4. Газовые смеси

В энергетике и в других отраслях промышленности в большинстве случаев в качестве рабочего тела juih теплоносителя используются не однородные газы, а га-зовыецрмеси. Такими газовыми смесями являются про­дукты сгорания различных топлив^в топках парогенера­торов, в камерах сгорания газо^^Оинных ус^новок и у в цилиндрах двигателей внутреннего сгораййя. Типичны­ми "представителями газовых смесей можно считать также природные газы, газы, являющиеся побочными продуктами различных технологических процессов, и, наконец, атмосферный воздух7\,^г

Все эти газы являются механическими смесями, в которых никаких химических реакций не происходит. Эти газовые смеси рассматриваются как смеси идеаль­ных газов, подчиняющихся законам идеальных газов и уравнению Менделеева — Клапейрона. Каждый газ, вхо­дящий в смесь, занимает объем смеси, имеет темпера-, * туру смеси, но Находится под своим давлением, которое называется парциальным. |

По закону Дальтона давление смеси йгазов равно сумме парциальных давлений:

р=р₁+р₂+…+р_n

Составляющие газовую смесь однородные газы назы­ваются компонентами газовой смеси. Если при температуре смеси поднять давление ка­кого-либо компонента от парциального до давления сме­си, то этот компонент займет объем, который называется парциальным.

Способы задания смеси. При расчетах с газовыми смесями необходимо знать значения «ряда величин, ха­рактеризующих смесь, например: газовую постоянную смеси, плотность, молекулярную массу и др. Чтобы мож­но было найти необходимые характеристики, нужно знать состав газовой смеси. Состав смеси может быть задан или массами компонентов и их объемами, или массовыми и объемными долями.

Пусть газовая смесь состоит из п компонентов, массы которых равны т₁, т_2, ..., ш_п соответственно для первого, второго и т. д. компонентов. Так как в сме­си не происходит никаких химических реакций, то мас­са смеси т равна сумме масс компонентов

т=т₁ +т₂+.. .+т_п.

Отношение массы компонента т_i к массе смеси т есть массовая доля этого компонента, дна обозна­чается g_i т. е.

g₁₌ g₂₌

месь может быть задана объемами компонентов Vu взятыми при давлении и температуре смеси, т. е. пар­циальными объемами. Пусть Vi, V_2, V_n — соответст­венно парциальные объемы первого, второго и т. д. ком­понентов, тогда объем смеси V равен их сумме, т. е.

V=V₁ + V₂ + ... + V_n.

Отношение парциального объема компонента к объе­му смеси называется его объемной долей и обозначается r_i

r₁₌ r₂₌

Между массовыми и объемными долями существуют простые соотношения, которые имеют вид:

g_i= = =r_{i =} r_{i =} r_i

Плотность( )Пусть смесь состоит из п компонентов. Из уравнения для каждого компонента можно написать:

g₁=r₁ g₂=r₂ g_n=r₂

Суммируя почленно левые и правые части всех соот­ношений с учетом уравнения получаем:

g₁₊ g_2+….+ g_n=1₌ (r₁ +r₂ +…+ r_n )

=r_1* + r_2* +….+ r_n*

причем плотности компонентов ,

должны быть взяты при температуре и давлении смеси.

Кажущаяся молекулярная масса смеси µ.Согласно закону Авогадро плотности газов пропорциональны их молекулярным массам, поэтому после замены на µ уравнение (1-30) приводится к виду:

µ= r_1* + r_2* +….+ r_n*

Газовая постоянная R. Из уравнения (1-28) для каждого компонента имеем:

g₁= R g₂= R g_n= R

R=

Газовую постоянную смеси можно также определить по уравнению:

R= =

Парциальное давление pi. Любой компонент газовой смеси занимает объем смеси V, но находится под своим парциальным давлением р_i, если же при постоянной температуре смеси поднять его давление pi до давления смеси р, то объем компонента уменьшится до парциаль­ного Vi. Используя закон Бойля — Мариотта, можно написать:

P_i*V=V_iP

P_i= P=r_iP

т. е. парциальное давление компонента определяемся как произведение его объемной доли на давление смеси.

Основные формулы для определения параметров смеси при задании смеси массовыми долями имеют сле­дующий вид.

Плотность . Пусть смесь состоит из п компонентов. Для каждого компонента из уравнения (1-29) можно написать:

r₁= r₂= r_n=

=

Газовая постоянная R. Из уравнения (1-29)

R=g₁R₁+ g₂R₂+…+ g_nR_n

Парциальное давление P_i. Напишем уравнение со­стояния для компонента

P_iV=m_iR_iT

для смеси газов

PV=mRT

Разделив уравнение (а) на (б) и выполнив элемент тарные преобразования, получим необходимое уравнение для определения парциального давления

P_i=g_i g_i P