3. Расчет термодинамических процессов в реальном газе

3.1. Общий анализ термодинамических процессов в реальном газе

Цель исследования термодинамических процессов в реальном газе и необходимые исходные данные такие же, как и для идеального газа (см. § 1.1.). При этом следует иметь в виду, что для воды и водяного пара и для многих хладагентов имеющиеся таблицы свойств и диаграммы состояния заменяют уравнения состояния и уравнения для внутренней энергии, то есть позволяют получать данные, необходимые для расчета термодинамических процессов.

При расчете и исследовании процессов в реальном газе применяют табличный, графический (с помощью диаграмм) либо аналитический (с помощью уравнений состояния) методы определения свойств в зависимости от процесса и требуемой точности расчета. Все термодинамические процессы можно рассчитать с помощью таблиц, но при этом приходится много интерполировать. Поэтому иногда сочетают два метода: часть свойств определяют по таблицам, а часть — по диаграммам.

В последнее время применяют аналитический метод расчёта термодинамических свойств рабочих тел непосредственно по их уравнениям состояния на ЭВМ с использованием термодинамических соотношений. Такой метод особенно эффективен при оптимизационных расчетах циклов паротурбинных и холодильных установок, когда приходится многократно определять свойства рабочих тел.

Важной особенностью процессов в реальном газе является возможность их протекания, как в однофазной так и в двухфазной области (влажный пар) либо последовательно в двух областях. В связи с этим необходимо определять с помощью таблиц либо диаграмм, к какой области относятся начальное и конечное состояния рабочего тела, совершающего термодинамический процесс. Это обстоятельство определяет использование таблиц для однофазной области либо для состояния насыщения и, при необходимости, известных аддитивных формул для расчета свойств влажного пара.

При расчетах термодинамических процессов в реальном газе встречаются следующие случаи:

— начальное и конечное состояния находятся в однофазной области (пар либо жидкость), причем процесс может проходить через двухфазную область — начинается в жидкости и оканчивается в паре (либо наоборот). В этом случае задача решается с помощью таблиц термодинамических свойств жидкости и перегретого пара;

— начальное и конечное состояния находятся в двухфазной области. Тогда используют таблицы свойств насыщенных жидкости и пара и аддитивные формулы для расчета свойств влажного пара;

— процесс начинается в однофазной области (жидкости либо паре), а заканчивается в двухфазной области (либо наоборот). В таком случае термодинамические свойства в однофазной области определяют по таблицам для жидкости и перегретого пара, а в двухфазной области рассчитывают по аддитивным формулам, используя таблицы для состояния насыщения.

В большинстве перечисленных случаев можно определять свойства и рассчитывать процессы с помощью диаграмм состояния, но на диаграмме h,s для водяного пара отсутствуют пограничная кривая жидкости и область жидкости.

Ниже приводятся примеры расчета и анализа процессов, протекающих в воде и водяном паре при постоянных значениях термических параметров (изохорного, изобарного и изотермического), а затем более сложных процессов, совершающиеся при постоянных значениях калорических свойств (изоэнтропного и процесса дросселирования). В конце раздела подробно рассмотрен процесс течения пара — основной рабочий процесс паротурбинных установок.