1.4. Дроселювання як необоротний процес

Для керування процесами необхідно певним чином впливати на потоки рідин газів. Це можна здійснювати або ступінчастим регулюванням за допомогою позиційних регуляторів типу "включено - виключено", або неперервно з допомогою дросельних пристроїв.

Регулювання за схемою "включено - виключено" дуже рідко задовольняє поставлені вимоги, оскільки воно не дозволяє досягти стаціонарного режиму. Том; в більшості випадків регулювання здійснюється шляхом дроселювання.

Дроселювання супроводжується тертям, утворенням завихрювання та зменшенням тиску (розширенням), що, в свою чергу, не супроводжується відведенням енергії² ні у вигляді тепла, ні у вигляді роботи³.

Дроселювання здійснюється з мінімальними втратами енергії, які, в свою чергу, чинять руйнівний вплив на внутрішні поверхні дросельних пристроїв Оскільки при використанні дросельних пристроїв люди дуже часто ігнорують ці втрати, то питанню заощадження енергії відводиться другорядна роль. Така точка зору є помилковою.

Хоча дросельні пристрої безпосередньо не витрачають енергії, в них втрачається наявна робота , і, як наслідок, після проходження дросельних пристрої] енергія стає менш корисною. В результаті енергія витрачається намарно.

1.4.1. Порівняння ізоентальпійного й ізоентропійного розширення

Тиск у потоці можна зменшити як із одержанням роботи, так і без. Якщо робот; не виконується і не втрачається тепло, то процес зменшення тиску є ізоентальпійним, тобто ентальпія⁵ рідини не змінюється.

1. Під дроселюванням газу або пари розуміють процес проходження їх крізь місцеві перешкоді (різні звуження каналу: діафрагми, дроселі, крани, засувки, клапани тощо), що зустрічаються на їх шлях} внаслідок чого тиск газу за перешкодою падає, а питомий об'єм збільшується. [1]

2. Енергія (від грец. evepyoq - діяльний) — загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного вигляду в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії зв'язує всі явища природи в одне ціле. В системі СІ енергія вимірюється в джоулях. Розрізняють енергію внутрішню і енергію у полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул між собою Внутрішня енергія ізольованої системи є постійною.

Кінетична енергія — це та частина енергії фізичної системи, яку вона має завдяки руху. Потенціальна енергія — це робота по переміщенню частинки із точки для якої визначаєтьс. потенціальна енергія у якусь задану точку, потенціальна енергія якої приймається за нуль. [3]

3. Робота - величина, яка характеризує перетворення енергії з одного виду в інший, яке відбувається в даній фізичній системі. [3]

4. Наявна робота характеризує максимально можливу роботу, що може виконати робоче тіло . потоці і використовується на здійснення технічної роботи та зміну кінетичної і потенціальної енергії потоку. [1]

5. Ентальпія - це повна енергія системи, позначається через Н. Термін ентальпія походить від, грецького enthalpo - «нагріваю» і був уведений у 1909 р. X. Камерлінг-Оннесом. Ентальпія розширено системи - це сума внутрішньої і потенціальної енергій, що зумовлена зовнішнім тиском. Одиницею ентальпії є джоуль (Дж). [1]

Якщо ж ентальпія рідини зменшується в результаті зворотнього здійснення роботи, то процес зменшення тиску є ізоентропійним. У цьому випадку, на відмін¹ від ізоентальпійного розширення, одержується максимальна кількість роботи.

У будь-якому реальному двигуні оборотність процесу¹ обмежується тертям неідеальністю рідини, тому затрачена робота є меншою від максимальної Коефіцієнт корисної дії (ККД) перетворення наявної роботи в дійсну є мірок оборотності процесу, що можна побачити за допомогою рівняння (1.14).

Ступінь оборотності процесу розширення можна розглянути на T-S- діаграм (діаграма в координатах «температура - ентропія²»), що зображена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Ізоентропійне розширення перегрітої водяної пари може призвести до її конденсації, а ізоентальпійне розширення (дроселювання) збільшує ступінь

перегріву.

1. Під оборотним розуміють процес, який проходить як у прямому, так і у зворотньому напрямках при тих же параметрах, за умови, що при цьому ніяких змін у навколишньому середовищі і в самій систем не відбувається. [1]

2. Поняття ентропії було вперше введено у 1865 році Рудольфом Клаузіусом. Він визначив змін; ентропії термодинамічної системи при оборотному процесі як відношення зміни загальної кількості тепла AQ до величини абсолютної температури Т. Ентропія є мірою енергії у фізичній системі, яка не може бути використана для виконання роботи. [1]

Якщо розширення водяної пари у двигуні є оборотнім, то процес розширення зображається вертикальною лінією зверху вниз, тобто ентропія не змінюється Відмітимо, що в процесі розширення перегрів можна усунути, тому що розширення може бути продовжене у двофазну область. Отже, турбіна, за допомогою якої необхідно виділити з водяної пари максимальну кількість енергії, повинна бути розрахована на розширення пари, що містить деяку кількість рідкої фази.

Будь-яка необоротність призводить до відхилення лінії розширення вправо Якщо при розширенні досягається тиск, що відповідає температурі теплового потоку, то ентальпія при роботі двигуна знижується на величину меншу, ніж при оборотному розширенні. Зменшення ентальпії, як і раніше, дорівнює кількосі одержаної роботи, що випливає з рівняння збереження енергії у двигуні. Але затрачена робота є меншою. ККД реальної турбіни становить 70-80%. Це означає що турбіна здатна використати 70-80% тієї ентальпії водяної пари, яку б вона втратила в процесі ізоентропійного розширення.

Розширення через отвір або дросельний пристрій відбувається по ліні постійної ентальпії. При заданому зниженні тиску температура, порівняно ізоентропійним розширенням, зменшується незначно. Оскільки при ізоентальпійному розширенні водяної пари її температура зменшується повільніше ніж тиск, то ступінь її перегріву збільшується, на відміну від ізоентропійного розширення, при якому ступінь перегріву зменшується. Перегріта пара погані віддає тепло, тому що вона має порівняно низький поверхневий коефіцієнт тепловіддачі¹ і не може передавати тепло ізотермічно (при постійній температурі). У той же час насичена і волога водяна пара бездоганно віддає тепло, оскільки вона має високий коефіцієнт тепловіддачі і, крім того, може передавати тепло ізотермічно Отже, відпрацьована водяна пара на виході з турбіни є відмінним носієм\ технологічного тепла. З іншого боку, водяна пара, тиск якої зменшився при проходженні через регулятор або клапан, є перегрітою і тому має меншу цінність для обігріву.

Ізоентропійний стиск відбувається уздовж тієї ж вертикальної лінії, що і розширення, так як ці процеси є оберненими. (Процесу, зворотнього до ізоентальпійного розширення, не існує, тому що цей процес необоротний.)

Так як при розширенні робочого тіла² у двигуні перегрів зменшується, то при

1. К оефіцієнт тепловіддачі - кількість теплоти, яка передана в одиницю часу через одиницю плош поверхні за різниці температур 1 К між поверхнею те середовищем-теплоносієм; характеризує інтенсивність тепловіддачі. Вимірюється у Вт/м2 К. [2]

2. Робоче тіло (агент) - речовина, яка відіграє важливу роль у процесах взаємодії системи навколишнім середовищем та в процесах перетворення енергії в теплових машинах. До робочого тіла ставляться певні вимоги: воно має бути недорогим, поширеним у природі, неагресивним до матеріал; обладнання, в якому воно використовується, і мати певні теплофізичні характеристики (невисока температура насичення, значна теплота фазового перетворення, високоентальпійність тощо). Як робоча тіло широко використовуються вода і водяна пара, хладони, гази, суміші рідина-пара, повітря тощо. [1]

стиску він збільшується. Крім того, на вхід деяких компресорів можна подавати пару, що містить кілька відсотків рідкої фази, так само, як і на виході з турбін: можна одержувати пару з невеликою кількістю рідини. ККД компресорів, я правило, становить 70-75%, тому лінія на T-S- діаграмі, що відповідає процесу компресорі, незначно відхиляється від вертикалі вправо (ентропія зростає). Як і при розширенні, вся робота, прикладена до компресора, переходить в ентальпію робочого тіла, хоча й не вся вона є наявною роботою робочого тіла, стиснутого внаслідок зростання його ентропії.

Коли робочим тілом двигуна є насичена водяна пара, то в турбіні буде конденсуватися значна кількість вологи, при умові що ККД турбіни не занадто малий. Якщо пара не сконденсувалася, то розширення буде відбуватися вздовж ліні насиченої пари при значних втратах роботи. У більшості турбін, розрахованих на роботу на насиченій водяній парі, у відпрацьованому робочому тілі утримується деяка кількість вологи, тому лінія відповідного процесу розширення лежить мі> кривою насиченої пари і вертикальною прямою.

Максимальний ККД циклу Ренкіна¹ для насиченої пари досягається у випадку коли робоче тіло на виході з турбіни також є насиченою парою. Ця умова вимагає щоб крива насиченої пари мала достатній від" ємний нахил і відповідала робочії характеристиці ККД турбіни. Це зображено на рис. 1.9. Криві насиченої пари деяких органічних рідин мають додатній нахил, що також зображено на рис. 1.9. На виході двигуна пара перебуває в перегрітому стані, а отже, вона не буде піддаватися явнії конденсації. Такий додатній нахил кривих є характерним для фреону-113 і фреону 114. Криві насиченої пари інших речовин, наприклад фреону-11 і пропану, майже вертикальні, а криві для фреону-22 і метанолу мають незначний від'ємний нахил.

Вплив накачування та миттєвого випаровування в області рідини на T-S діаграмі зображено на рис. 1.10. Ізоентропійне підвищення тиску рідини з; допомогою насоса приводить до недогріву рідини при цьому підвищеному тиску При розширенні насиченої рідини у двигуні виділяється деяка кількість пари. Через велику різницю в об^ємах рідкої й парової фази миттєве пароутворення у двигун збільшує місцеві швидкості на стільки, що двофазний рух може призвести до ушкоджень. Отже, не можна відновлювати енергію шляхом зниження тиску рідині в умовах, при яких утворюється велика кількість пари.

1 . Недоліки паросилової установки на вологій насиченій парі, що працює за циклом Карно (велике робота стиснення вологої пари), привела вчених до думки, що процес охолодження необхідно здійснювати до повної конденсації пари і внаслідок цього замінити малоефективний компресор економічним водяним насосом, який підвищує тиск конденсату до тиску в паровому котлі. Вперше такий цикл буде запропонований У.Дж. Ренкіним і називається в його честь. [1]

Рис. 1.9. Оптимальне для циклу Ренкіна робоче тіло має криву насиченої пари, що відповідає кривій її розширення у двигуні (а); нахил кривої насичення для більшості органічних рідин додатній (б) і на виході з двигуна вони перебувають у

перегрітому стані. а — фреон-22 і метанол; б — фреон-113 і фреон-114.

Рис. 1.10. При ізоентальпійному розширенні (дроселюванні) насиченої води миттєво виділяється більша кількість пари, ніж при ізоентропійному розширенні,

при якому втрати наявної роботи є незначними.

Якщо насичена рідина проходить через клапан, то миттєво утворюється більші кількість пари, ніж при ізоентропійному розширенні, як зображено на рис. 1.10. Для робіт при наявності пари зручніше застосовувати клапан, ніж двигун. Тому в

холодильних установках для розширення конденсованого холодоагент; використовують клапан. У випадку, коли для розширення можна використати турбіну, з'являється можливість відновлення частини потужності, витраченої на стиск, при цьому випарується менше холодоагенту. Таким чином, ККД циклу можи; було б істотно підвищити, але, на жаль, детандери не розраховані на насичення рідини.

Втрати наявної роботи в крапельних рідинах можна оцінити за інтегралом добутку тиску та об"єму. Оскільки крапельні рідини майже нестискувані, то цей добуток запишеться у вигляді:

(1.40

Якщо об"єм виразити в м³, а тиск - у Н/м², то їхній добуток матиме розмірністі Дж. Для рухомих середовищ замість об^Лєму можна підставити об'ємну витрату, і в цьому випадку виражатиме втрати наявної потужності.

Об'єм стискуваної рідини змінюється зі зміною тиску, але так, що при ізотермічному розширенні ідеального газу . Тоді втрати роботи можна

визначити за зростанням ентропії з рівняння:

Якщо газ розширюється ізоентальпійно, то його температура може змінюватися відповідно до коефіцієнта Джоуля - Томсона:

Але для ідеального газу тому в цьому випадку температура є постійною.

Тоді можна продиференціювати рівняння (1.15) для 1 моля чистого газу. В результаті отримаємо:

Тоді для ізотермічного розширення ідеального газу:

і

де р1 і р₂ - відповідно початковий і кінцевий тиски.

Це співвідношення можна проілюструвати на прикладі ізоентальпійного розширення водяної пари при тиску 8,28 МПа і температурі 538°С до тиску 6,89 МПа. Якщо пара була б ідеальним газом, то:

і

Але з таблиць водяної пари видно, що розширення відбувається неізотермічнс а кінцева температура становить 532 °С. Для цих умов ентропія зростає на 0,083 кДж /(кг ■ К), тобто на стільки, на скільки вона зростає для ідеального газу.

ЛІТЕРАТУРА

1. Буляндра О. Ф. Технічна термодинаміка: Підруч. для студ. енерг. спец, виш навч. закл. - 2-ге вид., випр. - К.: Техніка, 2006. - 320 с.

2. Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк «Донбас», 2004.

3. Федорченко A.M. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка статистична фізика. Т.2., - Київ: Вища школа, 1993. -415 с.