی از Nernst و همکاران، 1906-1912). در یک درجه حرارت تی→ 0K خواص مواد به دما بستگی ندارد، همانطور که در نمودار بالا وابستگی ظرفیت گرمایی به دمای مطلق نشان داده شده است.

1. انواع اصلی منابع.

اجزای اصلی سوخت مایع

سوخت- منبع انرژی؛ ماده ای قابل اشتعال که در حین احتراق مقدار قابل توجهی گرما تولید می کند.

سوخت های جامد، مایع و گاز با توجه به حالت تجمع آنها متمایز می شوند.

به سوخت جامد طبیعیشامل هیزم، زغال سنگ قهوه ای و سخت، ذغال سنگ نارس، آنتراسیت. برای سوخت مصنوعی جامد - کک، زغال چوب، بریکت و گرد و غبار از زغال سنگ قهوه ای و سخت، ترموآنتراسیت. هیچ سوخت مایع طبیعی وجود ندارد. رزین های مختلف و نفت کوره به عنوان سوخت مایع مصنوعی استفاده می شود. سوخت گازی ممکن است طبیعی باشد، مانند گاز طبیعی. گازهای تولید شده در کوره های کک (کوره های کک)، کوره بلند (کوره بلند یا کوره های بالا) و ژنراتورهای گاز (کوره های ژنراتور) به عنوان سوخت گازی مصنوعی استفاده می شوند.

سوخت های مایع- اینها عمدتاً موادی با منشاء آلی هستند که عناصر اصلی تشکیل دهنده آنها کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد است.

کربن (C) حامل اصلی گرما است. وقتی 1 کیلوگرم کربن می سوزد، 34000 کیلوژول گرما آزاد می شود. کربن را می توان تا 85 درصد در نفت کوره و ترکیباتی تشکیل داد.

هیدروژن (H) دومین عنصر سوخت مهم است: احتراق 1 کیلوگرم هیدروژن حدود 125000 کیلوژول گرما آزاد می کند. محتوای هیدروژن در سوخت های مایع 10٪ است.

سوخت مایع همچنین حاوی رطوبت (W) و تا 0.5 درصد خاکستر (A) است.

نیتروژن (N) و اکسیژن (O) بخشی از اسیدهای آلی پیچیده و فنل ها هستند و در مقادیر کم (حدود 3٪) در سوخت موجود هستند.

گوگرد (S) در حین احتراق مقدار زیادی گرما آزاد می کند، با این حال، ترکیبات گوگردی، هنگام تعامل با فلزات مذاب یا گرم شده، کیفیت آنها را بدتر می کند: محصولات احتراق حاوی ترکیبات گوگرد، خوردگی قطعات فلزی کوره ها را افزایش می دهد، فولاد اشباع شده با گوگرد افزایش یافته است. شکنندگی قرمز گوگرد معمولاً در هیدروکربن ها (تا 4٪ یا بیشتر) گنجانده می شود.

ترکیب سوخت کار:

سیپ +Hپ + Oپ +Nپ +Sپ + Aپ = 100 %.

سوخت خشک شده ای که رطوبت ندارد جرم خشک (c) نامیده می شود:

سیبا +Hبا + O c + Nبا + S c + A c = 100% جرم آلی سوخت حاوی گوگرد را جرم قابل احتراق (g) می گویند:

باجی + نجی + Oجی +Nجی +Sجی = 100.

2. اجزای اصلی سوخت های گازی

سوخت های گازی- اساساً مخلوطی از گازهای مختلف مانند متان، اتیلن و سایر هیدروکربن ها است. سوخت گازی همچنین شامل مونوکسید کربن، دی اکسید کربن یا دی اکسید کربن، نیتروژن، هیدروژن، سولفید هیدروژن، اکسیژن و سایر گازها و همچنین بخار آب است.

گاز طبیعی از میادین گاز خالص یا همراه با نفت (گاز همراه) تولید می شود. در حالت اول، جزء اصلی قابل احتراق متان است که محتوای آن می تواند به 95-98٪ برسد. گازهای همراه، علاوه بر متان، حاوی مقادیر قابل توجهی از هیدروکربن های دیگر هستند: اتان (C2H6)، پروپان (C3H8)، بوتان (C4H10)، پنتان (C5H12)، و غیره. گازهای مرتبط دارای یک ارزش حرارتی بالایی دارند، اما به ندرت به عنوان سوخت استفاده می شوند. آنها عمدتاً در صنایع شیمیایی استفاده می شوند.

با استفاده از ابزارهایی به نام آنالایزر گاز، ترکیب سوخت گازی مشخص می شود.

ترکیب سوخت گازی خشک شامل:

CH 4 + C 2 H 4 + CO 2 + H 2 + H 2 S + C m H n+ N 2 + O 2 +… = 100.

متان (CH4) جزء اصلی بسیاری از گازهای طبیعی است. هنگامی که 1 متر مکعب متان می سوزد، 35800 کیلوژول گرما آزاد می شود. متان در گازهای طبیعی می تواند تا 93 تا 98 درصد داشته باشد.

اتیلن (C2H4) - وقتی 1 متر مکعب اتیلن می سوزد، 59000 کیلوژول گرما آزاد می شود. گازها ممکن است حاوی مقادیر کمی باشند.

هیدروژن (H2) - از احتراق 1 متر مکعب هیدروژن 10800 کیلوژول گرما آزاد می شود. بسیاری از گازهای قابل اشتعال، به جز گاز کک، حاوی مقادیر نسبتا کمی هیدروژن هستند. با این حال، در گاز کوره کک محتوای آن می تواند به 50-60٪ برسد.

پروپان (C 3 H 8)، بوتان (C 4 H 10) - احتراق این هیدروکربن ها گرمای بیشتری نسبت به احتراق اتیلن آزاد می کند، اما محتوای آنها در گازهای قابل اشتعال ناچیز است.

مونوکسید کربن (CO) - از احتراق 1 متر مکعب از این گاز، 12770 کیلوژول گرما آزاد می شود. مونوکسید کربن جزء اصلی قابل اشتعال گاز کوره بلند است. این گاز نه رنگ دارد و نه بو و بسیار سمی است.

سولفید هیدروژن (H 2 S) - هنگامی که 1 متر مکعب از سولفید هیدروژن می سوزد، 23400 کیلوژول گرما آزاد می شود. وجود سولفید هیدروژن در سوخت گازی باعث افزایش خوردگی قطعات فلزی کوره و خط لوله گاز می شود. با حضور همزمان اکسیژن و رطوبت در گاز، اثر خورندگی سولفید هیدروژن افزایش می یابد. سولفید هیدروژن گازی سنگین با بوی نامطبوع و بسیار سمی است.

گازهای باقیمانده (CO 2، N 2، O 2) و بخار آب اجزای بالاست هستند. وجود آنها در سوخت منجر به کاهش دمای احتراق آن می شود. با افزایش محتوای این گازها، محتوای اجزای قابل اشتعال کاهش می یابد. سوختی که حاوی بیش از 0.5 درصد اکسیژن آزاد باشد، طبق مقررات ایمنی خطرناک تلقی می شود.

3. گرمای احتراق سوخت

گرمای احتراق سوخت- این مقدار حرارت Q (کیلوژول) است که در طی احتراق کامل 1 کیلوگرم مایع یا 1 متر مکعب سوخت گازی آزاد می شود.

بسته به حالت کلی رطوبت در محصولات احتراق، به مقادیر کالری بالاتر و پایین‌تر تقسیم می‌شود.

رطوبت در محصولات احتراق سوخت مایع در طی احتراق جرم قابل احتراق هیدروژن H و همچنین در هنگام تبخیر رطوبت اولیه سوخت w تشکیل می شود. محصولات احتراق همچنین حاوی رطوبت هوای مورد استفاده برای احتراق هستند. با این حال، معمولاً به آن توجه نمی شود. هنگامی که سوخت حاوی هیدروژن با جرم قابل احتراق H pkg باشد، 9H P کیلوگرم رطوبت در طی احتراق تشکیل می شود. در عین حال، محصولات احتراق حاوی (9H P + W P) کیلوگرم رطوبت هستند. برای تبدیل 1 کیلوگرم رطوبت به حالت بخار، حدود 2500 کیلوژول گرما لازم است. اگر تراکم بخار آب اتفاق نیفتد، از گرمای صرف شده برای تبخیر رطوبت استفاده نمی شود. در این حالت، مقدار کالری کمتری بدست می آوریم.

Q p H =Q p B -25(H p + W p).

گرمای احتراق به دو روش آزمایشی و محاسبه ای تعیین می شود.

هنگام تعیین تجربی گرمای احتراق، از کالری‌سنج استفاده می‌شود.

روش تعیین:بخشی از سوخت در یک دستگاه (کالری متر) سوزانده می شود، گرمای آزاد شده در هنگام احتراق سوخت توسط آب جذب می شود. با دانستن جرم آب می توان گرمای احتراق را با تغییر دمای آن محاسبه کرد. این روش خوب است زیرا ساده است. برای تعیین ارزش حرارتی کافی است داده های تحلیل تکنیکال را داشته باشید.

روش محاسبه.در اینجا گرمای احتراق طبق فرمول D.I. Mendeleev تعیین می شود:

Q p H = 339С p +1030Н p -109 (О p -S p) - 25 W p kJ/kg،

که در آن Cp، Hp، Op، Sp و W p مربوط به محتوای کربن، هیدروژن، اکسیژن، گوگرد و رطوبت در سوخت کار، ٪ است.

سوخت مشروطمفهومی است که برای استانداردسازی و محاسبه مصرف سوخت استفاده می شود.

سوخت معمولی معمولاً سوخت با ارزش حرارتی کمتر (29310 کیلوژول بر کیلوگرم) نامیده می شود. برای تبدیل هر سوخت به سوخت معمولی، باید ارزش حرارتی آن را بر 29310 کیلوژول بر کیلوگرم تقسیم کنید، یعنی معادل این سوخت را پیدا کنید: برای نفت کوره 1.37-1.43 است، برای گازهای طبیعی - 1.2-1.4.

4a

4. سوخت اصلی کوره ها

نفت سیاهمحصول پالایش نفت است و برای آتش زدن اجاق ها استفاده می شود. گرمای احتراق نفت کوره 39-42 MJ/kg است. ترکیب تقریبی نفت کوره: 85-80% C; 10-12.5٪ اسب بخار؛ 0.5-1.0٪ (O P + N P)؛ 0.4-2.5% S P; 0.1-0.2% A R; 2% W P. رطوبت نفت کوره در هنگام خروج از پالایشگاه نباید از 2 درصد تجاوز کند. نفت کوره همچنین حاوی گوگرد است، بسته به درصدی که نفت کوره به گوگرد کم تقسیم می شود.<0,5% Sp), сернистый (0,5-1% Sp) и высокосернистый (>1٪ Sp).

نفت کوره نیز بر اساس میزان پارافین آن و روش تصفیه روغن تقسیم می شود. نفت کوره تقطیر مستقیم (با ویسکوزیته کم) و نفت کوره ترک خورده وجود دارد که ویسکوزیته بالایی دارد. بسته به ویسکوزیته، نفت کوره به گریدها طبقه بندی می شود. شماره نام تجاری نفت کوره ویسکوزیته مشروط را در دمای 50 درجه سانتیگراد (VU50) نشان می دهد. ویسکوزیته با استفاده از ابزار - ویسکومتر تعیین می شود. ویسکوزیته مشروط به عنوان نسبت زمان جریان 200 سانتی متر مکعب فرآورده نفتی در دمای آزمایش به زمان جریان همان حجم آب با دمای 20 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود. در ارتباط با این نشانگر، سوخت روغن به گریدهای 40، 100، 200 و MP (روغن سوخت کوره‌های باز) تقسیم می‌شود.

با افزایش تعداد نام تجاری نفت کوره، چگالی آن افزایش می یابد که در دمای 20 درجه سانتیگراد 0.95-1.05 گرم بر سانتی متر مکعب است. با افزایش دما، چگالی کاهش می یابد.

هنگام تهیه روغن کوره برای احتراق، باید چگالی و درجه آن را در نظر گرفت. آماده سازی شامل ته نشین شدن و فیلتر کردن نفت کوره برای جداسازی آب و ناخالصی های مکانیکی (رس، ماسه و غیره) است که در دماهای بالا انجام می شود و در نتیجه مازوت از آب جدا می شود: هنگامی که ویسکوزیته و چگالی روغن کوره کاهش می یابد. گرم می شود، در نتیجه شناور می شود. رطوبت در پایین مخزن جمع می شود و روغن سوخت کم آب در قسمت بالایی جمع می شود.

هنگام تخلیه از مخازن راه آهن، هنگام تغذیه از طریق خطوط لوله از مخازن کارخانه و کارگاه به کوره ها و همچنین هنگام پاشش با نازل (روغن سوخت معمولاً در حالت اتمیزه سوزانده می شود) ویسکوزیته روغن کوره از اهمیت بالایی برخوردار است. هر چه ویسکوزیته کمتر باشد، انرژی کمتری برای پمپاژ و پاشش روغن کوره صرف می شود. بنابراین، هر چه دما بالاتر باشد، ویسکوزیته کمتر است. دما با توجه به نمودارهای ویسکوزیته بر اساس اطمینان از ویسکوزیته مشروط نفت کوره 5-10 واحد انتخاب می شود.

نقطه اشتعال نفت کوره، یعنی دمای گرمایش، با رسیدن به آن، آزاد شدن شدید اجزای فرار که می توانند از جرقه یا شعله مشتعل شوند، شروع می شود، باید هنگام گرم کردن در نظر گرفته شود. نقطه اشتعال معمولاً در محدوده 80-190 درجه سانتیگراد تغییر می کند. و نباید نقطه اشتعال و دمای احتراق را که به عنوان دمای گرمایش درک می شود، اشتباه گرفت و پس از رسیدن به آن (دمای احتراق روغن کوره 530-600 درجه سانتیگراد است). ، گازها - 500-700 درجه سانتیگراد) نفت کوره خود به خود مشتعل شده و در شرایط مساعد به سوختن ادامه می دهد.

5. اصول اولیه تئوری احتراق

سوزشفرآیند ترکیب شیمیایی سریع عناصر سوخت قابل احتراق با یک اکسید کننده (معمولاً اکسیژن در هوا) است که با انتشار گرما و نور همراه است.

مشعل- یکی از انواع شعله هایی است که در هنگام پرتاب سوخت و هوا به داخل کوره ایجاد می شود. در یک مشعل که دارای اشکال و اندازه های خاص است، فرآیندهای احتراق مستقیم، حرارت دادن مخلوط تا دمای اشتعال و اختلاط به طور همزمان اتفاق می افتد.

در تئوری احتراق، بین احتراق همگن و ناهمگن تمایز قائل می‌شود. احتراق همگن در حجم و احتراق ناهمگن در سطح قطرات و سپس پس از تبخیر اجزای فرار روی ذرات دوده رخ می دهد. هرچه اندازه ذرات سوخت مایع کوچکتر باشد، سطح ویژه تعامل بین فاز مایع و فاز گاز بزرگتر است. بنابراین، پاشش سوخت مایع به شما امکان می دهد سوخت بیشتری را در واحد حجم بسوزانید، یعنی احتراق را تشدید کنید.

احتراق همگن در دو حالت می تواند اتفاق بیفتد که به آنها جنبشی و انتشار می گویند. در مورد جنبشی، یک مخلوط سوخت و هوا از پیش آماده شده به منطقه احتراق (مثلاً به فضای کار کوره) عرضه می شود. بخش اصلی فرآیند حرارت دادن مستقیم مخلوط و اکسیداسیون اجزای قابل احتراق سوخت و احتراق است. در این حالت مشعل کوتاه و با دمای بالا می شود. پیش گرم کردن مخلوط یا غنی‌سازی هوا با اکسیژن، فرآیند احتراق را تسریع می‌کند: گرم کردن تقریباً تمام مخلوط‌های گاز و هوا تا دمای 500 درجه سانتی‌گراد، سرعت احتراق را تقریباً 10 برابر افزایش می‌دهد.

اما دمای پیش گرم کردن مخلوط نباید از دمای اشتعال آن بیشتر شود. با احتراق انتشار، فرآیندهای گرمایش، مخلوط کردن مخلوط و احتراق به طور همزمان در مشعل انجام می شود. کندترین مرحله انتشار متقابل مولکولهای ریز و درشت حجم گاز و هوا و به عبارت دیگر تشکیل مخلوط است. بنابراین، مشعل طولانی تر از حالت اول خواهد بود. در تلاش برای کاهش طول مشعل، جریان گاز و هوا به جریان های جداگانه تقسیم می شود. همچنین افزایش سرعت جت ها و هدایت جریان گاز و هوا با زاویه نسبت به یکدیگر و ... به کاهش مشعل کمک می کند.

احتراق مخلوطی از گاز و هوا قابل اشتعال فقط در یک نسبت مشخص امکان پذیر است. نسبت های محدود کننده آنها را حد غلظت می نامند. حد پایین و بالایی وجود دارد که با حداکثر محتوای گاز قابل اشتعال در مخلوط تعیین می شود. برای هیدروژن، حدود 4.1 - 75 است. مونوکسید کربن - 12.5-75؛ متان - 5.3-14. گاز کوره کک - 5.6-30.4 و برای گاز طبیعی - 4-13.

در مهندسی گرمایش اغلب از مفهوم تنش حرارتی استفاده می شود که به معنای مقدار گرمای آزاد شده هنگام سوزاندن سوخت در واحد زمان، مربوط به 1 متر مکعب از کوره یا فضای کاری کوره است. برای سوخت مایع به 600 کیلووات بر متر مکعب می رسد و برای سوخت گازی دو برابر بیشتر است.

6. محاسبه تحلیلی احتراق سوخت

نسبت ها و مقادیر زیر برای محاسبات استفاده می شود:

1) نسبت محتوای حجمی نیتروژن به اکسیژن در هوای معمولی که با اکسیژن غنی نشده است. ک= 3,76;

2) وزن مولکولی عناصر شیمیایی (برای هیدروژن تقریباً برابر است با 2، برای نیتروژن - 28، اکسیژن و گوگرد - 32 کیلوگرم بر مول).

3) حجم هوا و محصولات احتراق در شرایط عادی (دمای 0 درجه سانتیگراد، فشار 101.3 کیلو پاسکال).

ترکیب سوخت مایع را در نظر بگیرید:

با پی + نپ + Oپ +Nپ + S p + A p + W p = 100.

اجزای قابل اشتعال کربن، هیدروژن و گوگرد است. هنگام استفاده از هوای خشک، واکنش های احتراق کامل اجزا به شکل زیر است:

C + O 2 + kN 2=CO2+kN 2 +س 1 ;

2H 2 + O 2 + kN 2=2H 2 O + kN 2+ Q 2 ;

S + O 2 + kN 2= SO 2+ kN 2+ Q 3.

وقتی 1 مول کربن و گوگرد می سوزد، 1 مول اکسیژن مصرف می شود. هنگامی که 2 مول هیدروژن می سوزد، 1 مول اکسیژن نیز مصرف می شود. به ازای هر مول اکسیژن، k مول نیتروژن وارد کوره می شود. نیتروژن وارد محصولات احتراق می شود. بنابراین، به عنوان مثال، هنگامی که 1 مول کربن سوزانده می شود، 1 مول دی اکسید کربن و 3.76 مول نیتروژن تولید می شود. وقتی کربن با استفاده از این واکنش می سوزد 6bمقدار گرمای Qt آزاد می شود. هنگامی که هیدروژن می سوزد، ترکیب خود از محصولات احتراق تشکیل می شود و مقدار متفاوتی گرما آزاد می شود.

برای احتراق 1 مول کربن به 1 کیلومتر مول اکسیژن با حجم 22.4 متر مکعب نیاز است. اگر نیاز به محاسبه اکسیژن مصرفی به ازای هر 1 کیلوگرم کربن دارید، حجم 1 کیلومتر مول اکسیژن بر وزن مولکولی کربن برابر با 12 تقسیم می شود. بنابراین، 22.4 / 12 = 1.867 m 3 / kg اکسیژن مصرف می شود 1 کیلوگرم کربن. با استدلال مشابه، متوجه می شویم که احتراق 1 کیلوگرم هیدروژن به 22.4 / / (2 O2) = 5.5 متر مکعب اکسیژن نیاز دارد (محصول در مخرج به این معنی است که دو مولکول هیدروژن با وزن مولکولی 2 در واکنش احتراق شرکت می کنند. ). احتراق 1 کیلوگرم گوگرد 22.4 / 32 = 0.7 m 3 اکسیژن مصرف می کند.

نسبت جریان واقعی هوا به جریان مورد نیاز نظری را ضریب جریان هوا می نامند:

? = L a / L 0،یا L a = ?L 0 ,

جایی که L aو L 0- نرخ جریان واقعی و تئوری هوا، m 3 / kg یا m 3 / m 3. ضریب مصرف هوا بستگی به نوع سوخت، طراحی دستگاه سوخت سوز (شعله یا نازل) و دمای گرمایش هوا و گاز دارد.

7. کنترل سرعت جریان هوا

در صورت کمبود هوا یا دستگاه های احتراق سوخت ناقص، احتراق ممکن است ناقص باشد.

وجود اجزای قابل احتراق (مونوکسید کربن، هیدروژن، متان یا کربن سیاه) در محصولات احتراق باعث احتراق ناقص شیمیایی یا همان طور که اغلب می گویند، سوختن شیمیایی سوخت است. دومی با تلفات حرارتی به عنوان درصدی از ارزش حرارتی پایین سوخت مشخص می شود.

هر چه سرعت جریان هوا بیشتر باشد، فرآیند احتراق کامل تر است. اما افزایش این ضریب منجر به افزایش مصرف هوا و تلفات حرارتی قابل توجه با خروج گازها از کوره می شود. دما در کوره کاهش می یابد که منجر به بدتر شدن انتقال حرارت در فضای کار و افزایش اکسیداسیون فلزات می شود. بنابراین، در عمل کوره های عملیاتی، آنها تلاش می کنند تا سرعت جریان هوا بهینه را انتخاب کنند آ.

کنترل آبا دو روش انجام می شود. با استفاده از یکی از آنها، مصرف سوخت و هوا اندازه گیری می شود و a با استفاده از جداول از پیش محاسبه شده تعیین می شود، اما این روش اجازه نمی دهد که هوای ورودی به کوره از طریق پنجره های کار و نشت در سنگ تراشی کوره ها در نظر گرفته شود. بنابراین، نرخ جریان هوا به طور دوره ای بر اساس ترکیب محصولات احتراق با استفاده از آنالایزرهای گاز بررسی می شود. با تجزیه و تحلیل شیمیایی، محتوای RO2، CO، H2، CH4 و O2 در محصولات احتراق تعیین می شود و سپس با استفاده از فرمول S. G. Troiba، a تعیین می شود:

? = 1+ کلبه UO 2/ ?RO 2 .

در اینجا O 2 اضافی = O 2 - 0.5CO - 0.5H 2 - 2CH 4 محتوای اکسیژن اضافی است.

RO 2 = RO 2 + CO + CH 4 +…،%;

U- ضریب بسته به نوع سوخت.

برای نفت کوره U= 0.74، برای گاز طبیعی - 0.5.

بیایید به نمونه هایی نگاه کنیم.

وظیفه.

تعريف كردن آ،اگر RO 2 14٪، CO 4٪، CH 4 0.5٪. H 2 1٪، O 2 2٪.

O 2 g = 2 - 0.5 (4 + 1) - 2 O 0.5 = -1.5٪.

RO 2 = 14 + 4 + 0.5 = 18.5٪.

آ= 1 - 0.5 O 1.5 / 18.5 = 0.96.

8. مصرف انرژی

برخی از مقررات در زمینه عملیات حرارتی کوره ها را می توان مستقیماً از ترمودینامیک کلاسیک فرآیندهای برگشت پذیر به دست آورد.

کار حرارتی یک کوره به عنوان مجموع فرآیندهای حرارتی رخ داده در آن درک می شود که هدف نهایی آن تکمیل یک یا آن فرآیند تکنولوژیکی است.

بیایید یک کوره را به عنوان ترکیبی از مناطق فرآیند تکنولوژیکی ZTP و مناطق تولید گرما تصور کنیم که از محیط زیست توسط سنگ تراشی محافظت شده است معادله زیر را می توان نوشت:

س هه؟ K.I.E =Q M + Q k

جایی که Q e– توان معرفی شده، وات بر کیلوگرم؛

? K.I.E- ضریب مصرف انرژی در فضای کاری کوره؛

Q M، Q k– به ترتیب قدرت جذب شده توسط مواد مو سنگ تراشی به، W/kg

تمام مقادیر در رابطه (1) مربوط به 1 کیلوگرم جرم ماده است م.

ضریب مصرف انرژی ? K.I.Eدر درجه اول به نوع انرژی بستگی دارد. بنابراین، انرژی الکتریکی می تواند به طور کامل به گرمای جذب شده توسط مواد (مفید) و بنایی تبدیل شود ? K.I.E= 1. هنگامی که انرژی سوخت شیمیایی در کوره ها استفاده می شود، ضریب استفاده از انرژی ? K.I.Eهمیشه کمتر از یک در اجاق های سوخت این ضریب نامیده می شود فاکتور استفاده از گرما? K.I.Tضریب مهمترین مفهوم بهره وری انرژی را در شرایط خاص مشخص می کند. به طور کلی مقدار bkie را می توان به صورت زیر نوشت:

? K.I.E= (Q e – س؟ e)/Q e=1 – س؟ e/Q e،

جایی که Q3– توانی که به صورت گرمای شیمیایی و فیزیکی فاز گاز فراتر از فضای کاری کوره W/kg است.

اندازه ? K.I.Eاز یک طرف، با کامل بودن احتراق سوخت در یک ضریب مصرف اکسیژن معین، یعنی با سرعت اختلاط سوخت و اکسیژن، و بنابراین، با کمال فرآیندهای انتقال جرم تعیین می شود. از سوی دیگر، ارزش ? K.I.Eبه دمای گازهای خروجی از کوره، یعنی به کمال فرآیندهای تبادل حرارت بستگی دارد.

بازده گرما و انرژی شیمیایی به شرایط داده شده فرآیند فن آوری و سازماندهی فرآیندهای انتقال گرما و جرم بستگی دارد و بنابراین مقداری را نشان می دهد که مقدار آن را نمی توان با استفاده از ترمودینامیک فرآیندهای برگشت پذیر پیدا کرد، زیرا با سینتیک ها مرتبط است. انتقال حرارت و جرم

9. دما و شرایط حرارتی

انرژی درونی یک سیستم از انرژی های جنبشی و پتانسیل تشکیل شده است. انرژی جنبشی- انرژی حرکت تصادفی اتم ها و مولکول ها، انرژی پتانسیل - انرژی جذب و دافعه متقابل آنها.

مطابق با نظریه جنبشی گازها (قانون ماکسول-بولتزمن)، مفهوم ترمودینامیکی دمای تعادل برای یک گاز ایده آل را می توان با استفاده از معادله رمزگشایی کرد:

T=2NEn/3R= Nmw n 2 / 3R،

جایی که E p- انرژی nذرات با جرم m در محدوده باریکی از سرعت خود؛

ن- شماره آووگادرو؛

آر- ثابت گاز

دمای مؤثر دمای مشروط (کاهش یافته) خاصی از قسمت گرمایش کوره است که در آن چگالی یکسان شار حرارتی تشعشع بر روی سطح گرمایش فقط از قسمت گرمایش کوره تضمین می شود که در واقع در کوره وجود دارد. در سوال.

دمای واقعی شعله (هیتر) و سطح داخلی آستر به دمای سطح گرمایش و تولید گرما و به طور کلی به محل در کوره و به موقع بستگی دارد. تغییرات در این مقادیر در طول کوره و در طول زمان T = f(l, t) رژیم دمایی کوره را مشخص می کند.

مقدار گرمای تولید شده که بر حسب وات بیان می شود، توان حرارتی نامیده می شود س T.M. . در حالت ثابت، توان حرارتی یک مقدار ثابت است که به زمان بستگی ندارد ( س T.M. = ثابت). در حالت غیر ثابت س T.M. = f(t). گاهی اوقات نسبت حداکثر توان حرارتی به توان متوسط ​​نامیده می شود عامل تقویت کننده:

Ф = ( س T.M.) حداکثر /( س T.M.) cp

اگر از Dt برای نشان دادن مدت زمان یک عملیات تکنولوژیکی استفاده کنیم:

(س T.M. ) av = Q? /؟ تی

ترکیبی از رژیم های دما و حرارت.

1. دما و شرایط حرارتی تقریباً ثابت در طول زمان

(T n (t) = const; س T.M. (ر) = ثابت).

2. دمای متغیر و رژیم های حرارتی ثابت در طول زمان

(T n (t) = const; س T.M. (t) = ثابت).

3. دما و رژیم های حرارتی متغیر با زمان

(T n (t) = const; س T.M. (t) = const)، به عنوان مثال چاه های گرمایش برای شمش.

4. دمای ثابت زمانی و رژیم های حرارتی متغیر

(T n (t) = const; س T.M. (t) = ثابت).

10. تعادل حرارتی. اقلام ورودی ترازنامه

گاهی اوقات تعادل حرارتی که در دوره های زمانی کوتاه جمع آوری می شود نامیده می شود فوری. تعیین تعادل فوری- روشن شدن پویایی مصرف انرژی برای فرآیند فن آوری، اگر فرآیند در شرایط حرارتی غیر ثابت (کوره های دسته ای) رخ دهد.

برای کوره های دسته ای، ترکیب ترازهای حرارتی از این نظر متفاوت است که همه موارد تعادل حرارتی در طول زمان تغییر می کنند (برای کوره های پیوسته در طول زمان ثابت هستند)، بنابراین، هنگام تنظیم تراز برای یک دوره زمانی معین، شما باید آن را در نظر بگیرید. مقادیر متوسط ​​برای دوره مشخص شده ویژگی دوم وجود قطعه ای برای انباشت گرما توسط سنگ تراشی قاک در ماده اتلاف حرارتی است که می تواند علامت متفاوتی داشته باشد: زمانی که دما در کوره افزایش می یابد مثبت و هنگامی که در طول فرآیند تکنولوژی کاهش می یابد منفی.

در بیشتر موارد، معادلات تعادل حرارتی با توجه به مصرف سوخت B حل می شود.

تعادل حرارتی معکوس، از جمله تعادل لحظه ای، معمولاً هنگام مطالعه کوره های عملیاتی استفاده می شود. معادلات موازنه حرارت معکوس معمولاً با توجه به گرمای مفید Qm حل می‌شوند و برای یافتن آن بر اساس تعیین‌های تجربی سایر موارد تعادل استفاده می‌شوند.

هنگام تنظیم تراز حرارتی، لازم است اطمینان حاصل شود که تمام مقادیر ورودی و خروجی مورد استفاده در تراز حرارتی برای مرزهای آن قسمت از جسم که تعادل حرارتی برای آن جمع آوری می شود، گرفته می شود. برای جلوگیری از خطاهای احتمالی در انتخاب مقدار برای ترسیم تعادل حرارتی، استفاده از نمودار شی مربوطه راحت است. لازم است خطوط کمکی روی این نمودار ترسیم شود که خطوط جریان مواد را در مکان های مناسب قطع می کند.

اقلام تعادلی را می توان در مقدار گرما بر حسب ژول در یک دوره زمانی معین یا در مقادیر توان حرارتی متناظر بیان کرد.

اقلام ورودی ترازنامه

1. انرژی شیمیایی سوخت Q XT یا انرژی الکتریکی Q e. اگر که در– مصرف سوخت، kg/s یا m 3/s و Q p H – گرمای احتراق آن، سپس:

Q XT = که در Q p H

2. حرارت وارد شده توسط سوخت گرم شده، Q FT.

3. اثر حرارتی حاصل از واکنش های شیمیایی که در طول فرآیند تکنولوژیکی رخ می دهد، Q TECHN. اگر اثر منفی باشد، این اقلام به سمت هزینه ترازنامه منتقل می شود.

4. گرمای وارد شده توسط هوا برای سوزاندن سوخت برای اهداف تکنولوژیکی، Q PV، در.

5. حرارت وارد شده توسط مواد باردار جامد و مایع گرم شده، Q FM.

11. اقلام هزینه ترازنامه

1. حرارت محصولات جامد و مایع فرآیند تکنولوژیکی Q FP

2. گرمای گازهای خروجی (شیمیایی و فیزیکی)، از جمله محصولات گازی فرآیند تکنولوژیکی و هوای مکیده شده از جو، Q yx.

3. تلفات حرارتی (در مجموع) از زیرسوختگی مکانیکی از طریق سنگ تراشی (رسانایی گرمایی و تجمع)، تابش از طریق سوراخ ها با آب خنک کننده عرق Q.

با جمع بندی اقلام ورودی و خروجی ترازنامه، معادل سازی این مقادیر، یک معادله تراز حرارتی به دست می آوریم که برای هر کلاس و نوع کوره ای معتبر است و طبیعتاً ممکن است همه اقلام در هر تراز خاصی انجام نشوند:

Q XT + Q ee + س FT ± Q TECH + Q FB + Q FM = Q FP + Q yx + Q عرق

سمت راست معادله نشان‌دهنده گرمای مفید استفاده شده qm است و سمت چپ بیان آن را از طریق کمیت‌های ترموتکنیکی نشان می‌دهد که اندازه‌گیری آن در شرایط عملی نسبتا آسان است.

نسبت گرمای مفید مصرف شده به ورود گرما با سوخت و هوا را ضریب استفاده از گرمای مفید می گویند:

? KPT =Q M /(Q XT + س FT + Q FB).

این مقدار مشابه بازده است، مفهومی که در ارزیابی عملکرد ماشین‌ها و مکانیزم‌ها استفاده می‌شود. ضریب استفاده از گرمای مفید راندمان عملکرد حرارتی کوره را مشخص می کند و به شما امکان می دهد بازده انرژی کوره های مختلف را مقایسه کنید. فرض کنید اعداد آب W (عدد آب W برابر است با حاصلضرب ظرفیت حرارتی و سرعت جریان جرمی) محصولات احتراق و مواد اولیه (سوخت و هوا) احتراق برابر است، سپس جایگزین می کنیم. qyxدر معادله تعادل حرارتی و تقسیم بر W، به دست می‌آییم:

جایی که ? نهنگ - ضریب بهره وری سوخت؛

جایی که T theor iT f theor- دمای احتراق نظری سوخت بدون و در نظر گرفتن گرمای فیزیکی سوخت و هوای احتراق. Т agr х – دمای گازهای خروجی از واحد.

از آنجایی که T agr. اوه و ای در عرق نسبتا کم است، تا جایی که دمای احتراق نظری هنگام گرم کردن هوا به دلیل گرمای گازهای خروجی (در دمای احتراق نظری معین سوخت در هوای سرد) به ضریب استفاده از گرما در فضای کار کوره بستگی دارد:

12. اصول ترمودینامیکی آنالیز و طراحی کوره ها

تجزیه و تحلیل عملکرد کوره ها از نقطه نظر ترمودینامیک این امکان را فراهم می کند که برخی از مقررات کلی که نتایج نهایی عملکرد کوره ها را مشخص می کند، ایجاد شود.

استفاده از قوانین اول و دوم ترمودینامیک ارزیابی نتایج انرژی تنها فرآیند انتقال حرارت تکمیل شده یا عناصر مشخص شده از چنین فرآیندی را ممکن می سازد و در عین حال امکان تعیین عملکرد دستگاه های حرارتی و به ویژه کوره ها.

ارزیابی انرژی قضاوت در مورد کامل بودن مصرف انرژی در یک دستگاه حرارتی معین را ممکن می سازد و در مورد عملکرد انرژی منتقل شده چیزی نمی گوید. برعکس، ارزیابی اگزرژی قضاوت در مورد تلفات غیرقابل برگشت انرژی، ویژگی های کیفی انرژی منتقل شده را امکان پذیر می کند و به ما اجازه نمی دهد در مورد کامل بودن مصرف انرژی در یک دستگاه خاص قضاوت کنیم.

برای مصرف انرژی یکسان، فرآیند انتقال حرارت، در اصل، کارآمدتر است، هر چه دمای محیطی که گرما را دریافت می‌کند بالاتر باشد، زیرا استهلاک انرژی کمتر است. با همان اگزرژی محیط گرمایش، مصرف انرژی در دستگاه حرارتی با افزایش دمای سطح گرمایش مورد نیاز به دلایل تکنولوژیکی بدتر می شود. هر چه دمای مورد نیاز سطح گرمایش بیشتر باشد، اگزرژی محیط گرمایشی باید بیشتر باشد و نیاز به کیفیت سوخت و شرایط احتراق آن بیشتر باشد. برعکس، در دمای پایین سطح گرمایش یا محیط گرم شده، استفاده از یک محیط گرمایشی با اگزرژی بالا غیرعملی است، زیرا فرآیند استهلاک انرژی همچنان اتفاق می افتد.

کوره ها برای دستیابی به بالاترین بهره وری انرژی محاسبه و طراحی می شوند ? کو ه.

برای به دست آوردن حداکثر ? نهنگ agregate ? کیت فضای کاری باید مقداری بهینه، اما نه حداکثر، داشته باشد.

ارزیابی سوخت با محاسبه مقادیر ممکن ? نهنگ واحد تحت شرایط مختلف احتراق سوخت برای طراحی کوره ها و ایجاد حالت های منطقی عملکرد آنها بسیار مهم است.

13. الزامات مشعل کوره های اجاق باز

خطوط آیرودینامیکی- این مکان هندسی نقاطی است که سرعت جت به صفر نزدیک می شود. خطوط احتراق با میزان سوخت شیمیایی سوخت تعیین می شود، در حالی که مختصات طولی مربوط به طول خط احتراق طول شعله L f است.

برای تسهیل توصیف ریاضی فرآیندهای احتراق در یک مشعل و محاسبه آنها، توصیه می شود مقداری حداقل مقدار سوزش را تعیین کنید که خط مشعل و طول آن را مشخص می کند. برای یکسان سازی این اندازه، رقم باید 0.5٪ CO یا مقدار مربوطه باشد س 3.برای سوخت های پر کالری (مانند نفت کوره، گازهای طبیعی و کک) مقدار 0.5٪ CO در محصولات احتراق در آ=1 مربوط به تلفات حرارتی q z = 1.3-1.8٪ است. بنابراین، برای تخمین طول شعله این سوخت‌ها، می‌توان مقدار تقریباً ۲ درصد (با در نظر گرفتن مقدار معینی هیدروژن در محصولات احتراق) در نظر گرفت.

طول مشعل.به عنوان یک قاعده، یک کوره اجاق باز به یک مشعل کوتاه نیاز دارد. در طول دوره پر کردن، قسمت قابل مشاهده آن باید تقریباً در وسط فضای کار کوره به پایان برسد و در طول دوره تکمیل، توصیه می شود مشعل را به گونه ای طولانی کنید که 3/4 طول حمام را اشغال کند. اما همیشه لازم است آخرین پنجره پرکننده در مسیر مشعل تمیز باشد و هیچ نشانه ای از سوختن سوخت وجود نداشته باشد.

شکل مشعل.در کوره های اجاق باز، شکل مشعل از اهمیت بالایی برخوردار است. لازم است که صاف باشد - وان را بدون تماس احتمالی با دیوارهای جلو و عقب بپوشانید و تا حد امکان از قوس اصلی فاصله داشته باشید، یعنی طبق مشاهدات بصری نازک و بدون برجستگی باشد. این نوع مشعل معمولا نامیده می شود صاف و سخت

به همین دلیل است که برای گرم کردن کوره های اجاق باز به نازل های مخصوص نیاز است. زاویه شیب نازل به آینه حمام باید به گونه ای انتخاب شود که از شکل مورد نیاز مشعل اطمینان حاصل شود و تغییر شکل آن بیش از حد اتفاق نیفتد.

اندازه مشعل و شکل آن اغلب با توپوگرافی تخریب سنگ تراشی کوره های اجاق باز (طاق ها و دیوارها) قضاوت می شود. به عنوان یک قاعده، تخریب محلی در امتداد خط مشعل رخ می دهد.

ویژگی های سرعتالبته برای اطمینان از صافی و استحکام مشعل، مشخصات آیرودینامیکی آن باید به اندازه کافی بالا باشد، یعنی سرعت اولیه خروج جت از نازل و سرعت انبساط مشعل در نزدیکی حمام در تمام طول آن باید باشد. به اندازه کافی بزرگ است که مشعل از حمام جدا نشود و آن را به سمت قوس بلند نکنید.

مشخصات سرعت هم طول مشعل و هم توانایی اکسید شدن آن را تعیین می کند. علاوه بر این، آنها میزان تاثیر مستقیم مکانیکی مشعل را روی حمام کوره منعکس می کنند که برای کاهش کف و بهبود جوشیدن حمام ضروری است.

14. ظرفیت اکسید کننده، ویژگی های تشعشع مشعل

ظرفیت اکسید کنندهجریان فرآیندهایی که برای فناوری بسیار مهم هستند، به ویژه فرآیند اکسیداسیون کربن، تا حد زیادی به سازماندهی مشعل در یک کوره اجاق باز بستگی دارد. همانطور که در ادبیات فنی نشان داده شده است، فرآیندهای اکسیداسیون ناخالصی های حمام عمدتاً توسط فرآیندهای انتقال جرم تعیین می شود.

برای تشدید انتقال حرارت در فضای کار کوره های اجاق باز (به ویژه کوره های بزرگ مقیاس که بر روی چدن مایع کار می کنند)، لازم است همه اقدامات برای تسریع در تحقق انرژی شیمیایی ناخالصی های حمام و پس سوزی مونوکسید کربن انجام شود. مستقیماً در سطح حمام این فرآیند خود شتاب‌دهنده است: ایجاد شرایط برای احتراق شدید، جوشاندن حمام را تضمین می‌کند که به نوبه خود باعث انتقال گرما و اکسیژن از جو کوره به داخل حمام می‌شود. بنابراین، هر گونه بهبود در تامین هوای گرم شده در احیاگرها به سطح حمام شرایطی را برای تسریع در ذوب ایجاد می کند. انتقال جرم را می توان با ایجاد یک مشعل کوتاه و جهت دار و استفاده از تقویت کننده ها تشدید کرد. ما نباید نیاز به توزیع مناسب گرما و اکسید کننده روی سطح حمام را فراموش کنیم تا حمام به طور یکنواخت و بدون کف کردن سرباره بجوشد. این نیاز را می توان با انتخاب یک مشعل با طول مناسب و اطمینان از مشخصه های تشعشعی آن برآورده کرد که طبیعتاً بدون ابزار کنترل مشعل غیرممکن است.

ویژگی های تشعشعمشعل یک کوره اجاق باز باید نورانی باشد، یعنی دارای بالاترین درجه سیاهی ممکن (در دمای کافی بالا) باشد. این اصل که در شرایط عملی مورد تردید قرار نمی گیرد، هر از چندگاهی و با شروع آثار E.K. Wensthrom، به صورت تئوری مورد تردید قرار گرفته است. با این حال، هر بار نتایج تحقیقات و تجربه کارکرد کوره‌ها این شبهه‌ها را رد می‌کند، مثلاً اخیراً در هنگام تبدیل کوره‌های اجاق باز به گرمایش با گاز طبیعی و بهره‌برداری از آنها بر روی نفت کوره اتفاق افتاد. بدیهی است که در ترکیب دو مورد آخر برای یک مشعل ("کوتاه" و در عین حال "روشن") تناقض خاصی وجود دارد ، زیرا هر چه سریعتر فرآیندهای اختلاط سوخت با هوا و فرآیندهای احتراق اتفاق بیفتد ، کمتر فرصت هایی برای آزادسازی ذرات کربنی ایجاد می شود که درخشندگی مشعل را فراهم می کند.

تحقیقات نظری دقیقاً برای کمک به طراحان و کارگران تولیدی است که مؤثرترین مشعل را پیدا کنند. از آنجایی که شدت فرآیندهای انتقال گرما و جرم و عمر کوره تا حد زیادی با طول مشعل تعیین می شود، محققان در درجه اول به دنبال پاسخی برای مهمترین سوال بودند: طول مشعل چقدر است و به چه عواملی بستگی دارد.

15. مطالعات مهندسی حرارتی کوره های اجاق باز

در طول جستجوی روش‌های جدید گرمایش کوره‌های باز با نفت کوره، مطالعات مهندسی حرارتی انجام شد و رفتار گوگرد در فضای کاری کوره مورد مطالعه قرار گرفت. یک کوره نفت گاز، کوره های گرم شده با نفت کوره پاشیده شده در فضای کاری آن و کوره های گرم شده با نفت کوره گازی شده مورد مطالعه قرار گرفتند.

هنگام انجام مطالعات مهندسی حرارتی، کوره ها عمدتاً با روغن های سوخت سبک و کم ویسکوزیته که از پالایشگاه های نفت جنوب می آمدند گرم می شدند. در طول دوره تکمیل، همه کوره ها بار حرارتی یکسانی را حفظ کردند: مصرف نفت کوره 2400 کیلوگرم در ساعت و k = 1.3 بود.

برای کنترل کامل بودن رسوب دوده، یک فیلتر پشم جاذب در پشت فیلتر اصلی پشم شیشه تعبیه شد.

دمای گاز در دهانه گاز (در فاصله 150 میلی متر قبل از خروج گاز از کیسون) با یک ترموکوپل سرنیزه تنگستن-رامولیبدن که در یک محفظه خنک شده با آب نصب شده بود اندازه گیری شد. محل اتصال کار ترموکوپل توسط یک نوک کوارتز محافظت می شد.

مطالعه خواص تشعشعی مشعل ها با اندازه گیری دمای تابش مشعل و سنگ تراشی در طول فضای کار کوره آغاز شد. برای این منظور از پیرومتر تابش کل RAPIRA با تلسکوپ TERL-50 استفاده کردیم. پنج پیرومتر به طور دائمی نصب شده و از طریق لوله های خنک کننده آب نصب شده در دیواره عقب کوره به مشعل هدایت شدند. نصب پیرومترها بر روی دیواره عقب کوره امکان انجام آزمایشات در کل فرآیند ذوب را فراهم کرد.

برای اندازه گیری جریان گرما از پروب حرارتی VNIMT استفاده شد که از طریق سوراخ های پنجره های شارژ وارد فضای کاری کوره شد.

برای مطالعه کاملتر ویژگیهای تشعشع مشعلها، درجه سیاهی آنها و دمای اشمیت تعیین شد. مقادیر vfدر چهار نقطه در طول فضای کار کوره تعیین می شود.

شار حرارتی با یک پیرومتر تابش زاویه حاد اندازه گیری شد.

هنگام کالیبراسیون رادیومتر انتهایی، همزمان با تعیین مقادیر لحظه خاموش شدن نفت کوره، نمونه‌های گاز از فضای کار کوره گرفته شد. تجزیه و تحلیل شیمیایی این نمونه ها نشان داد که اجزای جاذب اتمسفر کوره نمی تواند تاثیر قابل توجهی بر نتایج کالیبراسیون داشته باشد (محتوای CO 2<0,1%).

ماهیت وابستگی TC و PM به قرائت‌های رادیومتر تقریباً برای همه کوره‌های مورد مطالعه یکسان بود.

16. بررسی مشخصات تشعشعی مشعل

دمای احتراق مشعل:

جایی که L R f.k.–طول شعله M;

ایکس- میزان رطوبت نفت کوره، کیلوگرم بر کیلوگرم.

با گرم کردن کوره ها با نفت کوره گازی شده به دست می آید.

در کوره های گرم شده با نفت کوره گازی شده مقادیر بالایی از wf بدست می آید. این را می توان با انتشار شدید دوده در طی ترک خوردگی اکسیداتیو نفت کوره و همچنین ضخامت بیشتر لایه تابشی مشعل توضیح داد. در نیمه اول فضای کار کوره، درجه انتشار در محدوده e f = 0.7-0.95 است و نسبتاً کمی در طول مشعل تغییر می کند. نزدیک به وسط فضای کار، ef به شدت کاهش می یابد و در انتها به کمترین مقدار خود می رسد ( e f = 0.13-0.18).

اثر قابل توجهی از نوع روغن سوخت بر ویژگی های تشعشع مشعل در یک کوره نفت کوره دو کاناله مشاهده شد. افزایش ویسکوزیته نفت کوره با افزایش مقادیر e f در کل طول کوره همراه بود. بنابراین، هنگام استفاده از نفت کوره درجه 40 در برابر پنجره پرکننده دوم در امتداد فلر، مقدار e f = 0.67 و هنگام سوزاندن نفت کوره درجه 80 e f = 0.76 است. با افزایش عدد گرید نفت کوره، انتقال حرارت نیز افزایش یافت.

دوام کوره نیز با ویسکوزیته روغن کوره مرتبط است، زیرا با افزایش ویسکوزیته، حداکثر دمای شعله در انتهای فضای کار کاهش می یابد.

طبق مشاهدات بصری ، هنگام گرم کردن کوره با روغن سوخت با ویسکوزیته بالا ، درخشندگی مشعل تا 2/3 طول فضای کار حفظ می شود ، سرباره به میزان قابل توجهی کمتر کف می کند و فلز سریعتر گرم می شود.

هنگام گرم کردن کوره دو کاناله با روغن مازوت درجه 80، از بخار سوپرهیت تحت فشار 11 اتمسفر و هوای فشرده تحت فشار 5.5-6.0 اتمسفر به عنوان اسپری استفاده شد. در مورد اتمیزه کردن روغن سوخت با هوای کمپرسور، افزایش جزئی در درجه سیاهی مشعل و همچنین q fc مشاهده شد.

نتایج مطالعات عملکرد حرارتی کوره ها به ما امکان می دهد نتایج زیر را بدست آوریم:

1) ترکیب و دمای نیم گاز نفت کوره با مقدار ضریب مصرف هوای اولیه در هنگام گاز شدن نفت کوره تعیین می شود. مقدار بهینه آن 1 در حدود 0.4 است.

2) در هنگام استفاده از روغن‌های سوخت سبک و کم ویسکوزیته، بیشترین مقدار شار حرارتی جذب حرارت وارد حمام، مقدار بالا در ریشه مشعل و در نیمه اول کوره و کمترین مقادیر است. در نزدیکی سر تمیز کننده برای کوره های گرم شده با نفت کوره گازی شده به دست آمد.

3) هنگام سوزاندن نفت کوره سنگین، تفاوت در مقادیر مطلق و نسبی است.

17. پارامترهای پایه ترمودینامیکی حالت گاز

فشار

آر- اندازه گیری نیرویی که روی یک سطح واحد عمل می کند:

آر= lim ?Fn / ?S = dFn/ dS،

جایی که DS -> 0; ?Fn - نیروی عمود بر سطح.

حجم مشخص

V- متقابل چگالی rمواد:

v = 1 / r = dV / dm،

جایی که dV- عنصر حجم بی نهایت کوچک؛

dm- جرم ماده

خال

مقدار ماده ای که دارای تعدادی مولکول برابر با تعداد اتم های موجود در 12 گرم ایزوتوپ کربن 12 C باشد نامیده می شود. دعا می کنیم.

شماره آووگادرو

N A= 6.02 h 10 23 mol -1. مقدار مورد نیاز برای محاسبات نشان می دهد که در یک مول از هر ماده چند مولکول وجود دارد.

جرم مولی

م- جرم یک مول:

M = N A m x 1a. خوردن،

جایی که N A- شماره آووگادرو؛

متر- جرم مولکولی

جرم مولی [M] = kg/mol و حجم مولی = m 3 /mol.

حجم یک مول – حجم مولی:

V M = M / r

جایی که م- جرم مولی؛

r- چگالی ماده

فرمول های تعیین تعداد مول های یک ماده و تعداد مولکول های یک ماده به شرح زیر است:

u= m /M= V/ V M ,

N = uN A = (m / M)NA = (V/V M)N A.

درجه حرارت

مرسوم است که میانگین انرژی جنبشی حرکت انتقالی مولکول ها را به عنوان اندازه گیری دما در نظر بگیریم. اگر دو جسم در تماس از طریق تبادل گرما انرژی را مبادله نکنند، می توان گفت که این اجسام دارای دما و تعادل حرارتی یکسانی در سیستم هستند.

18. حالات بدن. سیستم ترمودینامیکی فرآیند آدیاباتیک

سه حالت تجمع وجود دارد: جامد، مایع و گاز.

اگر پارامترهای سیستم در طول زمان تغییر نکنند، می توان از تعادل ترمودینامیکی سیستم صحبت کرد.

مجموعه ای از اجسام و میدان هایی که می توانند نه تنها با یکدیگر، بلکه با محیط خارجی نیز تبادل انرژی کنند، سیستم ترمودینامیکی نامیده می شود. اگر در یک سیستم ترمودینامیکی تغییری در انرژی داخلی رخ دهد، آنگاه می‌توانیم در مورد کار انجام شده توسط این سیستم و تبادل حرارت بین بخش‌های سیستم صحبت کنیم.

پارامترهای حالت ترمودینامیکی

فشار، دما، چگالی، غلظت، حجم سیستم پارامترهای ترمودینامیکی حالت هستند.

فرآیندی که در آن تبادل حرارتی بین سیستم و محیط خارجی وجود نداشته باشد نامیده می شود آدیاباتیکقانون اول ترمودینامیک در dQ = 0 شبیه این است:

C v dT + PdV= 0,

و هنگام در نظر گرفتن dT= (PdV + VdP) / آر

dP/ پ= -gdV/ V،

جایی که g- شاخص آدیاباتیک؛

آر- فشار؛

V- جلد.

این معادله یک راه حل به شکل زیر دارد:

PV g= ثابت

نامیده می شود معادله پواسونبا در نظر گرفتن معادله مندلیف-کلیپرون، معادله پواسون به صورت زیر خواهد بود:

تلویزیون جی-1 = ثابت،

تی g p 1-g = ثابت.

معادلات پواسون فرآیندهای آدیاباتیک شبه استاتیک را توصیف می کنند. فشرده سازی آدیاباتیک باعث گرم شدن گاز در صورت انبساط آدیاباتیک می شود.

بر خلاف یک فرآیند همدما، یک فرآیند آدیاباتیک با کاهش سریعتر فشار با افزایش حجم مشخص می شود. اگر تغییر حجم را برای هر دو حالت یکسان فرض کنیم، کار انجام شده توسط یک گاز در طی فرآیند آدیاباتیک همیشه کمتر از کار انجام شده در فرآیند همدما است. در یک فرآیند آدیاباتیک، وابستگی کار به توان آدیاباتیک وجود دارد. کارگردانی g -> 1، ما ارزش کار را در طول یک فرآیند همدما به دست می آوریم، به عنوان مثال، یک انتقال آدیاباتیک رخ خواهد داد. (Q = const) به ایزوترم (تی= ثابت).

19. فرآیند پلی تروپیک

فرآیند نامیده می شود چند تروپیک،اگر فرض کنیم ظرفیت گرمایی ثابت بماند. قانون اول ترمودینامیک در C = const به شرح زیر است:

(C– Cv)dT = PdV،

و هنگام در نظر گرفتن dT= (PdV + VdP)/ آرنماد زیر را دریافت می کنیم:

ndV/ V= -dP/ پ،

n= (C– CP)/ (C– رزومه)،

معادله یک راه حل به شکل زیر دارد:

PVn= ثابت،

جایی که پ- فشار گاز؛

V- حجم گاز

یک فرآیند پلی تروپیک با تبادل حرارت جزئی بین سیستم و محیط خارجی مشخص می شود. منحنی فرآیند پلی تروپیک در نمودار PV بین ایزوترم (Г = const) و آدیاباتیک (آدیاباتیک) قرار دارد. س= const) و نامیده می شود پلی تروپبا در نظر گرفتن معادله مندلیف-کلیپرون، معادله چند تروپیک به صورت زیر خواهد بود:

TV n-1 = ثابت،

T n P n-1= ثابت

اجازه دهید کار انجام شده توسط یک گاز را در طی یک فرآیند پلی تروپیک تعیین کنیم:

A 12 = (m / M)R (T 1 - T 2) / (n - 1)،

جایی که متر- جرم گاز؛

م- جرم مولی گاز؛

آر

n- شاخص پلی تروپیک؛

T 1و T 2- دمای اولیه و نهایی

مورد T 2 > T 1 و A 12< 0 соответствует сжатию газа, т. е. работа совершается над ним. Показатель политропы можно получить из опыта. В отдельных случаях политропический процесс может переходить в следующие термодинамические процессы.

1. فرآیند آدیاباتیک: با= 0, n= g= سی/C و Pg =نتیجه، dU= C v dT= -dA، d/ = C p dT= -gdA.

2. فرآیند همدما: با= Ґ، n = 1 و PV = const، T = const، dA= پی دی وی، dU= 0، dl = 0، dQ= dA.

3. فرآیند ایزوباریک: C = C p, n= 0 و V/T = const، آر= ثابت، dA = PdV، dU = C V dT، dl= dU+ پی دی وی= dQ = C p dT.

4. فرآیند ایزوکوریک: C = C، n= Ґ و P/T= ثابت، V=نتیجه، dA= 0, dU= رزومه dT = dQ، dl = dU + PdV = C p dT.

20. گرما

گرمافرآیند تغییر انرژی داخلی با پارامترهای خارجی ثابت h = = const است. اجسام می توانند انرژی را مستقیماً در تماس یا با تابش آن به یکدیگر منتقل کنند. گرما را تبدیل میکروسکوپی انرژی می نامند. فرآیند انتقال حرارت توسط کار انجام شده توسط مولکول ها در طول حرکت حرارتی آشفته تعیین می شود. مقدار گرما در SI دارای ابعاد زیر است: [س]= J. آنها همچنین از واحدهای گرما - کالری استفاده می کنند، 1 کالری = 4.1868 J. اگر بدنی که در فرآیند شرکت می کند مقداری گرما دریافت کند، آن را با علامت مثبت می نویسند، و اگر آن را صادر کند، مقدار گرما را دریافت می کند. گرما علامت منفی دارد.

فرمول تعیین مقدار اولیه گرمایی که برای تغییر دمای بدن به بدن منتقل می شود:

dQ= CDT،

جایی که با- ظرفیت گرمایی بدن

با= dQ/dT.

معنای فیزیکی ظرفیت گرمایی- این مقدار برابر با مقدار گرمایی است که باید به بدن منتقل شود تا دمای آن 10K تغییر کند. ظرفیت گرمایی باتوسط جرم بدن، ترکیب شیمیایی و حالت ترمودینامیکی آن تعیین می شود.

مفهوم ظرفیت حرارتی شامل مفاهیم ظرفیت حرارتی خاص و مولی است. ظرفیت گرمایی در واحد جرم یک ماده نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژهدر مورد جسم همگن برابر است با:

c = C/m

جایی که متر- جرم گاز

ظرفیت گرمایی یک مول از یک ماده نامیده می شود ظرفیت گرمایی مولی یا مولکولی(نشان داده شده است با).ظرفیت حرارتی مولی و ویژه با این رابطه مرتبط هستند:

c = C/م،

جایی که م- جرم مولی ماده

در SI، ظرفیت حرارتی خاص و مولی دارای ابعاد زیر است: [s] = J/kgK، [C] = J/molK.

مفهوم ظرفیت گرمایی شامل دو نوع ظرفیت گرمایی است: در حجم ثابت و در فشار ثابت. ظرفیت گرمایی (اختصاصی و مولی) در حجم ثابت با گرم کردن بدن در تعیین می شود V= const و با c نشان داده می شود vو سی v. ظرفیت گرمایی (اختصاصی و مولی) در فشار ثابت با گرم کردن بدن در تعیین می شود آر= const و نشان داده می شود با صو C p

21. کار کنید

کار کنیدفرآیند تغییر انرژی داخلی به دلیل تغییر در پارامترهای خارجی است که dQ= 0. کار ابتداییکاری است که توسط سیستم در طول یک انبساط شبه استاتیکی بی نهایت کوچک انجام می شود که در نتیجه حجم سیستم به اندازه dV افزایش می یابد:

dA= Fdx = PSdx = PdV،

جایی که Sdx= dV- افزایش حجم؛

اس- مساحت سطح عمود بر آن نیروی F وارد می شود.

آر- فشار.

یک فرآیند ایده آل که در آن یک سیستم می تواند از یک حالت تعادل به حالت تعادل دیگر منتقل شود، نامیده می شود. شبه استاتیکیک ویژگی مشخصه فرآیندهای شبه استاتیک برابری فشار گاز داخلی با فشار خارجی است: P = P،و د آ"= -dA= -P"dV- کار نیروهای خارجی برای یک فرآیند محدود، کل کار را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

سپس کار A 12 به حالت اولیه و نهایی سیستم بستگی ندارد و با نحوه انتقال سیستم از یک حالت به حالت دیگر تعیین می شود. کار تابع شرایط نیست.

در شرایطی که سیستم دارای چندین درجه آزادی است و وضعیت داخلی آن توسط پارامترهای خارجی تعیین می شود x nو دما تی،این سیستم کارهای ابتدایی را بر روی اجسام خارجی انجام می دهد:

dA = X 1 dx 1 + X 2 dx 2 + … + X n dx n،

که در آن x 1 ,x 2 ,…,xn توابع پارامترهای خارجی حالت سیستم x (نیروهای تعمیم یافته) هستند. اگر تغییرات دما در محیط خارجی هیچ تأثیری بر وضعیت سیستم نداشته باشد، معمولاً چنین سیستمی نامیده می شود جدا شده از نظر آدیاباتیکانرژی داخلی یک سیستم جدا شده از لحاظ آدیاباتیک را می توان به عنوان یک تابع مشخص از حالت مشخص کرد تو،علاوه بر این، افزایش این تابع باید برابر با کاری باشد که در هنگام انتقال از حالت اولیه به حالت نهایی روی سیستم انجام می شود، صرف نظر از مسیر:

A 12 = U 2 - U 1،

جایی که U 2و U 1- انرژی های داخلی سیستم در حالت های 2 و 1.

22. قانون بویل ماریوت

یکی از قوانین ایده آل گاز این است قانون بویل-ماریوت،که می گوید: محصول فشار پدر هر جلد Vگاز در جرم گاز ثابت و دمای دائما. این برابری نامیده می شود معادلات ایزوترم. ایزوترم در نمودار PV حالت گاز به شکل هذلولی نشان داده شده است و بسته به دمای گاز، یک موقعیت یا موقعیت دیگر را اشغال می کند. روند در جریان است تی= const، نامیده می شود همدماگاز در تی= const دارای انرژی داخلی ثابت U است. اگر گازی به صورت همدما منبسط شود، آنگاه تمام گرما به سمت انجام کار می رود. کاری که یک گاز هنگام انبساط همدما انجام می دهد برابر با مقدار گرمایی است که برای انجام آن باید به گاز منتقل شود:

dA= dQ= پی دی وی،

جایی که د آ- کار اساسی؛

dV-حجم ابتدایی؛

پ- فشار. اگر V 1 > V 2 و P 1< P 2 , то газ сжимается, и работа принимает отрицательное значение. Для того чтобы условие تی= const برآورده شد، لازم است فرض کنیم که تغییرات فشار و حجم بی نهایت کند است. همچنین یک الزام برای محیطی که گاز در آن قرار دارد وجود دارد: باید ظرفیت گرمایی به اندازه کافی بالا داشته باشد. فرمول های محاسبه در مورد تامین انرژی حرارتی سیستم نیز مناسب هستند. تراکم پذیریخاصیت تغییر حجم گاز در هنگام تغییر فشار نامیده می شود. هر ماده ای دارد ضریب تراکم پذیری،و برابر است با:

c = 1 / V O(dV/CP)T،

در اینجا مشتق در گرفته شده است تی= ثابت

ضریب تراکم برای مشخص کردن تغییر حجم با تغییر فشار معرفی شده است. برای یک گاز ایده آل برابر است با:

c = -1 / پ.

در SI، ضریب تراکم پذیری دارای ابعاد زیر است: [c] = m 2 /N.

23. قانون گی-لوساک

قانون گی-لوساکبیان می کند: نسبت حجم گاز به دمای آن در فشار گاز ثابت و جرم آن ثابت است.

V/ تی= متر/ مدر باره آر/ پ= ثابت

در پ= ثابت، متر= ثابت

این برابری نامیده می شود معادلات ایزوبار

ایزوبار در نمودار PV توسط یک خط مستقیم موازی با محور نشان داده شده است V.روند در جریان است پ= const، نامیده می شود ایزوباریکاگر V 1و T 1- اولیه، و V 2و T 2حجم و دما محدود هستند، پس تساوی زیر برقرار است:

V 1 / T 1 = V 2 / T 2.

کار انجام شده توسط گاز در هنگام انبساط را می توان با محاسبه مساحت مثلث در نمودار PV به راحتی پیدا کرد:

A12 = PDV= متر/ مدرباره RDT،

که در آن DV= V 2 – V 1 – تغییر حجم.

DT = T 2 – T 1 – تغییر دما.

در یک نمودار VT، یک ایزوبار به صورت یک خط مستقیم که از مبدأ امتداد دارد نشان داده می شود. قانون گی-لوساک را می توان به شکل زیر نوشت:

V= V 0 (1+ a v t)،

جایی که V- حجم در دما تی،شمارش شده از 0 o C;

V 0- حجم گاز ایده آل در دما T 0= 273.j6 K.

مقدار را نام ببرید:

a v = V/ V 0 T = 1 / T 0 = 1/ 273.16 K - 1.

در مورد کلی هر ماده ای، ضریب انبساط حجمی به صورت زیر تعریف می شود:

آ= 1 / V.O./ (dV/dT) p .

ضریب انبساط حجمی یک گاز ایده آل برابر است با:

آ= 1 / T.

اگر تی= 0 o C، سپس a =a V

برای گازهای واقعی، قانون گی-لوساک در ناحیه دماهای پایین (یعنی نزدیک به صفر مطلق) صادق نیست. وقتی تا صفر مطلق سرد شود، همه گازها به جز هلیوم مایع می شوند.

24. قانون چارلز

قانون چارلزمی گوید که نسبت فشار گاز به دمای آن ثابت است اگر حجم و جرم گاز ثابت باشد:

پ/ تی= متر/ مدر باره آر/ V= ثابت

در V= ثابت، متر= ثابت

این برابری نامیده می شود معادلات ایزوکور

یک ایزوکور در نمودار PV به عنوان یک خط مستقیم موازی با محور P نشان داده می شود و در نمودار PT یک خط مستقیم است که از مبدأ امتداد می یابد. روند در جریان است V= const، نامیده می شود ایزوکوریکیک ویژگی مشخصه فرآیند ایزوکوریک این است که گاز V= const هیچ کاری انجام نمی دهد. هنگامی که انرژی حرارتی به گاز می رسد، انرژی داخلی آن به دلیل گرمای عرضه شده افزایش می یابد:

DU = متر/ مدر باره رزومه D.T.

جایی که م- جرم مولی؛

رزومه- ظرفیت حرارتی مولی؛

D.T. = T 2 – T 1 – تغییر دما.

اگر P 1 و T 1 اولیه و P 2 و T 2 فشار و دمای نهایی باشند، آنگاه:

P 1 / T 1 = P 2 / T 2

قانون چارلز را می توان به شکل زیر نوشت:

P = P 0 (1 + a p t)

جایی که آر- فشار در دمای t، اندازه گیری شده از 0 o C؛

P 0– فشار ایده آل گاز در دمای T0=273.16 K.

ضریب تغییر فشار دمایی،یا به سادگی ضریب فشار حرارتی، پارامتر زیر نامیده می شود:

a р = Р / Р 0 T = 1 / T 0.

25. معادله حالت یک گاز ایده آل

معادله حالت گاز ایده آلرابطه بین دما و فشار آن را توصیف می کند. از آنجایی که فشار یک گاز ایده آل در یک سیستم بسته است پ= 1/3 Omn , پ= nkT، سپس معادله گاز ایده آل به صورت زیر خواهد بود:

P = NkT،

جایی که ن- تعداد مولکول های موجود در حجم V.

PV = m/ M x NkT،

PV= متر/ M x RT،

جایی که م- جرم مولی؛

Na- شماره آووگادرو؛

ک- ثابت بولتزمن؛

آر- ثابت گاز جهانی

برابری نامیده می شود معادلات مندلیف-کلیپروندر صورتی که مقدار ماده گازی 1 مول باشد، معادله مندلیف-کلیپرون شکل خواهد گرفت. PV = RT.گاز را می توان در نظر گرفت کامل،اگر حالت آن با معادله مندلیف-کلیپرون یا یکی از پیامدهای آن توصیف شود.

F(P,V, تی 0) نامیده می شود معادلات حالتدر نمودار PV مجموعه ای از حالت ها با t 0 = const به شکل هذلولی ارائه می شود. مجموعه هذلولی های مربوط به دماهای مختلف نامیده می شود ایزوترم هافرآیندی که در آن یک گاز از حالتی به حالت دیگر تغییر می کند t 0= const، نامیده می شود همدما

چه زمانی پ= const (1) یک وابستگی خطی حجم یک جرم معین گاز به دما وجود دارد:

V= V 0 (1 + در 0).

این قانون گی-لوساک را نشان می دهد. به همین ترتیب برای V= Const:

P = P 0 (1 + در 0).

از این معادلات نتیجه می شود که همه ایزوبارها و ایزوکورها محور را قطع می کنند t 0در یک نقطه مشخص از شرط 1 + در 0= 0. حل این معادله:

t 0 = -1 / آ= -273.15 o C.

R= 8.31 ساعت 10 3 J/(درجه ساعت کیلومتر مول) - ثابت گاز جهانی

PV = m/m x RT.

26. معادله جهانی حالت یک گاز ایده آل

نسبت جرم مترگاز (ماده) به مقدار گاز (ماده) vاین سیستم نامیده می شود جرم مولی گاز (ماده):

M = m/ v

ابعاد جرم مولی به شرح زیر است: [M]= 1 کیلوگرم / 1 مول.

نتیجه ای از قانون آووگادرو به ما اجازه می دهد تا نسبت حجم های خاص را پیدا کنیم:

v 2 / v 1 = M 1 / M 2

v 1 M 1 = M 2 v 2 .

آخرین نسبت نشان دهنده یک نکته مهم است خاصیت گاز ایده آل:در شرایط فیزیکی یکسان، حاصلضرب حجم ویژه یک گاز و جرم مولی آن مقدار ثابتی است که به ماهیت گاز بستگی ندارد. vM= ایدم کار کنید vMحجم 1 مول گاز ایده آل را نشان می دهد و آخرین تساوی به معنای برابری حجم مولی همه گازها در فشارها و دماهای یکسان است.

معادله حالت یک مول گاز به صورت زیر است:

PV m = MRT،

جایی که MR = Rm= PV m/ تی.

محصول MR است ثابت گاز جهانی (مولری).معنای فیزیکی ثابت گاز جهانی این است که ra است 26bبیش از یک مول از یک گاز ایده آل با تغییر دمای 1 درجه و فشار ثابت فرآیند. این به ماهیت گاز بستگی ندارد. آر= 8.314/m. معادله فرم

PV m = 8,314تی

تماس گرفت معادله جهانی حالت

معادله جهانی حالت یک گاز ایده آلمی توانیم معادله مندلیف-کلیپرون را در نظر بگیریم:

PV = uRT.

اگر حجم را ثابت نگه دارید و فشار گاز را به عنوان نشانگر دما در نظر بگیرید، می توانید یک دماسنج با مقیاس کاملا خطی تهیه کنید. نامیده می شود مقیاس دمای گاز ایده آلاستفاده از هیدروژن به عنوان یک ماده دماسنجی راحت است. مقیاس تعیین شده برای هیدروژن، مقیاس دمای تجربی نامیده می شود.

27. خواص اساسی مخلوط های گازی

مجموعه ای از چندین گاز مختلف که بین آنها انجام فعل و انفعالات شیمیایی غیرممکن است نامیده می شود مخلوطی از گازهای ایده آلفشار با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

P i = N i kT/ V،

جایی که من= 1، 2، r، نامیده می شود جزئي،

r- تعداد گازهای موجود در مخلوط؛

N تعداد مولکول های گاز i ام است.

V- حجم مخلوط؛

ک- ثابت بولتزمن؛

تی- درجه حرارت.

قانون دالتونرابطه بین فشار مخلوطی از گازهای ایده آل و فشار جزئی آنها را منعکس می کند. نوشته شده است: «فشار مخلوط rگازهای ایده آل و مجموع فشارهای جزئی آنها با یکدیگر برابر است. فرمول ریاضی قانون دالتون به شرح زیر است:

P = P1+ P2 +… + Pr = NkT/V

جایی که N = N 1+ N 2+. + شماره- تعداد مولکول های موجود در مخلوط rگازها

قانون اماگاین نشان دهنده رابطه بین حجم مخلوطی از گازهای ایده آل و حجم جزئی آنها است. قانون اماگ می گوید: «حجم یک مخلوط rگازهای ایده آل و مجموع حجم جزئی آنها با یکدیگر برابر است.

V = V 1 + V 2 + … + V r.

پارامترهای مخلوط گاز را می توان با دانستن پیدا کرد قانون کلاپیرون:

PV = mRT،

نسبت جرم هر گاز به جرم کل مخلوط نامیده می شود کسر جرمی:

g 1 = m 1 / m; g 2 = m 2 / m; ...; g n = m n / m،

جایی که g 1، g 2، g n- کسر جرمی؛

m 1، m 2، m n- توده گازها به طور جداگانه؛

متر- جرم مخلوط

مجموع کسر جرمی همه گازهای مخلوط برابر با واحد است.

جرم یک مخلوط مجموع جرم گازهای موجود در این مخلوط است.

نسبت حجم جزئی به حجم کل مخلوط نامیده می شود کسر حجمی:

r 1= V 1/ V, r 2= V 2/ V،., r n = V n/ V،

جایی که r 1، r 2، r n- کسر حجمی؛

V 1, V 2,., Vn- حجم جزئی گازهای مخلوط؛

V- حجم مخلوط گاز

28. میانگین جرم مولی مخلوطی از گازها

معادله برای یافتن ثابت مخلوط گاز خاص به صورت زیر است:

R = еg i R i = 8314.2 (g 1 / M 1 + g 2 / M 2 +… + g n / M n)

با دانستن جرم مولی مخلوط، می توانید ثابت گاز مخلوط را پیدا کنید:

با دانستن ترکیب حجمی مخلوط، فرمول های زیر را به دست می آوریم:

g i = (R/ R i)

به عنوان مثال من= Re(r من/ر من) = 1.

فرمول محاسبه ثابت گاز خاص به شکل زیر خواهد بود:

آر= 1 / e(r من/ر من) = 1 / (r 1 / R 1 + R 2 +… + r n / R n).

میانگین جرم مولی مخلوطی از گازهایک مقدار نسبتاً متعارف است:

م= 8314,2 / (g 1 آر 1 + g 2 آر 2 +. + g n R n).

اگر ثابت های خاص گاز را جایگزین کنید R 1، R 2،…, Rnبا استفاده از مقادیر آنها از معادله Clayperon، اگر مخلوط با کسر جرمی تعیین شود، میانگین جرم مولی مخلوطی از گازها را می یابیم:

م= 1 / (r 1/ M 1+ r 2/ M 2+. + r n/ منگنز).

در موردی که مخلوط با کسر حجمی تعیین می شود، عبارت زیر را به دست می آوریم:

آر= 1 / er i R i= 8314,2 / e r i M i .

با دانستن اینکه آر= 8314.2 / M، دریافت می کنیم:

م= er I M i= r 1 M 1 + r 2 M 2 +. + r n M n .

بدین ترتیب، میانگین جرم مولی مخلوطی از گازهابا مجموع محصولات کسر حجمی و جرم مولی تک تک گازهایی که مخلوط را تشکیل می دهند تعیین می شود.

29. فشارهای جزئی

فشار، نوشته شده به صورت: P i = N i kT/ V،

جایی که من= 1،2،...، r نامیده می شود جزئي.اینجا r- تعداد گازهای موجود در مخلوط؛

N i- تعداد مولکول های گاز i-ام؛

V- حجم مخلوط؛

ک- ثابت بولتزمن؛

تی- درجه حرارت.

اگر تمام پارامترهای اصلی گاز شناخته شده باشند، می توان آن را یافت:

P i = m i R i T/ V =m i R i/ mR = Pg i R i/ر = Pg i M/M i

اگر مخلوط با کسر حجمی مشخص شود، برای به دست آوردن فشار جزئی هر گاز به قانون بویل-ماریوت روی می‌آوریم، که از آن می‌توان دریافت که در T = const:

P i V = P V iو P i = P V i/ V = r i P.

فشار جزئیهر گاز به عنوان حاصل ضرب فشار کل مخلوطی از گازها و کسر حجمی آن محاسبه می شود. آخرین معادله هنگام حل مشکلات فنی و هنگام بررسی تاسیسات حرارتی استفاده می شود. کسر حجمی گازها به صورت تجربی با استفاده از آنالایزرهای گاز بدست می آید.

معنای فیزیکی فشار جزئی پیاین است که این فشار گاز i ام است، مشروط بر اینکه حجم آن را اشغال کرده باشد V.

قانون دالتونرابطه بین فشار مخلوطی از گازهای ایده آل و فشار جزئی آنها را منعکس می کند. نوشته شده است: فشار مخلوط rگازهای ایده آل و مجموع فشارهای جزئی آنها با یکدیگر برابر است. فرمول ریاضی قانون دالتون به شرح زیر است:

آر= Р 1 + Р 2 + ...+ پی آر= NkT/V

جایی که ن= N 1+ N 2+... + شماره- تعداد مولکول ها در مخلوطی از گازهای r.

فشار اعمال شده توسط مولکول های هر کدام rگازهای ایده آل، به فشار اعمال شده توسط مولکول های گازهای دیگر بستگی ندارد. دلیل این پدیده این است که مولکول ها در یک گاز ایده آل برهم کنش نمی کنند. به طور تجربی نشان داده شده است که در فشارهای بالا (از مرتبه 106 Pa) قانون دالتون برآورده نمی شود.

30. قانون بقا و تبدیل انرژی

قانون اول ترمودینامیک مبتنی بر قانون جهانی بقا و تبدیل انرژی است که می گوید انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود.

اجسام شرکت کننده در یک فرآیند ترمودینامیکی با تبادل انرژی با یکدیگر تعامل دارند. در همان زمان، در برخی از بدن ها انرژی کاهش می یابد، در حالی که در برخی دیگر افزایش می یابد. دو گزینه برای انتقال انرژی توسط اجسام فیزیکی وجود دارد: تبادل حرارت و کار مکانیکی.

در عمل، واحد کار نیز ژول است، مقدار کار با L و کار خاص در واحد جرم (P kg) با / نشان داده می شود.

چندین شرط اساسی در قانون اول ترمودینامیک وجود دارد.

L هر نوع انرژی به خودی خود ایجاد نمی شود، بلکه متقابلاً به یکدیگر تبدیل می شوند و مقدار آنها همیشه یکسان است.

2. ساختن یک ماشین حرکت دائمی از نوع اول غیرممکن است.

3. اگر سیستم کاملاً ایزوله باشد، انرژی داخلی آن ثابت می ماند.

بیایید وانمود کنیم که س- مقدار گرمای وارد شده به بدن که باید صرف انجام کار و تبدیل انرژی داخلی شود:

س= ?U +L،

جایی که L = میلی لیتر- مقدار کار؛

DU = mДu - تفاوت بین انرژی داخلی حالت اولیه و نهایی.

در مورد وزن بدن برابر با 1 کیلوگرم:

q =?تو + ل،

جایی که l، q، Du - مقادیر مشخص کار، گرما، تفاوت در انرژی های داخلی حالت های اولیه و نهایی. اگر فرآیند بی نهایت کوچک باشد، پس

dq = du + dl.

نسبت حاصل می شود مدل ریاضی قانون اول ترمودینامیکاز این رو فرمول زیر قانون به شرح زیر است: "کل مقدار گرمایی که یک جسم فیزیکی دریافت می کند صرف انجام کار و تبدیل انرژی درونی بدن می شود."

یک قانون به اصطلاح علامت برای پارامترها وجود دارد: q> 0، اگر گرما به بدن فیزیکی عرضه شود، و q<0, если отводится; ل> 0 اگر کار توسط خود بدن انجام شود (انبساط)، و ل< 0, если работу совершают над телом извне (сжатие); Dتو> 0 – اگر انرژی درونی بدن افزایش یابد، D تو< 0 – если внутренняя энергия уменьшается.

31. انرژی درونی

انرژی درونیاز انرژی های جنبشی و پتانسیل درونی تشکیل شده است. انرژی جنبشی داخلی در اثر حرکت بی نظم مولکول های یک ماده ایجاد می شود.

انرژی جنبشی کل ماکروسیستم محاسبه می شود:

جایی که متر- جرم سیستم؛

w– سرعت حرکت آن در فضا.

نیروهای برهمکنش مولکول های یک ماده با یکدیگر، انرژی پتانسیل داخلی بدن را تعیین می کنند.

انرژی درونیاین انرژی است که در خود سیستم موجود است و دارای دو جزء است - انرژی جنبشی

تغییر در انرژی پتانسیل خاص (داخلی) همان بدن. تغییر در کل انرژی ویژه (داخلی) در طول یک فرآیند ترمودینامیکی به شکل زیر خواهد بود:

U – انگلستان– و R.

انرژی داخلی یک سیال کاری با جرم دلخواه با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

?v-V k – V p .

فرض کنید وقتی گرما از بیرون تامین می شود، سیال کار از حالت اول به حالت دوم می رسد. سپس مقدار این گرما به صورت زیر بیان می شود:

q 1, 2 – u 2 - U 1.

فرآیند طبق قانون ایزوکوریک پیش می رود، ما داریم:

q 1.2 = ? v(T 2 -T 1).

به طور کلی، برای هر ماده ای با جرم m:

v 2 -v 1 - متر؟ v (T 2 - T 1)،

که در آن T 1 دمای اولیه فرآیند ترمودینامیکی است.

T 2- دمای نهایی؛

u 1 - مقدار اولیه انرژی داخلی؛

u 2 - مقدار نهایی انرژی داخلی.

? - ظرفیت گرمایی ویژه (ایزوکوریک).

32. محاسبه کار گاز

گاز از منبع خاصی در خارج از سیستم گرما دریافت می کند. اجازه دهید فشار گاز را با حرف p، مساحت پیستون را با S، سپس تحت تأثیر یک نیروی خارجی نشان دهیم. F = pSروی پیستون بی حرکت خواهد بود. وقتی نیروی خارجی F کاهش می یابد، تفاوت بین این دو نیرو وجود دارد pS–Fپیستون را به سمت راست حرکت می دهد. گاز زیر پیستون منبسط می شود و بر نیروهای خارجی غلبه می کند و کار را در این فرآیند انجام می دهد. برای یک فرآیند تعادلی ما موارد زیر را داریم.

1. پیستون باید در امتداد سیلندر به آرامی بی نهایت حرکت کند (یعنی با سرعت بینهایت کوچک). این امکان را فراهم می کند که فرض کنیم فشار گاز در کل حجم در هر زمان یکسان است.

2. دمای منبع گرما عملاً با دمای سیال کار (که برای آن از گاز استفاده می کنیم) تفاوتی ندارد، یعنی اختلاف دمای آنها بینهایت کوچک است. این باعث می شود فرض کنیم که دما در کل حجم گاز در هر زمان یکسان است.

در چنین شرایطی، فرآیند انبساط سیال عامل در هر زمان دارای دما، چگالی و فشار یکسان در کل حجم خواهد بود، یعنی حالت آن نیز در حالت تعادل خواهد بود.

حل تحلیلی مشکل محاسبه کار انجام شده توسط گاز به دلیل انبساط آن. سرعت پیستون هنگام حرکت در سیلندر بی نهایت کوچک است. بنابراین، برای تجزیه و تحلیل فرآیند انبساط، کل طول مسیر پیستون را به قسمت های بینهایت کوچک dl تقسیم می کنیم. سپس dA(کار ابتدایی) در هر بخش ابتدایی dl توسط محصول تعیین می شود:

dA = pSdl،

جایی که pS- زور؛

dl- مسیر.

استفاده از برابری

Sdl = dv،

ما گرفتیم

dA = pdv.

بیان می کند:

جایی که آکاری است که توسط گازی با جرم j kg در حین انبساط انجام می شود.

به کارهایی که گاز در حین انبساط انجام می دهد نیز گفته می شود فنی.

33. فرآیندهای برگشت پذیر و غیر قابل برگشت

اگر یک سیستم ترمودینامیکی تحت تأثیر نیروهای خارجی از یک سری حالت های متوالی عبور کند، کلیت آنها نامیده می شود. فرآیند ترمودینامیکیاین فرآیند توسط سیال عامل انجام می شود و حالت آن به گونه ای تغییر می کند که جرم ثابت می ماند. ویژگی اصلی یک فرآیند ایده آل ساده شده آن است برگشت پذیری

برگشت پذیرفرآیندهایی هستند که در هر دو جهت رو به جلو و معکوس رخ می دهند و در آنها تغییرات باقیمانده نه در سیال کاری و نه در فضای اطراف رخ نمی دهد. علاوه بر این، سیال عامل در هر دو جهت از یک حالت اولیه تعادل عبور می کند و در پایان فرآیند به نقطه اولیه باز می گردد.

هر فرآیند برگشت پذیر تعادل است. فرآیند نامیده می شود تعادل،اگر حالت های متوالی که سیستم از آن عبور می کند نیز تعادلی هستند. فرآیندی که بسیار کند پیش می رود و بنابراین در هر زمانی به تعادل نزدیک می شود، نامیده می شود شبه استاتیک(همچنین برگشت پذیر است).

از نظر گرافیکی، حالت تعادل به عنوان یک نقطه در یک سیستم مختصات فضایی با سه پارامتر نشان داده می شود. v، p، T،و فرآیند تعادل خود منحنی است که از تعدادی از این نقاط عبور می کند.

وضعیت سیستم نامیده می شود تعادل،اگر در هر لحظه از زمان در کل حجم اشغال شده توسط گاز، مقادیر v، p، T(پارامترهای حالت) یکسان هستند، اگرچه در صورت تغییر حالت در طول زمان تغییر می کنند. در مورد یک سیستم ایزوله، در نهایت به حالت تعادل باز می گردد و نمی تواند خودش را ترک کند. در عمل، فرآیندهای برگشت پذیر تحت شرایط خاصی امکان پذیر است.

1. سیال عامل حالت خود را بی نهایت به آرامی تغییر می دهد.

2. سیال عامل دارای بی نهایت حالت تعادل است.

3. تبادل حرارت با محیط خارجی (فرایند برگشت ناپذیر)، اصطکاک خارجی، اصطکاک داخلی ذرات بدن در برابر یکدیگر وجود ندارد.

4. هیچ تغییر شیمیایی در ماده کار وجود ندارد.

فرآیندهایی که خاصیت برگشت پذیری را برآورده نمی کنند غیر قابل برگشت

هر فرآیند واقعی که در آن سیال عامل حالت خود را تغییر دهد، برگشت ناپذیر است.

هر فرآیند واقعی نیز غیرتعادلی است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که فرآیند دارای سرعت محدود است و حالت تعادل در ماده کار به سادگی زمان برای ایجاد ندارد. فرآیندهای واقعی می توانند به منطقه تعادل نزدیک شوند، اما با فرآیندهای تعادلی منطبق نیستند، آنها فقط می توانند در جهت رو به جلو رخ دهند، و در جهت مخالف تنها زمانی که از بیرون تحت تأثیر قرار گیرند.

34. مقررات اساسی قانون دوم ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک به ما اجازه می‌دهد به این سؤالات پاسخ دهیم: آیا توسعه فرآیند مورد بررسی امکان‌پذیر است یا خیر، زمانی که تعادل در سیستم ترمودینامیکی برقرار شود، کدام جهت از فرآیند غالب خواهد بود. این قانون همچنین به تعیین شرایطی که سیستم حداکثر کار را انجام می دهد کمک می کند.

ماهیت این قانون ابتدا توسط یک دانشمند و مهندس فرانسوی بیان شد سعدی کارنو(1824). او نوشت که هر جا اختلاف دما وجود داشته باشد، یک نیروی محرکه می تواند ظاهر شود. علاوه بر این، فقط به دمای اجسام در حال تعامل بستگی دارد و به نوع این اجسام بستگی ندارد. برای به دست آوردن مقادیر زیادی از چنین نیروی محرکه ای، دمای اولیه سیال کار باید قابل توجه باشد و بر این اساس خنک کننده نیز زیاد است. بعلاوه هرگز در عمل استفاده از نیروی محرکه (انرژی) سوخت به طور کامل امکان پذیر نخواهد بود.

این اظهارات دانشمند شرایط تبدیل حرارت موتور به کار مفید را مشخص می کند و کیفیت این تبدیل به چه پارامترهایی بستگی دارد. بر اساس مقررات تعیین شده، ما باید در مورد نیاز به انجام همزمان دو فرآیند در دستگاه های حرارتی صحبت کنیم - یکی اصلی که در آن گرما به کار تبدیل می شود و دیگری - فرآیند همراه انتقال گرما به منبع سرد.

در ترمودینامیک خود جوشآنها چنین فرآیندهایی را می نامند که می توان در مورد آنها گفت که آنها به تنهایی رخ می دهند، یعنی به طور مستقل. طبق قانون دوم، فرآیندهای خود به خودی تنها زمانی رخ می دهند که تعادلی در سیستم ترمودینامیکی وجود نداشته باشد. علاوه بر این، جهت وقوع چنین فرآیندهایی با جهتی که سیستم در آن به نقطه تعادل نزدیک می شود، منطبق است.

اساس قانون دوم ترمودینامیک فرضیات است. اولین فرضیه دانشمند آلمانی آر.کلوزیوس(1850) فرمول کلی قانون دوم را به شکل زیر ارائه می دهد: "گرما به طور خود به خود از یک جسم (کمتر گرم شده) به جسم دیگر (گرم تر) منتقل نمی شود، بلکه فقط با کمک جبران می شود. یک فرض دیگر (خداوند کلوین تامسون، 1852) بیان می کند که ایجاد یک موتور حرارتی غیرممکن است - یک ماشین حرکت دائمی از نوع دوم (که در آن گرما به طور کامل به کار تبدیل می شود). نتیجه این است که یک موتور حرارتی فقط در حضور حداقل دو منبع گرما با دماهای مختلف کار می کند. علاوه بر این، تنها بخشی از کل گرمای آزاد شده توسط فرستنده گرما (منبع گرما در دمای بالا) می تواند به کار مفید تبدیل شود. بقیه گرما به هیت سینک منتقل می شود.

در عمل، فرآیندهای خود به خودی (انتقال گرما از اجسام گرم به سرد، انتشار، پدیده انحلال و بسیاری دیگر) برگشت ناپذیر هستند. بنابراین فرمول دیگری وجود دارد قانون دوم ترمودینامیک:"اگر یک فرآیند واقعی خود به خود باشد، پس غیرقابل برگشت است."

35. راندمان ترمودینامیکی و ضریب تبرید سیکل ها

منابع دمای بالا (T 1)و گرما دادن به سیال عامل نامیده می شود سنسورهای حرارتیمنابع دمای پایین (T 2)و دریافت گرما از ماده عامل را می گویند سینک های حرارتی

در یک نمودار EN، کار مفید یک فرآیند دایره ای برابر با مساحتی است که توسط منحنی های رو به جلو و معکوس فرآیند تشکیل شده و در داخل چرخه قرار دارد. اگر در نمودار، خط انبساط بالای خط فشرده سازی قرار گیرد، جهت چرخه در جهت عقربه های ساعت رخ می دهد و کار تولید شده در فرآیند توسط دستگاه های خارجی مصرف می شود، چنین چرخه ای است. مستقیم.اگر در نمودار، خط فشرده سازی بالای خط انبساط قرار داشته باشد، جهت چرخه خلاف جهت عقربه های ساعت باشد و کار با کمک یک منبع خارجی انجام شود، چنین سیکلی است. معکوس

کار مفید موتور فقط زمانی حاصل می شود که کار انبساط بیشتر از کار تراکم باشد. تبدیل گرما به کار مکانیکی یک فرآیند غیر خود به خودی است و باید همراه باشد جبران خسارت.

دستگاه های حرارتی در نظر گرفته شده است ایده آل،اگر ضرری نداشته باشد یک چرخه نیز در صورتی ایده آل در نظر گرفته می شود که تنها توسط پدیده های برگشت پذیر تشکیل شود. در موتورهای حرارتی، تخمین بازده یک سیکل مستقیم ایده آل نامیده می شود راندمان حرارتیبرابر است با نسبت گرمایی که در طول چرخه به کار تبدیل شده است به تمام گرمای عرضه شده و نشان داده می شود. h t("این"، حرف یونانی):

جایی که 1 ج- کار مفید؛

q1 - گرمای عرضه شده؛

q 2– حرارت حذف شده کار خارجی در طول چرخه معکوس برابر است با:

1 c = q 1 – q2،

جایی که q 1 – گرمای رد شده به چشمه آب گرم؛

q 2 - گرما از منبع سرد خارج می شود.

اصطلاحی برای چرخه ایده آل معکوس وجود دارد راندمان تبرید،کدام یک نشان داده شده است؟ تی :

می تواند فرموله شود قانون دوم ترمودینامیکبنابراین: "در یک موتور حرارتی، تبدیل گرما به کار مکانیکی 100٪ غیرممکن است."

36. چرخه کارنو معکوس و برگشت پذیر

در تحقیقات ترمودینامیکی، نه تنها جهت رو به جلو، بلکه جهت معکوس چرخه کارنو نیز کاربرد عملی یافته است. تفاوت چرخه معکوساین است که گرما از منبعی با دمای پایین خارج می شود و به منبعی با دمای بالا داده می شود. این چرخه برای واحدهای تبرید ایده آل است.

سیال عامل درگیر در چرخه معکوس نامیده می شود مبرددر طول انبساط آدیاباتیک، دما از مقدار 71 به یک مقدار کاهش می یابد تی تیپس از این، هنگام دریافت گرمای R2 از منبع سرد (T2)، گاز به صورت همدما فشرده می شود. در فرآیند بعدی، فشرده سازی آدیاباتیک رخ می دهد و دمای سیال عامل از مقدار افزایش می یابد T 2تا ارزش T 1.در طول فشرده سازی همدما، گرما q 1 از ماده کار جدا می شود و به چشمه آب گرم می رود.

دستگاه تبرید در یک چرخه معکوس عمل می کند که ایجاد آن نیاز به مقدار مشخصی کار دارد (I). در این حالت q از یک منبع سرد به یک منبع گرم منتقل می شود 2 (میزان گرما)، و چشمه آبگرم همچنان گرمای عددی برابر با کار انجام شده I دریافت می کند. بنابراین، مقدار کل گرمای منتقل شده به چشمه آب گرم برابر است با:

q 1 = q 2 + 1

کار در طول فرآیند انبساط مثبت است و کار در طول فرآیند فشرده سازی منفی است. کل کار مورد نیاز برای انتقال گرما از یک منبع سرد به یک منبع گرم:

و منفی

ضریب عملکردهعملکرد دستگاه های تبرید را مشخص می کند و با نسبت تعیین می شود:

جایی که q 2 - مقدار گرمای خارج شده از منبع سرد و دریافت شده توسط منبع گرم؛

من - کار عالی

برای چرخه کارنو معکوس و برگشت پذیر، ضریب عملکرد با استفاده از رابطه محاسبه می شود:

37. قضیه کارنو

اجازه دهید به طور خلاصه فرمول راندمان ترمینین چرخه کارنو مستقیم برگشت پذیر را تحلیل کنیم:

از این برابری چنین می شود:

1) بازده حرارتی فقط به دمای منابع گرم و سرد بستگی دارد.

2) h t(برای چرخه کارنو) هر چه دمای چشمه آب گرم (71) بیشتر و دمای چشمه سرد (72) کمتر باشد.

3) در چرخه کارنو، راندمان حرارتی باید کمتر از واحد باشد. زیرا h t= 1 فقط می تواند در مورد T 2 / T 1 = 0 باشد، زمانی که T 1 = 0، یا T 2 = 0 (یا T 2 = -273.15- o C). دمای منبع سرد 72 در موتورهای حرارتی واقعی معمولاً دمای T 2 = 260 – 300 است. ک(محیط). دمای بخاری در کوره نیروگاه‌های بخار تقریباً 2000 کلوین و در موتورهای احتراق داخلی حدود 2500 کلوین است، زیرا دیواره‌های سیلندرهای پیستونی این موتورها خنک می‌شوند و محصولات احتراق به ماده کار تبدیل می‌شوند. این به معنای یکسان است که تمام گرمای عرضه شده به گاز در طول چرخه نمی تواند به طور کامل به کار مفید تبدیل شود.

4) در چرخه کارنو راندمان حرارتی در مورد T صفر است 1 = تی 2 . از این نتیجه می شود که اگر تعادل حرارتی در سیستم حفظ شود، یعنی دمای تمام اجسام در سیستم یکسان باشد، تبدیل گرما به کار مفید غیرممکن است. برای چرخه کارنو (مستقیم) درست است: h t= 1 – T 2 / T 1 = 1 – 1 = 0 در T 1 = ? t = T 2 (در صورت دمای مساوی هر دو منبع)؛

5) راندمان حرارتی؟ t یک چرخه کارنو برگشت پذیر (فرایند دایره ای) را مشخص می کند. همه فرآیندهای واقعی برگشت ناپذیر هستند، این با تلفات انرژی (به دلیل انتقال حرارت، اصطکاک و غیره) توضیح داده می شود. بنابراین، بازده حرارتی یک چرخه واقعی کارنو (غیر قابل برگشت) همیشه کمتر از مقدار 1 – T است. 2 / تی 1 . ویژگی اصلی این چرخه این است که برای گازهای واقعی ایده آل و معمولی یکسان است، اگر دما داده شود. (تی 1 , تی 2) منابع این بیانیه اصل است قضیه کارنو،که می گوید: "در یک موتور حرارتی برای هر چرخه برگشت پذیر، بازده حرارتی نه به ماهیت چرخه و نه به نوع ماده (سیال کاری) بستگی ندارد." تنها با نسبت دمای بخاری (فرستنده گرما) و یخچال (گیرنده گرما) تعیین می شود. به عبارت دیگر، در یک موتور حرارتی، برای هر چرخه برگشت پذیر، بازده حرارتی با استفاده از همان فرمولی که برای چرخه برگشت پذیر کارنو تعریف شده است، محاسبه می شود.

38. تغییر در آنتروپی در فرآیندها

آنتروپییک پارامتر حالت است که به گرمای کاهش یافته (نسبت) بستگی دارد q/ T). تغییر آنتروپی با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

که در آن q 1.2 مقدار گرمایی است که به سیال کار می رسد یا از آن خارج می شود.

Tav - دمای متوسط ​​گرمای عرضه شده (یا حذف شده).

این رابطه تغییر آنتروپی را از مقدار آنتروپی اولیه S 1 به مقدار نهایی S 2 تعیین می کند

1) در q 1.2 > 0 (گرما به سیال عامل عرضه می شود)، تغییر آنتروپی مثبت است: S 2 - S 1 > 0، S 2 > S 1، زیرا میانگین دمای ترمودینامیکی باید همیشه مثبت باشد، یعنی. میانگین T> 0. به عبارت دیگر، آنتروپی بدن افزایش می یابد.

2) در q 1.2< 0 (теплота отводится от рабочего тела) изменение энтропии отрицательно: S 2 – S 1 <0, S 2 < S 1 т. е. энтропия тела снижается;

3) در q 1.2 = 0 (فرایند آدیاباتیک)، تغییر در آنتروپی صفر است: S 2 - S 1 = 0، S 2 = S 1 یعنی آنتروپی بدن ثابت می ماند. فرآیندی که در طی آن مقدار آنتروپی تغییر نمی کند ایزنتروپیک نامیده می شود.

برای یک گاز ایده آل، نتایج زیر را به دست می آوریم.

1. در یک فرآیند همدما، به جای T av کافی است مقادیر دما T را در معادله آنتروپی جایگزین کنید، زیرا T 1 = T 2 = const.

2. تغییر در آنتروپی در طول یک فرآیند ایزوکوریک برابر است با:

S 2 – S 1 = 2.3m؟ v log (T 2 / T 1).

3-تغییر آنتروپی در طی یک فرآیند ایزوباریک برابر است با:

S 2 – S 1 = 2.3m؟ p log (T 2 / T 1).

جایی که؟ V – ظرفیت گرمایی ویژه در فرآیندی با حجم ثابت.

?پ- ظرفیت گرمایی ویژه در فرآیندی با فشار ثابت.

بنابراین، آنتروپی می تواند افزایش (کاهش) داشته باشد، هنگامی که گرما به یک سیال کار خودسرانه عرضه می شود (حذف می شود) یا در غیاب انتقال حرارت بدون تغییر باقی می ماند. هنگام تکمیل یک چرخه، آنتروپی سیال عامل نیز هنگام دریافت گرما از یک منبع افزایش می یابد یا در هنگام انتشار گرما به یک منبع کاهش می یابد.

در فرآیندهای واقعی به دلیل پدیده برگشت ناپذیری، عملکرد دستگاه حرارتی کاهش می یابد. معیار چنین تلفاتی آنتروپی است: افزایش آن مستقیماً به از دست دادن مقدار کار بستگی دارد.

39. اصل افزایش آنتروپی و معنای فیزیکی قانون دوم ترمودینامیک

بیایید مفهوم آنتروپی را به عنوان تابعی از حالت بررسی کنیم:

قانون دوم ترمودینامیکرا می توان به صورت زیر فرمول بندی کرد: مقدار آنتروپی

نشان دهنده یک دیفرانسیل کامل است، یعنی تابعی از حالت است.

یکی از معانی فیزیکی آنتروپی را می توان افزایش سازماندهی (نظم) یک سیستم با کاهش آنتروپی نامید.

اجازه دهید پدیده افزایش آنتروپی را با استفاده از مثال یک سیستم ایزوله بسته متشکل از یک سیال فعال، منابع گرمای گرم و سرد که محیط سیستم را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیریم. انتقال سیستم از یک موقعیت به موقعیت دیگر با کار همراه است و

dS >= 0,S 2 > S 1 .

برای یک سیستم بسته ایزوله، تغییر (افزایش) آنتروپی مثبت (فرایند برگشت ناپذیر) یا برابر با صفر (فرایند برگشت پذیر) برای یک فرآیند ترمودینامیکی دلخواه است.

برای فرآیند چرخه ای تبدیل گرما به کار (غیر خود به خود) SdS i = 0 (فرایندهای برگشت پذیر) و SDS > 0 (فرایندهای برگشت ناپذیر)، بنابراین، در یک سیستم ایزوله، آنتروپی افزایش می یابد.

این بیانیه نامیده می شود اصل افزایش آنتروپی

بیان ریاضی قانون دوم ترمودینامیک به صورت دیفرانسیل به صورت زیر نوشته شده است:

که در آن علامت مساوی برای یک فرآیند برگشت‌پذیر و علامت نابرابری برای یک فرآیند برگشت‌ناپذیر استفاده می‌شود.

از این معادله مشخص می شود که افزایش کل آنتروپی به دما بستگی دارد. مشخص است که با افزایش دمای سیال عامل، مقدار حرارتی که می تواند به کار تبدیل شود افزایش می یابد. به عبارت دیگر، ارزش انرژی گرما افزایش می یابد. بنابراین، آنتروپی از طریق دما مقدار گرمای تبدیل شده به کار را تعیین می کند که ارتباط آن را با قانون دوم ترمودینامیک برقرار می کند. این قانون شرایط تبدیل گرما به کار مفید را مشخص می کند.

توابع اگزرژتیکعباراتی نامیده می شوند که به فرد اجازه می دهد مقدار اکسرژی را محاسبه کند.

40. آنتروپی و ماهیت ایستایی قانون دوم ترمودینامیک

مشخص است که در تئوری مکانیک از قوانین دینامیکی برای مطالعه حرکت تک تک مولکول ها استفاده می شود. نظریه جنبشی مولکولی با مکانیک متفاوت است زیرا سیستم هایی را که از تعداد زیادی مولکول تشکیل شده اند را مطالعه می کند. حرکت آشفته ذرات در چنین سیستم هایی از قوانین دیگر (آماری) تبعیت می کند. علیرغم این واقعیت که حرکت هر مولکول توسط قوانین مکانیکی توصیف می شود، کل مجموعه ذرات در تئوری مکانیک مورد بررسی قرار نمی گیرد. واقعیت این است که برای همه ذرات مقدار متوسط ​​ویژگی های آنها تعیین می شود - سرعت متوسط، میانگین انرژی و غیره (دمای متوسط، فشار متوسط).

در چنین شرایط آماری، میانگین‌گیری ویژگی‌های وجود هر حالت ترمودینامیکی یک ماده (مثلاً یک گاز) کاملاً ضروری نیست، بلکه فقط یک احتمال مشخص دارد.

ساده ترین مثال، برابری سرعت تمام مولکول های گاز به عنوان کمترین احتمال وجود حالتی از یک ماده معین است. اجازه دهید به طور مشروط چنین احتمالی را با مقدار کمیت نشان دهیم در مورد سرعت های نابرابر، تعداد ممکن ترکیب آنها زیاد است و وجود حالتی که در آن سرعت ذرات نابرابر باشد، احتمال دارد. دبلیو> W0،و این تفاوت کاملا قابل توجه است. بدین ترتیب، احتمال ترمودینامیکیمقدار نامیده می شود:

مقدار آن بسیار بیشتر از واحد است و بنابراین وزن آماری حالت ترمودینامیکی نیز نامیده می شود. فیزیک آماری همچنین ارتباطی بین احتمال ترمودینامیکی و آنتروپیسیستم های.

وابستگی مستقیم آنتروپی به لگاریتم احتمال ترمودینامیکی با عبارت زیر تعیین می شود:

جایی که آر- ثابت Clayperon;

N 0 - ثابت آووگادرو.

کمیت K ثابت (یا ثابت) بولتزمن است.

در نتیجه، با افزایش آنتروپی، احتمال وقوع یک یا حالت ترمودینامیکی دیگر افزایش می یابد. علاوه بر این، محتمل ترین حالت در حداکثر مقدار آنتروپی رخ می دهد.

41. معادله حالت واندروالس

در حالت کلی، برای گازهای واقعی، هنگام محاسبه پارامترهای حالت، استفاده از معادله حالت pv = RT غیرممکن است.

که برای گازهای ایده آل صادق است.

معادله عمومی حالت گازهای واقعی

که در آن ضرایب B i -ویروسی نامیده می شوند. این ضرایب تابعی از دمای مولکولهای گاز واقعی و انرژی پتانسیل برهمکنش آنها هستند.

در تعریف ب من- ضرایب فقط برای دو ترم اول سری محاسبه می شوند، ضرایب ویروسی باقی مانده کنار گذاشته می شوند.

سپس معادله حالت گازهای واقعی به شکل زیر است:

جایی که آو که در- دو ضریب ویروسی اول، فقط به دما بستگی دارد.

در یک حالت خاص (چگالی گاز کم)، معادله به شکل زیر است:

اگر B 1 = f(T, Uپتانسیل)، سپس معادله تبدیل می شود معادله حالت گاز واندروالس واقعی:

جایی که ب- حداقل حجمی که یک گاز واقعی می تواند در حین فشرده سازی به دست آورد.

آ– ضریبی که تابعی از پارامترهای حالت نیست.

برای گازهای مختلف مقادیر آو بمتفاوت هستند.

به عبارت دیگر، معادله واندروالز یک مورد خاص از قانون بوگولیوبوف-مایر است که در آن تمام عبارت‌های 1/v بالاتر از درجه دوم نادیده گرفته می‌شوند. اگر یک گاز واقعی چگالی بالایی داشته باشد، معادلات از این نوع برای تعداد بیشتری از عبارت‌های سری صادق خواهند بود. در این حالت، معادلات حالت گازهای واقعی دقت محاسباتی را ارائه می‌کند که در عمل قابل قبول است.

42. معادله حالت گازهای واقعی توسط M. N. Vukalovich و I. I. Novikov

یک معادله جهانی که وضعیت هر گاز واقعی را توصیف می کند در سال 1939 توسط دانشمندان روسی به دست آمد. I. I. Novikovو M. N. Vukalovich.در او

پدیده برهمکنش نیرو مولکول ها (تداعی، تفکیک) قبلاً در نظر گرفته شده بود و به طور کلی به این شکل نوشته شده بود:

جایی که آو که در- ضرایب محاسبه شده با استفاده از فرمول:

جایی که آو ب- برای گازهای واقعی، مقادیر ثابت در معادلات حالت.

آر- ثابت گاز جهانی؛ r, c, k, m 1، m 2 - ضرایب بیانگر درجه ارتباط.

در غیر این صورت، معادله ووکالوویچ-نوویکوف را می توان به صورت زیر نشان داد:

جایی که آو ب- مقادیر ثابت در معادله واندروالس؛ m, c- ثابت ها، به صورت تجربی محاسبه می شوند.

به طور کلی، پارامترهای اصلی برای بخار سوپرهیت (مشابه گاز) پارامترهای حالتی مانند دما، فشار و حجم ویژه هستند. بخار فوق گرم از نظر خواص نزدیک به گاز ایده آل است، زیرا پارامترهای آن دور از نقطه بحرانی و از منحنی مرزی قرار دارند (منحنی بالایی در نمودارها). اگر فشار بخار فوق گرم خیلی زیاد نباشد، می توان معادله حالت آن را با استفاده از معادله واندروالس برای مورد گاز واقعی، با اعمال اصلاحات در آن به دست آورد.

برای بخار آب، معادله وضعیت M.N. Vukalovich و I.I. در ترمودینامیک مدرن است. علاوه بر این، اگر چندین عبارت بعدی از معادله را به آن اضافه کنید، می تواند برای محاسبه حالات بخار فوق گرم (با توجه به محاسبه فشار) استفاده شود.

43. مشتقات جزئی پارامترهای حالت. ضرایب حرارتی

خواص مواد واقعی توضیح داده شده است ضرایب حرارتی

تعریف 1. ضریب انبساط حجمیآتغییر حجم یک ماده زمانی است که دمای آن یک درجه افزایش می یابد.

– مشتق جزئی پارامترهای حالت

تغییر در حجم یک ماده با جرم معین را مشخص می کند اگر دمای آن یک درجه افزایش یابد و فشار خارجی ثابت بماند.

تعریف 2. ضریب فشار حرارتیبتغییر فشار بسته به تغییر دمای ماده نامیده می شود. این مقدار نیز نسبی است و به صورت زیر محاسبه می شود:

– مشتق جزئی، مشخص کردن تغییرات فشار پ،اگر دمای ماده یک درجه افزایش یابد و حجم آن ثابت بماند، فشار پتابعی از دما است.

تعریف 3. ضریب تراکم پذیری همدماgتغییر حجم بسته به تغییر فشار نامیده می شود.

- مشتق جزئی، تغییر حجم یک ماده را در صورت تغییر فشار یک واحد مشخص می کند.

44. خواص توابع مشخصه

توابعی که هر خاصیت ترمودینامیکی را توصیف می کنند نامیده می شوند توابع مشخصه یا پتانسیل های ترمودینامیکی سیستم.مهمترین توابع مشخصه عبارتند از: آنتالپی

من= من(S,p)

انرژی درونی

U= U(S,v)،

پتانسیل ایزوباریک- همدما یا آنتالپی آزاد،

ز= Z(T,p)،

پتانسیل ایزوکوریک-همدما یا انرژی آزاد،

اف= اف(تلویزیون).

به اصلی ویژگی های توابع مشخصهشامل موارد زیر است.

1. تفاوت پتانسیل های ترمودینامیکی با سایر توابع در این است که ساختار ساده تری دارند و معنای فیزیکی خاصی دارند.

2. پارامترهای وضعیت سیستم برابر با مشتقات جزئی پتانسیل ترمودینامیکی است که بر اساس همان پارامترها گرفته شده است.

3. در نتیجه تمایز پتانسیل ترمودینامیکی، دیفرانسیل کل این تابع به دست می آید.

4. با استفاده از توابع مشخصه نوشته شده به شکل دیفرانسیل، می توانید هر پارامتر ترمودینامیکی سیستم را بدست آورید.

5. پتانسیل ترمودینامیکی کل سیستم از مقادیر بالقوه قطعات آن تشکیل شده است، یعنی دارای خاصیت افزودنی است.

6. توابع مشخصه رابطه بین خواص ترمودینامیکی مختلف یک ماده را ایجاد می کنند. بنابراین، برای مثال، اولین مشتقات پتانسیل ویژگی های حرارتی را مشخص می کند (یعنی مقادیری که مستقیماً توسط ابزار اندازه گیری می شوند - حجم، دما، فشار)، و مشتقات دوم مربوط به خواص کالری سیستم هستند (اینها مقادیری هستند که در واحدهای بیان می شوند. گرما - ظرفیت گرمایی، آنتروپی، آنتالپی، انرژی داخلی).

7. مشتقات جزئی توابع مشخصه به شما امکان می دهد معادلات ظرفیت گرمایی را بسازید رزومهو سی پی،معادلات حالت و سایر وابستگی های ترمودینامیکی

8. تابع فقط برای پارامترهای خاصی مشخص است. هنگام انتخاب سایر متغیرها، ویژگی های خود را از دست می دهد، زیرا در این حالت مشتقات جزئی خواص ترمودینامیکی سیستم را بیان نمی کنند.

45. پتانسیل شیمیایی

انرژی شیمیاییاین انرژی است که در نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی تشکیل می شود و بخشی از انرژی درونی یک ماده است. واکنش های شیمیایی به دو دسته گرمازا (که با آزاد شدن انرژی انجام می شود) و گرماگیر (همراه با جذب آن) تقسیم می شوند.

در مورد یک واکنش شیمیایی، انرژی داخلی سیستم تغییر می کند، زیرا جذب اتم ها در مواد واکنش دهنده تغییر می کند. برای چنین فرآیندهایی، می توانیم قانون اول ترمودینامیک را به شکل زیر اعمال کنیم:

U 1 -U 2 =؟U=Q+A،

جایی که س- مقدار گرما؛

DU - تغییر در انرژی داخلی یک ماده.

آ- کار مفید، از جمله کار برای غلبه بر نیروهای مختلف الکترومغناطیسی.

کار انجام شده در یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر حداکثر است. با استفاده از معادله گیبز-هلمهولتز بیان می شود:

بیایید پتانسیل شیمیایی واکنش را در نظر بگیریم. در مورد واکنش های شیمیایی، جرم واکنش دهنده ها ثابت نیست، می توان آن را به عنوان یک تابع تعریف کرد تی(مقدار ماده) از پارامترهای اساسی (v p، T، F، اس، یوو غیره). بیایید تساوی را متمایز کنیم:

جایی که تو- مقدار مشخصی از انرژی داخلی، ما داریم:

dU = mdu + udm،

f = u– ST+ pv= من– ST

j- پتانسیل شیمیایی

ولی، پتانسیل شیمیاییمشتق جزئی با توجه به جرم نامیده می شود که از هر پتانسیل ترمودینامیکی در مقادیر معینی از آرگومان گرفته شده است. پتانسیل شیمیایی نشان می دهد که اگر جرم یک ماده یک ماده تغییر کند چگونه انرژی آن تغییر می کند.

46. ​​معادلات دیفرانسیل پایه ترمودینامیک

معادلات دیفرانسیل در ترمودینامیکبرای مطالعه گازهای واقعی در محاسبات نظری (و عملی) استفاده می شود.

بیایید موارد زیر را در نظر بگیریم.

1. متغیرهای مستقل پارامترهای p, V هستند.

این اولین قانون ترمودینامیک به شکل دیفرانسیل است.

2. متغیرهای مستقل پارامتر هستند r، T.

و دیفرانسیل حجم کل به شکل زیر است:

3. متغیرهای مستقل پارامتر هستند وی، تی.

4. چه زمانی پ= ظرفیت حرارتی ثابت

در v= ظرفیت حرارتی ثابت

47. مشتقات جزئی با توجه به حجم، فشار، دما

1. مشتق جزئی با توجه به حجم:

این مشتق جزئی با توجه به حجم گرفته شده از مقدار انرژی داخلی است. 2. مشتق جزئی نسبت به فشار.

بیایید مقدار را جایگزین کنیم dQبا توجه dS = dQ/ T، دریافت می کنیم:

این مشتق جزئی با توجه به فشار گرفته شده از مقدار انرژی داخلی است. 3. مشتق جزئی نسبت به دما.

این مشتق جزئی با توجه به دمای گرفته شده از مقدار انرژی داخلی است.

48. معادله تداوم

بر اساس تئوری جریان گاز، جریان گاز در حالت ایستایی با استفاده از یک سیستم معادلات خاص تعیین می شود. شامل نسبت های زیر است:

1) معادله انرژی برای جریان گاز.

2) معادله حالت;

3) معادله تداوم جریان گاز.

معادله انرژیاز ابتدا دنبال می شود

ترمودینامیک برای جریان گاز

معادله تداومنسبت نامیده می شود:

Gv = Fw.

از آن نتیجه می شود که در مورد جریان گاز ثابت در هر بخش از جریان، سرعت جریان گاز بر حسب جرم یک مقدار ثابت است. در غیر این صورت می توان این معادله را به صورت زیر نوشت:

جی= pFw = p 1 F 1 w 1 = P 2 F 2 w 2 =const,

جایی که r 1 ,r 2، r= 1/v چگالی گاز در مقاطع عرضی.

F 1، F 2- سطح مقطع جریان؛

w 1، w 2- سرعت جریان، اندازه گیری شده در سطح مقطع.

در این مورد، دو بخش جریان (1 و 2) و مقدار وجود دارد جیاز این معادله، دبی جرمی گاز (در ثانیه) نامیده می شود.

همانطور که می دانید قانون دوم نیوتن می گوید: "نیرو با حاصلضرب جرم و شتاب تعیین می شود." اگر جریان گاز یک بعدی باشد، قانون دوم به شرح زیر است:

در این رابطه، هر اصطلاح معنای فیزیکی خاصی دارد. بیایید به هر عامل در معادله نگاه کنیم.

1. بزرگی

نشان می دهد که چگونه فشار بسته به مختصات X تغییر می کند.

2. بزرگی

نشان می دهد که چگونه سرعت بسته به X-Coordinate تغییر می کند.

3. نسبت

برابر نیروی اعمال شده به حجم اولیه است، dV حجم انتخاب شده است.

4. بزرگی

گاز برابر با شتاب جرم است پی دی وی(جرم عنصری).

49. کار هل دادن

کار هل دادن.برای تعیین آن در معادله:

بیایید برابری را جایگزین کنیم i = تو + pv، نتیجه می گیریم:

که در آن d(pv) کار هل دادن محاسبه شده برای یک حجم ابتدایی است،

d(pv) = pdv+vdp- معادله کار ابتدایی

رابطه (2) از جمله نیروهای گرانشی به شکل زیر است:

در موردی که جریان گاز به عنوان یک فرآیند آدیاباتیک نشان داده می شود که در آن dq = 0، رابطه (1) به صورت زیر نوشته می شود:

با حرکت جریان آدیاباتیک، مجموع انرژی جنبشی خاص و آنتالپی خاص یک مقدار ثابت است.

اگر کار فنی در فرآیند انجام شود، قانون اول ترمودینامیک برای یک جریان گاز به شکل زیر خواهد بود:

جایی که dl TEK– کار مفید (ابتدایی).

50. کار موجود در هنگام خروج گاز

بیایید روند حرکت (خروج) یک جریان گاز را مطالعه کنیم.

فرض کنید یک ظرف خاص وجود دارد که حاوی بخار یا گاز (یعنی یک سیال در حال کار) است که دارای پارامترهای حالت به شکل مقادیر f 1، v 1، p 1 است. از این ظرف که در دیواره آن سوراخی وجود دارد، گاز به محیط می ریزد. این به دلیل اختلاف فشار رخ می دهد (p 1 - p 2)، خروجی گاز دارای فشار p 1 است.< p 2 Соответственно температура газа при этом равна t2،و حجم مخصوص آن v 2 است برای اینکه جریان گاز خروجی جهت مشخصی دریافت کند، نازل های استوانه ای (به اصطلاح نازل) در قسمت بیرونی ظرف تا سطحی که سوراخ قرار دارد قرار می گیرند. اغلب آنها شکل یک مخروط کوتاه دارند که به سمت لبه بیرونی باریک می شوند. به چنین نازل هایی گیج کننده می گویند. در مورد کانالی که طبق فرآیند معکوس عمل می کند، چنین نازلی یک دیفیوزر است. دهان بخش بیرونی (یعنی خروجی) نازل است.

اجازه دهید سرعت جت گاز را در خروجی دهانه با مقدار، و در ورودی ظرف را با مقدار W 1 (گاز ورودی) نشان دهیم، در حالی که نازل دارای دهانه ای است که سطح مقطع آن است. تعیین شده توسط منطقه f. در تمرین w 1خیلی کمتر w2،هنگام محاسبه نادیده گرفته می شود و پذیرفته می شود: w 1= 0, w 2= w

dq = du + dA،

جایی که dA = pdv -کار انبساط یا کار ابتدایی که توسط خود گاز انجام می شود. از اینجا:

بنابراین، در نتیجه خروج گاز، کار برابر با A 0.از نظر عددی، یا برابر است با افزایش انرژی جنبشی در هنگام خروج یا مجموع کار هل دادن و در برابر نیروهای خارجی.

51. سرعت جریان خروجی در یک کانال مخروطی، سرعت جریان جرمی

سرعت خروجی در یک کانال مخروطی

اجازه دهید روند خروج آدیاباتیک ماده را در نظر بگیریم. فرض کنید یک سیال در حال کار با حجم مشخصی است (v 1)در یک مخزن تحت فشار خاصی قرار دارد (ص 1).فرآیند خروج شامل حرکت گاز (یا بخار) از یک محیط تحت فشار است ص 1(مخزن) به محیط، فشاری که در آن p2< p 1 . در عین حال، در طول فرآیند جریان ماده کار از نازل، فشار داخل مخزن عملاً کاهش نمی یابد، این در مورد حجم بسیار زیاد مخزن قابل قبول است. هنگامی که یک جریان گاز (بخار) از طریق یک نازل حرکت می کند، انرژی پتانسیل آن بسیار ناچیز است و معمولاً تغییر آن نادیده گرفته می شود. در این حالت انرژی جنبشی افزایش می یابد.

جایی که w 1- سرعت حرکت جریان ماده در قسمت ورودی نازل؛

w 2- سرعت در خروجی نازل

نرخ جریان گاز (بخار).از نازل

اغلب سرعت w 1سرعت بسیار کمتر w 2(W1 << W2)، بنابراین نادیده گرفته شده و W 1 = 0 در نظر گرفته می شود.

سرعت جریان جرمیرابطه نامیده می شود:

جایی که جی سی– مصرف دوم بخار (گاز)؛

S - سطح مقطع جریان.

r- چگالی سیال عامل

52. خروج مایع قطره ای. جریان انبوه

کار موجود برای هر ماده ای که سیال کاری است با فرمول تعیین می شود:

من 0 = q +(i 1 - i 2).

اگر جریان آدیاباتیک باشد (در q= 0)

جایی که من- آنتالپی (J/kg)؛

W2 = w– سرعت خروجی (m/s).

مقدار Di = i 1 – i 2 برابر با اختلاف آنتالپی نامیده می شود اتلاف حرارت گاز (بخار).

و برای یک مایع قطره ای برابری معتبر است:

جایی که w- سرعت جریان سیال از نازل

جریان انبوهمقدار ماده ای است که در هر ثانیه از نازل ها جریان می یابد. برابر است با نسبت حجم دوم خروجی یک ماده (گاز) U2به حجم خاص همان ماده مربوط به فشار p2:

جریان جرمی (از معادله تداوم نیز مشخص می شود: Gv = Sw).

53. سرعت بحرانی

تجزیه و تحلیل فرمول سرعت خروجی نشان می دهد که با کاهش مقدار p 2 / p 1، سرعت جریان افزایش می یابد. این ممکن است، برای مثال، اگر pi = const و فشار p2کاهش می دهد.

از آزمایشات مشخص شده است که فشار در خروجی یک نازل همگرا (یا یک نازل با سطح مقطع ثابت) p 2 را می توان تنها تا یک مقدار محدود کننده خاص کاهش داد، به اصطلاح فشار بحرانی (p بحرانی). که در آن نسبت فشار بحرانیکمیت نامیده می شود ب= p بحرانی / p 1، بنابراین P k = bp 1

در نتیجه کاهش فشار p 0 (محیط خارجی) در ص 1= دو حالت ممکن است:

1) p o >= P k، یعنی در حالی که فشار p o به یک مقدار بحرانی کاهش می یابد، برابری مشاهده می شود. p2= p o که در آن p 2 فشار ماده در خروجی نازل همگرا است، p o فشار محیط خارجی است.

2) p o< P к, т. е. дальнейшее падение давления p o среды ниже критического значения определяется равенством p 2 = pk،و فشار p 2 ماده جاری ثابت است (ص2= ثابت).

بنابراین پدیده ای که در آن فشار در دهانه نازل ثابت است و کاهش نمی یابد نامیده می شود با بستن نازلبنابراین، چنین فشاری در خروجی نازل که با کاهش فشار محیط خارجی که سیال عامل در آن جریان دارد کاهش نمی یابد، نامیده می شود. بحرانی(P 2k).

صرف نظر از افت فشار محیط p oدر دهانه نازل همگرا در b kفشار P 2k تنظیم شده است = const، که مربوط به G max = const (جریان جرمی) است. هفته= const (سرعت انقضا)، Tk= const (دما) و v 2 k= const (حجم خاص)، یعنی ثابت بودن همه پارامترها در خروجی نازل (به اصطلاح پارامترهای خروجی).

در فرمول های حاصل، a، Y ضرایبی هستند که فقط با مقدار تعیین می شوند ک(نمای آدیاباتیک)، مقادیر آنها از جداول ویژه یافت می شود.

الف- مقدماتی سرعت بحرانیبه بالاترین سرعت یک ماده زمانی که از یک نازل خارج می شود گفته می شود که از سرعت صوت تجاوز نمی کند. w k =a،جایی که آ- به اصطلاح سرعت محلی صدا.

فرمول حاصل نامیده می شود معادله لاپلاس

54. جریان یک گاز ایده آل از طریق یک نازل ترکیبی لاوال

نازل لاوالبرای ایجاد یک فرآیند فوق بحرانی خروج سیال کار استفاده می شود که شرایط آن است p o / p 1 < b k В нем выделяют три основные области.

1. قسمت کوتاه باریک که در آن سرعت جریان مادون صوت است.

2. مقطع باریکی که در آن ماده با سرعت صوت حرکت می کند.

3. نازل مخروطی شکل در حال گسترش (سرعت جریان مافوق صوت).

شرط اصلی انتخاب ابعاد قسمت وسیع نازل لاوال برای خروج سیال کار، پیوستگی آن از دیواره های نازل است. بنابراین، زاویه باز شدن مخروط باید دارای محدودیت 12 درجه باشد، این به حذف تلفات قابل توجه ناشی از انبساط گاز (بخار) کمک می کند.

اجازه دهید فرآیندهایی را که در حین کار یک نازل ترکیبی رخ می دهد در نظر بگیریم. در صورتی که فشار خارجی p o< pk،سرعت جریان و فشار در صفحه باریک نازل ها می باشد بحرانی.

طراحی نازل لاوال اجازه می دهد تا هر نسبت o< p o/ص 1< ببه دست آوردن انبساط کامل ماده در محدوده مقدار فشار. در این حالت در قسمت خروجی نازل انرژی از بین نمی رود و با یکسان شدن فشار سیال عامل و محیط خارجی سرعت جریان مافوق صوت می شود که برای استفاده از نازل در عمل لازم است. در این مورد، میزان جریان جرمی حداکثر می شود، مقدار آن به مساحت کوچکترین مقطع نازل (S min) بستگی دارد.

در قسمت باریک نازل (به نام گردن)، مقادیر بحرانی پارامترهای Vk، T k، pk، w k = w صدا، G max تعیین می شود (که در آن صدا W سرعت محلی صدا است). حرکت جریان در امتداد بخش در حال انبساط با این واقعیت مشخص می شود که گاز در داخل مرزها بیشتر منبسط می شود [p 2k, p 1]، سرعت در بازه افزایش می یابد (یعنی به مقادیر w> صدای W)، که منجر به کاهش فشار می شود، اما در همان زمان حجم خاص افزایش می یابد (یعنی. v> v k پ< p k).

قسمت در حال گسترش نازل اگر در یک صفحه باریک باشد می تواند به عنوان پخش کننده عمل کند w< w зв (для p o / p 1 > ب ک).

55. گاز گاز و معادله فرآیند

برای بخار آب دمای بحرانی است T k= 647 K، به ترتیب، T inv> 4400 K (دمای وارونگی). که در فرآیند گاز دادنخنک شدن بخار آب همیشه به دلیل تفکیک کامل مولکول های بخار در چنین مقادیر نه چندان بالای یک دمای معکوس است.

گازدهی بخار آب با خواص زیر به دست آمده از تجزیه و تحلیل نمودار (i, s) مشخص می شود:

1) برای هر حالت بخار، دریچه گاز همیشه دمای بخار آب را کاهش می دهد.

2) خنثی کردن بخارات مرطوب در فشارهای کم با انتقال از حالت مرطوب به خشک و سپس به حالت فوق گرم همراه است. بخارات مرطوب در فشارهای بالا ابتدا بیشتر مرطوب می شوند، اما سپس یک فاز خشک و فوق گرم را تشکیل می دهند.

3) گاز دادن بخارات فوق گرم در فشارهای بالا (اگر دمای سوپرگرم پایین باشد) با عبور آنها از چندین فاز (اشباع خشک، مرطوب، خشک و در نهایت، سوپرهیت) همراه است. آخرین حالت بخار با دما و فشار پایین مشخص می شود. به طور کلی، در هنگام دریچه گاز، بخارهای فوق گرم در صورتی که فشار آنها در ابتدای فرآیند بالا بود، حالت فوق گرم خود را حفظ می کنند.

به طور معمول، در نمودار is-دیاگرام، فرآیند throttling i 1 = i 2 یک خط افقی است که به سمت افزایش آنتروپی هدایت می شود (به دلیل برگشت ناپذیری فرآیند).

مشخص است که فشار بخار فوق گرم (و کار مفید آن) در طول فرآیند خرد کردن کاهش می یابد.

و جهنم< a дрос, где а дрос - температурный эффект адиабатного необратимого расширения (т. е. дросселирования), а а ад – эффект адиабатного обратимого расширения. Отсюда при одном давлении dpما داریم:

dT dros< dT ад на величину v/cp

56. انتقال حرارت از طریق دیوار کروی

اجازه دهید یک توپ توخالی با شعاع داخلی و خارجی، به ترتیب r 1 و r 2، ضریب هدایت حرارتی وجود داشته باشد. منکه ثابت است. برای شرایط مرزی از نوع سوم، ضرایب انتقال حرارت روی سطوح توپ نیز تعیین خواهد شد. یک 1و یک 2و دمای محیط داخلی و خارجی به ترتیب Tl 1 و Tl 2 است. شانس a 1، a 2در زمان ثابت خواهد بود و دماهای Tl 1، Tl 2 هم از نظر زمان و هم بر روی سطوح ثابت خواهند بود.

در حالت انتقال حرارت ثابت، کل شار حرارتی Q که از طریق یک دیوار کروی یکنواخت از یک محیط گرم به یک محیط سرد منتقل می شود، برای تمام سطوح همدما ثابت خواهد بود و با سه معادله قابل تعیین است.

جایی که d 1 , d 2 - قطر داخلی و خارجی توپ.

a 1، a 2ضرایب انتقال حرارت از محیط گرم به دیوار و از دیوار به محیط سرد.

من- ضریب هدایت حرارتی مواد دیوار؛

T 1، T 2 - دمای دیواره های داخلی و خارجی.

جایی که DT = Tzh 1 – Tzh 2 – اختلاف دمای کل؛

ک ش– ضریب انتقال حرارت دیوار کروی (W/deg).

فشار جزئی هر گاز موجود در مخلوط، فشاری است که توسط همان جرم گاز معین ایجاد می شود اگر کل حجم مخلوط را در همان دما اشغال کند.

در طبیعت و فناوری، ما اغلب نه تنها با یک گاز خالص، بلکه با مخلوطی از چندین گاز سر و کار داریم. به عنوان مثال، هوا مخلوطی از نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دی اکسید کربن و گازهای دیگر است. فشار مخلوط گاز به چه چیزی بستگی دارد؟

در سال 1801، جان دالتون آن را تأسیس کرد فشار مخلوطی از چند گاز برابر است با مجموع فشارهای جزئی همه گازهای سازنده مخلوط.

این قانون نامیده شد قانون فشار جزئی گازها

قانون دالتون فشار جزئی هر گاز موجود در یک مخلوط، فشاری است که توسط همان جرم گاز معین اگر کل حجم مخلوط را در همان دما اشغال کند، ایجاد می‌شود.

قانون دالتون بیان می کند که فشار مخلوطی از گازها (ایده آل) مجموع فشارهای جزئی اجزای مخلوط است (فشار جزئی یک جزء فشاری است که یک جزء اگر به تنهایی کل فضای اشغال شده را اشغال کند اعمال می کند. توسط مخلوط). این قانون نشان می دهد که هر جزء تحت تأثیر وجود اجزای دیگر قرار نمی گیرد و خواص اجزای مخلوط تغییر نمی کند.

دو قانون دالتون

قانون 1 فشار مخلوطی از گازها برابر است با مجموع فشارهای جزئی آنها. از این نتیجه می شود که فشار جزئی یک جزء از مخلوط گاز برابر است با حاصلضرب فشار مخلوط و کسر مولی این جزء.

قانون 2 حلالیت یک جزء از مخلوط گاز در یک مایع معین در دمای ثابت با فشار جزئی این جزء متناسب است و به فشار مخلوط و ماهیت اجزای دیگر بستگی ندارد.

این قوانین توسط J. Dalton فرموله شد. در 1801 و 1803.

معادله قانون دالتون

همانطور که قبلا ذکر شد، اجزای جداگانه یک مخلوط گاز مستقل در نظر گرفته می شوند. بنابراین، هر جزء فشار ایجاد می کند:

\[ p = p_i k T \quad \چپ(1\راست)، \]

و فشار کل برابر است با مجموع فشارهای اجزای:

\[ p = p_(01) k T + p_(02) k T + \cdots + p_(i) k T = p_(01) + p_(02) + \cdots + p_(i) \quad \left( 2\راست)،\]

که در آن \(p_i\) فشار جزئی جزء گاز i است. این معادله قانون دالتون است.

در غلظت‌های بالا و فشارهای بالا، قانون دالتون دقیقاً برآورده نمی‌شود. از آنجایی که بین اجزای مخلوط اثر متقابل وجود دارد. اجزا دیگر مستقل نیستند. دالتون قانون خود را با استفاده از فرضیه اتمی توضیح داد.

بگذارید جزء i در مخلوطی از گازها وجود داشته باشد، سپس معادله مندلیف-کلیپرون به شکل زیر خواهد بود:

\[ ((p)_1+p_2+\dots +p_i)V=(\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)((\mu )_2)+\dots +\frac(m_i )((\mu)_i))RT\ \quad \چپ(3\راست)، \]

که در آن \(m_i\) جرم اجزای مخلوط گاز است، \((\mu )_i\) جرم مولی اجزای مخلوط گاز است.

اگر وارد شوید \(\چپ\langle \mu \راست\رنگ\)به طوری که:

\[ \frac(1)(\left\langle \mu \right\rangle )=\frac(1)(m)\left[\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)( (\mu )_2)+\dots +\frac(m_i)((\mu )_i)\right] \quad \left(4\right), \]

سپس معادله (3) را به شکل زیر می نویسیم:

\[ pV=\frac(m)(\left\langle \mu \right\rangle )RT \quad \left(5\right). \]

قانون دالتون را می توان به صورت زیر نوشت:

\[ p=\sum\limits^N_(i=1)(p_i)=\frac(RT)(V)\sum\limits^N_(i=1)((\nu )_i)\ \quad \چپ (6\راست). \]

\[ p_i=x_ip\ \quad \چپ(7\راست)، \]

جایی که \(x_i-molar\ غلظت\ i-th\)گاز در مخلوط، در حالی که:

\[ x_i=\frac((\nu)_i)(\sum\limits^N_(i=1)(n_i))\ \quad \چپ(8\راست)، \]

که در آن \((\nu )_i \) تعداد مولهای گاز \(i-th\) در مخلوط است.

جاوا اسکریپت در مرورگر شما غیرفعال است.
برای انجام محاسبات، باید کنترل های ActiveX را فعال کنید!

یک مخلوط گاز در حالت تعادل است اگر غلظت اجزا و پارامترهای حالت آن در کل حجم مقادیر یکسانی داشته باشند. در این حالت دمای تمام گازهای موجود در مخلوط یکسان و برابر با دمای مخلوط است تیسانتی متر.

در حالت تعادل، مولکول های هر گاز به طور یکنواخت در کل حجم مخلوط پراکنده می شوند، یعنی غلظت خاص خود را دارند و بنابراین فشار خاص خود را دارند. آر من، پا که نامیده می شود جزئي . به صورت زیر تعریف می شود.

فشار جزئی برابر با فشار یک جزء معین است، مشروط بر اینکه به تنهایی کل حجم در نظر گرفته شده برای مخلوط را در دمای مخلوط T اشغال کند. سانتی متر .

طبق قانون دالتون شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی که در سال 1801 فرموله شد، فشار مخلوطی از گازهای ایده آل p سانتی متر برابر با مجموع فشارهای جزئی اجزای آن p من :

جایی که n- تعداد اجزاء

عبارت (2) نیز نامیده می شود قانون فشارهای جزئی

3.3. کاهش حجم یک جزء از مخلوط گاز. قانون آماگ

طبق تعریف، حجم کاهش یافته است منجزء مخلوط گاز V من m3، حجمی است که این یک جزء می تواند اشغال کند، مشروط بر اینکه فشار و دمای آن برابر با فشار و دمای کل مخلوط گاز باشد.

قانون آماگ فیزیکدان فرانسوی که در حدود سال 1870 تدوین شد، می گوید: مجموع حجم های کاهش یافته همه اجزای یک مخلوط برابر با حجم مخلوط است.V سانتی متر :

، m 3. (3)

3.4. ترکیب شیمیایی مخلوط گاز

ترکیب شیمیایی مخلوط گاز را می توان مشخص کرد سه متفاوتراه ها.

مخلوط گازی متشکل از n جزء را در نظر بگیرید. مخلوط حجم را اشغال می کند Vسانتی متر، متر 3، دارای جرم است مسانتی متر، کیلوگرم، فشار آرسانتی متر، Pa و دما تیسانتی متر، K. همچنین تعداد مول های مخلوط می باشد نسانتی متر، خال در همان زمان، جرم یک منجزء ام متر من، کیلوگرم و تعداد مول های این جزء ν من، خال

بدیهی است که:

, (4)

. (5)

با استفاده از قانون دالتون (2) و قانون آماگ (3) برای مخلوط مورد بررسی، می‌توانیم بنویسیم:

, (6)

, (7)

جایی که آر من- فشار جزئی منجزء ام، Pa; V من- کاهش حجم منجزء ام، m3.

بدون ابهام، ترکیب شیمیایی یک مخلوط گاز را می توان با جرم، یا مول یا کسر حجمی اجزای آن مشخص کرد:

, (8)

, (9)

, (10)

جایی که g من , ک من و r من- کسر جرمی، مول و حجمی منامین جزء مخلوط به ترتیب (مقادیر بدون بعد).

بدیهی است که:

,
,
. (11)

اغلب در عمل، ترکیب شیمیایی یک مخلوط در کسری مشخص نمی شود منجزء ام و درصد آن

به عنوان مثال، در مهندسی گرمایش تقریباً پذیرفته شده است که هوای خشک از 79 درصد حجمی نیتروژن و 21 درصد حجمی اکسیژن تشکیل شده است.

درصد من امین جزء در مخلوط با ضرب سهم آن در 100 محاسبه می شود.

به عنوان مثال با هوای خشک خواهیم داشت:

,
. (12)

جایی که
و
- کسر حجمی نیتروژن و اکسیژن در هوای خشک؛ N 2 و O 2 - تعیین درصد حجمی نیتروژن و اکسیژن، به ترتیب، % (جلد).

توجه داشته باشید:

1)کسرهای مولی یک مخلوط ایده آل از نظر عددی برابر با کسرهای حجمی هستند:ک من = r من . بیایید ثابت کنیم.

با استفاده از تعریف کسر حجمی(10)و قانون آماگ (3) می توانیم بنویسیم:

, (13)

جایی کهV من - کاهش حجممنجزء ام، m 3 ; ν من - تعداد خالمنجزء ام، مول؛ – حجم یک مولمنجزء ام در فشار مخلوط pسانتی متر و دمای مخلوط Tسانتی متر ، م 3 /mol.

از قانون آووگادرو (به بند 2.3 این ضمیمه مراجعه کنید) نتیجه می گیرد که در دما و فشار یکسان، یک مول از هر گاز (جزء مخلوط) همان حجم را اشغال می کند. به ویژه، در Tسانتی متر و صسانتی متر مقداری حجم خواهد بودV 1 ، م 3 .

این به ما اجازه می دهد تا برابری را بنویسیم:

. (14)

جایگزین کردن(14)V(13)ما آنچه را که نیاز داریم بدست می آوریم:

. (15)

2)کسر حجمی اجزای یک مخلوط گازی را می توان با دانستن فشار جزئی آنها محاسبه کرد. بیایید آن را نشان دهیم.

در نظر بگیریممن-مین جزء یک مخلوط گاز ایده آل در دو حالت مختلف: زمانی که در فشار جزئی خود باشد p من ; زمانی که حجم کاهش یافته خود را اشغال می کندV من .

معادله حالت یک گاز ایده آل برای هر یک از حالات آن، به ویژه برای دو حالت فوق معتبر است.

بر این اساس و با در نظر گرفتن تعریف حجم خاص می توان نوشت:

, (16)

, (17)

جایی کهآر من - ثابت گازمنامین جزء مخلوط، J/(kg K).

پس از تقسیم هر دو قسمت(16)و(17)بر روی یکدیگر موارد مورد نیاز را دریافت می کنیم:

. (18)

از جانب(18)می توان مشاهده کرد که فشار جزئی اجزای مخلوط را می توان از ترکیب شیمیایی آن با فشار کل مشخص مخلوط p محاسبه کرد.سانتی متر :

. (19)

ارسال کار خوب خود در پایگاه دانش ساده است. از فرم زیر استفاده کنید

دانشجویان، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، دانشمندان جوانی که از دانش پایه در تحصیل و کار خود استفاده می کنند از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

نوشته شده در http://www.allbest.ru/

معرفی

مهندسی حرارتی علمی است که به مطالعه روش های بدست آوردن، تبدیل، انتقال و استفاده از گرما و همچنین اصول عملکرد و ویژگی های طراحی موتورهای حرارتی، دستگاه ها و دستگاه ها می پردازد. گرما در تمام زمینه های فعالیت انسان استفاده می شود.

برای ایجاد منطقی ترین راه های استفاده از آن، تجزیه و تحلیل کارایی فرآیندهای کاری تاسیسات حرارتی و ایجاد جدیدترین و پیشرفته ترین انواع واحدهای حرارتی، توسعه مبانی نظری مهندسی گرمایش ضروری است. دو جهت اساساً متفاوت برای استفاده از گرما وجود دارد - انرژی و فناوری.

هنگامی که به عنوان انرژی استفاده می شود، گرما به کار مکانیکی تبدیل می شود که با کمک آن انرژی الکتریکی در ژنراتورها ایجاد می شود که برای انتقال از راه دور راحت است. گرما با سوزاندن سوخت در کارخانه های دیگ بخار یا مستقیماً در موتورهای احتراق داخلی به دست می آید.

در فرآیندهای فناوری، از گرما برای تغییر هدفمند خواص اجسام مختلف (ذوب، انجماد، تغییر ساختار، خواص مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی) استفاده می شود. مقدار منابع انرژی تولید شده و مصرف شده بسیار زیاد است.

مهندسی حرارتی یک رشته فنی عمومی در آموزش متخصصان در تخصص های فنی است و از سه موضوع مرتبط به هم تشکیل شده است: ترمودینامیک فنی، مبانی تئوری انتقال حرارت، که در آن قوانین تبدیل و خواص انرژی حرارتی و فرآیندهای انتشار گرما مشخص می شود. مطالعه کرد.

هدف از دوره مهندسی حرارتی، آماده سازی یک مهندس شیمی-تکنولوژیست است که مهارت های لازم را برای مدیریت شایسته طراحی و بهره برداری از تولیدات شیمیایی مدرن، که مجموعه ای از فرآیندهای تکنولوژیکی و حرارتی و تجهیزات فنی و انرژی حرارتی مربوطه است، داشته باشد. این آموزش به اجرای موفقیت آمیز وظایف فوق توسط فارغ التحصیلان دانشگاه های مهندسی شیمی کمک خواهد کرد. اهمیت چنین آماده‌سازی زمانی افزایش می‌یابد که انواع انرژی‌های هسته‌ای، گرما هسته‌ای و تجدیدپذیر در محدوده انرژی‌های عملاً مهم و مؤثر قرار می‌گیرند، زیرا، به قول معروف، هیچ نوع انرژی به اندازه کمبود آن گران نیست.

توربین گاز جزئی همرفتی

سوال نظری شماره 1

مفهوم مخلوط گاز. فشار جزئی. قانون دالتون حجم جزئی قانون اماگ روشهای تعیین مخلوط گازها خطر آتش سوزی مخلوط های قابل اشتعال با هوا

مخلوط گاز مخلوطی از چندین گاز ایده آل است که وارد هیچ واکنش شیمیایی با یکدیگر نمی شوند. نمونه هایی از مخلوط گاز عبارتند از: هوای اتمسفر، که از مخلوطی از عمدتاً نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است. گاز طبیعی؛ گاز خروجی موتورهای احتراق داخلی (ICE) که حاوی CO 2، CO، N 2، NO 2، O 2 و سایر گازها، هوای مرطوب (بخار آب) در واحدهای خشک کن و غیره است.

اصل اصلی که خواص مخلوط گاز را تعیین می کند، اصل استقلال عمل گازهای موجود در مخلوط است، یعنی هر گاز موجود در مخلوط مستقل از گازهای دیگر عمل می کند، خواص خود را تغییر نمی دهد و از تمام قوانین گاز تبعیت می کند. علاوه بر این، هر گاز کل حجم مخلوط را اشغال می کند و همه گازهای مخلوط دارای دمای یکسان هستند و خواص مخلوط گازها مجموع خواص همه اجزای آن است.

از این نتیجه می شود که مخلوط های گازی از قوانین و معادلات مشابه گازهای ایده آل همگن پیروی می کنند. قانون اساسی که رفتار مخلوط گاز را تعیین می کند، قانون دالتون است: فشار کل مخلوط گازی از گازهای ایده آل برابر است با مجموع فشارهای جزئی همه اجزای آن:

آر سانتی متر= ص 1 + ص 2 + … + r n =

که در آن Pcm فشار مخلوط گاز است. P1، P2، Pn - فشار جزئی اجزای مخلوط.

هر یک از اجزای مخلوط، که کل حجم مخلوط را اشغال می کند، تحت فشار جزئی خود است. اما اگر این جزء تحت فشار P cm در همان دمای مخلوط T cm قرار گیرد، آنگاه حجمی کوچکتر (V i) از حجم مخلوط V cm اشغال می کند. به این حجم Vi کاهش یافته یا جزئی می گویند.

فشار جزئی با استفاده از معادله حالت یک جزء داده شده محاسبه می شود:

از این رو، .

برای مقایسه گازهای موجود در مخلوط بر حسب حجم، مفهوم حجم جزئی معرفی شده است.

حجم جزئی (کاهش یافته) یک جزء معین، حجم مشروطی است که یک جزء معین اگر به تنهایی در دما و فشار مخلوط باشد، خواهد داشت. رابطه بین حجم یک مخلوط گاز و حجم جزئی گازهای منفرد در مخلوط، قانون آماگ (قانون افزایش) را منعکس می کند: حجم کل یک مخلوط گاز برابر است با مجموع حجم های جزئی اجزای آن:

V سانتی متر= V 1 + V 2 +...+ V n = .

برای محاسبه حجم جزئی، دو معادله حالت برای هر گاز موجود در مخلوط می نویسیم:

اولین مورد زمانی است که یک گاز دارای فشار جزئی است آر 1 ، کل حجم مخلوط را اشغال می کند V سانتی متردمای مخلوط را دارد تی سانتی متر:

آر 1 V سانتی متر= متر 1 آر 1 · تی سانتی متر؛

دوم - هنگامی که گاز در فشار P cm و دمای مخلوط T cm حجم Vii کاهش یافته است:

آر سانتی مترV 1 = متر 1 آر 1 · تی سانتی متر.

با تقسیم معادله اول بر دومی، معادلات حالت جزء را به دست می آوریم

که در آن P cm و V cm فشار و حجم مخلوط است. P i و Vi فشار و حجم جزء i هستند.

از اینجا حجم جزئی مولفه را بیان می کنیم:

خواص مخلوط گاز به ترکیب آن بستگی دارد که می توان آن را با کسرهای جرمی، حجمی و مول مشخص کرد.

کسر جرمیجزء یک مخلوط g i مقداری برابر با نسبت جرم جزء به جرم کل مخلوط است:

که در آن m i جرم این جزء است. متر سانتی متر جرم کل مخلوط حاوی n جزء است.

از آنجایی که جرم مخلوط m برابر است با مجموع جرم همه اجزا:

پس مجموع کسرهای جرمی برابر است با:

با دانستن کسر جرمی گازهای منفرد موجود در مخلوط، می توان فشار جزئی آنها را تعیین کرد

از این رو

کسرهای جرمی اغلب به صورت درصد مشخص می شوند. به عنوان مثال، برای هوای خشک: g(N 2) = 77%؛ g(O 2) = 23%.

کسر حجمیجزء مخلوط r i مقداری برابر با نسبت حجم جزئی جزء به حجم مخلوط است:

جایی که V من- حجم جزئی یک جزء داده شده؛ V سانتی متر- حجم کل مخلوط.

از آنجایی که حجم مخلوط برابر است با مجموع حجم های جزئی اجزاء، مجموع کسرهای حجمی برابر است با: .

کسرهای حجمی به صورت درصد مشخص می شوند. به عنوان مثال، برای هوا: r(N 2) = 79٪. r(O 2) = 21%.

کسر مولجزء مخلوط x i مقداری است برابر با نسبت تعداد مول های این جزء به تعداد کل مول های مخلوط:

از آنجایی که تعداد کل مول های مخلوط برابر است با مجموع تعداد مول های هر جزء، بدیهی است که:

طبق قانون آووگادرو، حجم یک مول از هر گاز در فشار و دما یکسان، به ویژه در دما و فشار مخلوط، در حالت گاز ایده آل یکسان است. بنابراین، حجم کاهش یافته هر جزء را می توان به عنوان حاصلضرب حجم یک مول محاسبه کرد V متربا تعداد مول های این جزء، یعنی. V من = V مترن, و حجم مخلوط مطابق فرمول است V = V مترن.

بنابراین، تعیین گازهای موجود در مخلوط در کسرهای مولی برابر است با تعیین کسر حجمی آنها.

رابطه بین جرم و کسر مولی را می توان از معادله پیدا کرد:

در نتیجه روابط زیر را داریم:

در معادلات به دست آمده م سانتی متر- وزن مولکولی متوسط ​​(ظاهری) یک مخلوط گاز معین، به عنوان مثال. وزن مولکولی چنین گاز همگن مشروط که از نظر خواص مشابه مخلوط گاز معین است.

بر این اساس، ارزش م سانتی متربا ترکیب مخلوط به شرح زیر تعیین می شود:

از آنجایی که نسبت:

افزودن وابستگی برای بزرگی g منبرای تمام اجزای مخلوط گاز، ما داریم:

پس از تغییر شکل می گیریم:

معادله حالت یک مخلوط گازی را می توان به دلایل زیر اتخاذ کرد. از اصل استقلال چنین برمی‌آید که اگر هر گاز در یک مخلوط، مستقل از سایرین، از معادله حالت تبعیت کند، کل مخلوط را می‌توان یک گاز همگن با ویژگی‌های خاص خود در نظر گرفت که از معادله حالت نیز تبعیت می‌کند. ، یعنی

جایی که آر سانتی متر.- میانگین ثابت گاز ظاهری مخلوط که بر اساس میانگین وزن مولکولی مخلوط تعیین می شود:

اندازه آر سانتی متر.همچنین می توان از ترکیب مخلوط پس از جایگزینی وابستگی ها پیدا کرد م سانتی متر:

با جمع بندی تمام اجزاء، به دست می آوریم:

مجموع سمت چپ معادله برابر با حجم مخلوط است. تقسیم دو طرف معادله بر جرم مخلوط مترما گرفتیم

مجموع سمت راست معادله نشان دهنده ثابت گاز مخلوط است:

برخی از گازها و بخارات موجود در مخلوط های معین با هوا قابل انفجار هستند. خطر آتش‌سوزی مخلوط‌های گازی با غلظت گازها، بخارات یا غبارهای قابل اشتعال در مخلوط تعیین می‌شود. در حد پایین غلظت قابل اشتعال (LCFL)، مقدار کمی سوخت و هوای اضافی در مخلوط وجود دارد. با افزایش غلظت سوخت، کمبود هوا در مخلوط ظاهر می شود که منجر به از دست دادن توانایی اشتعال می شود.

انفجار یک مخلوط می تواند تنها در نسبت های معینی از گازهای قابل اشتعال موجود در مخلوط با هوا یا اکسیژن رخ دهد که با محدودیت های پایین و بالای انفجار مشخص می شود. هنگام انتخاب ترکیب مخلوط، محدودیت های انفجار در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال، مخلوط متان-هوا زمانی که حاوی 5.3-14.9٪ CH4 باشد، و مخلوط آمونیاک-هوا زمانی که حاوی 14.0-27٪ NH3 باشد، انفجاری است. بنابراین، مخلوط گاز مورد استفاده در تولید، حاوی 12-13٪ CH 4 و 11-12٪ MN 3، ضد انفجار در هوا است. با این حال، چنین مخلوط اولیه نزدیک به محدودیت های انفجار است و برای جلوگیری از نقض احتمالی ترکیب، تنظیم خودکار نسبت گاز ارائه می شود. برای ایمنی کامل، نیتروژن به مخلوط اولیه اضافه می شود.

سوال نظری شماره 2

چرخه های توربین گازی

واحدهای توربین گاز (GTU) دستگاه‌های قدرت حرارتی هستند که در آنها سیال کار از محصولات گازی حاصل از احتراق سوخت (یا سایر گازهایی است که به روشی گرم می‌شوند) و موتور کار یک توربین گاز است. توربین های گازی به عنوان موتورهای احتراق داخلی طبقه بندی می شوند. تفاوت آنها با موتورهای احتراق داخلی پیستونی این است که به دلیل انرژی جنبشی گاز که با سرعت بالا حرکت می کند، کار مفیدی در آنها تولید می شود.

واحدهای توربین گاز در مقایسه با موتورهای پیستونی دارای مزایای فنی و اقتصادی متعددی هستند که عبارتند از:

وزن سبک تر و ابعاد نصب کوچک با قدرت بالا.

عدم وجود مکانیزم میل لنگ؛

یکنواختی سکته مغزی و امکان ارتباط مستقیم با مصرف کنندگان کار - ژنراتورهای الکتریکی، کمپرسورهای گریز از مرکز و غیره.

سهولت نگهداری؛

اجرای چرخه با انبساط کامل و در نتیجه با راندمان حرارتی بالا.

امکان استفاده از انواع سوخت ارزان قیمت (نفت سفید).

این مزایای توربین های گازی به گسترش آنها در بسیاری از زمینه های فناوری کمک کرده است.

طراحی اولین توربین گاز توسط مهندس مکانیک ناوگان روسیه P.D. کوزمینسکی در سال 1897. برای یک قایق کوچک در نظر گرفته شده بود. ویژگی بارز این توربین کارکرد آن با بخار آب بود که برای کاهش دمای گازهای جلوی توربین به محفظه احتراق تزریق می شد.

استفاده گسترده از توربین های گاز تنها پس از حل دو مشکل اصلی امکان پذیر شد: ایجاد یک کمپرسور گاز با راندمان بالا (توربو کمپرسور) و تولید آلیاژهای فلزی مقاوم در برابر حرارت جدید با قابلیت کارکرد طولانی مدت در دمای 650 - 750؟ C و بالاتر.

عملکرد نیروگاه های توربین گاز بر اساس سیکل های ایده آل متشکل از ساده ترین فرآیندهای ترمودینامیکی است. مطالعه ترمودینامیکی این چرخه ها بر اساس فرضیاتی شبیه به چرخه های موتور احتراق داخلی است، یعنی: چرخه ها برگشت پذیر هستند، گرما بدون تغییر ترکیب شیمیایی سیال عامل چرخه تامین می شود، حذف گرما برگشت پذیر فرض می شود، وجود دارد. بدون تلفات هیدرولیکی و حرارتی، سیال کار یک گاز ایده آل با ظرفیت حرارتی ثابت است. بر خلاف موتورهای احتراق داخلی پیستونی، که در آن فرآیندهای فشرده سازی، تامین گرما و انبساط در یک سیلندر انجام می شود، در واحدهای توربین گاز این فرآیندها در عناصر مختلف نصب رخ می دهد که جریان سیال کار به طور متوالی وارد آن می شود. توربین های گازی می توانند با احتراق سوخت در فشار ثابت و حجم ثابت کار کنند. چرخه های ایده آل مربوطه به چرخه ها تقسیم می شوند:

با حرارت ورودی در فشار ثابت ( P = const) -- چرخه برایتون;

با حرارت ورودی در حجم ثابت ( v = const) -- چرخه همفری؛.

چرخه با بازیابی گرما.

سیکل با تامین گرما در فشار ثابت بیشترین کاربرد عملی را دریافت کرده است.

پ= پایان(چرخه برایتون)

نمودار شماتیک یک واحد توربین گاز، که در آن احتراق سوخت با فشار ثابت رخ می دهد، در شکل 1 نشان داده شده است، و چرخه برگشت پذیر انجام شده در آن در نمودارهای pv و Ts در شکل 1.1 ارائه شده است. در این نصب، هوای اتمسفر از محیط با فشار p 1 و دمای T 1 وارد ورودی کمپرسور (1) می شود که روی همان شفت توربین گاز (4) می چرخد. در کمپرسور هوا به صورت آدیاباتیک فشرده می شود ( 1-2 ) به فشار p 2 که در آن به محفظه احتراق (3)، جایی که سوخت گازی یا مایع وارد می شود، عرضه می شود. در اینجا، در فشار ثابت، احتراق سوخت روی می دهد p=idem (2-3 ، در نتیجه دمای محصولات احتراق گازی حاصل به مقدار T3 افزایش می یابد. در این دما و فشار p 3 = p 2 ، گاز وارد توربین (4) می شود ، جایی که با انبساط آدیاباتیک ( 3-4 ) تا فشار اتمسفر p 1 کاری را انجام می دهد که یک قسمت آن صرف راندن کمپرسور می شود و قسمت دیگر آن صرف به حرکت در آوردن ژنراتوری می شود که برق تولید می کند. از توربین (4)، گاز در فشار p 4 = p 1 به اتمسفر اطراف آزاد می شود. 4-1 ) و هوای تمیز جدید از جو وارد کمپرسور می شود.

موارد زیر به عنوان پارامترهای تعیین کننده چرخه ایده آل پذیرفته می شوند:

نسبت افزایش فشار هوا یا (نسبت تراکم) ;

درجه پیش گسترش.

شاخص اصلی ترمودینامیکی بازده یک سیکل راندمان حرارتی آن است

و مقدار حرارت حذف شده - طبق فرمول

سپس، بازده حرارتی چرخه

معمولاً به عنوان تابعی از درجه افزایش فشار y بیان می شود. برای آدیاباتیک 1 - 2 داریم:

برای ایزوبار 2 - 3

برای آدیاباتیک 3 - 4

با جایگزینی دماهای به دست آمده T 2، T 3 و T 4 در معادله راندمان حرارتی، به دست می آوریم.

از این فرمول نتیجه می شود که بازده حرارتی یک واحد توربین گاز با تامین گرما در فشار ثابت به درجه افزایش فشار y و شاخص آدیاباتیک k بستگی دارد که با افزایش این مقادیر افزایش می یابد.

مشمول وابستگی

در نتیجه، برای همان سیال عامل، افزایش درجه

فشرده سازی همیشه منجر به افزایش کارایی می شود.

چرخه کار:

علیرغم این واقعیت که افزایش درجه افزایش فشار هوا تأثیر مفیدی بر راندمان نصب توربین گاز دارد، افزایش این مقدار منجر به افزایش دمای گازهای جلوی پره های توربین می شود. مقادیر این دما توسط مقاومت حرارتی آلیاژهایی که تیغه ها از آن ساخته شده اند محدود می شود. در حال حاضر حداکثر دمای مجاز گاز در جلوی توربین 800 - 1000 درجه سانتیگراد است و افزایش بیشتر دما تنها با استفاده از مواد جدید مقاوم در برابر حرارت و معرفی طرح‌های توربین با پره‌های خنک‌شده امکان‌پذیر است.

طرح و چرخه یک واحد توربین گاز با تامین حرارت درV= پایان (چرخه همفری)

در یک واحد توربین گازی که در یک چرخه با تامین گرما در حجم ثابت (V=const) کار می‌کند، فرآیند احتراق سوخت با دریچه‌های ورودی و خروجی بسته که در محفظه احتراق نصب شده‌اند اتفاق می‌افتد. کمپرسور 1 که توسط توربین 6 هدایت می شود، هوای فشرده را از طریق یک شیر کنترل شده 7 به محفظه احتراق 4 می رساند. شیر دوم 5 در انتهای محفظه احتراق قرار دارد و برای رهاسازی محصولات احتراق به توربین طراحی شده است. سوخت توسط پمپ 2 واقع در محور توربین از طریق یک نازل به محفظه احتراق عرضه می شود. تامین سوخت باید به صورت دوره ای توسط شیر سوخت 3 انجام شود.

با افزایش فشار، دریچه 5 باز می شود و محصولات احتراق وارد دستگاه نازل و روی پره های توربین 6 می شود. هنگام عبور از پره های توربین، گاز عمل می کند و در محیط آزاد می شود.

چرخه این نصب شامل فشرده سازی آدیاباتیک در کمپرسور ( a-c) تامین حرارت در v= پایان(c-z) انبساط آدیاباتیک گاز در یک توربین ( z-e) انتقال ایزوباریک گرما توسط گاز به هوای اطراف ( e-a). چرخه ترمودینامیکی در مختصات pv و Ts در شکل 2.1 ارائه شده است. پارامترهای اصلی چرخه عبارتند از:

درجه افزایش فشار در کمپرسور؛

درجه فشار ایزوکوریک افزایش می یابد.

راندمان چرخه توربین گازی با تامین گرما در حجم ثابت به صورت زیر تعیین می شود:

پارامترهای گاز در نقاط مشخص چرخه از طریق دمای اولیه Ta از روابط تعیین می شود:

با جایگزینی این عبارات برای دما در فرمول بازده حرارتی، به دست می آوریم:

بنابراین، مقدار راندمان در یک واحد توربین گاز با ورودی گرما در حجم ثابت به درجه افزایش فشار در کمپرسور و درجه افزایش فشار در محفظه احتراق بستگی دارد که به مقدار گرمای ورودی بستگی دارد. q 1 ) در یک فرآیند ایزوکوریک.

کار خاص در هر چرخه تعیین می شود:

مقایسه بین چرخه ها با ورودی گرما در p=constو v= پایاندیده می شود، که در همان درجه افزایش فشار و همان مقدار گرمای حذف شده، سیکلی با تامین گرما در حجم ثابت سود بیشتری نسبت به سیکلی با تامین گرما در فشار ثابت دارد. این به دلیل درجه بیشتر گسترش در چرخه است v = ثابت، و در نتیجه، مقادیر بازده حرارتی بالا. با وجود این مزیت، سیکل با تامین گرما در حجم ثابت به دلیل پیچیدگی طراحی محفظه احتراق و زوال توربین در جریان گاز ضربانی، کاربرد گسترده ای در عمل پیدا نکرده است، اگرچه کار برای بهبود این چرخه ادامه دارد.

با توجه به طراحی پیچیده محفظه احتراق، سیکل توربین گاز با تامین گرمای ایزوکوریک بسیار به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد، حتی اگر در مقایسه با سیکل برایتون، راندمان آن افزایش یافته باشد.

چرخه GTU با بازیابی گرما

یکی از اقدامات برای افزایش راندمان حرارتی نیروگاه های توربین گاز، استفاده از بازیافت حرارت است. بازیابی گرما شامل استفاده از گرمای گازهای خروجی برای پیش گرم کردن هوای ورودی به محفظه احتراق است. بازسازی حرارتی به شرطی امکان پذیر است که T 4 > T 2. برای انجام این کار، یک دستگاه اضافی به مدار نصب وارد می شود - مبدل حرارتی.

نمودار نصب توربین گاز با احتراق در P = const با بازیابی حرارت در شکل 3 نشان داده شده است. محفظه 4، اما ابتدا از بازساز هوا - مبدل حرارتی 3 عبور می کند، که در آن توسط گرمای گازهای خروجی گرم می شود. بر این اساس، گازهای خروجی از توربین، قبل از رها شدن در اتمسفر، از یک احیاء کننده هوا عبور می کنند و در آنجا خنک می شوند و هوای فشرده را گرم می کنند. بنابراین، بخش خاصی از گرما که قبلاً توسط گازهای خروجی به اتمسفر منتقل می شد، اکنون به طور مفید استفاده می شود.

چرخه یک نیروگاه توربین گازی با احیاء و تامین حرارت ایزوباریک در نمودارهای P,v - و T,s - در شکل 1 نشان داده شده است.

برنج. 1 نمودار حرارتی یک واحد توربین گاز با بازیافت حرارت

چرخه مورد بررسی شامل یک فرآیند آدیاباتیک فشرده‌سازی هوا در کمپرسور 1 - 2، یک فرآیند 2 - 5 است که گرمایش هم‌بار هوا در احیاکننده است، یک فرآیند هم‌بار 5 - 3، مربوط به تامین گرما در محفظه احتراق به دلیل احتراق سوخت، فرآیند انبساط آدیاباتیک گازهای 3 - 4 در توربین، خنک کننده ایزوباریک گازهای خروجی در احیاء کننده 4 - 1.

مقدار گرمای وارد شده به سیال عامل در یک فرآیند ایزوباریک

و آنچه در یک فرآیند همسان برداشته می شود

جایگزینی q 1 و |q 2 | در نسبت کلی

ما آن را دریافت می کنیم.

دما در نقاط اصلی چرخه تعیین می شود:

راندمان حرارتی سیکل توربین گاز با ورودی حرارت در R = ثابتو بازسازی کامل به دمای اولیه T 1 و دمای انتهای انبساط آدیاباتیک T 4 بستگی دارد.

در شرایط واقعی، گرمای بازسازی به طور کامل منتقل نمی شود، زیرا مبدل های حرارتی ایده آل نیستند. بازده حرارتی چرخه به درجه بازسازی بستگی دارد. درجه بازسازی نسبت مقدار گرمای منتقل شده به هوای دریافتی توسط هوای فشرده در احیاء کننده به مقدار گرمایی است که در صورت گرم شدن از T 2 به T 5 = T 4 در خروجی توربین گاز می تواند دریافت کند. .

راندمان حرارتی یک چرخه توربین گاز با بازسازی ناقص، به عنوان مثال. در r<1, определяется следующим образом

درجه بازسازی با کیفیت و مساحت سطوح کاری مبدل حرارتی (بازساز) تعیین می شود.

در حال حاضر از چنین توربین های گازی در تاسیسات ثابت به دلیل وزن و ابعاد بزرگ احیاء کننده، به عنوان مثال به عنوان نیروگاه کشتی استفاده می شود.

وظیفه شماره 1

ترکیب حجمی، وزن مولکولی، ثابت گاز و حجم مخلوط را اگر ترکیب جرمی آن به شرح زیر باشد تعیین کنید: پروپان - 48.7٪، بوتان - 16.8٪، هگزان - 14.6٪، اتیلن - 4.7٪، نیتروژن - 15.2٪. فشار مخلوط 3 بار، جرم و دمای مخلوط به ترتیب برابر است

وزن (کیلوگرم	دما، 0 درجه سانتیگراد

C4H10 = 16.8٪ C6H14 = 14.6٪ C 2 H 4 = 4.7٪ P cm = 3 bar t cm = 17 0 C	g i (C 3 H 8) = 0.487 g i (C 4 H 10) = 0.168 g i (C 6 H 14) = 0.146 g i (C 2 H 4) = 0.047 g i (N 2) = 0.152 P cm = 3 10 5 Pa

پیدا کنید: i - ?, M cm - ?,

R cm - ?، V cm - ?

1. با استفاده از داده های مرجع، وزن مولکولی اجزا را تعیین می کنیم:

M(C 3 H 8) = 44 کیلوگرم بر کیلومتر؛

M(C 4 H 10) = 58 کیلوگرم بر کیلومتر؛

M(C 6 H 14) = 86 کیلوگرم بر کیلومتر؛

M(C 2 H 4) = 28 کیلوگرم در کیلومتر مول؛

M(N 2) = 28 کیلوگرم بر کیلومتر.

2. اجازه دهید ثابت گاز گازها را با استفاده از مقدار ثابت گاز جهانی R = 8.314 kJ/kmol K محاسبه کنیم:

R(C 3 H 8) = 0.18895 kJ/kg K = 188.9 J/kg K.

R(C 4 H 10) = = 0.1433 kJ/kg K = 143.3 J/kg K.

R(C 6 H 14) = = 0.09667 kJ/kg K = 96.7 J/kg K.

R(C 2 H 4) = 0.2969 kJ/kg K = 296.9 J/kg K.

R(N 2) = = 0.2969 kJ/kg K = 296.9 J/kg K.

3. اجازه دهید ثابت گاز مخلوط را تعیین کنیم:

آر سانتی متر= ?(g من آر من)

R= 0.487 188.95 + 0.168 143.3 + 0.146 96.7 + 0.047 296.9 + 0.152 296.9 = 92.02+24.07+13.95+14.26+45.1 K.

4. اجازه دهید کسر حجمی اجزای موجود در مخلوط را تعیین کنیم:

که در آن Rcm ثابت گاز مخلوط است، J/(kg K).

Ri ثابت گاز تک تک اجزای موجود در مخلوط J/(kg K) است.

5- وزن مولکولی مخلوط را محاسبه کنید:

M cm = 0.488 44 + 0.127 58 + 0.074 86 + 0.073 28 + 0.238 28 = 21.47 + 7.37 + 6.36 + 2.04 + 6.66 = 44 kg/kmol.

6. حجم مخلوط گاز را با معادله Clayperon محاسبه کنید:

آرV = متر آر تی,

متر 3 / کیلوگرم

پاسخ: r(C 3 H 8) - 48.8%؛ r(C4H10) -12.7%؛

r(C 6 H 14) - 7.4%؛ M cm - 44 kg/kmol.

r(C2H4) - 7.3%؛ R cm - 189.43 J/kg K.

r(N 2) - 23.8%؛ V سانتی متر - 1.648 متر 3 / کیلوگرم.

مشکل شماره 2

مخلوط گاز در راکتور دارای ترکیب حجمی زیر است: مونوکسید کربن = 14٪، نیتروژن = 6٪، اکسیژن = 75٪، بخار آب = 5٪ و از t1 به t2 گرم می شود. مقدار گرمای وارد شده به مخلوط گاز را تعیین کنید. وابستگی ظرفیت گرمایی به دما را مطابق با گزینه خود بپذیرید

			ثابت

بخار H 2 O = 5٪	r(H2O) بخار = 0.05

یافتن: Q - ?

1. با توجه به شرایط مسئله، نتیجه می شود که وابستگی ظرفیت گرمایی به دما ثابت است، یعنی به دما بستگی ندارد، بنابراین ظرفیت گرمایی با فرمول تعیین می شود:

که در آن C ظرفیت گرمایی گاز، kJ/kmol K است.

M i وزن مولکولی جزء، g/kmol است.

برای گازهای دو اتمی (نیتروژن، اکسیژن) C v = 20.93 kJ/kmol K، برای بخار آب و سایر گازهای چند اتمی C v = 25 کیلوژول بر کیلومتر مول K.

بیایید ظرفیت گرمایی اجزا را محاسبه کنیم:

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol K.

اجازه دهید ظرفیت حرارتی کل مخلوط گاز را محاسبه کنیم:

C cm = 0.7475 0.14 + 0.7475 0.06 + 0.6541 0.75 + 1.3889 0.05 = 0.1046 + 0.0448 + 0.4906 + 0.0694 = 0.7094 KJ/kmol

2. مقدار گرما را در ظرفیت حرارتی ثابت با استفاده از فرمول محاسبه کنید:

س = mC v(تی 2 - تی 1 )

Q = 4 0.7094 (1073 - 423) = 2.8376 650 = 1844.44 J.

پاسخ: Q = 1844.44 J.

مشکل شماره 3

هوا در یک چرخه با منبع گرمای ایزوکوریک عمل می کند. در صورتی که جرم هوا، فشار اولیه، دمای اولیه، نسبت تراکم و مقدار گرمای تامین شده در حین احتراق به ترتیب برابر باشند، پارامترهای چرخه را در نقاط مشخص و کار مفید چرخه را تعیین کنید.

	P 1 = 9 10 3 Pa

پیدا کنید: A = ?

یک چرخه با تامین گرمای ایزوکوریک (چرخه اتو) از دو آدیابات و دو ایزوکور تشکیل شده است. ویژگی های چرخه عبارتند از:

نسبت تراکم - ؛

درجه افزایش فشار - ;

مقدار گرمای عرضه شده و حذف شده توسط فرمول تعیین می شود:

کار چرخه توسط:

1. بیایید پارامترهای چرخه را در نقاط مشخصه تعیین کنیم.

الف) بیایید پارامترهای نقطه 1 را تعیین کنیم.

P 1 = 90 10 3 Pa; T 1 = 298 K; M هوا = 28.97 کیلوگرم بر کیلومتر.

ثابت گاز هوا است

بیایید حجم ویژه هوا V 1 را با بیان آن از معادله Clayperon محاسبه کنیم:

ب) پارامترهای نقطه 2 را تعیین می کنیم.

نسبت تراکم است

بنابراین m 3 / kg.

از معادله آدیاباتیک (فرایند 1-2 - فشرده سازی آدیاباتیک) دما را بیان می کنیم.

که در آن k شاخص آدیاباتیک است (برای هوا 1.4 است).

فشار P 2 از عبارت پیدا می شود

ج) پارامترهای نقطه 3 را تعیین می کنیم.

از آنجایی که 2 - 3 ایزوکور است، پس V 3 = V 2 = 0.7125 m 3 / kg.

دما در نقطه 3 از رابطه تعیین می شود

با گرفتن Ms v = 20.98 kJ/kg K، M (هوا) = 28.97 kg/kmol، به دست می آوریم

از این رو،

فشار P 3 از رابطه تعیین می شود

د) پارامترهای نقطه 4 را تعیین می کنیم.

V 4 = V 1 = 2.85 متر 3 / کیلوگرم.

از اینجا فشار را در نقطه 4 بیان می کنیم

2. کار مفید چرخه را تعیین کنید.

بیایید مقدار گرمای حذف شده را محاسبه کنیم:

کار مفید در چرخه است

پاسخ: ل ts= 680.56 کیلوژول.

مشکل شماره 4

بالاترین نسبت تراکم را در یک سیکل با منبع گرمای ایزوکوریک بیابید، اگر مشخص شود که فشار اولیه 100 کیلو پاسکال، توان آدیاباتیک 1.3 است و دمای اولیه و دمای خود اشتعال مخلوط قابل احتراق عبارتند از:

t خود = 430 0 C	P 1 = 10 10 3 Pa

از آنجایی که تامین گرمای ایزوکوریک رخ می دهد، درجه فشرده سازی را از معادله آدیاباتیک بیان می کنیم:

بیایید نسبت تراکم را محاسبه کنیم:

پاسخ: نسبت تراکم؟ حداکثر در یک سیکل با تامین حرارت ایزوکوریک 26.9 است. هر چه نسبت تراکم بیشتر باشد، بازده سیکل بیشتر است.

وظیفه شماره 5

هوا از مخزن خارج می شود. مقدار فشار متوسطی را بیابید که در آن سرعت نظری جریان خروجی آدیاباتیک برابر با بحرانی و بزرگی این سرعت خواهد بود اگر فشار و دمای اولیه به ترتیب برابر باشند.

	P 1 = 5 10 6 Pa

پیدا کنید: P 2 = ?

هوا یک گاز دو اتمی است، بنابراین مقدار بحرانی هوا 0.528 است.

از رابطه ما فشار محیط P 2 را بیان می کنیم و پیدا می کنیم:

بیایید مقدار b را تعیین کنیم و آن را با مقدار بحرانی هوا مقایسه کنیم: 0.528 = 0.528.

از آنجایی که خروج گاز آدیاباتیک در? در کر، سرعت خروج گاز از نظر نظری برابر با سرعت بحرانی خواهد بود و با فرمول تعیین می شود.

پاسخ: P 2 = 2.64 10 6 Pa; w cr= 321 متر بر ثانیه

سوال نظری شماره 3

انتقال حرارت همرفتی با حرکت سیال اجباری. انتقال حرارت در حین حرکت اجباری سیال از طریق کانال ها.

انتقال حرارت همرفتی فرآیندی ترکیبی از همرفت و هدایت حرارتی است، زیرا هنگامی که یک مایع یا گاز حرکت می کند، ذرات منفرد با دماهای مختلف ناگزیر با هم تماس پیدا می کنند.

تبادل حرارتی همرفتی بین جریان مایع یا گاز و سطح جسم جامد را انتقال حرارت همرفتی می گویند.

اغلب با انتقال حرارت توسط تشعشع همراه است.

بسته به دلیل ایجاد حرکت مایع، دو نوع حرکت متمایز می شود: آزاد (همرفت طبیعی) و اجباری (همرفت اجباری).

حرکت آزاد به دلیل تفاوت در چگالی ذرات سیال گرم و سرد رخ می دهد که باعث ظاهر نیروی بالابر می شود. ذرات مایع در تماس با سطح گرم بدن گرم شده و سبک تر از ذرات سرد بالای خود می شوند. این آرایش ذرات ناپایدار است: ذرات سرد تمایل به پایین آمدن و جابجایی ذرات گرم شده سبک تر دارند، که باید حرکتی رو به بالا به سمت ذرات سرد نزولی انجام دهند. یک حرکت پیچیده و پر هرج و مرج به وجود می آید که در آن جریان های صعودی و نزولی با هم برخورد می کنند. هرچه گرمای بیشتری منتقل شود، حرکت آزاد سیال شدیدتر می شود. مقدار گرمای منتقل شده متناسب با سطح بدن و اختلاف دما بین سطح آزاد کننده (یا دریافت کننده گرما) و مایع است. اختلاف دما نیروی بالابر حرکت را تعیین می کند و سطح منطقه توزیع فرآیند تبادل حرارت را تعیین می کند.

حرکت اجباری تحت تأثیر نیروی وارد بر مایع از خارج رخ می دهد - پمپ، باد، فن، کمپرسور، اجکتور و غیره. در این حالت، اختلاف فشار مایع در ورودی و خروجی کانال ایجاد می شود که از طریق آن مایع حرکت می کند نیروی محرکه عمدتاً با اختلاف فشار تعیین می شود. شدت تبادل حرارت در حین حرکت اجباری یک مایع به سرعت حرکت آن، نوع و خواص فیزیکی مایع، دمای آن، شکل و اندازه کانالی که در آن تبادل حرارتی رخ می دهد بستگی دارد.

شدت فرآیند انتقال حرارت همرفتی توسط فرآیند هدایت حرارتی در مرز مایع با سطح جامد و در لایه مرزی ذرات مایع نسبتاً ثابت مجاور سطح جامد محدود می‌شود. شدت انتقال حرارت همرفتی را می توان با افزایش سرعت حرکت سیال نسبت به سطح جامد افزایش داد که به کاهش ضخامت لایه مرزی کمک می کند. این فرآیند شامل دو مرحله و دو نوع انتقال انرژی حرارتی است:

انتقال انرژی حرارتی از طریق همرفت در حجم مایع یا گاز؛

انتقال انرژی حرارتی توسط رسانش حرارتی در یک لایه نازک و با حرکت آهسته از مایع یا گاز که مستقیماً در مجاورت دیوار جامد قرار دارد و لایه مرزی یا زیرلایه آرام نامیده می شود.

انتقال حرارت از طریق رسانش حرارتی از طریق تماس مستقیم ذرات مایع یا گاز با ذرات یک دیوار جامد مستقیماً در مرز سطح جامد.

بر اساس مفاد فوق، معادله اصلی انتقال حرارت همرفتی به نام معادله نیوتن-ریشمن به دست آمد:

که در آن q شار حرارتی ویژه در طول تبادل حرارتی همرفتی، W/m2 است.

Q - جریان گرمای کل، W;

F - سطح تبادل حرارتی همرفتی، متر مربع؛

l w - ضریب هدایت حرارتی مایع (گاز) در لایه مرزی، W/m 2 K.

d p.s. - ضخامت لایه مرزی مایع (گاز) در مجاورت سطح تبادل حرارت، متر؛

ب - ضریب انتقال حرارت که شرایط تبادل حرارت بین مایع و دیواره جامد را مشخص می کند، W/m 2 K.

ضریب انتقال حرارت ب -مشخصه اصلی فرآیند انتقال حرارت همرفتی و تابع پیچیده ای از تعداد زیادی کمیت مستقل است که پدیده را مشخص می کند.

یکی از وظایف اصلی انتقال حرارت همرفتی، تعیین ضریب انتقال حرارت در شرایط خاص است. تعیین تحلیلی ضریب انتقال حرارت، به عنوان یک قاعده، غیرممکن است، زیرا مقدار آن به متغیرهای زیادی بستگی دارد: پارامترهای فرآیند، ثابت‌های فیزیکی، ابعاد هندسی و شرایط مرزی. ضریب انتقال حرارت با استفاده از فرمول‌های تجربی تعیین می‌شود که طبق قواعد تئوری شباهت به صورت معیار جمع‌آوری شده‌اند. اگر همه پارامترهای مشخص کننده انتقال حرارت همرفتی مشابه باشند، دو فرآیند انتقال حرارت همرفتی مشابه در نظر گرفته می شوند.

برای ساده سازی فرآیند ایجاد شباهت، از مجتمع های بی بعد پارامترهای فیزیکی - اعداد یا معیارهای شباهت استفاده می شود. اعداد شباهت زیادی وجود دارد. برای انتقال حرارت همرفتی

از پنج عدد شباهت زیر استفاده کنید.

عدد رینولدزرژیم جریان یک مایع یا گاز را مشخص می کند و نسبت نیروهای اینرسی (فشار سرعت) به نیروهای اصطکاک ویسکوز را بیان می کند:

جایی که w- سرعت متوسط ​​مایع یا گاز، متر بر ثانیه؛

ل- اندازه مشخصه، متر؛

v- ضریب ویسکوزیته سینماتیک، m 2 / s.

در اعداد رینولدز کمتر از 2000، حالت آرام در اعداد بزرگتر از 10000 در نظر گرفته می شود، حالت حرکت آشفته است. با اعداد از 2000 تا 10000، حالت انتقالی است.

شماره پراندتلرابطه بین ضخامت را برقرار می کند

لایه های مرزی دینامیکی و حرارتی:

که در آن a ضریب نفوذ حرارتی، m 2 / s است.

n ضریب ویسکوزیته سینماتیکی m 2 / s است.

شماره ناسلتشدت تبادل حرارتی همرفتی بین مایع (گاز) و سطح یک جامد را مشخص می کند:

که در آن b ضریب انتقال حرارت، W/(m 2 CHK) است.

l - اندازه مشخصه، متر؛

l - ضریب هدایت حرارتی گاز یا مایع، W/(mCHK).

شماره گراشفشدت انتقال حرارت همرفتی آزاد را مشخص می کند:

که در آن g = 9.81 m/s 2 - شتاب سقوط آزاد.

ب - ضریب انبساط حجمی: برای مایعات b در کتابهای مرجع (پیوست L) آورده شده است، برای گازها - b = 1/T، 1/K.

l - اندازه مشخصه، متر؛

Dt اختلاف دما بین ذرات مایع (گاز) است.

n - ویسکوزیته سینماتیکی، m 2 / s.

شماره اویلرنسبت افت فشار به سر سرعت را مشخص می کند:

که در آن DR افت فشار در بخش کانال، Pa است.

r - چگالی مایع (گاز)، کیلوگرم بر متر مکعب؛

w - سرعت مایع (گاز)، m/s.

هنگام طراحی مبدل های حرارتی، تعیین دو پارامتر ضروری است: ضریب انتقال حرارت b و افت فشار DR. آنها در اعداد ناسلت و اویلر گنجانده شده اند. اینها اعداد شباهت قابل تعریف هستند. اعداد رینولدز، گراشوف و پراندتل تعیین کننده هستند. معادلات شباهت- رابطه بین عدد تشابه تعریف شده و اعداد تشابه تعریف شده. بنابراین، هنگام مدل‌سازی، هدف اصلی یافتن معادلات است:

معادله تشابه کلی برای انتقال حرارت همرفتی شکل دارد

جایی که ج، ن، م، د- ضرایبی که با مطالعات تجربی تعیین می شود.

در معادلات معیار، ضریب جهت جریان گرما را با نسبت در نظر می گیرد، در حالی که Pr عدد پراندتل برای یک مایع (گاز) در دمای آن است. پرست - عدد پراندتل برای مایع (گاز) در دمای دیوار.

پارامترهای فیزیکی موجود در فرمول ها باید در دمای تعیین کننده گرفته شوند که برای هر مورد انتقال حرارت نشان داده شده است و از دماهای تعیین کننده زیر استفاده می شود:

t ST - دمای متوسط ​​دیوار.

tf - دمای متوسط ​​مایع یا گاز؛

t PL میانگین دمای لایه مرزی (فیلم) است که به عنوان میانگین حسابی بین t L و t ST تعریف می شود.

دمای متوسط ​​یک مایع (گاز) را می توان تقریباً به عنوان میانگین حسابی بین دمای اولیه و نهایی مایع تعریف کرد.

فرآیند انتقال حرارت زمانی که مایعی در لوله‌ها جریان دارد، در مقایسه با فرآیند انتقال حرارت هنگام شستشوی یک سطح صاف با جریان نامحدود پیچیده‌تر است، که در آن مایعی که از بدنه خارج می‌شود تحت تأثیر فرآیندهای نزدیک دیوار قرار نمی‌گیرد. سطح مقطع لوله دارای ابعاد محدود است. در نتیجه، در لوله، با شروع از فاصله معینی از ورودی، مایع در کل سطح مقطع اثر ترمز نیروهای ویسکوز را تجربه می کند. با توجه به ابعاد محدود لوله، دمای مایع هم در سطح مقطع و هم در طول کانال تغییر می کند. همه اینها بر انتقال حرارت تأثیر می گذارد.

جریان سیال در لوله ها می تواند آرام، گذرا و متلاطم باشد.

با حرکت آرام یا لایه ای، آرام و جت، جریان های مایع خطوط کانال یا دیوار را تکرار می کنند، یعنی با هم مخلوط نمی شوند. انتشار گرما در جهت عمود بر جهت حرکت صرفاً به دلیل هدایت حرارتی است.

با حرکت متلاطم، مایع به طور مداوم مخلوط می شود. سرعت یک ذره مایع در هر لحظه از زمان در قدر و جهت تغییر می کند. در رژیم آشفته، گرما با هدایت حرارتی تنها در زیر لایه چسبناک منتقل می شود و در داخل هسته آشفته این فرآیند با اختلاط شدید ذرات مایع انجام می شود.

انتقال از آرام به آشفته و بالعکس در شرایط خاصی رخ می دهد. پارامترهای انتقال با عدد رینولدز تعیین می شوند. بنابراین، برای مثال، برای لوله های صاف این عدد تقریبا 2300 است.

هنگامی که یک سیال به صورت آرام حرکت می کند، دو حالت متمایز می شود: چسبناک و چسبناک-گرانشی.

ویسکوز حالت حرکتی است که در آن نیروهای چسبناک بر نیروهای بالابر در سیال غالب می شوند. این حالت حرکت با حرکت اجباری سیالات چسبناک و تأثیر ناپدید کننده کوچک حرکت آزاد رخ می دهد. حالت حرکت چسبناک معمولاً در حین حرکت آرام مایعات با ویسکوزیته بالا در لوله های با قطر کم و در فشارهای دمای پایین مشاهده می شود.

رژیم ویسکوزیته-گرانشی رژیم حرکت سیال است زمانی که نیروهای بالابر به اندازه کافی بزرگ هستند: حرکت اجباری با حرکت آزاد قرار می گیرد که تأثیر آن بر انتقال گرما را نمی توان نادیده گرفت. در این مورد، توزیع سرعت در سطح مقطع لوله نه تنها به تغییر ویسکوزیته، بلکه به شدت و جهت حرکت آزاد مایع نیز بستگی دارد، که ناشی از تفاوت در چگالی گرمای کمتر و بیشتر است. ذرات مایع

در یک رژیم آشفته توسعه یافته (Re>10000)، از معادله زیر استفاده می شود:

که در آن e l یک ضریب تصحیح است که تأثیر بخش اولیه جریان بر ضریب انتقال حرارت در لوله را در نظر می گیرد.

دمای تعیین کننده دمای متوسط ​​مایع یا گاز است. اندازه مشخصه l این است: برای یک لوله گرد - قطر داخلی لوله d. برای لوله ای با شکل دلخواه - قطر معادل d eq

F سطح مقطع کانال، m 2 است.

P کل محیط مقطع است، صرف نظر از اینکه کدام قسمت از این محیط درگیر تبادل حرارت است، m.

برای گازها، فرمول ساده شده است، زیرا در این حالت، معیار Pr یک مقدار تقریباً ثابت مستقل از دما است، Pr = 0.67...1.0 (تعیین شده توسط تعداد اتم های موجود در مولکول): .

در هنگام تبادل حرارت در لوله های منحنی (کویل)، به دلیل اثر گریز از مرکز، گردش ثانویه در سطح مقطع لوله ایجاد می شود که وجود آن منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت می شود. بنابراین، ضریب انتقال حرارت باید در ضریب تصحیح e zm ضرب شود:

که در آن d قطر لوله، m است. D قطر مارپیچ سیم پیچ، m است.

در مورد جریان سیال آرام (Re<2320) вынужденное перемещение ее частиц сопровождается также и свободным движением.

مقدار متوسط ​​ضریب انتقال حرارت از فرمول تعیین می شود:

هنگام محاسبه معیار Gr، مقدار Dt تفاوت دما بین مایع (گاز) و دیوار را مشخص می کند.

اگر مایع خنک کننده گاز باشد، فرمول ساده شده است: .

هنگامی که لوله به صورت عمودی قرار می گیرد، هنگامی که حرکات آزاد و اجباری همزمان می شوند، اصلاح 0.85 و در جهت مخالف اصلاح 1.15 ایجاد می شود.

اگر مایع خنک کننده مایعی با ضریب ویسکوزیته بالا باشد، همرفت آزاد بر انتقال حرارت تأثیر نمی گذارد. معادله شباهت برای رژیم ویسکوز است

دمای متوسط ​​مایع به عنوان دمای تعیین کننده در نظر گرفته می شود و اندازه خطی مشخصه قطر داخلی لوله است.

در محدوده اعداد رینولدز از 2320 تا 10000، یک رژیم انتقالی از حرکت سیال مشاهده می شود. برای تعیین ضریب انتقال حرارت در حین حرکت گذرا، می توانید از معادله معیار طراحی زیر استفاده کنید:

که در آن K 0 تابعی از عدد رینولدز است.

دمای متوسط ​​مایع به عنوان دمای تعیین کننده در معادله و قطر داخلی لوله به عنوان اندازه تعیین کننده در نظر گرفته می شود. د vn یا د معادله

انتقال حرارت در طول رژیم گذرا حرکت سیال در کانال ها و لوله ها هنگام حل مشکلات از تمرین آتش نشانی محاسبه می شود.

فرمول محاسبه برای تعیین مقادیر متوسط ​​ضریب انتقال حرارت، به دست آمده بر اساس تعمیم داده های تجربی، به شکل زیر است:

فهرست مطالب fدر اعداد Nu، Re، Pr به این معنی است که تمام پارامترهای فیزیکی در دمای متوسط ​​مایع محاسبه می شوند. در این حالت قطر داخلی لوله به عنوان اندازه تعیین کننده در نظر گرفته می شود د vnیا د معادله=4 اف/ Uبرای کانال هایی که سطح مقطع دایره ای ندارند، که F سطح مقطع کانال و U محیط این مقطع است.

ضریب e l =1 در l/d nar?50، و در l/d nar<50, его принимают в зависимости от числа Рейнольдса для данных условиях

مقدار e l به شرایط ورود مایع به لوله بستگی دارد.

اغلب، برای حل مسائل ایمنی آتش سوزی، از معادلاتی استفاده می شود که انتقال حرارت همرفتی را در طول حرکت اجباری سیال توصیف می کند.

سوال نظری شماره 4

تابش حرارتی. قوانین اساسی انتقال حرارت تابشی

تابش حرارتی روشی برای انتقال گرما در فضا است که در نتیجه انتشار امواج الکترومغناطیسی انجام می شود که انرژی آن هنگام تعامل با ماده به گرما تبدیل می شود. تبادل حرارت تشعشعی با تبدیل انرژی مضاعف همراه است: در ابتدا انرژی درونی جسم به انرژی تابش الکترومغناطیسی تبدیل می شود و سپس پس از انتقال انرژی در فضا توسط امواج الکترومغناطیسی، انتقال دوم انرژی تابشی به انرژی درونی بدن دیگری رخ می دهد.

تابش حرارتی یک جسم به دمای آن (درجه گرم شدن بدن) بستگی دارد.

چگالی شار خود تابشی E شخصی، W/m 2، یک جسم را تابش آن می نامند. این پارامتر تابش در یک منطقه طول موج ابتدایی dl، چگالی شار طیفی تابش خودش El، W/m 3، یا گسیل طیفی جسم، یا شدت طیفی تابش نامیده می‌شود.

انرژی تابش گرمایی وارد شده بر جسم، طبق قانون بقای انرژی، می تواند توسط بدن جذب، منعکس شود یا از آن عبور کند:

Q جذب + Q neg + Q prop = Q drop.

نسبت قسمت جذب شده انرژی به انرژی فرودی تابش حرارتی را ظرفیت جذب بدن می گویند و با حرف A نشان داده می شود. ضریب انعکاس جسم و با حرف R نشان داده می شود. نسبت انرژی عبوری از بدن به انرژی فرودی تابش گرمایی را گذر جسم می نامند و با حرف D نشان داده می شوند. بنابراین، طبق قانون. در مورد بقای انرژی می نویسیم:

جسمی که تمام انرژی تابشی وارد شده بر سطح خود را جذب می کند، جسم کاملا سیاه (ABL) نامیده می شود. برای یک جسم کاملا سیاه، ظرفیت جذب A = 1.

جسمی که تمام انرژی تابشی وارد شده بر سطح خود را منعکس می کند، جسم کاملاً سفید (اگر انعکاس در یک نیمکره رخ دهد) یا جسم آینه ای (اگر زاویه پرتو تابشی برابر با زاویه پرتو منعکس شده باشد) نامیده می شود. در این مورد، بازتاب R = 1.

جسمی که تمام انرژی تابشی را که بر روی سطح خود فرو می‌رود منتقل می‌کند، شفاف یا دیترمیک نامیده می‌شود. در این مورد، توان عملیاتی D = 1.

یک جسم جامد انرژی تابش حرارتی تابیده شده بر سطح خود را منتقل نمی کند و بنابراین

مجموع تابش خود و بخشی از انرژی فرودی که توسط سطح بدن منعکس می شود، تابش مؤثر بدن نامیده می شود:

E eff = E رویداد + E neg.

شار حرارتی حاصل از تابش تفاوت بین تابش خود و بخشی از انرژی فرودی است که بدن جذب می کند:

ارس = ایوب؟ ایب = ایف؟ پد E.

بسته به ویژگی‌های جریان، فرآیندهای انتقال حرارت در حالت ثابت (ایستا) رخ می‌دهند، زمانی که دما در تمام نقاط از نظر زمان ثابت و در حالت ناپایدار (غیر ساکن) باشد.

قوانین انتقال حرارت تابشی برای یک جسم کاملا سیاه در شرایط ساکن به دست آمد.

بیایید قوانین اساسی تابش تابشی را در نظر بگیریم.

قانون استفان بولتزمنرابطه بین انتشار و دمای جسم سیاه را ایجاد می کند:

که در آن E o تابش یک جسم سیاه مطلق، W/m 2 است.

y o = 5.67X10- 8، - ثابت تابش یک جسم کاملا سیاه، W/m 2 CHK 4;61

C o = 5.67 - انتشار بدن سیاه، W/m 2 CHK 4 ;

T دمای مطلق جسم تابشی، K است.

برای بدن های خاکستری:

E گسیل پذیری بدن خاکستری، W/m2 است.

C تابش بدن خاکستری، W/(m 2 CHK 4) است.

اگر انرژی تابش یک جسم خاکستری را بر انرژی تابشی یک جسم کاملا سیاه تقسیم کنیم، به دست می‌آید:

که e درجه سیاهی بدن است.

اگر C=C0Ce را بپذیریم، انرژی تابش یک جسم خاکستری را می توان به صورت زیر نوشت:

درجه سیاهی می تواند از 0 تا 1 متفاوت باشد. این نه تنها به خواص فیزیکی بدن، بلکه به وضعیت سطح یا زبری آن نیز بستگی دارد.

همانطور که از فرمول مشاهده می شود، وابستگی انرژی به دمای مطلق یک وابستگی چهارتایی دارد، بنابراین بخش عمده ای از گرما در هنگام آتش سوزی توسط تبادل حرارت تابشی منتقل می شود.

قانون کیرشهوفبیان می کند که نسبت گسیل پذیری یک جسم به ظرفیت جذب آن برای سطوح تمام اجسام خاکستری (در دمای یکسان) یکسان است و برابر است با تابش یک جسم کاملاً سیاه در همان دما:

که در آن E و A توانایی انتشار و جذب اجسام هستند.

سه نتیجه از قانون کیرشهوف به دست می آید:

1) در طبیعت هیچ سطحی وجود ندارد که بیش از یک جسم کاملاً سیاه (در همان دما) انرژی ساطع کند.

2) اجسام با ظرفیت جذب بیشتر چگالی تابش بیشتری دارند و بالعکس.

3) توانایی های جذب و درجات انتشار اجسام واقعی (خاکستری) از نظر عددی برابر است (A=e).

قانون لمبرترابطه بین مقدار انرژی ساطع شده و جهت تابش را برقرار می کند:

E ن- مقدار انرژی ساطع شده در جهت نرمال.

قانون لامبرت برای یک جسم کاملا سیاه برای اجسام خاکستری با سطح ناهموار به دست آمد، این قانون برای μ معتبر است< 60 0 .

برای سطوح صیقلی، قانون لامبرت برای آنها قابل اجرا نیست، انتشار تشعشع در یک زاویه بیشتر از جهت عادی به سطح خواهد بود.

قانون شراببیان می کند که حداکثر شدت تابش با طول موج زیر مطابقت دارد:

از فرمول مشخص است که حداکثر تابش با افزایش دما به سمت امواج کوتاه تغییر می کند (در غیر این صورت قانون وین قانون جابجایی نامیده می شود).

...

اسناد مشابه

آماده سازی گازها برای پردازش، تمیز کردن آنها از مخلوط های مکانیکی. جداسازی مخلوط های گازی، تصحیح و تراکم آنها در دمای پایین. نمودار تکنولوژیکی یک کارخانه شکنش گاز. مشخصات فرآوری گاز از میادین میعانات گازی

پایان نامه، اضافه شده 02/06/2014


بررسی تأثیر انواع مختلف خشک کن ها بر راندمان خشک کردن ماسه ها و هسته های قالب گیری. محاسبه واحد خشک کن در فرآیند خشک کردن میله با عبور هوا از خشک کن. اصول مهندسی حرارتی فرآیند خشک کردن، تبادل حرارت.

کار دوره، اضافه شده در 11/04/2011


یکسوسازی دوره ای مخلوط های دوتایی. واحدهای تقطیر مستمر برای جداسازی مخلوط های دوتایی. محاسبه ته کولر، ارتفاع لایه گاز مایع مایع. تعیین سرعت بخار و قطر ستون.

کار دوره، اضافه شده در 2011/08/20


تشکیل مخلوط آسیاب به عنوان روشی برای تثبیت خواص تکنولوژیکی دانه. الزامات برای تهیه مخلوط آسیاب دانه. محاسبه ترکیب اجزای مخلوط آسیاب، ویژگی های هر دسته از دانه گندم برای تهیه آن.

تست، اضافه شده در 2012/05/07


شیمی بنیادی کربن سیاه، روش های تولید آن. تهیه مخلوط های لاستیکی با سختی معین حاوی کربن سیاه. ویژگی های انتخاب نام تجاری مناسب برای ترکیب لاستیکی. پردازش ترکیبات لاستیکی پر شده با کربن سیاه.

کار دوره، اضافه شده در 2013/05/16


پدیده های فیزیکوشیمیایی در فرآیندهای فرآوری لاستیک و ترکیبات لاستیک. ویژگی های تکنولوژی مدرن برای تهیه مخلوط لاستیکی. تهیه مخلوط بر اساس لاستیک ایزوپرن. پردازش مخلوط های لاستیکی در ماشین های غلتکی.

کار دوره، اضافه شده در 01/04/2010


تصحیح مخلوط روغن. سیستم های تبادل حرارتی برای کارخانه های تقطیر اولیه نفت و گاز هیدروکربنی. ارزیابی امکان افزایش راندمان سیستم تبادل حرارتی. در نظر گرفتن طرح بهینه شده از دیدگاه هیدرولیک.

پایان نامه، اضافه شده در 2012/10/20


محاسبه تیغه کار حجم یک بخش از باله ها. ساخت تیغه با استفاده از نمونه سازی سه بعدی پارامترهای دقت ریخته گری و مجوزهای پردازش. آماده سازی ماسه های قالب گیری در میکسر پارویی گریز از مرکز پیوسته.

پایان نامه، اضافه شده در 2014/05/27


ویژگی ها و دامنه مواد عایق حرارتی، ساختار و خواص آنها. کارایی و معایب عایق حرارتی پودری چند لایه خلاء. فن آوری عایق در دستگاه های جداسازی مخلوط گاز در دمای پایین.

گزارش، اضافه شده در 2010/11/24


الزامات برای مخلوط بتن آسفالت، ویژگی های مواد مورد استفاده برای تهیه آن. انتخاب ترکیب مخلوط بتن آسفالتی با توجه به مشخصات. فناوری و ترتیب، تجهیزات آماده سازی مخلوط بتن آسفالتی.