لإجراء الحسابات الديناميكية الحرارية للأنظمة التي تحتوي على مخاليط أو محاليل الغاز، من الضروري معرفة تركيبها. يمكن تحديد تركيبة الخليط:
في الكسور الجماعية، حيث
- الكتلة المولية أنا-المكون، كجم/مول؛ م أنا- الوزن الجزيئي النسبي أنا-المكون؛ ن أنا- كمية أنا- المادة، الخلد.
لكل مرحلة
;
كسور الخلد
، أين
- كمية مادة الخليط، مول؛ لكل مرحلة مجموع الكسور المولية لمكونات الخليط
;
الكسور الحجمية، والتي تساوي الكسور المولية
، أين
- مقدار أناالمكون الرابع للخليط، والذي يسمى عند درجة حرارة وضغط خليط الغاز بالحجم المخفض؛
, م 3 / مول – الحجم المولي للمكون الأول من الخليط. وفقا لقانون أفجادرو، فإن الحجوم المولية لجميع مكونات خليط الغازات متساوية و
، أين
. مجموع الحجوم المخفضة لمكونات خليط الغاز يساوي حجم الخليط (قانون أماج)، أي.
.
يمكن أيضًا تحديد تركيبة خليط الغازات المثالية بواسطة الضغوط الجزئية ص أنا، تركيزات الكتلة والتركيزات المولية
.
عند تحديد تكوين الحلول، يتم استخدام تركيزات الكتلة والمولي.
الضغط الجزئي ص أنا - هذا ضغط أناالمكون الرابع من خليط الغازات على أن يشغل كامل الحجم المخصص للخليط عند درجة حرارة الخليط.
3.2. علاقات مخاليط الغازات المثالية. قانون دالتون
>يتم تحديد متوسط الكتلة المولية لخليط من الغازات بالتعبير
، كجم/مول، حيث
- كتلة الخليط؛
- كمية المادة الموجودة في الخليط . ثم
.
ثابت الغاز النوعي لخليط الغاز
، ي/(كجمك)،
أين
J/(molK) – ثابت الغاز المولي؛ - الكتلة المولية للخليط .
قانون دالتون:
، بنسلفانيا،
أولئك. مجموع الضغوط الجزئية للغازات الفردية الموجودة في الخليط يساوي الضغط الكلي للخليط. وبالتالي، فإن كل غاز في الوعاء يحتل الحجم الكامل عند درجة حرارة الخليط، تحت ضغط جزئي خاص به.
معادلة الحالة لخليط من الغازات المثالية لها الشكل:
.
للضغط الجزئي وتقليل الحجم أنا- العنصر الرابع من الخليط معادلات الحالة لها الشكل:
بعد ذلك، قسمنا هذه المعادلات حدًا على حد، والأول على الثاني
.
تقسيم المعادلة
إلى المعادلة
مصطلحًا بعد مصطلح، نحصل على:
.
الفصل 4. السعة الحرارية
>4.1. أنواع السعة الحرارية
>السعة الحرارية هي خاصية الأجسام التي تمتص الحرارة وتطلقها عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة في العمليات الديناميكية الحرارية المختلفة. يتم التمييز بين إجمالي المتوسط وإجمالي السعة الحرارية الحقيقية.
إجمالي متوسط السعة الحرارية للعملية الديناميكية الحرارية (TP) هي السعة الحرارية لجسم كتلته m، كجم للجزء الأخير من TP:
،[ي/ك].
إجمالي السعة الحرارية الحقيقية لـ TP هي السعة الحرارية لجسم له كتلة م، كجم في كل لحظة معينة TP:
، [ي / ك].
النظر في TP 1-2 التعسفي في الإحداثيات
، أين س- مدخلات الحرارة في [J]؛ ر
– درجة الحرارة في [0 مئوية]. ثم
,
.
إذا كانت السيارة عبارة عن مائع عمل متجانس، فسيتم استخدام السعات الحرارية النسبية في الحسابات:
السعة الحرارية النوعية - السعة الحرارية لكل 1 كجم من المادة ج=ج/م، J / كجم ك؛
السعة الحرارية المولية - السعة الحرارية لكل 1 مول من المادة
، J / مولك؛
السعة الحرارية الحجمية - السعة الحرارية لكل 1 م 3 من المادة
، ي/م 3 ك.
تعد السعة الحرارية إحدى وظائف العملية وتعتمد على نوع سائل العمل وطبيعة العملية ومعلمات الحالة. وبالتالي، فإن السعة الحرارية في عملية ذات ضغط ثابت تسمى السعة الحرارية متساوية الضغط:
,
أين ح، J - المحتوى الحراري.
تسمى السعة الحرارية في عملية ذات حجم ثابت بالسعة الحرارية المتساوية:
,
أين ش، ي – الطاقة الداخلية.
إن السعة الحرارية للغاز المثالي لا تعتمد على درجة الحرارة والضغط وتعتمد فقط على عدد درجات حرية حركة الجزيئات، ووفقاً لقانون التوزيع المتساوي للطاقة بين درجات حرية حركة الجزيئات، السعة الحرارية هي :
، أين
- درجات الحرية الدورانية تساوي الصفر للغاز أحادي الذرة
، للغاز ثنائي الذرة -
=2 وللغازات الترياتومية
=3;
J/molK – ثابت الغاز المولي. القدرة الحرارية تحددها معادلة ماير:
.
للغاز أحادي الذرة
و
، للغاز ثنائي الذرة
و
لثلاثة غازات ذرية أو أكثر
و
.
تعتمد السعة الحرارية للغازات الحقيقية على الضغط ودرجة الحرارة. في عدد من الحالات يمكننا إهمال تأثير الضغط على السعة الحرارية ونفترض أن السعة الحرارية للغازات الحقيقية تعتمد فقط على درجة الحرارة: ج= و(ر). يتم تحديد هذا الاعتماد تجريبيا.
يمكن تمثيل الاعتماد التجريبي للسعة الحرارية الحقيقية المحددة على درجة الحرارة على أنه متعدد الحدود:
أين
في درجة الحرارة ر=0 0 C. بالنسبة للغازات ثنائية الذرة، يمكننا أن نقتصر على حدين:
، أو
، أين
.
بالنسبة للقسم الأخير من العملية 1-2، فإن كمية الحرارة تساوي:
عندها سيكون متوسط السعة الحرارية في هذا القسم من العملية مساوياً لـ:
، ي/كجم ك.
في المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة في ت<100К прекращается вращательное движение молекул и колебательное движение атомов, а при температуреت→0K تتوقف أيضًا الحركة الانتقالية للجزيئات، أي. في ت=0K مع ص = ج ضد=0 وتتوقف الحركة الحرارية للجزيئات (بيانات تجريبية من نيرنست وآخرون، 1906-1912). في درجة الحرارة ت→0K تتوقف خصائص المواد عن الاعتماد على درجة الحرارة، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه لاعتماد السعة الحرارية على درجة الحرارة المطلقة.
1. الأنواع الرئيسية للموارد.
>المكونات الرئيسية للوقود السائل
وقود– مصدر للطاقة مادة قابلة للاشتعال تنتج كمية كبيرة من الحرارة أثناء الاحتراق.
وفقا لحالة التجميع، يتم تمييز الوقود الصلب والسائل والغازي.
ل الوقود الطبيعي الصلبتشمل الحطب، والفحم البني والصلب، والجفت، والأنثراسايت؛ للوقود الاصطناعي الصلب - فحم الكوك والفحم والقوالب والغبار من الفحم البني والصلب والأنثراسايت الحراري. لا يوجد وقود سائل طبيعي. يتم استخدام الراتنجات المختلفة وزيت الوقود كوقود سائل صناعي. وقد يكون الوقود الغازي طبيعيا مثل الغاز الطبيعي. يتم استخدام الغازات المنتجة في أفران فحم الكوك (أفران فحم الكوك)، والأفران العالية (الأفران العالية أو الأفران العلوية) ومولدات الغاز (المولدات) كوقود غازي صناعي.
الوقود السائل- وهي في الأساس مواد ذات أصل عضوي، والعناصر المكونة لها هي الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت.
الكربون (C) هو الناقل الحراري الرئيسي. عند حرق 1 كجم من الكربون، يتم إطلاق 34000 كيلوجول من الحرارة. يمكن احتواء الكربون في زيت الوقود بنسبة تصل إلى 85%، مما يشكل مركبات.
الهيدروجين (H) هو ثاني أهم عنصر وقود: فاحتراق 1 كجم من الهيدروجين يطلق حوالي 125000 كيلوجول من الحرارة. نسبة الهيدروجين في الوقود السائل هي 10%.
يحتوي الوقود السائل أيضًا على رطوبة (W) وما يصل إلى 0.5% من الرماد (A).
يعتبر النيتروجين (N) والأكسجين (O) جزءًا من الأحماض العضوية المعقدة والفينولات ويوجدان في الوقود بكميات صغيرة (حوالي 3٪).
يطلق الكبريت (S) أثناء الاحتراق كمية كبيرة من الحرارة، ومع ذلك، فإن مركبات الكبريت، عند التفاعل مع المعادن المنصهرة أو الساخنة، تتدهور جودتها: منتجات الاحتراق التي تحتوي على مركبات الكبريت تزيد من تآكل الأجزاء المعدنية من الأفران، وزاد الفولاذ المشبع بالكبريت هشاشة حمراء. عادة ما يتم تضمين الكبريت في الهيدروكربونات (ما يصل إلى 4٪ أو أكثر).
تكوين الوقود العامل:
جص +حص + ياص + نص +سص + أص = 100 %.
يسمى الوقود المجفف الذي لا يحتوي على رطوبة بالكتلة الجافة (ج):
جمع +حمع + يا ج + نمع + س ج + أ ج = 100%. تسمى الكتلة العضوية للوقود المحتوي على الكبريت بالكتلة القابلة للاحتراق (g):
معز + نز + ياز + نز +سز = 100.
2. المكونات الرئيسية للوقود الغازي
>الوقود الغازي- وهو في الأساس خليط من غازات مختلفة مثل الميثان والإيثيلين وغيرها من الهيدروكربونات. يشتمل الوقود الغازي أيضًا على أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين والأكسجين وغازات أخرى، بالإضافة إلى بخار الماء.
يتم إنتاج الغاز الطبيعي من حقول الغاز النقي أو مع النفط (الغاز المصاحب). في الحالة الأولى، المكون الرئيسي القابل للاحتراق هو الميثان، الذي يمكن أن يصل محتواه إلى 95-98٪. تحتوي الغازات المرتبطة، بالإضافة إلى الميثان، على كميات كبيرة من الهيدروكربونات الأخرى: الإيثان (C2H6)، البروبان (C3H8)، البيوتان (C4H10)، البنتان (C5H12)، إلخ. ذات قيمة حرارية عالية، ولكنها نادراً ما تستخدم كوقود. يتم استخدامها بشكل رئيسي في الصناعة الكيميائية.
وباستخدام أدوات تسمى أجهزة تحليل الغاز، يتم تحديد تركيبة الوقود الغازي.
يشمل تكوين الوقود الغازي الجاف ما يلي:
CH 4 + C 2 H 4 + CO 2 + H 2 + H 2 S + ج م ح ن+ ن 2 + يا 2 +… = 100.
الميثان (CH4) هو المكون الرئيسي للعديد من الغازات الطبيعية. عند حرق 1 م 3 من الميثان، يتم إطلاق 35800 كيلوجول من الحرارة. يمكن أن يحتوي الميثان الموجود في الغازات الطبيعية على ما يصل إلى 93-98%.
الإيثيلين (C2H4) - عند حرق 1 م 3 من الإيثيلين، يتم إطلاق 59000 كيلوجول من الحرارة. قد تحتوي الغازات على كميات صغيرة.
الهيدروجين (H 2) – يؤدي احتراق 1 م 3 من الهيدروجين إلى إطلاق 10800 كيلوجول من الحرارة. تحتوي العديد من الغازات القابلة للاشتعال، باستثناء غاز فحم الكوك، على كميات صغيرة نسبيًا من الهيدروجين. ومع ذلك، في غاز فرن فحم الكوك، يمكن أن يصل محتواه إلى 50-60٪.
البروبان (C 3 H 8)، البيوتان (C 4 H 10) - يطلق احتراق هذه الهيدروكربونات حرارة أكثر من احتراق الإيثيلين، لكن محتواها في الغازات القابلة للاشتعال غير مهم.
أول أكسيد الكربون (CO) - يؤدي احتراق 1 م 3 من هذا الغاز إلى إطلاق 1 2 770 كيلوجول من الحرارة. أول أكسيد الكربون هو المكون الرئيسي القابل للاشتعال في غاز الفرن العالي. وهذا الغاز ليس له لون ولا رائحة وهو شديد السمية.
كبريتيد الهيدروجين (H 2 S) - عندما يحترق 1 م 3 من كبريتيد الهيدروجين، يتم إطلاق 23400 كيلوجول من الحرارة. يزيد وجود كبريتيد الهيدروجين في الوقود الغازي من تآكل الأجزاء المعدنية للفرن وخط أنابيب الغاز. مع وجود الأكسجين والرطوبة في وقت واحد في الغاز، يزداد التأثير التآكل لكبريتيد الهيدروجين. كبريتيد الهيدروجين هو غاز ثقيل ذو رائحة كريهة وشديد السمية.
الغازات المتبقية (CO 2، N 2، O 2) وبخار الماء هي مكونات الصابورة. وجودها في الوقود يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة احتراقه. ومع زيادة محتوى هذه الغازات، يقل محتوى المكونات القابلة للاشتعال. يعتبر الوقود الذي يحتوي على أكثر من 0.5% من الأكسجين الحر خطيرًا وفقًا للوائح السلامة.
3. حرارة احتراق الوقود
>حرارة احتراق الوقود– هذه هي كمية الحرارة Q (kJ) التي يتم إطلاقها أثناء الاحتراق الكامل لـ 1 كجم من السائل أو 1 م 3 من الوقود الغازي.
اعتمادا على الحالة الإجمالية للرطوبة في منتجات الاحتراق، هناك تقسيم إلى قيم حرارية أعلى وأدنى.
تتشكل الرطوبة في منتجات احتراق الوقود السائل أثناء احتراق كتلة الهيدروجين H القابلة للاحتراق، وكذلك أثناء تبخر الرطوبة الأولية للوقود. تحتوي منتجات الاحتراق أيضًا على رطوبة من الهواء المستخدم في الاحتراق. ومع ذلك، فإنه عادة لا يؤخذ في الاعتبار. عندما يحتوي الوقود على هيدروجين بكتلة قابلة للاحتراق H p كجم، يتم تكوين 9H P كجم من الرطوبة أثناء الاحتراق. وفي نفس الوقت تحتوي نواتج الاحتراق على (9H P + W P) كجم من الرطوبة. يستغرق حوالي 2500 كيلوجول من الحرارة لتحويل 1 كجم من الرطوبة إلى حالة بخار. لن يتم استخدام الحرارة المنفقة على تبخر الرطوبة إذا لم يحدث تكثيف لبخار الماء. وفي هذه الحالة نحصل على قيمة حرارية أقل.
Q p H = Q p B -25(H p + W p).
يتم تحديد حرارة الاحتراق بطريقتين: تجريبية ومحسوبة.
عند تحديد حرارة الاحتراق تجريبيا، يتم استخدام المسعرات الحرارية.
طريقة التحديد:يتم حرق جزء من الوقود في جهاز (مسعر حراري)، ويتم امتصاص الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الوقود بواسطة الماء. وبمعرفة كتلة الماء، يمكن حساب حرارة الاحتراق عن طريق تغيير درجة حرارته. هذه الطريقة جيدة لأنها بسيطة. لتحديد القيمة الحرارية، يكفي أن يكون لديك بيانات التحليل الفني.
طريقة الحساب.هنا يتم تحديد حرارة الاحتراق وفقًا لصيغة D. I. Mendeleev:
Q p H = 339С p +1030Н p -109(О p -S p) – 25 W p kJ/kg،
حيث تتوافق C p وH p وO p وS p وW p مع محتوى الكربون والهيدروجين والأكسجين والكبريت والرطوبة في الوقود العامل،٪.
الوقود المشروطهو مفهوم يستخدم لتوحيد وحساب استهلاك الوقود.
يُطلق على الوقود التقليدي عادةً اسم الوقود ذو القيمة الحرارية المنخفضة (29310 كيلوجول/كجم). لتحويل أي وقود إلى وقود تقليدي، يجب تقسيم قيمته الحرارية على 29310 كيلوجول/كجم، أي العثور على ما يعادل هذا الوقود: بالنسبة لزيت الوقود فهو 1.37-1.43، وبالنسبة للغازات الطبيعية - 1.2-1.4 .
4 أ
4. الوقود الرئيسي للأفران
زيت الوقودهو أحد منتجات تكرير النفط، ويستخدم لإشعال المواقد. حرارة احتراق زيت الوقود هي 39-42 ميجا جول/كجم. التركيب التقريبي لزيت الوقود: 85-80% درجة مئوية؛ 10-12.5% قوة حصانية؛ 0.5-1.0% (أو ف + ن ف)؛ 0.4-2.5% سبيرولينا؛ 0.1-0.2% أ ر. 2% دبليو بي . يجب ألا تزيد نسبة الرطوبة في زيت الوقود عن 2% عند الخروج من المصفاة. يحتوي زيت الوقود أيضًا على الكبريت، اعتمادًا على النسبة المئوية التي ينقسم إليها زيت الوقود إلى زيت منخفض الكبريت (<0,5% Sp), сернистый (0,5-1% Sp) и высокосернистый (>1% س).
ويقسم زيت الوقود أيضًا حسب محتواه من البارافين وطريقة تكرير الزيت. هناك زيت الوقود المقطر بشكل مستقيم (منخفض اللزوجة) وزيت الوقود المتصدع، ذو اللزوجة العالية. اعتمادًا على اللزوجة، يتم تصنيف زيت الوقود إلى درجات. يُظهر رقم العلامة التجارية لزيت الوقود اللزوجة الشرطية عند درجة حرارة 50 درجة مئوية (VU50). يتم تحديد اللزوجة باستخدام الأدوات - مقاييس اللزوجة. يتم أخذ اللزوجة الشرطية كنسبة وقت تدفق 200 سم 3 من المنتج الزيتي عند درجة حرارة الاختبار إلى وقت تدفق نفس الحجم من الماء الذي تبلغ درجة حرارته 20 درجة مئوية. فيما يتعلق بهذا المؤشر، يتم استخدام الوقود وينقسم الزيت إلى درجات 40 و100 و200 وMP (زيت الوقود للأفران المفتوحة).
ومع زيادة رقم العلامة التجارية لزيت الوقود، تزداد كثافته، وهي 0.95-1.05 جم/سم3 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية؛ مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض الكثافة.
عند تحضير زيت الوقود للاحتراق، من الضروري أن تأخذ بعين الاعتبار كثافته ودرجته. يتكون التحضير من ترسيب وترشيح زيت الوقود لفصل الماء والشوائب الميكانيكية (الطين والرمل وغيرها)، والتي تتم عند درجات حرارة مرتفعة، وينتج عن ذلك فصل زيت الوقود عن الماء: تنخفض لزوجة وكثافة زيت الوقود عندما ساخنة، ونتيجة لذلك يطفو. تتراكم الرطوبة في قاع الخزان، ويتراكم زيت الوقود المجفف في الأعلى.
عند التصريف من صهاريج السكك الحديدية، عند التغذية عبر خطوط الأنابيب من صهاريج المصانع وورش العمل إلى الأفران، وكذلك عند الرش بالفوهات (عادةً ما يتم حرق زيت الوقود في حالة ذرية)، تكون لزوجة زيت الوقود ذات أهمية كبيرة. كلما انخفضت اللزوجة، قل استهلاك الطاقة في ضخ زيت الوقود ورشه. ولذلك، كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت اللزوجة. يتم تحديد درجة الحرارة وفقًا للرسوم البيانية لللزوجة، بناءً على ضمان لزوجة مشروطة لزيت الوقود من 5 إلى 10 وحدات.
نقطة وميض زيت الوقود، أي درجة حرارة التسخين، والتي عند الوصول إليها يبدأ الإطلاق المكثف للمكونات المتطايرة التي يمكن أن تشتعل من شرارة أو لهب، يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار عند التسخين. تتراوح نقطة الوميض عادة بين 80-190 درجة مئوية. ولا ينبغي الخلط بين نقطة الوميض ودرجة حرارة الاشتعال، والتي تُفهم على أنها درجة حرارة التسخين، عند الوصول إليها (درجة حرارة اشتعال زيت الوقود هي 530-600 درجة مئوية) ، الغازات - 500-700 درجة مئوية) يشتعل زيت الوقود تلقائيًا ويستمر في الاحتراق في ظل ظروف مواتية.
5. المبادئ الأساسية لنظرية الاحتراق
>حرقهي عملية دمج كيميائي سريع لعناصر الوقود القابلة للاحتراق مع عامل مؤكسد (عادةً الأكسجين الموجود في الهواء)، مصحوبًا بإطلاق الحرارة والضوء.
الشعلة- أحد أنواع اللهب الذي يتشكل عند دخول الوقود والهواء إلى الفرن. في الشعلة، التي لها أشكال وأحجام محددة، تحدث عمليات الاحتراق المباشر وتسخين الخليط إلى درجة حرارة الاشتعال والخلط في وقت واحد.
في نظرية الاحتراق، يتم التمييز بين الاحتراق المتجانس وغير المتجانس. يحدث الاحتراق المتجانس في الحجم، ويحدث الاحتراق غير المتجانس على سطح القطرات، وبعد ذلك، بعد تبخر المكونات المتطايرة، على جزيئات السخام. كلما كان حجم جسيمات الوقود السائل أصغر، زادت مساحة السطح المحددة للتفاعل بين الطور السائل والطور الغازي. ولذلك، فإن رش الوقود السائل يسمح لك بحرق المزيد من الوقود لكل وحدة حجم، أي تكثيف الاحتراق.
يمكن أن يحدث الاحتراق المتجانس في حالتين تسمى الحركية والانتشار. في الحالة الحركية، يتم توفير خليط الوقود والهواء المُعد مسبقًا إلى منطقة الاحتراق (على سبيل المثال، إلى مساحة عمل الفرن). الجزء الرئيسي من العملية هو التسخين المباشر للخليط وأكسدة مكونات الوقود والاحتراق القابلة للاحتراق. وفي هذه الحالة تصبح الشعلة قصيرة وترتفع درجة حرارتها. يؤدي التسخين المسبق للخليط أو إثراء الهواء بالأكسجين إلى تسريع عملية الاحتراق: يؤدي تسخين جميع مخاليط الهواء والغاز تقريبًا إلى 500 درجة مئوية إلى زيادة معدل الاحتراق بنحو 10 مرات.
لكن درجة حرارة التسخين المسبق للخليط يجب ألا تتجاوز درجة حرارة الاشتعال. مع الاحتراق الانتشاري، تتم عمليات التسخين وخلط الخليط والاحتراق في نفس الوقت في الشعلة. أبطأ مرحلة هي الانتشار المضاد للجزيئات ذات الأحجام الصغيرة والكبيرة من الغاز والهواء، وبعبارة أخرى، تكوين الخليط. لذلك ستكون الشعلة أطول مما كانت عليه في الحالة الأولى. وفي محاولة لتقليل طول الشعلة، يتم تقسيم تدفقات الغاز والهواء إلى تيارات منفصلة. كما أن زيادة سرعة النفاثات وتوجيه تدفقات الغاز والهواء بزاوية لبعضها البعض، وما إلى ذلك، يساعد على تقليل الشعلة.
لا يمكن اشتعال خليط من الغاز القابل للاشتعال والهواء إلا بنسبة معينة. وتسمى نسبها الحدية حدود التركيز. وهناك حدود دنيا وعليا يحددها الحد الأقصى لمحتوى الغاز القابل للاشتعال في الخليط، %. بالنسبة للهيدروجين، الحدود هي 4.1 – 75؛ أول أكسيد الكربون – 12.5-75؛ الميثان - 5.3-14؛ غاز فرن فحم الكوك – 5.6-30.4، والغاز الطبيعي – 4-13.
في هندسة التدفئة، غالبا ما يستخدم مفهوم الإجهاد الحراري، وهو ما يعني كمية الحرارة المنبعثة عند حرق الوقود لكل وحدة زمنية، لكل 1 م 3 من الفرن أو مساحة عمل الفرن. وتصل في الوقود السائل إلى 600 كيلو واط/م3، وفي الوقود الغازي تصل إلى ضعف ذلك.
6. الحساب التحليلي لاحتراق الوقود
>يتم استخدام النسب والكميات التالية في الحسابات:
1) نسبة المحتوى الحجمي للنيتروجين إلى الأكسجين في الهواء العادي غير المخصب بالأكسجين، ك= 3,76;
2) الوزن الجزيئي للعناصر الكيميائية (للهيدروجين يساوي تقريبًا 2، للنيتروجين – 28، الأكسجين والكبريت – 32 كجم/مول)؛
3) حجم الهواء ومنتجات الاحتراق في الظروف العادية (درجة الحرارة 0 درجة مئوية، الضغط 101.3 كيلو باسكال).
النظر في تكوين الوقود السائل:
مع ص + نص + ياص + نص + س ع + ا ع + و ع = 100.
والمكونات القابلة للاشتعال هي الكربون والهيدروجين والكبريت. عند استخدام الهواء الجاف، تكون تفاعلات الاحتراق الكامل للمكونات على الشكل التالي:
ج + يا 2 + كيلو نيوتن 2=ثاني أكسيد الكربون+كيلو نيوتن 2 +س 1؛
2ح2 + يا2 + كيلو نيوتن 2=2H2O + كيلونيوتن 2+ س 2 ;
س + يا 2 + كيلو نيوتن 2= SO 2+ كيلو نيوتن 2+س 3 .
عند احتراق مول واحد من الكربون والكبريت، يتم استهلاك مول واحد من الأكسجين. عند حرق 2 مول من الهيدروجين، يتم استهلاك 1 مول من الأكسجين أيضًا. لكل مول من الأكسجين، يتم إدخال k مولات من النيتروجين إلى الفرن. يدخل النيتروجين في منتجات الاحتراق. لذلك، على سبيل المثال، عند حرق 1 مول من الكربون، يتم الحصول على 1 مول من ثاني أكسيد الكربون و3.76 مول من النيتروجين. عندما يحترق الكربون باستخدام هذا التفاعل 6 ب tion، يتم إطلاق كمية الحرارة Qt. عندما يحترق الهيدروجين، يتم تشكيل تكوينه الخاص من منتجات الاحتراق ويتم إطلاق كمية مختلفة من الحرارة.
يتطلب احتراق 1 مول من الكربون 1 كمول من الأكسجين بحجم 22.4 م3. إذا كنت بحاجة إلى حساب استهلاك الأكسجين لكل 1 كجم من الكربون، فسيتم تقسيم حجم 1 كمول من الأكسجين على الوزن الجزيئي للكربون الذي يساوي 12. وبالتالي، يتم استهلاك 22.4 / 12 = 1.867 م 3 / كجم من الأكسجين لكل 1 كجم من الكربون. بالاستدلال بالمثل، نجد أن احتراق 1 كجم من الهيدروجين يتطلب 22.4 / /(2 O2) = 5.5 م3 من الأكسجين (يعني الناتج الموجود في المقام أن جزيئين هيدروجين بوزن جزيئي 2 يشاركان في تفاعل الاحتراق ). فاحتراق 1 كجم من الكبريت يستهلك 22.4 / 32 = 0.7 م3 من الأكسجين.
تسمى نسبة تدفق الهواء الفعلي إلى التدفق المطلوب نظريًا بمعامل تدفق الهواء:
؟ = ل أ /ل 0 ,أو ل أ = ؟ل 0 ,
أين لام أو ل 0– معدلات تدفق الهواء الفعلية والنظرية م3/كجم أو م3/م3. ويعتمد معامل استهلاك الهواء على نوع الوقود وتصميم جهاز حرق الوقود (الموقد أو الفوهة) ودرجة حرارة تسخين الهواء والغاز.
7. التحكم في معدل تدفق الهواء
>إذا كان هناك نقص في الهواء أو أجهزة احتراق الوقود غير كاملة، فقد يكون الاحتراق غير كامل.
إن وجود مكونات قابلة للاحتراق (أول أكسيد الكربون أو الهيدروجين أو الميثان أو الكربون الأسود) في منتجات الاحتراق يؤدي إلى احتراق كيميائي غير كامل أو، كما يقولون في كثير من الأحيان، احتراق كيميائي ناقص للوقود. ويتميز الأخير بفقد الحرارة كنسبة مئوية من القيمة الحرارية المنخفضة للوقود.
كلما زاد معدل تدفق الهواء، زادت عملية الاحتراق. ومع ذلك، فإن زيادة هذا المعامل تؤدي إلى زيادة استهلاك الهواء وفقدان كبير للحرارة مع خروج الغازات من الفرن. تنخفض درجة الحرارة في الفرن، مما يؤدي إلى تدهور نقل الحرارة في مساحة العمل وزيادة أكسدة المعادن. لذلك، في ممارسة تشغيل الأفران، نسعى جاهدين لتحديد معدل تدفق الهواء الأمثل أ.
يتحكم أيتم تنفيذها بواسطة طريقتين. باستخدام أحدهما، يتم قياس استهلاك الوقود والهواء وتحديده باستخدام جداول محسوبة مسبقًا، ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لا تسمح بمراعاة الهواء الذي يدخل الفرن من خلال نوافذ العمل والتسربات في بناء الأفران. ولذلك، يتم فحص معدل تدفق الهواء بشكل دوري بناءً على تركيبة منتجات الاحتراق باستخدام أجهزة تحليل الغاز. يحدد التحليل الكيميائي محتوى RO2 وCO وH2 وCH4 وO2 في منتجات الاحتراق، ومن ثم باستخدام صيغة S. G. Troiba يحدد:
? = 1+ كوخ UO 2/ ؟ 2 ريال عماني .
هنا O 2 الزائد = O 2 – 0.5CO – 0.5H 2 – 2CH 4 هو محتوى الأكسجين الزائد.
ريال عماني 2 = ريال عماني 2 + ثاني أكسيد الكربون + CH 4 +…،٪؛
ش- المعامل حسب نوع الوقود.
لزيت الوقود ش= 0.74 للغاز الطبيعي – 0.5.
دعونا نلقي نظرة على الأمثلة.
مهمة.
يُعرِّف أ،إذا RO 2 14%، CO 4%، CH 4 0.5%؛ ح21%، يا22%.
يا 2 جم = 2 – 0.5(4 + 1) – 2 يا 0.5 = -1.5%;
2 ريال عماني = 14 + 4 + 0.5 = 18.5%؛
أ= 1 – 0.5 أو 1.5 / 18.5 = 0.96.
8. استخدام الطاقة
>يمكن الحصول على بعض الأحكام في مجال التشغيل الحراري للأفران مباشرة من الديناميكا الحرارية الكلاسيكية للعمليات القابلة للعكس.
يُفهم العمل الحراري للفرن على أنه مجمل العمليات الحرارية التي تحدث فيه، والهدف النهائي منها هو إكمال عملية تكنولوجية أو أخرى.
دعونا نتخيل الفرن كمزيج من مناطق العملية التكنولوجية ZHT وتوليد الحرارة ZHT، المحمي من البيئة عن طريق البناء (البطانة) K. تتركز المادة M في منطقة العملية التكنولوجية وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، ما يلي يمكن كتابة المعادلة:
س ايه؟ K.I.E = س م + س ك
أين س ه- القدرة المدخلة، واط/كجم؛
؟ K. I.E- معامل استخدام الطاقة داخل مساحة عمل الفرن؛
س م ، س ك- على التوالي، الطاقة التي تمتصها المادة موالبناء ل،ث/كجم.
جميع القيم في المعادلة (1) مرتبطة بـ 1 كجم من كتلة المادة م.
عامل استغلال الطاقة ؟ K. I.Eيعتمد في المقام الأول على نوع الطاقة. وبذلك يمكن تحويل الطاقة الكهربائية بالكامل إلى حرارة تمتصها المادة (المفيدة) والبناء ؟ K. I.E= 1. عند استخدام طاقة الوقود الكيميائي في الأفران يكون معامل استغلال الطاقة ؟ K. I.Eدائما أقل من واحد. في مواقد الوقود يسمى هذا المعامل عامل الاستفادة من الحرارة؟ عدةيصف المعامل أهم مفهوم لكفاءة الطاقة في ظل ظروف محددة. بشكل عام، يمكن كتابة قيمة bkie على النحو التالي:
؟ K. I.E= (س ه – س؟ ه)/س ه=1 – س؟ ه/س ه,
أين س3- الطاقة، والتي تكون على شكل حرارة كيميائية وفيزيائية للطور الغازي تتجاوز مساحة عمل الفرن، W/kg.
ضخامة ؟ K. I.Eيتم تحديده، من ناحية، من خلال اكتمال احتراق الوقود عند معامل معين لاستهلاك الأكسجين، أي من خلال سرعة خلط الوقود والأكسجين، وبالتالي، من خلال كمال عمليات نقل الكتلة. ومن ناحية أخرى فإن القيمة ؟ K. I.Eيعتمد على درجة حرارة الغازات الخارجة من الفرن، أي على كمال عمليات التبادل الحراري.
تعتمد كفاءة الطاقة الحرارية والكيميائية على الظروف المعطاة للعملية التكنولوجية وتنظيم عمليات نقل الحرارة والكتلة وبالتالي تمثل كمية لا يمكن العثور على قيمتها باستخدام الديناميكا الحرارية للعمليات العكسية، لأنها مرتبطة بحركية المادة. نقل الحرارة والكتلة.
9. درجة الحرارة والظروف الحرارية
>تتكون الطاقة الداخلية للنظام من الطاقات الحركية والطاقات الكامنة. الطاقة الحركية– طاقة الحركة العشوائية للذرات والجزيئات، الطاقة الكامنة – طاقة التجاذب والتنافر المتبادل.
وفقًا للنظرية الحركية للغازات (قانون ماكسويل-بولتزمان)، يمكن فك المفهوم الديناميكي الحراري لدرجة حرارة التوازن للغاز المثالي باستخدام المعادلة:
تي = 2 ن / 3 ص= نمو ن 2 / 3R،
أين ه ص- طاقة نجسيمات كتلتها m موجودة في نطاق ضيق من سرعاتها؛
ن- رقم أفوجادرو؛
ر– ثابت الغاز .
درجة الحرارة الفعالة هي درجة حرارة مشروطة (منخفضة) معينة لجزء التسخين من الفرن، حيث يتم ضمان نفس كثافة تدفق الحرارة الإشعاعية إلى سطح التسخين فقط من جزء التسخين من الفرن، الموجود بالفعل في الفرن في السؤال.
تعتمد درجات الحرارة الفعلية للهب (السخان) والسطح الداخلي للبطانة على درجة حرارة سطح التسخين وتوليد الحرارة، وبشكل عام، أيضًا على الموقع في الفرن وفي الوقت المحدد. التغييرات في هذه القيم على طول الفرن ومع مرور الوقت ت = و(l، t) يميز نظام درجة حرارة الفرن.
تسمى كمية الحرارة المتولدة، والتي يتم التعبير عنها بالواط، الطاقة الحرارية ستي إم. . في الوضع الثابت، تكون الطاقة الحرارية قيمة ثابتة لا تعتمد على الزمن ( ستي إم. = ثابت). في الوضع غير الثابت ستي إم. = و(ر). تسمى أحيانًا نسبة الطاقة الحرارية القصوى إلى متوسط الطاقة عامل التعزيز:
ف = ( ستي إم) الحد الأقصى /( ستي إم) ج
إذا استخدمنا Dt للدلالة على مدة العملية التكنولوجية:
(ستي إم. ) أف = س؟ / ؟ ر.
مجموعات من درجة الحرارة والأنظمة الحرارية.
1. درجة حرارة وظروف حرارية ثابتة تقريبًا مع مرور الوقت
(تي ن (ر) = ثابت؛ ستي إم. (ص) = ثابت).
2. درجات الحرارة المتغيرة والأنظمة الحرارية الثابتة مع مرور الوقت
(تي ن (ر) = ثابت؛ ستي إم. (ر) = ثابت).
3. درجات الحرارة والأنظمة الحرارية المتغيرة بمرور الوقت
(تي ن (ر) = ثابت؛ ستي إم. (t) = const)، على سبيل المثال تسخين آبار السبائك.
4. درجة حرارة ثابتة مع الزمن وأنظمة حرارية متغيرة
(تي ن (ر) = ثابت؛ ستي إم. (ر) = ثابت).
10. التوازن الحراري. بنود الميزانية العمومية الواردة
>يسمى أحيانًا التوازن الحراري المتراكم خلال فترات زمنية قصيرة فوري. تعيين الرصيد الفوري– توضيح ديناميكيات استهلاك الطاقة للعملية التكنولوجية إذا حدثت العملية في ظروف حرارية غير ثابتة (أفران الدفع).
بالنسبة للأفران المجمعة، يختلف تجميع موازين الحرارة من حيث أن جميع عناصر توازن الحرارة تتغير بمرور الوقت (بالنسبة للأفران المستمرة تكون ثابتة بمرور الوقت)، لذلك، عند تجميع توازن لفترة زمنية معينة، عليك أن تأخذ متوسط القيم للفترة المحددة. الميزة الثانية هي وجود مكون لتراكم الحرارة بواسطة بناء Qakk في مادة فقدان الحرارة، والتي يمكن أن يكون لها علامة مختلفة: إيجابية عندما ترتفع درجة الحرارة في الفرن وسالبة عندما تنخفض أثناء العملية التكنولوجية.
في معظم الحالات، يتم حل معادلات التوازن الحراري فيما يتعلق باستهلاك الوقود ب.
عادة ما يتم استخدام موازين الحرارة العكسية، بما في ذلك الموازين اللحظية، عند دراسة أفران التشغيل. عادةً ما يتم حل معادلات التوازن الحراري العكسي فيما يتعلق بالقيمة الحرارية المفيدة Qm ويتم استخدامها للعثور عليها بناءً على التحديدات التجريبية لجميع عناصر التوازن الأخرى.
عند تجميع توازن الحرارة، من الضروري التأكد من أن جميع كميات المدخلات والمخرجات المستخدمة في توازن الحرارة مأخوذة من حدود ذلك الجزء من الكائن الذي يتم تجميع توازن الحرارة من أجله. لتجنب الأخطاء المحتملة في اختيار قيمة لوضع توازن الحرارة، فمن الملائم استخدام الرسم التخطيطي للكائن المقابل. من الضروري رسم خطوط مساعدة على هذا المخطط تتقاطع مع خطوط تدفق المواد في الأماكن المناسبة.
يمكن التعبير عن عناصر التوازن بكمية الحرارة بالجول خلال فترة زمنية معينة أو بقيم الطاقة الحرارية المقابلة.
بنود الميزانية العمومية الواردة
1. الطاقة الكيميائية للوقود QXT أو الطاقة الكهربائية Qe. لو في– استهلاك الوقود كجم/ثانية أو م3/ث، وQpH – حرارة احتراقه، ثم:
س اكس تي = فيس ف ح
2. الحرارة الناتجة عن الوقود الساخن، Q FT.
3. التأثير الحراري الناتج عن التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء العملية التكنولوجية Q TECHN. إذا كان التأثير سلبيا، فسيتم تحويل هذا البند إلى جانب المصروفات في الميزانية العمومية.
4. الحرارة التي يتم إدخالها عن طريق الهواء لحرق الوقود للأغراض التكنولوجية، Q PV، في.
5. الحرارة الناتجة عن تسخين المواد الصلبة والسائلة المشحونة، Q FM.
11. بنود مصروفات الميزانية العمومية
>1. تسخين المنتجات الصلبة والسائلة للعملية التكنولوجية Q FP
2. حرارة غازات العادم (الكيميائية والفيزيائية)، بما في ذلك المنتجات الغازية للعملية التكنولوجية والهواء الممتص من الغلاف الجوي، Q yx.
3. فقدان الحرارة (الإجمالي) من الاحتراق الميكانيكي من خلال البناء (التوصيل الحراري والتراكم)، والإشعاع من خلال الثقوب مع ماء التبريد Q العرق.
من خلال تلخيص العناصر الواردة والصادرة في الميزانية العمومية، معادلة هذه المبالغ، نحصل على معادلة توازن حراري صالحة بشكل متساوٍ لأي فئة ونوع من الأفران، وبالطبع قد لا تحدث جميع العناصر في كل رصيد محدد:
س اكس تي + س ه + س FT ± Q TECH + Q FB + Q FM = Q FP + Q yx + Q العرق
يمثل الجانب الأيمن من المعادلة الحرارة qm المستخدمة بشكل مفيد، ويظهر الجانب الأيسر تعبيرها من خلال الكميات الحرارية، والتي يسهل قياسها نسبيًا في الظروف العملية.
تسمى نسبة الحرارة المستخدمة بشكل مفيد إلى وصول الحرارة مع الوقود والهواء بمعامل الاستخدام المفيد للحرارة:
؟ KPT = س م /(س XT + سقدم + س ف ب).
وتشبه هذه القيمة مفهوم الكفاءة، وهو المفهوم المستخدم في تقييم أداء الآلات والآليات. يميز معامل الاستخدام الحراري المفيد كفاءة التشغيل الحراري للفرن ويسمح لك بمقارنة كفاءة استخدام الطاقة للأفران المختلفة. لنفترض أن أرقام الماء W (رقم الماء W يساوي حاصل ضرب السعة الحرارية ومعدل التدفق الكتلي) لمنتجات الاحتراق والمواد الأولية (الوقود والهواء) للاحتراق متساوية، ثم نستبدل com.qyxفي معادلة التوازن الحراري وتقسيمها على W نحصل على:
أين ? حوت. - معامل كفاءة استهلاك الوقود؛
أين T نظرية تكنولوجيا المعلومات للنظرية- درجة حرارة الاحتراق النظرية للوقود دون مراعاة الحرارة الفيزيائية للوقود وهواء الاحتراق؛ Т agr х – درجة حرارة غازات العادم من الوحدة.
منذ T الزراعية. اه و يا في. العرق منخفض نسبياً، لدرجة أن درجة حرارة الاحتراق النظرية عند تسخين الهواء بسبب حرارة غازات العادم تعتمد (عند درجة حرارة نظرية معينة لاحتراق الوقود في الهواء البارد) على معامل استغلال الحرارة في مساحة عمل الفرن:
12. مبادئ الديناميكا الحرارية للتحليل وتصميم الأفران
>إن تحليل تشغيل الأفران من وجهة نظر الديناميكا الحرارية يجعل من الممكن وضع بعض المبادئ العامة التي تميز النتائج النهائية لتشغيل الأفران.
إن تطبيق القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية يسمح لنا بتقييم نتائج الطاقة لعملية نقل الحرارة المكتملة فقط أو العناصر المحددة لمثل هذه العملية، وفي الوقت نفسه لا يسمح لنا بتحديد إنتاجية الأجهزة الحرارية و، على وجه الخصوص، الأفران.
يسمح لنا تقييم الطاقة بالحكم على مدى اكتمال استخدام الطاقة في جهاز حراري معين ولا يذكر أي شيء عن أداء الطاقة المنقولة. على العكس من ذلك، فإن تقييم الطاقة الكهربائية يجعل من الممكن الحكم على خسائر الطاقة التي لا يمكن استرجاعها، والخصائص النوعية للطاقة المنقولة ولا يسمح لنا بالحكم على اكتمال استخدام الطاقة في جهاز معين.
بالنسبة لنفس استهلاك الطاقة، تكون عملية نقل الحرارة، من حيث المبدأ، أكثر كفاءة، كلما ارتفعت درجة حرارة الوسط الذي يستقبل الحرارة، لأن استهلاك الطاقة أقل. مع نفس الطاقة من وسط التسخين، فإن استخدام الطاقة في الجهاز الحراري يزداد سوءًا مع زيادة درجة حرارة سطح التسخين المطلوبة لأسباب تكنولوجية. كلما ارتفعت درجة الحرارة المطلوبة لسطح التسخين، كلما زادت طاقة وسط التسخين وكلما زادت متطلبات جودة الوقود وظروف احتراقه. على العكس من ذلك، عند درجة حرارة منخفضة لسطح التسخين أو الوسط الساخن، فإن استخدام وسيلة تسخين ذات طاقة عالية غير عملي، لأن عملية استهلاك الطاقة لا تزال تحدث.
يتم حساب الأفران وتصميمها لتحقيق أعلى كفاءة ممكنة في استخدام الطاقة ؟ كوه.
للحصول على الحد الأقصى ? الحوت الزراعي ? يجب أن تحتوي مجموعة أدوات مساحة العمل على بعض القيمة المثلى، ولكن ليس الحد الأقصى.
تقييم الوقود عن طريق حساب القيم المحتملة ? حوت. تعتبر الوحدة في ظل ظروف احتراق الوقود المختلفة مهمة جدًا لتصميم الأفران وإنشاء طرق عقلانية لتشغيلها.
13. متطلبات شعلة أفران الموقد المفتوح
>ملامح الديناميكية الهوائية– هذا هو الموقع الهندسي للنقاط التي تقترب فيها سرعات الطائرة من الصفر. يتم تحديد خطوط الاحتراق من خلال كمية الاحتراق الكيميائي للوقود، في حين أن الإحداثيات الطولية المقابلة لطول كفاف الاحتراق هي طول اللهب L f.
لتسهيل الوصف الرياضي لعمليات الاحتراق في الشعلة وحسابها، فمن المستحسن تعيين حد أدنى لقيمة الاحتراق السفلي، والتي من شأنها أن تميز محيط الشعلة وطولها. ومن أجل توحيد هذا الحجم، يجب أن يكون الرقم 0.5% CO أو القيمة المقابلة س 3.بالنسبة للوقود عالي السعرات الحرارية (مثل زيت الوقود والغازات الطبيعية وغازات فرن فحم الكوك) فإن قيمة 0.5% من ثاني أكسيد الكربون في منتجات الاحتراق عند أ=1 يتوافق مع فقدان الحرارة q з =1.3-1.8%. لذلك، لتقدير طول اللهب لهذا الوقود، يمكن أخذ قيمة تبلغ حوالي 2٪ (مع الأخذ بعين الاعتبار كمية معينة من الهيدروجين في منتجات الاحتراق).
طول الشعلة.كقاعدة عامة، يتطلب فرن الموقد المفتوح شعلة قصيرة. خلال فترة الملء، يجب أن ينتهي الجزء المرئي منه تقريبًا في منتصف مساحة عمل الفرن، وخلال فترة التشطيب، يُنصح بإطالة الشعلة بحيث تشغل 3/4 من طول الحمام. ولكن من الضروري دائمًا أن تكون نافذة التعبئة الأخيرة على طول مسار الشعلة نظيفة ولا توجد علامات على احتراق الوقود.
شكل الشعلة.في أفران الموقد المفتوحة، يكون لشكل الشعلة أهمية قصوى. ومن الضروري أن يكون مسطحاً - بحيث يغطي حوض الاستحمام دون أن يمس الجدران الأمامية والخلفية، وأن يكون بعيداً قدر الإمكان عن القوس الرئيسي، أي وفقاً للملاحظات البصرية، ينبغي أن يكون رفيعاً وبدون بروزات. عادة ما يسمى هذا النوع من الشعلة مسطحة وصعبة.
ولهذا السبب هناك حاجة إلى فوهات خاصة لتسخين أفران الموقد المفتوح. يجب اختيار زاوية ميل الفوهة إلى مرآة الحمام بحيث يتم ضمان الشكل المطلوب للشعلة وعدم حدوث تشوه مفرط.
غالبًا ما يتم الحكم على حجم الشعلة وشكلها من خلال تضاريس تدمير بناء أفران الموقد المفتوح (الأقبية والجدران). وكقاعدة عامة، يحدث التدمير المحلي على طول محيط الشعلة.
خصائص السرعة .بالطبع، لضمان استواء وصلابة الشعلة، يجب أن تكون خصائصها الديناميكية الهوائية عالية بما فيه الكفاية، أي يجب أن تكون السرعة الأولية لتدفق الطائرة من الفوهة وسرعة تمدد الشعلة بالقرب من الحمام على طولها بالكامل كبيرة بما يكفي بحيث لا تنفصل الشعلة عن الحمام وترفعها إلى القوس.
تحدد خصائص السرعة طول الشعلة وقدرتها على الأكسدة. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تعكس درجة التأثير الميكانيكي المباشر للشعلة على حمام الفرن، وهو أمر ضروري لتقليل الرغوة وتحسين غليان الحمام.
14. القدرة المؤكسدة، الخصائص الإشعاعية للشعلة
>القدرة المؤكسدة.إن تدفق العمليات المهمة جدًا للتكنولوجيا، ولا سيما عملية أكسدة الكربون، يعتمد إلى حد كبير على تنظيم الشعلة في فرن مفتوح. يتم تحديد عمليات أكسدة شوائب الحمام بشكل أساسي من خلال عمليات النقل الجماعي، كما هو موضح في الأدبيات الفنية.
لتكثيف نقل الحرارة في مساحة عمل أفران الموقد المفتوح (خاصة تلك الكبيرة الحجم التي تعمل بالحديد الزهر السائل)، من الضروري اتخاذ جميع التدابير لتسريع تحقيق الطاقة الكيميائية لشوائب الحمام والحرق اللاحق لأول أكسيد الكربون مباشرة على سطح الحمام. هذه العملية ذاتية التسارع: إن تهيئة الظروف للاحتراق المكثف يضمن غليان الحمام، والذي بدوره يعزز نقل الحرارة والأكسجين من جو الفرن إلى الحمام. ولذلك، فإن أي تحسن في إمداد الهواء الساخن في المولدات إلى سطح الحمام يخلق الظروف اللازمة لتسريع عملية الصهر. يمكن تكثيف النقل الجماعي عن طريق إنشاء شعلة قصيرة وموجهة واستخدام المكثفات. يجب ألا ننسى الحاجة إلى التوزيع السليم للحرارة والمؤكسد على سطح الحمام بحيث يغلي الحمام بالتساوي ودون رغوة الخبث. ويمكن تلبية هذا الشرط عن طريق اختيار شعلة ذات طول مناسب والتأكد من خصائصها الإشعاعية المحددة، وهو أمر مستحيل بطبيعة الحال بدون وسائل التحكم في الشعلة.
خصائص الإشعاع.يجب أن تكون شعلة فرن الموقد المفتوح مضيئة، أي أن تتمتع بأعلى درجة ممكنة من السواد (عند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية). هذا المبدأ، الذي لا شك فيه في الظروف العملية، قد تم التشكيك فيه نظريًا من وقت لآخر، بدءًا من أعمال إي كيه وينسثروم. ومع ذلك، في كل مرة تدحض نتائج البحث وتجربة تشغيل الأفران مثل هذه الشكوك، كما حدث مؤخرًا، على سبيل المثال، عند تحويل أفران الموقد المفتوح إلى التدفئة بالغاز الطبيعي وتشغيلها بزيت الوقود الخفيف. ومن الواضح أنه في الجمع بين المتطلبين الأخيرين للشعلة ("قصيرة" وفي نفس الوقت "مضيئة")، هناك تناقض معين، حيث أنه كلما زادت سرعة عمليات خلط الوقود مع الهواء وعمليات الاحتراق، قل عددها. يتم إنشاء الفرص لإطلاق المركبات الكربونية التي توفر لمعان الشعلة.
يهدف البحث النظري على وجه التحديد إلى مساعدة المصممين وعمال الإنتاج في العثور على الشعلة الأكثر فعالية. وبما أن شدة عمليات نقل الحرارة والكتلة وعمر الفرن يتم تحديدها إلى حد كبير من خلال طول الشعلة، فقد كان الباحثون يبحثون في المقام الأول عن إجابة للسؤال الأكثر أهمية: ما هو طول الشعلة وما هي العوامل التي يعتمد عليها.
15. دراسات الهندسة الحرارية لأفران المجمرة المكشوفة
>أثناء البحث عن طرق جديدة لتسخين أفران الموقد المفتوح بزيت الوقود، تم إجراء دراسات الهندسة الحرارية ودراسة سلوك الكبريت في مساحة عمل الفرن. تمت دراسة فرن الغاز والزيت، والأفران التي يتم تسخينها بزيت الوقود الذي يتم رشه في مكان العمل، والأفران التي يتم تسخينها بزيت الوقود الغازي.
عند إجراء دراسات الهندسة الحرارية، تم تسخين الأفران بشكل أساسي باستخدام زيوت الوقود الخفيفة منخفضة اللزوجة القادمة من مصافي النفط الجنوبية. خلال فترة التشطيب، حافظت جميع الأفران على نفس الحمل الحراري: كان استهلاك زيت الوقود 2400 كجم/ساعة، وk = 1.3.
وللتحكم في اكتمال ترسب السخام، تم تركيب مرشح الصوف الماص خلف مرشح الصوف الزجاجي الرئيسي.
تم قياس درجة حرارة الغاز في نطاق الغاز (على مسافة 150 مم قبل خروج الغاز من الغواص) باستخدام مزدوجة حرارية بحربة التنغستن راموليبدينوم مثبتة في غلاف مبرد بالماء. تمت حماية تقاطع العمل للمزدوجة الحرارية بواسطة طرف كوارتز.
بدأت دراسة الخواص الإشعاعية للمشاعل بقياس درجات حرارة الإشعاع للشعلة والبناء على طول مساحة عمل الفرن. ولهذا الغرض، استخدمنا بيرومترات الإشعاع الكلي RAPIRA مع تلسكوبات TERL-50. تم تركيب خمسة بيرومترات بشكل دائم وتوجيهها إلى الشعلة من خلال أنابيب مبردة بالماء مثبتة في الجدار الخلفي للفرن. إن تركيب البيرومترات على الجدار الخلفي للفرن جعل من الممكن إجراء تجارب طوال عملية الصهر بأكملها.
لقياس التدفقات الحرارية، تم استخدام مسبار حراري VNIIMT، والذي تم إدخاله إلى مساحة عمل الفرن من خلال فتحات نوافذ الشحن.
ولدراسة أكثر اكتمالا للخصائص الإشعاعية للمشاعل، تم تحديد درجات السواد ودرجات حرارة شميدت. كميات vfيتم تحديدها عند أربع نقاط على طول مساحة عمل الفرن.
تم قياس التدفقات الحرارية باستخدام البيرومتر الإشعاعي ذو الزاوية الحادة.
عند معايرة مقياس الإشعاع النهائي، بالتزامن مع تحديد قيم لحظة إيقاف تشغيل زيت الوقود، تم أخذ عينات الغاز من مساحة عمل الفرن. أظهر التحليل الكيميائي لهذه العينات أن المكونات الممتصة لجو الفرن لا يمكن أن يكون لها أي تأثير ملحوظ على نتائج المعايرة (محتوى ثاني أكسيد الكربون<0,1%).
تبين أن طبيعة اعتماد TC وPM على قراءات مقياس الإشعاع هي نفسها تقريبًا بالنسبة لجميع الأفران التي تمت دراستها.
16. دراسة الخصائص الإشعاعية للشعلة
>درجة حرارة احتراق الشعلة:
أين L R f.k.–طول اللهب م؛
س– محتوى الرطوبة من زيت الوقود، كجم/كجم.
يتم الحصول عليها عن طريق أفران التسخين بزيت الوقود الغازي.
في الأفران التي يتم تسخينها بزيت الوقود المتحول إلى غاز، يتم الحصول على قيم عالية من WF. يمكن تفسير ذلك من خلال انبعاث السخام الشديد أثناء التكسير التأكسدي لزيت الوقود، بالإضافة إلى زيادة سمك الطبقة المشعة للشعلة. في النصف الأول من مساحة عمل الفرن، تكون درجة الانبعاثية في النطاق e f = 0.7-0.95 وتختلف قليلاً نسبيًا على طول الشعلة. بالقرب من منتصف مساحة العمل، تنخفض ef بشكل حاد وفي النهاية تصل إلى أدنى قيم لها (ه و = 0.13-0.18).
ولوحظ تأثير ملحوظ بوضوح لنوع زيت الوقود على الخصائص الإشعاعية للشعلة في فرن زيت الوقود ثنائي القناة. كانت الزيادة في لزوجة زيت الوقود مصحوبة بزيادة في قيم e على طول الفرن بالكامل. وبالتالي، عند استخدام زيت الوقود من الدرجة 40 مقابل نافذة التعبئة الثانية على طول الشعلة، تكون القيمة e f = 0.67، وعند حرق زيت الوقود من الدرجة 80 e f = 0.76. ومع زيادة رقم درجة زيت الوقود، زاد أيضًا انتقال الحرارة.
ترتبط متانة الفرن أيضًا بلزوجة زيت الوقود، حيث أنه مع زيادة اللزوجة، انخفضت درجة حرارة اللهب القصوى في نهاية مساحة العمل.
وفقا للملاحظات البصرية، عند تسخين الفرن بزيت الوقود عالي اللزوجة، يتم الحفاظ على لمعان الشعلة حتى 2/3 من طول مساحة العمل، وتكون رغوة الخبث أقل بكثير ويسخن المعدن بشكل أسرع.
عند تسخين فرن ثنائي القناة بزيت الوقود من الدرجة 80، تم استخدام البخار المسخن تحت ضغط 11 ضغط جوي والهواء المضغوط تحت ضغط 5.5-6.0 ضغط جوي كرذاذ. في حالة تفتيت زيت الوقود بهواء الضاغط، لوحظت زيادة طفيفة في درجة سواد الشعلة، وكذلك q fc.
نتائج دراسات التشغيل الحراري للأفران تسمح لنا باستخلاص الاستنتاجات التالية:
1) يتم تحديد تكوين ودرجة حرارة نصف غاز زيت الوقود من خلال قيمة معامل استهلاك الهواء الأساسي أثناء تغويز زيت الوقود؛ قيمته المثلى هي 1 حوالي 0.4؛
2) عند استخدام زيوت الوقود الخفيفة ومنخفضة اللزوجة تكون أعلى قيم امتصاص الحرارة للتدفقات الحرارية الساقطة على الحمام، وقيمة عالية عند جذر الشعلة وفي النصف الأول من الفرن، وأدنى القيم بالقرب من رأس التنظيف تم الحصول عليها للأفران التي يتم تسخينها بزيت الوقود الغازي؛
3) عند حرق زيت الوقود الثقيل يكون الفرق في القيم المطلقة والنسبية.
17. المعلمات الديناميكية الحرارية الأساسية لحالة الغاز
>ضغط
ر– مقياس القوة المؤثرة على سطح الوحدة :
ر= ليم ?Fn / ?S = dFn/ دي إس,
حيث DS -> 0؛ ?Fn – القوة الموجهة بشكل عمودي على مساحة السطح.
حجم محدد
Vهو مقلوب الكثافة صالمواد:
الخامس = 1 / ص = دف / دم،
أين العنف المنزلي- عنصر حجم متناهية الصغر؛
مارك ألماني– كتلة المادة .
الخلد
تسمى كمية المادة التي تحتوي على عدد من الجزيئات تساوي عدد الذرات الموجودة في 12 جرام من نظير الكربون 12C تسمى نحن نصلي.
رقم أفوجادرو
ن أ= 6.02 ح 10 23 مول -1. القيمة المطلوبة للحسابات. يبين عدد الجزيئات الموجودة في مول واحد من أي مادة.
الكتلة المولية
م– كتلة المول الواحد :
م = ن أ م × 1 أ. م.
أين ن أ- رقم أفوجادرو؛
م- الوزن الجزيئي.
الكتلة المولية [M] = كجم/مول والحجم المولي = م3 /مول.
حجم المول الواحد – الحجم المولي :
الخامس م = م / ص
أين م– الكتلة المولية
ص– كثافة المادة .
الصيغ لتحديد عدد مولات المادة وعدد جزيئات المادة هي كما يلي:
ش= م /م= الخامس/ الخامس م ,
N = uN A = (m / M)NA = (V/ V M)N A .
درجة حرارة
من المعتاد أن نأخذ متوسط الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجزيئات كمقياس لدرجة الحرارة. إذا كان جسمان متلامسان لا يتبادلان الطاقة من خلال التبادل الحراري، فيمكننا القول أن هذين الجسمين لهما نفس درجة الحرارة والتوازن الحراري موجود في النظام.
18. حالات الجسم. النظام الديناميكي الحراري. عملية أدياباتية
>هناك ثلاث حالات للتجميع: الصلبة والسائلة والغازية.
إذا لم تتغير معلمات النظام بمرور الوقت، فيمكننا التحدث عن التوازن الديناميكي الحراري للنظام.
تسمى مجموعة الأجسام والمجالات التي يمكنها تبادل الطاقة ليس فقط مع بعضها البعض، ولكن أيضًا مع البيئة الخارجية بالنظام الديناميكي الحراري. إذا حدث تغير في الطاقة الداخلية في نظام ديناميكي حراري، فيمكننا الحديث عن العمل الذي يبذله هذا النظام وعن التبادل الحراري بين أجزاء النظام.
معلمات الحالة الديناميكية الحرارية
الضغط ودرجة الحرارة والكثافة والتركيز وحجم النظام هي المعلمات الديناميكية الحرارية للحالة.
تسمى العملية التي لا يوجد فيها تبادل حراري بين النظام والبيئة الخارجية ثابت الحرارة.القانون الأول للديناميكا الحرارية في دي كيو = 0 يبدو مثل هذا:
ج ضد دي تي + بي دي في= 0,
وعندما يؤخذ بعين الاعتبار دي تي= (بدف + فدب) / ر
موانئ دبي/ ص= -جدف/ الخامس،
أين ز- مؤشر ثابت الحرارة؛
ر- ضغط؛
V- مقدار.
هذه المعادلة لها حل في الشكل:
الكهروضوئية ز= ثابت.
إنه يسمى معادلة بواسون.مع الأخذ في الاعتبار معادلة مندلييف-كلابيرون، فإن معادلة بواسون ستبدو كما يلي:
تلفزيون ز-1 = ثابت،
تز ع 1-ز = ثابت.
تصف معادلات بواسون العمليات الأديباتية شبه الساكنة. يؤدي الضغط الأديباتي إلى تسخين الغاز؛ وفي حالة التمدد الأديباتي، فإنه يبرد.
على عكس العملية متساوية الحرارة، تتميز العملية الأديباتية بانخفاض أسرع في الضغط مع زيادة الحجم. دائمًا ما يكون الشغل الذي يبذله الغاز أثناء عملية ثابتة الحرارة أقل من الشغل المبذول أثناء عملية متساوية الحرارة، إذا افترضنا أن التغير في الحجم هو نفسه في كلتا الحالتين. في العملية الأديباتية، هناك اعتماد في العمل على الأس الأديباتي. توجيه ز-> 1، نحصل على قيمة الشغل خلال عملية متساوية الحرارة، أي أنه سيحدث انتقال ثابت الحرارة (س =ثابت) إلى متساوي الحرارة (ت= ثابت).
19. عملية متعددة التوجهات
>تسمى العملية متعدد التوجهات,إذا افترضنا أن السعة الحرارية تظل ثابتة. القانون الأول للديناميكا الحرارية عند C = const هو كما يلي:
(ج– السيرة الذاتية) dT = PdV،
وعندما يؤخذ بعين الاعتبار دي تي= (بدف + فدب)/ رنحصل على التدوين التالي:
ndV/ V= -dP/ ف،
ن= (ج– كب)/ (ج– السيرة الذاتية)،
المعادلة لها حل في الشكل:
بفن= ثابت،
أين ص– ضغط الغاز
V– حجم الغاز .
تتميز العملية متعددة التوجهات بالتبادل الحراري الجزئي بين النظام والبيئة الخارجية. يقع منحنى العملية متعددة التوجهات على المخطط الكهروضوئي بين الأيسوثرم (Г = const) والأدياباتيك ( س= const) ويسمى بوليتروب.مع الأخذ في الاعتبار معادلة مندلييف-كلابيرون، فإن المعادلة متعددة التوجهات ستبدو كما يلي:
تلفزيون ن-1 = ثابت،
تي ن ف ن-1= ثابت.
دعونا نحدد الشغل الذي يبذله الغاز أثناء عملية متعددة التوجهات:
أ 12 = (م / م)ر(ت 1 – ت 2) / (ن – 1)،
أين م– كتلة الغاز
م- الكتلة المولية للغاز؛
ر
ن- مؤشر متعدد التوجهات؛
تي 1و تي 2- درجات الحرارة الأولية والنهائية.
الحالة 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. العملية الأديباتية: مع= 0, ن= ز= ج/ج و صفحة =ثابت, دو= ج ضد دي تي= -دا، د/ = ج ع د.ت= -جدا.
2. عملية متساوية الحرارة: مع= β، n =1 وPV = const، T = const، دا= PDV، دو= 0، دل = 0، دي كيو= د.
3. عملية الإيزوباريك: ج = ج ع، ن= 0 وV/T = ثابت، ر= ثابت، دا = PdV، دو = C V دي تي، ديسيلتر= دو+ PDV= dQ = C p dT.
4. العملية المتساوية: ج = ج، ن= ح و ف / ت= ثابت، الخامس=ثابت, دا= 0, دو= سي فيدي تي = دي كيو، dl = du + PdV = C p dT.
20. الدفء
الدفءهي عملية تغيير الطاقة الداخلية بمعلمات خارجية ثابتة h = = const. يمكن للأجسام نقل الطاقة لبعضها البعض مباشرة عند الاتصال أو عن طريق إشعاعها. تسمى الحرارة بالتحول المجهري للطاقة. يتم تحديد عملية نقل الحرارة من خلال العمل الذي تقوم به الجزيئات أثناء الحركة الحرارية الفوضوية. كمية الحرارة لها البعد التالي في SI: [س]= J. ويستخدمون أيضًا وحدات الحرارة - السعرات الحرارية، 1 cal = 4.1868 J. إذا تلقى الجسم المشارك في العملية كمية من الحرارة، فإنه يكتب بعلامة زائد، وإذا خرج، فإن كمية الحرارة الحرارة لديها علامة ناقص.
صيغة لتحديد كمية الحرارة الأولية التي يتم نقلها إلى الجسم لتغيير درجة حرارته:
دي كيو= سي دي تي،
أين مع– القدرة الحرارية للجسم .
مع= دي كيو / دي تي.
المعنى الفيزيائي للسعة الحرارية- وهذه قيمة تساوي كمية الحرارة التي يجب أن تنتقل إلى الجسم حتى تتغير درجة حرارته بمقدار 10 ك. القدرة الحرارية معتحددها كتلة الجسم وتركيبه الكيميائي وحالته الديناميكية الحرارية.
يتضمن مفهوم السعة الحرارية مفاهيم السعة الحرارية النوعية والمولية. تسمى السعة الحرارية لكل وحدة كتلة المادة سعة حرارية محددة.وفي حالة الجسم المتجانس فإنه يساوي:
ج = ج/م
أين م– كتلة الغاز .
تسمى السعة الحرارية لمول واحد من المادة السعة الحرارية المولية أو الجزيئية(المشار إليها مع).ترتبط السعات الحرارية المولية والمحددة بالعلاقة:
ج = ج/ م،
أين م– الكتلة المولية للمادة .
في النظام الدولي للوحدات، السعات الحرارية النوعية والمولية لها الأبعاد التالية: [s] = J/kgK، [C] = J/molK.
يتضمن مفهوم السعة الحرارية نوعين من السعة الحرارية: عند حجم ثابت وعند ضغط ثابت. يتم تحديد السعة الحرارية (المحددة والمولي) عند حجم ثابت عن طريق تسخين الجسم عند V= const ويشار إليه بـ c ضدو ج ضد. يتم تحديد السعة الحرارية (المحددة والمولي) عند ضغط ثابت عن طريق تسخين الجسم عند ر= const ويشار إليه مع صو ج ص
21. العمل
عملهي عملية تغيير الطاقة الداخلية بسبب التغيرات في المعلمات الخارجية عندما دي كيو= 0. العمل الابتدائيهو العمل الذي يؤديه النظام أثناء التوسع شبه اللامتناهي، ونتيجة لذلك يزداد حجم النظام بمقدار dV:
دا= Fdx = PSdx = PdV،
أين سدكس= العنف المنزلي- زيادة الحجم؛
س- مساحة السطح العمودية التي تؤثر عليها القوة F؛
ر- ضغط.
تسمى العملية المثالية التي يمكن للنظام من خلالها الانتقال من حالة توازن إلى حالة توازن أخرى شبه ساكنة.من السمات المميزة للعمليات شبه الساكنة مساواة ضغط الغاز الداخلي مع الضغط الخارجي: ف = ف"،و د أ"= -دا= -P"دف– عمل القوى الخارجية . بالنسبة لعملية محدودة، يمكن حساب إجمالي العمل على النحو التالي:
فإن عمل أ12 لا يعتمد على الحالات الأولية والنهائية للنظام ويتم تحديده من خلال طريقة انتقال النظام من حالة إلى أخرى. العمل ليس وظيفة الشرط.
في الحالة التي يتمتع فيها النظام بعدة درجات من الحرية، ويتم تحديد حالته الداخلية من خلال معلمات خارجية س نودرجة الحرارة تي،سيقوم النظام بتنفيذ العمل الأولي على الهيئات الخارجية:
دا = X 1 دكس 1 + X 2 دكس 2 + … + X ن دكس ن،
حيث x 1 ,x 2 ,…,x n هي وظائف المعلمات الخارجية لحالة النظام x (القوى المعممة). إذا لم يكن للتغيرات في درجات الحرارة في البيئة الخارجية أي تأثير على حالة النظام، فعادة ما يتم استدعاء هذا النظام معزولة بشكل ثابت.يمكن تحديد الطاقة الداخلية لنظام معزول بشكل ثابت كوظيفة معينة للدولة ش،علاوة على ذلك فإن زيادة هذه الدالة يجب أن تكون مساوية للعمل الذي يتم على النظام أثناء انتقاله من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية بغض النظر عن المسار:
أ 12 = ش 2 - ش 1،
أين ش 2و ش 1– الطاقات الداخلية للنظام في الحالتين 2 و 1.
22. قانون بويل ماريوت
>أحد قوانين الغاز المثالي هو قانون بويل ماريوت,الذي يقرأ: منتج الضغط صلكل حجم Vالغاز عند كتلة غازية ثابتة ودرجة الحرارة باستمرار. وتسمى هذه المساواة معادلات الأيزوثرم. يتم تصوير الأيسوثرم على المخطط الكهروضوئي لحالة الغاز في شكل قطع زائد، اعتمادًا على درجة حرارة الغاز، ويحتل موضعًا أو آخر. العملية مستمرة ت= ثابت، يسمى متحاور.الغاز عند ت= const لديه طاقة داخلية ثابتة U. إذا تمدد الغاز بشكل متساوي الحرارة، فإن كل الحرارة تذهب إلى بذل شغل. إن الشغل الذي يقوم به الغاز عند تمدده بشكل متساوي الحرارة يساوي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى الغاز للقيام بذلك:
دا= دي كيو= PDV،
حيث د أ- العمل الأساسي؛
العنف المنزلي-الحجم الابتدائي؛
ص- ضغط. إذا كان V 1 > V 2 و P 1< P 2 , то газ сжимается, и работа принимает отрицательное значение. Для того чтобы условие ت= تم استيفاء const، فمن الضروري افتراض أن التغيرات في الضغط والحجم تكون بطيئة للغاية. هناك أيضًا متطلبات تتعلق بالبيئة التي يوجد بها الغاز: يجب أن يتمتع بقدرة حرارية عالية بدرجة كافية. تعتبر صيغ الحساب مناسبة أيضًا في حالة توفير الطاقة الحرارية للنظام. الانضغاطيةخاصية تغير حجم الغاز عند تغير الضغط. كل مادة لديها عامل الانضغاط,وهي تساوي:
ج = 1 / Vيا(dV/CP)T,
هنا يتم أخذ المشتق في ت= ثابت.
يتم تقديم معامل الانضغاط لوصف التغير في الحجم مع تغير الضغط. بالنسبة للغاز المثالي فهو يساوي:
ج = -1 / ص.
في SI، يكون لمعامل الانضغاط البعد التالي: [c] = m 2 /N.
23. قانون جاي لوساك
>قانون جاي لوساكتنص على: نسبة حجم الغاز إلى درجة حرارته عند ضغط غاز ثابت وكتلته ثابتة.
V/ ت= م/ معن ر/ ص= ثابت
في ص= ثابت، م= ثابت.
وتسمى هذه المساواة معادلات الأيزوبار.
يتم تصوير خط الأيزوبار على المخطط الكهروضوئي بخط مستقيم موازٍ للمحور V.العملية مستمرة ص= ثابت، يسمى متساوي الضغط.لو الخامس 1و تي 1- الأولي، و الخامس 2و تي 2حجم ودرجة حرارة محدودين، فإن المساواة التالية:
الخامس 1 / تي 1 = الخامس 2 / تي 2.
يمكن العثور بسهولة على الشغل الذي يقوم به الغاز أثناء التمدد عن طريق حساب مساحة المثلث على المخطط الكهروضوئي:
A12 = بدف= م/ محول آر دي تي،
حيث DV= V 2 – V 1 – تغير في الحجم؛
DT = T 2 – T 1 – التغير في درجة الحرارة.
في مخطط VT، يتم تصوير خط الأيزوبار كخط مستقيم يمتد من نقطة الأصل. يمكن كتابة قانون جاي-لوساك بالشكل التالي:
الخامس=الخامس 0 (1+ أ ت)،
أين V– الحجم عند درجة الحرارة ر،تحسب من 0 درجة مئوية.
الخامس 0– حجم الغاز المثالي عند درجة الحرارة تي 0= 273.ي6 ك.
اسم الكمية:
أ ت = V/الخامس0ت= 1 / تي 0 = 1/ 273.16 ك - 1.
في الحالة العامة لأي مادة، يتم تعريف معامل التمدد الحجمي على النحو التالي:
أ= 1 / صوت./ (dV/dT) ص .
معامل التمدد الحجمي للغاز المثالي يساوي:
أ= 1/ ت.
لو ت= 0 o C، ثم a =a V
بالنسبة للغازات الحقيقية، لا ينطبق قانون جاي-لوساك في المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة (أي بالقرب من الصفر المطلق). عند تبريدها إلى الصفر المطلق، تسيل جميع الغازات باستثناء الهيليوم.
24. قانون تشارلز
>قانون تشارلزتنص على أن نسبة ضغط الغاز إلى درجة حرارته تكون ثابتة إذا كان حجم الغاز وكتلته ثابتين:
ص/ ت= م/ معن ر/ V= ثابت
في V= ثابت، م= ثابت.
وتسمى هذه المساواة المعادلات المتساوية.
يتم تصوير isochore على مخطط PV كخط مستقيم موازٍ للمحور P، وعلى مخطط PT فهو خط مستقيم يمتد من الأصل. العملية مستمرة الخامس=ثابت، ودعا متساوي اللون.السمة المميزة للعملية المتساوية هي أن الغاز V= const لا يعمل. عند إمداد الغاز بالطاقة الحرارية، تزداد طاقته الداخلية بسبب الحرارة الموردة:
دو = م/ معن السيرة الذاتيةد.ت.
أين م– الكتلة المولية
السيرة الذاتية- السعة الحرارية المولية؛
د.ت. = T2 – T1 – تغير درجة الحرارة .
إذا كان P 1 وT 1 أوليين، وP 2 وT 2 هما الضغط ودرجة الحرارة النهائيان، فإن:
ف 1 / ت 1 = ف 2 / ت 2
يمكن كتابة قانون تشارلز بالصيغة التالية:
ف =ف 0 (1 + ع ر)
أين ر- الضغط عند درجة الحرارة t، مقاسًا من 0 درجة مئوية؛
ف 0– ضغط الغاز المثالي عند درجة الحرارة Т0=273.16 K.
معامل درجة حرارة تغير الضغط،أو ببساطة معامل الضغط الحراري، تسمى المعلمة التالية:
أ ص = Р / Р 0 T = 1 / T 0 .
25. معادلة حالة الغاز المثالي
>معادلة الغاز المثالي للحالةيصف العلاقة بين درجة الحرارة والضغط. منذ ضغط الغاز المثالي في نظام مغلق ص= 1/3 يا من
ف = نكت،
أين ن- عدد الجزيئات الموجودة في المجلد الخامس.
الكهروضوئية = م/ م × نكت،
الكهروضوئية= م/ م × آر تي،
أين م– الكتلة المولية
نا- رقم أفوجادرو؛
ك- ثابت بولتزمان؛
ر– ثابت الغاز الشامل .
تسمى المساواة معادلات مندليف-كلابيرون.في الحالة التي تكون فيها كمية المادة الغازية 1 مول فإن معادلة مندليف-كلابيرون تأخذ الشكل الكهروضوئية = الرايت.يمكن اعتبار الغاز ممتاز،إذا تم وصف حالتها بمعادلة مندليف-كلابيرون أو إحدى نتائجها.
ف(ف، الخامس، ر 0) يسمى معادلات الحالة.في المخطط الكهروضوئي، يتم عرض مجموعة من الحالات مع t 0 = const في شكل قطع زائد. تسمى مجموعة القطع الزائدة المقابلة لدرجات حرارة مختلفة متساوي الحرارة.العملية التي يتغير فيها الغاز من حالة إلى أخرى متى ر 0= ثابت، يسمى متحاور.
في حالة ص= const (1) هناك اعتماد خطي لحجم كتلة معينة من الغاز على درجة الحرارة:
V= الخامس 0 (1 + عند 0).
إنه يمثل قانون جاي لوساك. كذلك ل الخامس=ثابت:
ف = ف 0 (1 + عند 0).
ويترتب على هذه المعادلات أن جميع الأيزوبارات والإيزوشورات تتقاطع مع المحور ر 0عند نقطة واحدة محددة من الشرط 1+ عند 0= 0. حل هذه المعادلة:
ر 0 = -1 / أ= -273.15 درجة مئوية.
ص = 8.31 ح 10 3 ي/(درجة ح كمول) – ثابت الغاز العالمي
PV = م / م × RT.
26. المعادلة العالمية لحالة الغاز المثالي
>نسبة الكتلة مالغاز (المادة) إلى كمية الغاز (المادة) ضدويسمى هذا النظام الكتلة المولية للغاز (المادة):
م = م/ ضد
البعد الكتلة المولية هو كما يلي: [م]= 1 كجم / 1 مول.
تسمح لنا النتيجة الطبيعية لقانون أفوجادرو بإيجاد نسبة أحجام محددة:
ت 2 / ت 1 = م 1 / م 2
v 1 م 1 = م 2 v 2 .
النسبة الأخيرة تعكس أهمية خاصية الغاز المثالي :في ظل نفس الظروف الفيزيائية، يكون ناتج الحجم المحدد للغاز وكتلته المولية قيمة ثابتة لا تعتمد على طبيعة الغاز، أي. vM= شرحه. عمل vMيمثل حجم 1 مول من الغاز المثالي، والمساواة الأخيرة تعني تساوي الحجوم المولية لجميع الغازات عند نفس الضغوط ودرجات الحرارة.
معادلة الحالة لمول واحد من الغاز هي كما يلي:
PV م = مترو الأنفاق،
أين السيد = جمهورية مقدونيا= الكهروضوئية م/ ت.
المنتج MR هو ثابت الغاز العالمي (المولي).المعنى الفيزيائي لثابت الغاز العالمي هو أنه ra 26 بأكثر من مول واحد من الغاز المثالي مع تغير في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة وضغط ثابت للعملية. لا يعتمد على طبيعة الغاز. ر= = 8.314/م. معادلة النموذج
الكهروضوئية م = 8,314ت
مُسَمًّى المعادلة العالمية للدولة.
المعادلة العالمية لحالة الغاز المثالييمكننا أن ننظر إلى معادلة مندليف-كليبرون:
الكهروضوئية = يو آر تي.
إذا حافظت على ثبات الحجم وأخذت ضغط الغاز كمؤشر لدرجة الحرارة، فيمكنك الحصول على مقياس حرارة بمقياس خطي مثالي. إنه يسمى مقياس درجة حرارة الغاز المثالي.من الملائم تناول الهيدروجين كمادة حرارية. يسمى المقياس المحدد للهيدروجين بمقياس درجة الحرارة التجريبي.
27. الخصائص الأساسية لمخاليط الغاز
>تسمى مجموعة من الغازات المختلفة التي يستحيل إجراء تفاعل كيميائي بينها خليط من الغازات المثالية .يتم حساب الضغط باستخدام الصيغة:
P i = N i kT/ الخامس،
أين أنا= 1، 2، ص، يسمى جزئي،
ص- عدد الغازات في الخليط؛
N هو عدد جزيئات الغاز i؛
V- حجم الخليط؛
ك- ثابت بولتزمان؛
ت- درجة حرارة.
قانون دالتونيعكس العلاقة بين ضغط خليط الغازات المثالية وضغوطها الجزئية. يقرأ: "ضغط الخليط ص"الغازات المثالية ومجموع ضغوطها الجزئية متساويان". الصيغة الرياضية لقانون دالتون هي كما يلي:
ف = P1+ ص2 +… + العلاقات العامة = نكت/V
أين ن = ن 1+ ن 2+. + رقم– عدد الجزيئات في الخليط صالغازات
قانون أماج.إنه يعكس العلاقة بين حجم خليط الغازات المثالية وأحجامها الجزئية. ينص قانون أماج على ما يلي: "حجم الخليط صالغازات المثالية ومجموع أحجامها الجزئية متساويان:
الخامس = الخامس 1 + الخامس 2 + … + الخامس ص.
يمكن العثور على معلمات خليط الغاز من خلال المعرفة قانون كلابيرون:
الكهروضوئية = مترو الأنفاق،
تسمى نسبة كتلة كل غاز إلى الكتلة الكلية للخليط الكسر الشامل:
ز 1 = م 1 / م؛ ز 2 = م 2 / م؛ ...; ز ن = م ن / م،
أين ز 1 , ز 2 , ز ن– الكسور الجماعية.
م 1، م 2، م ن- كتل الغازات بشكل منفصل؛
م– كتلة الخليط .
مجموع كسور الكتلة لجميع الغازات الموجودة في الخليط يساوي الوحدة.
كتلة الخليط هي مجموع كتل الغازات الموجودة في هذا الخليط.
تسمى نسبة الحجم الجزئي إلى حجم الخليط بأكمله جزء الحجم:
ص 1= الخامس 1/ الخامس، ص 2= الخامس 2/ الخامس،., ص ن = الخامس ن/ الخامس،
أين ص 1 , ص 2 , ص ن- كسور الحجم؛
الخامس 1، الخامس 2،., Vn- الحجوم الجزئية لغازات الخليط؛
V– حجم خليط الغاز .
28. متوسط الكتلة المولية لخليط الغازات
>معادلة إيجاد ثابت خليط الغاز النوعي هي:
R = еg i R i = 8314.2(g 1 / M 1 + g 2 / M 2 +… + g n / M n)
بمعرفة الكتلة المولية للخليط، يمكنك إيجاد ثابت الغاز للخليط:
وبمعرفة التركيب الحجمي للخليط نحصل على الصيغ التالية:
ز ط = (ر/ ر ط)،
على سبيل المثال أنا= إعادة (ص أنا/ ر أنا) = 1.
صيغة حساب ثابت الغاز المحدد ستكون بالشكل التالي:
ر= 1 / ه(ص أنا/ ر أنا) = 1 / (ص 1 / ر 1 + ر 2 +… + ص ن / ر ن).
متوسط الكتلة المولية لخليط من الغازاتهي قيمة تقليدية إلى حد ما:
م= 8314,2 / (ز 1 ر 1 + ز 2 ر 2 +. + ز ن ر ن).
إذا قمت باستبدال ثوابت الغاز المحددة ر 1، ر 2،…, آر إنوباستخدام قيمها من معادلة كلايبيرون نجد متوسط الكتلة المولية لخليط الغازات إذا تم تحديد الخليط بكسور الكتلة:
م= 1 / (ص 1/ م 1+ ص 2/ م 2+. + ص ن/ من).
في حالة تحديد الخليط بالكسور الحجمية، نحصل على التعبير التالي:
ر= 1 / إيه أنا آر أنا= 8314,2 / ه ص أنا م أنا .
مع العلم بذلك ر= 8314.2 / م فنحصل على :
م= إيه أنا م أنا= ص 1 م 1 + ص 2 م 2 +. + ص ن م ن .
هكذا، متوسط الكتلة المولية لخليط من الغازاتيتم تحديده من خلال مجموع منتجات كسور الحجم والكتل المولية للغازات الفردية التي يتكون منها الخليط.
29. الضغوط الجزئية
>الضغط مكتوب كالتالي P i = N i kT/ الخامس،
أين أنا= 1،2،...، r، يسمى جزئي.هنا ص- عدد الغازات في الخليط؛
ن ط- عدد جزيئات الغاز رقم i؛
V- حجم الخليط؛
ك- ثابت بولتزمان؛
ت- درجة حرارة.
يمكن العثور عليه إذا كانت جميع المعلمات الرئيسية للغاز معروفة:
P i = m i R i T/ V = م ط ص ط/ mR = Pg i R i/ ر = صفحة ط م/م ط
إذا تم تحديد الخليط بكسور حجمية، للحصول على الضغط الجزئي لكل غاز، نلجأ إلى قانون بويل-ماريوت، والذي يمكن من خلاله العثور على أنه عند T = const:
P i V = P V iو ف أنا = ف الخامس ط/ الخامس = ص ط.
الضغط الجزئييتم حساب أي غاز على أنه حاصل ضرب الضغط الكلي لخليط الغازات ونسبة حجمه. يتم استخدام المعادلة الأخيرة عند حل المشكلات الفنية وعند فحص التركيبات الحرارية. يتم الحصول على أجزاء حجم الغازات بشكل تجريبي باستخدام أجهزة تحليل الغاز.
المعنى المادي للضغط الجزئي بايهو أن هذا هو ضغط الغاز رقم i، بشرط أن يشغل الحجم V.
قانون دالتونيعكس العلاقة بين ضغط خليط الغازات المثالية وضغوطها الجزئية. يقرأ: ضغط الخليط صالغازات المثالية ومجموع ضغوطها الجزئية متساوون مع بعضهم البعض. الصيغة الرياضية لقانون دالتون هي كما يلي:
ر= ص 1 + ص 2 + ...+ ص ص= نكت/V
أين ن= ن 1+ ن 2+... + رقم– عدد الجزيئات في خليط من الغازات r.
الضغط الذي تمارسه جزيئات كل منها صالغازات المثالية لا تعتمد على الضغط الذي تمارسه جزيئات الغازات الأخرى. والسبب في هذه الظاهرة هو أن الجزيئات الموجودة في الغاز المثالي لا تتفاعل. لقد ثبت تجريبيًا أنه عند الضغوط العالية (في حدود 106 باسكال) لا يتم تطبيق قانون دالتون.
30. قانون حفظ وتحويل الطاقة
>يرتكز القانون الأول للديناميكا الحرارية على القانون العالمي لحفظ وتحويل الطاقة، والذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تفنى.
تتفاعل الأجسام المشاركة في عملية الديناميكا الحرارية مع بعضها البعض من خلال تبادل الطاقة. وفي الوقت نفسه، تنخفض الطاقة في بعض الأجسام، بينما تزداد في حالات أخرى. هناك خياران لنقل الطاقة عن طريق الأجسام المادية: التبادل الحراري والعمل الميكانيكي.
من الناحية العملية، وحدة الشغل هي أيضًا الجول، ويُشار إلى مقدار الشغل بالرمز L، ويُشار إلى الشغل المحدد لكل وحدة كتلة (Pkg) بالرمز /.
هناك العديد من الأحكام الأساسية للقانون الأول للديناميكا الحرارية.
L أي نوع من أنواع الطاقة لا تنشأ من تلقاء نفسها، بل تتحول إلى بعضها البعض، وكمياتها هي نفسها دائمًا.
2. من المستحيل بناء آلة ذات حركة دائمة من النوع الأول.
3. إذا كان النظام معزولاً تماماً فإن طاقته الداخلية تظل ثابتة.
لنفترض ذلك س- كمية الحرارة الموردة للجسم والتي يجب إنفاقها على أداء العمل وتحويل الطاقة الداخلية:
س= ؟ ش +ل،
أين ل = مل- حجم العمل؛
ДU = mДu – الفرق بين الطاقة الداخلية للحالة الأولية والنهائية؛
وفي حالة وزن الجسم يساوي 1 كجم:
س =?ش+ل,
أين ل، ف، Du - كميات محددة من الشغل والحرارة والاختلاف في الطاقات الداخلية للحالة الأولية والنهائية. إذا كانت العملية متناهية الصغر، إذن
دق = دو + دل.
النسبة الناتجة هي النموذج الرياضي للقانون الأول للديناميكا الحرارية.ومن ثم فإن الصيغة التالية للقانون هي: "إن كامل كمية الحرارة التي يتلقاها الجسم المادي يتم إنفاقها على القيام بالعمل وتحويل الطاقة الداخلية للجسم."
هناك ما يسمى بقاعدة الإشارة للمعلمات: س> 0، إذا تم توفير الحرارة للجسم المادي، و س<0, если отводится; ل> 0 إذا كان العمل يتم بواسطة الجسم نفسه (التوسيع)، و ل< 0, если работу совершают над телом извне (сжатие); Dش> 0 – إذا زادت الطاقة الداخلية للجسم د ش< 0 – если внутренняя энергия уменьшается.
31. الطاقة الداخلية
>الطاقة الداخليةيتكون من الطاقات الحركية والموضعة الداخلية. يتم إنشاء الطاقة الحركية الداخلية من خلال الحركة الفوضوية لجزيئات المادة.
يتم حساب الطاقة الحركية للنظام الكلي بأكمله:
أين م- كتلة النظام؛
ث– سرعة حركته في الفضاء .
تحدد قوى تفاعل جزيئات المادة مع بعضها البعض الطاقة الكامنة الداخلية للجسم.
الطاقة الداخليةهذه هي الطاقة الموجودة في النظام نفسه وتتكون من عنصرين - الطاقة الحركية.
التغير في طاقة الوضع (الداخلية) المحددة لنفس الجسم. سيبدو التغير في إجمالي الطاقة النوعية (الداخلية) أثناء العملية الديناميكية الحرارية كما يلي:
ش – المملكة المتحدة– و ر.
يتم حساب الطاقة الداخلية لسائل العمل ذو الكتلة التعسفية باستخدام الصيغة:
?v-V ك – V ص .
لنفترض أن مائع العمل ينتقل من الحالة الأولى إلى الحالة الثانية عند إمداده بالحرارة من الخارج. ثم سيتم التعبير عن كمية هذه الحرارة على النحو التالي:
ف 1، 2 - ش 2 -ش 1.
تتم العملية وفقا للقانون isochoric، لدينا:
ف 1.2 = ؟ ضد(ت2 -ت1).
بشكل عام، لأي مادة ذات كتلة م:
الخامس 2 -الخامس 1 – م؟ ت (ت 2 - ت 1)،
حيث T 1 هي درجة الحرارة الأولية للعملية الديناميكية الحرارية؛
تي 2- درجة الحرارة النهائية؛
ش 1 - القيمة الأولية للطاقة الداخلية؛
ش 2 – القيمة النهائية للطاقة الداخلية.
? – متوسط السعة الحرارية النوعية (متساوية).
32. حساب عمل الغاز
>يتلقى الغاز الحرارة من مصدر محدد خارج النظام. فلنرمز إلى ضغط الغاز بالحرف p، ومساحة المكبس بالحرف S، ثم تحت تأثير قوة خارجية F = ملاحظةعلى المكبس سيكون بلا حراك. وعندما تقل القوة الخارجية F، يقل الفرق بين هاتين القوتين ملاحظة: Fسوف يحرك المكبس إلى اليمين. سوف يتمدد الغاز الموجود أسفل المكبس ويتغلب على القوى الخارجية، مما يؤدي إلى بذل شغل في هذه العملية. ولعملية التوازن لدينا ما يلي.
1. يجب أن يتحرك المكبس على طول الأسطوانة ببطء لا نهائي (أي بسرعة متناهية الصغر). هذا سيجعل من الممكن افتراض أن ضغط الغاز في جميع أنحاء الحجم بأكمله هو نفسه في أي وقت.
2. لا تختلف درجة حرارة مصدر الحرارة عمليا عن درجة حرارة مائع العمل (الذي نستخدم الغاز من أجله)، أي أن الفرق في درجات حرارتهما ضئيل للغاية. هذا يجعل من الممكن افتراض أن درجة الحرارة في كامل حجم الغاز هي نفسها في أي وقت.
في ظل هذه الظروف، فإن عملية توسيع سائل العمل في أي وقت سيكون لها نفس درجة الحرارة والكثافة والضغط في جميع أنحاء الحجم بأكمله، أي أن حالته ستكون أيضًا في حالة توازن.
حل تحليلي لمشكلة حساب الشغل الذي يبذله الغاز بسبب تمدده. سرعة المكبس أثناء تحركه في الأسطوانة متناهية الصغر. لذلك، لتحليل عملية التمدد، نقوم بتقسيم كامل طول المسار الذي يقطعه المكبس إلى أجزاء متناهية الصغر dl. ثم دا(العمل الأولي) على أي مقطع أولي يتم تحديده بواسطة المنتج:
دا = بسدل،
أين ملاحظة- قوة؛
دل- طريق.
باستخدام المساواة
SDL = دف،
نحصل عليها
دا = بدف.
يعطي التعبير:
أين أهو الشغل الذي يبذله غاز كتلته jkg أثناء تمدده.
ويسمى أيضًا الشغل الذي يقوم به الغاز أثناء التمدد اِصطِلاحِيّ.
33. العمليات القابلة للعكس والتي لا رجعة فيها
>إذا مر نظام ديناميكي حراري، تحت تأثير قوى خارجية، بسلسلة من الحالات المتعاقبة، فإن مجموعها يسمى عملية الديناميكا الحرارية.يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة السائل العامل، وتتغير حالته بحيث تظل الكتلة ثابتة. الخاصية الرئيسية للعملية المثالية المبسطة هي عكسية.
عكسهاهي العمليات التي تحدث في الاتجاهين الأمامي والخلفي، والتي لا تحدث فيها تغييرات متبقية سواء في مائع العمل أو في الفضاء المحيط. علاوة على ذلك، يمر سائل العمل في كلا الاتجاهين عبر نفس حالات التوازن الأولية وفي نهاية العملية يعود إلى نقطة البداية.
أي عملية عكسية هي التوازن. تسمى العملية التوازن,إذا كانت الحالات المتعاقبة التي يمر بها النظام هي أيضًا حالة توازن. تسمى العملية التي تتم ببطء شديد وبالتالي تقترب من التوازن في أي وقت شبه ساكنة(وهو قابل للعكس أيضًا).
بيانياً، يتم تصوير حالة التوازن كنقطة في نظام الإحداثيات المكانية مع ثلاثة معلمات ت، ص، ت،وعملية التوازن نفسها عبارة عن منحنى يمر عبر عدد من هذه النقاط.
حالة النظام تسمى التوازن,إذا كان في أي لحظة من الزمن في كامل الحجم الذي يشغله الغاز، القيم الخامس، ص، ت(معلمات الحالة) هي نفسها، على الرغم من أنها تتغير بمرور الوقت إذا تغيرت الحالة. أما في حالة النظام المعزول فإنه يعود في النهاية إلى حالة التوازن ولا يستطيع أن يتركه بنفسه. ومن الناحية العملية، تكون العمليات القابلة للعكس ممكنة في ظل ظروف معينة.
1. يغير سائل العمل حالته ببطء لا نهائي.
2. يحتوي سائل العمل على عدد لا نهائي من حالات التوازن.
3. التبادل الحراري مع البيئة الخارجية (عملية لا رجعة فيها)، والاحتكاك الخارجي، والاحتكاك الداخلي لجزيئات الجسم ضد بعضها البعض غائب.
4. لا توجد تغيرات كيميائية في المادة العاملة.
العمليات التي لا تستوفي خاصية الانعكاس هي لا رجعة فيه.
أي عملية حقيقية يغير فيها سائل العمل حالته لا رجعة فيها.
وأي عملية حقيقية هي أيضًا غير متوازنة. ويفسر ذلك حقيقة أن العملية لها سرعة محدودة وأن حالة التوازن في المادة العاملة ليس لديها الوقت الكافي لإثباتها. يمكن للعمليات الحقيقية أن تقترب من منطقة التوازن، ولكنها لا تتزامن مع عمليات التوازن؛ فهي لا يمكن أن تحدث إلا في الاتجاه الأمامي، وفي الاتجاه المعاكس فقط عندما تتأثر من الخارج.
34. الأحكام الأساسية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية
>يسمح لنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالإجابة على الأسئلة: ما إذا كان تطوير العملية قيد النظر ممكنا أم لا، أي اتجاه للعملية سيكون سائدا عندما يتم إنشاء التوازن في النظام الديناميكي الحراري. يساعد هذا القانون أيضًا في تحديد الشروط التي بموجبها سيقوم النظام بأقصى قدر من العمل.
تم التعبير عن جوهر هذا القانون لأول مرة من قبل عالم ومهندس فرنسي سادي كارنوت(1824). وكتب أنه أينما يوجد اختلاف في درجة الحرارة، يمكن أن تظهر قوة دافعة. علاوة على ذلك، فهو يعتمد فقط على درجات حرارة الأجسام المتفاعلة، ولا يعتمد على نوع هذه الأجسام. للحصول على قيم كبيرة لهذه القوة الدافعة، يجب أن تكون درجة الحرارة الأولية لسائل العمل كبيرة، وبالتالي يكون التبريد كبيرًا أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، لن يكون من الممكن أبدًا استخدام القوة الدافعة (الطاقة) للوقود بالكامل في الممارسة العملية.
تحدد هذه البيانات الصادرة عن العالم شروط تحويل حرارة المحرك إلى عمل مفيد وعلى أي معايير تعتمد جودة هذا التحويل. بناءً على الأحكام المعمول بها، يجب أن نتحدث عن الحاجة إلى حدوث عمليتين في وقت واحد في الأجهزة الحرارية - العملية الرئيسية التي يتم فيها تحويل الحرارة إلى عمل، والعملية الإضافية - العملية المصاحبة لنقل الحرارة إلى مصدر بارد.
في الديناميكا الحرارية تلقائييسمون مثل هذه العمليات التي يمكننا أن نقول عنها أنها تحدث من تلقاء نفسها، أي بشكل مستقل. ووفقا للقانون الثاني، تحدث العمليات التلقائية فقط عندما لا يكون هناك توازن في النظام الديناميكي الحراري. علاوة على ذلك، فإن اتجاه حدوث مثل هذه العمليات يتزامن مع الاتجاه الذي يقترب فيه النظام من نقطة التوازن.
أساس القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو المسلمات. الافتراض الأول للعالم الألماني ر. كلوزيوس(1850) يقدم الصيغة العامة للقانون الثاني بالشكل التالي: "لا تنتقل الحرارة تلقائيًا من جسم (أقل تسخينًا) إلى آخر (أكثر حرارة)، ولكن فقط بمساعدة التعويض". مسلمة أخرى (الرب كلفن طومسون, 1852) ينص على أنه من المستحيل إنشاء محرك حراري - آلة حركة أبدية من النوع الثاني (حيث يتم تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل). ويترتب على ذلك أن المحرك الحراري لن يؤدي العمل إلا في وجود مصدرين للحرارة على الأقل بدرجات حرارة مختلفة. علاوة على ذلك، فإن جزءًا فقط من إجمالي الحرارة الصادرة عن جهاز إرسال الحرارة (مصدر الحرارة عند درجة حرارة عالية) يمكن تحويله إلى عمل مفيد. يتم نقل بقية الحرارة إلى المشتت الحراري.
ومن الناحية العملية، فإن العمليات التلقائية (انتقال الحرارة من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة، والانتشار، وظواهر الذوبان وغيرها الكثير) لا رجعة فيها. ولذلك هناك صيغة أخرى القانون الثاني للديناميكا الحرارية:"إذا كانت العملية الحقيقية عفوية، فهي لا رجعة فيها."
35. الكفاءة الديناميكية الحرارية ومعامل التبريد للدورات
>مصادر الحرارة المرتفعة (ت1)وتسمى إطلاق الحرارة لسائل العمل أجهزة استشعار الحرارة.مصادر درجات الحرارة المنخفضة (ت2)وتسمى استقبال الحرارة من المادة العاملة بالوعة الحرارة.
في مخطط EN، العمل المفيد لعملية دائرية يساوي المساحة التي تشكلها المنحنيات الأمامية والخلفية للعملية والموجودة داخل الدورة. إذا كان خط التمدد موجودًا على الرسم البياني فوق خط الضغط، فإن اتجاه الدورة يحدث في اتجاه عقارب الساعة ويتم استهلاك العمل الناتج في العملية بواسطة أجهزة خارجية، وتكون هذه الدورة مباشر.إذا كان خط الضغط موجودًا في الرسم التخطيطي فوق خط التمدد، فإن اتجاه الدورة يكون عكس اتجاه عقارب الساعة ويتم العمل بمساعدة مصدر خارجي، مثل هذه الدورة هي يعكس.
لا يمكن الحصول على عمل مفيد للمحرك إلا عندما يكون عمل التوسيع أكبر من عمل الضغط. إن تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي هو عملية غير عفوية ويجب أن تكون مصحوبة تعويض.
تعتبر الأجهزة الحرارية مثالي،إذا لم تكن هناك خسائر. تعتبر الدورة أيضًا مثالية إذا تم تشكيلها فقط من خلال ظواهر قابلة للعكس. في المحركات الحرارية، يسمى تقدير كفاءة الدورة المباشرة المثالية الكفاءة الحرارية.وهي تساوي نسبة الحرارة التي تم تحويلها إلى عمل خلال الدورة إلى كل الحرارة الموردة ويشار إليها ح ر("هذا"، الحرف اليوناني):
أين 1 ج- عمل مفيد؛
q1 - الحرارة الموردة؛
س 2- إزالة الحرارة. العمل الخارجي خلال الدورة العكسية يساوي:
1 ج =س 1 – س 2,
حيث س 1 – الحرارة المرفوضة إلى الينابيع الساخنة؛
س 2 - الحرارة المستخرجة من مصدر بارد.
هناك مصطلح للدورة المثالية العكسية كفاءة التبريد,أي واحد يشار؟ ر :
يمكن صياغتها القانون الثاني للديناميكا الحراريةوبالتالي: "في المحرك الحراري، يكون تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي مستحيلًا بنسبة 100%."
36. دورة كارنو العكسية والعكسية
>في الأبحاث الديناميكية الحرارية، لم يتم تطبيق الاتجاه الأمامي فقط لدورة كارنو، ولكن أيضًا الاتجاه العكسي لدورة كارنو. عكس فرق الدورةهو أن الحرارة تنزع من مصدر ذو درجة حرارة منخفضة وتعطى لمصدر ذو درجة حرارة عالية. هذه الدورة مثالية لوحدات التبريد.
يسمى مائع العمل المتورط في الدورة العكسية المبردات.أثناء التمدد الأديابي، تنخفض درجة الحرارة من قيمة 71 إلى قيمة تي تيبعد ذلك، عند تلقي الحرارة R2 من مصدر بارد (T2)، يتم ضغط الغاز بشكل متساوي الحرارة. في العملية التالية، يحدث ضغط ثابت الحرارة، وتزداد درجة حرارة سائل العمل من القيمة تي 2تصل إلى القيمة تي 1.أثناء الضغط متساوي الحرارة، الحرارة ف 1 يتم أخذه من المادة العاملة ويذهب إلى الينابيع الساخنة.
تعمل آلة التبريد بدورة عكسية، ويتطلب إنشائها قدرًا محددًا من العمل (I). في هذه الحالة، يتم نقل q من مصدر بارد إلى مصدر ساخن 2 (كمية الحرارة)، ولا يزال النابض يتلقى حرارة مساوية عدديًا للشغل المبذول I. وبالتالي، فإن إجمالي كمية الحرارة المنقولة إلى النابض الحار تساوي:
ف 1 = ف 2 + 1
يكون العمل أثناء عملية التوسيع إيجابيًا، ويكون العمل أثناء عملية الضغط سلبيًا. الشغل الإجمالي اللازم لنقل الحرارة من مصدر بارد إلى مصدر ساخن هو:
وسلبية.
معامل الأداءهيميز أداء أجهزة التبريد ويتم تحديده بنسبة:
حيث س 2 - كمية الحرارة المستخرجة من المصدر البارد والمستقبلة بواسطة المصدر الساخن؛
أنا - العمل المثالي.
بالنسبة لدورة كارنو العكسية والعكسية، يتم حساب معامل الأداء باستخدام العلاقة:
37. نظرية كارنو
>دعونا نحلل بإيجاز صيغة كفاءة Terminian لدورة كارنو المباشرة القابلة للعكس:
ويترتب على هذه المساواة:
1) الكفاءة الحرارية تعتمد فقط على درجات حرارة المصادر الساخنة والباردة؛
2) ح ر(بالنسبة لدورة كارنو) كلما ارتفعت درجة حرارة الربيع الحار (71) وانخفضت درجة حرارة الربيع البارد (72)؛
3) في دورة كارنو يجب أن تكون الكفاءة الحرارية أقل من الوحدة. لأن ح ر= 1 يمكن أن يكون فقط في حالة T 2 / T 1 = 0، عندما T 1 = 0، أو T 2 = 0 (أو T 2 = -273.15 o C). عادة ما تكون درجة حرارة مصدر التبريد 72 في المحركات الحرارية الحقيقية هي درجة الحرارة T 2 = 260 – 300 ك(بيئة). تبلغ درجة حرارة السخان في أفران محطات توليد الطاقة البخارية حوالي 2000 كلفن، وفي محركات الاحتراق الداخلي حوالي 2500 كلفن، حيث يتم تبريد جدران أسطوانات المكبس لهذه المحركات، وتصبح منتجات الاحتراق هي المادة العاملة. وهذا يعني نفس العبارة التي مفادها أن كل الحرارة التي يتم توفيرها للغاز أثناء الدورة لا يمكن تحويلها بالكامل إلى عمل مفيد؛ يجب أن يكون هذا الانتقال مصحوبًا بالضرورة بفقدان جزء من الحرارة (يتم امتصاصه بواسطة المصدر البارد)؛
4) في دورة كارنو تكون الكفاءة الحرارية صفراً في حالة T 1 = ت 2 . ويترتب على ذلك أنه إذا تم الحفاظ على التوازن الحراري في النظام، أي أن درجة حرارة جميع الأجسام في النظام واحدة، فإن تحويل الحرارة إلى عمل مفيد مستحيل. بالنسبة لدورة كارنو (المباشرة) يكون الأمر صحيحًا: ح ر= 1 – T 2 / T 1 = 1 – 1 = 0 عند T 1 = ؟ t = T 2 (في حالة تساوي درجات الحرارة لكلا المصدرين)؛
5) الكفاءة الحرارية؟ t يميز دورة كارنو القابلة للعكس (عملية دائرية). جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، ويرجع ذلك إلى فقدان الطاقة (بسبب نقل الحرارة، والاحتكاك، وما إلى ذلك). لذلك، فإن الكفاءة الحرارية لدورة كارنو الحقيقية (غير العكسية) تكون دائمًا أقل من 1 – T 2 /ت 1 . السمة الرئيسية لهذه الدورة هي أنها هي نفسها بالنسبة لكل من الغازات الحقيقية المثالية والعادية، إذا تم تحديد درجات الحرارة (ت 1 , ت 2) مصادر. هذا البيان هو الجوهر نظرية كارنوت,والذي نصه: "في المحرك الحراري لأي دورة عكسية، لن تعتمد الكفاءة الحرارية على طبيعة الدورة ولا على نوع المادة (السائل العامل)." سيتم تحديده فقط من خلال نسبة درجات حرارة السخان (ناقل الحرارة) والثلاجة (مستقبل الحرارة). بمعنى آخر، في المحرك الحراري، لكل دورة عكسية، يتم حساب الكفاءة الحرارية باستخدام نفس الصيغة المحددة لدورة كارنو العكسية.
38. التغير في الإنتروبيا في العمليات
>إنتروبياهي معلمة حالة تعتمد على الحرارة المنخفضة (النسبة ف/ت). يتم حساب التغير في الإنتروبيا باستخدام الصيغة:
حيث q 1.2 هي كمية الحرارة الموردة لسائل العمل أو المستخرجة منه؛
تاف - متوسط درجة حرارة الحرارة الموردة (أو المحذوفة).
تحدد هذه العلاقة التغير في الإنتروبيا من قيمة الإنتروبيا الأولية S 1 إلى القيمة النهائية S 2
1) عند q 1.2 > 0 (يتم توفير الحرارة لسائل العمل)، يكون التغير في الإنتروبيا إيجابيًا: S 2 – S 1 > 0، S 2 > S 1، نظرًا لأن متوسط درجة الحرارة الديناميكية الحرارية يجب أن يكون دائمًا موجبًا، أي. متوسط تي> 0. بمعنى آخر، تزداد إنتروبيا الجسم؛
2) في س 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) عند q 1.2 = 0 (عملية أديباتية)، يكون التغير في الإنتروبيا صفرًا: S 2 – S 1 = 0، S 2 = S 1، أي أن إنتروبيا الجسم تظل ثابتة. تسمى العملية التي لا تتغير خلالها قيمة الإنتروبيا بالتساوي الانتروبيا.
بالنسبة للغاز المثالي نحصل على الاستنتاجات التالية.
1. في عملية متساوية الحرارة، بدلاً من T av يكفي استبدال قيم درجة الحرارة T في معادلة الإنتروبيا، حيث أن T 1 = T 2 = const.
2. التغير في الإنتروبيا أثناء عملية متساوية يساوي:
س 2 - س 1 = 2.3 م؟ v سجل(ت2/ت1).
3. التغير في الإنتروبيا خلال عملية متساوية الضغط يساوي:
س 2 - س 1 = 2.3 م؟ سجل ع(T 2 / T 1).
أين؟ V - السعة الحرارية النوعية في عملية ذات حجم ثابت؛
?ص- السعة الحرارية النوعية في عملية ذات ضغط ثابت.
وبالتالي، يمكن أن تزيد (تنقص) الإنتروبيا عندما يتم توفير (إزالة) الحرارة إلى مائع تشغيل عشوائي أو تظل دون تغيير في غياب نقل الحرارة. عند إكمال الدورة، تزداد إنتروبيا مائع العمل أيضًا عند تلقي الحرارة من مصدر أو تنخفض عند إطلاق الحرارة إلى المصدر.
في العمليات الحقيقية، بسبب ظاهرة اللارجعة، ينخفض أداء الجهاز الحراري. مقياس هذه الخسائر هو الإنتروبيا: زيادتها تعتمد بشكل مباشر على خسارة مقدار العمل.
39. مبدأ زيادة الإنتروبيا والمعنى الفيزيائي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية
>دعونا نستكشف مفهوم الإنتروبيا كدالة للدولة:
القانون الثاني للديناميكا الحراريةيمكن صياغتها على النحو التالي: قيمة الانتروبيا
يمثل تفاضلا كاملا، أي أنه دالة للدولة.
يمكن تسمية أحد المعاني الفيزيائية للإنتروبيا بزيادة في تنظيم (انتظام) النظام مع انخفاض في الإنتروبيا.
دعونا نفكر في ظاهرة زيادة الإنتروبيا باستخدام مثال النظام المعزول المغلق الذي يتكون من سائل عامل ومصادر حرارة ساخنة وباردة تشكل بيئة النظام. يكون انتقال النظام من وضع إلى آخر مصحوبًا بالعمل و
دي اس>= 0,س 2 > ق 1 .
بالنسبة لنظام مغلق معزول، يكون التغير (الزيادة) في الإنتروبيا موجبًا (عملية غير عكوسة) أو يساوي الصفر (عملية عكسية) لعملية ديناميكية حرارية عشوائية.
للعملية الدورية لتحويل الحرارة إلى شغل (غير تلقائية) SdS ط = 0 (عمليات عكسية) و الحزب الديمقراطي الصربي > 0 (عمليات لا رجعة فيها)، وبالتالي، في نظام معزول، يزداد الإنتروبيا.
ويسمى هذا البيان مبدأ زيادة الانتروبيا.
يُكتب التعبير الرياضي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية بالشكل التفاضلي كما يلي:
حيث يتم استخدام علامة المساواة للعملية العكسية، ويتم استخدام علامة المتباينة للعملية غير العكسية.
يتضح من هذه المعادلة أن الزيادة الكلية في الإنتروبيا تعتمد على درجة الحرارة. ومن المعروف أنه مع زيادة درجة حرارة مائع العمل، تزداد كمية الحرارة التي يمكن تحويلها إلى عمل. وبعبارة أخرى، تزداد قيمة الطاقة للحرارة. وبالتالي، فإن الإنتروبيا من خلال درجة الحرارة تحدد كمية الحرارة المحولة إلى عمل، مما يحدد ارتباطها بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يحدد هذا القانون شروط تحويل الحرارة إلى عمل مفيد.
وظائف الطاقةتسمى التعبيرات التي تسمح للمرء بحساب قيمة الطاقة.
40. الإنتروبيا والطبيعة الساكنة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية
>ومن المعروف أنه في نظرية الميكانيكا تستخدم القوانين الديناميكية لدراسة حركة الجزيئات الفردية. تختلف النظرية الحركية الجزيئية عن الميكانيكا في أنها تدرس الأنظمة التي تتكون من عدد كبير من الجزيئات. تخضع الحركة الفوضوية للجسيمات في مثل هذه الأنظمة لقوانين (إحصائية) أخرى. على الرغم من أن حركة كل جزيء موصوفة بالقوانين الميكانيكية، إلا أن مجموعة الجزيئات بأكملها لا تؤخذ بعين الاعتبار في نظرية الميكانيكا؛ حيث يتم دراسة سلوكها بواسطة الفيزياء الإحصائية. والحقيقة هي أنه بالنسبة لجميع الجسيمات يتم تحديد القيمة المتوسطة لخصائصها - متوسط السرعة، متوسط الطاقة، وما إلى ذلك (متوسط درجة الحرارة، متوسط الضغط).
في ظل هذه الظروف الإحصائية، فإن حساب متوسط خصائص وجود أي حالة ديناميكية حرارية لمادة ما (على سبيل المثال، الغاز) ليس ضروريًا تمامًا، ولكن له احتمالية معينة فقط.
وأبسط مثال على ذلك هو حالة تساوي سرعات جميع جزيئات الغاز باعتبارها أقل احتمال لوجود حالة مادة معينة. دعونا نشير بشكل مشروط إلى هذا الاحتمال بقيمة الكمية. في حالة السرعات غير المتساوية، يكون العدد المحتمل لمجموعاتها كبيرًا، ووجود حالة تكون فيها سرعات الجسيمات غير متساوية هو الاحتمال. دبليو> دبليو0،وهذا الاختلاف مهم جدًا. هكذا، الاحتمال الديناميكي الحراريتسمى الكمية :
قيمته أكبر بكثير من الوحدة، ولذلك يطلق عليه أيضًا الوزن الإحصائي للحالة الديناميكية الحرارية. تنشئ الفيزياء الإحصائية أيضًا علاقة بين الاحتمالية الديناميكية الحرارية و إنتروبياأنظمة.
يتم تحديد الاعتماد المباشر للإنتروبيا على لوغاريتم الاحتمال الديناميكي الحراري بالتعبير:
أين ر- ثابت كلايبيرون؛
N 0 - ثابت أفوجادرو.
الكمية K هي ثابت بولتزمان (أو ثابت).
وبالتالي، مع زيادة الإنتروبيا، يزيد احتمال حدوث حالة أو أخرى من الحالة الديناميكية الحرارية. علاوة على ذلك، فإن الحالة الأكثر احتمالا تحدث عند القيمة القصوى للإنتروبيا.
41. معادلة فان دير فالس للحالة
>في الحالة العامة، بالنسبة للغازات الحقيقية، عند حساب معلمات الحالة، من المستحيل استخدام معادلة الحالة pv = RT،
وهذا صحيح بالنسبة للغازات المثالية.
المعادلة العامة للحالة للغازات الحقيقية.
فيها المعاملات ب ط –تسمى الفيروسية. هذه المعاملات هي دالة لدرجة حرارة جزيئات الغاز الحقيقية والطاقة الكامنة لتفاعلها.
في التعريف ب أنا- يتم حساب المعاملات فقط لأول فصلين من السلسلة، ويتم تجاهل المعاملات الفيروسية المتبقية.
ثم تأخذ معادلة الحالة للغازات الحقيقية الشكل التالي:
أين أو في– أول معاملين فيروسيين، يعتمدان فقط على درجة الحرارة.
وفي حالة خاصة (كثافة غاز منخفضة)، تكون المعادلة بالشكل:
لو ب1=و(تي، شالمحتملة)، فتصبح المعادلة معادلة الحالة لغاز فان دير فالس الحقيقي:
أين ب- الحد الأدنى للحجم الذي يمكن أن يكتسبه الغاز الحقيقي أثناء الضغط؛
أ- المعامل الذي لا يعتمد على معلمات الحالة.
للغازات المختلفة القيم أو بمختلفة.
بمعنى آخر، معادلة فان دير فالس هي حالة خاصة من قانون بوغوليوبوف-ماير، حيث يتم إهمال جميع حدود 1/v فوق الدرجة الثانية. إذا كان للغاز الحقيقي كثافة عالية، فإن المعادلات من هذا النوع ستكون صحيحة بالنسبة لعدد أكبر من الحدود في السلسلة. وفي هذه الحالة، توفر معادلات حالة الغازات الحقيقية دقة حسابية مقبولة عمليًا.
42. معادلة الحالة للغازات الحقيقية بواسطة M. N. Vukalovich و I. I. Novikov
>تم الحصول على معادلة عالمية تصف حالة أي غازات حقيقية في عام 1939 من قبل العلماء الروس I. I. نوفيكوفو إم إن فوكالوفيتش.فيه
لقد تم بالفعل أخذ ظاهرة تفاعل القوة بين الجزيئات (الارتباط والتفكك) في الاعتبار وبشكل عام تمت كتابتها بالشكل:
أين أو في- المعاملات المحسوبة باستخدام الصيغ:
أين أو ب– بالنسبة للغازات الحقيقية، الكميات الثابتة في معادلات الحالة؛
ر- ثابت الغاز الشامل؛ ص، ج، ك،م 1، م 2 – معاملات تعبر عن درجة الارتباط.
بخلاف ذلك، يمكن تمثيل معادلة فوكالوفيتش-نوفيكوف على النحو التالي:
أين أو ب- القيم الثابتة في معادلة فان دير فالس؛ م، ج- الثوابت، محسوبة تجريبيا.
بشكل عام، المعلمات الرئيسية للبخار شديد السخونة (المشابه للغاز) هي معلمات الحالة مثل درجة الحرارة والضغط والحجم المحدد. البخار المسخن قريب في خصائصه من الغاز المثالي، حيث أن معلماته تقع بعيدًا عن النقطة الحرجة وعن المنحنى الحدودي (المنحنى العلوي في المخططات). إذا لم يكن ضغط البخار المسخن مرتفعًا جدًا، فيمكن الحصول على معادلة حالته باستخدام معادلة فان دير فالس لحالة الغاز الحقيقي، عن طريق إدخال التصحيحات عليه.
بالنسبة لبخار الماء، فإن معادلة حالة إم إن فوكالوفيتش وإي نوفيكوف في الديناميكا الحرارية الحديثة هي المعادلة الأكثر دقة. علاوة على ذلك، يمكن استخدامه أيضًا لحساب حالات البخار شديد السخونة (يخضع لحساب الضغط)، إذا قمت بإضافة عدة حدود لاحقة للمعادلة إليه.
43. المشتقات الجزئية لمعلمات الدولة. المعاملات الحرارية
>يتم وصف خصائص المواد الحقيقية المعاملات الحرارية.
التعريف 1. معامل التوسع الحجميأهو التغير في حجم المادة عندما ترتفع درجة حرارتها درجة واحدة.
– مشتق جزئي من معلمات الدولة.
وهو يميز التغير في حجم مادة ذات كتلة معينة إذا زادت درجة حرارتها درجة واحدة وظل الضغط الخارجي ثابتا.
التعريف 2. معامل الضغط الحراريبويسمى التغير في الضغط اعتمادا على التغير في درجة حرارة المادة. هذه القيمة نسبية أيضًا ويتم حسابها على النحو التالي:
– مشتق جزئي، تميز تغيرات الضغط ص،إذا زادت درجة حرارة المادة درجة واحدة وظل حجمها ثابتا، فإن الضغط صهي وظيفة درجة الحرارة.
التعريف 3. معامل الانضغاط متساوي الحرارةزويسمى التغير في الحجم اعتمادا على التغير في الضغط.
- المشتق الجزئي، يميز التغير في حجم المادة إذا تغير الضغط بمقدار وحدة واحدة.
44. خصائص الوظائف المميزة
>تسمى الوظائف التي تصف أي خصائص ديناميكية حرارية الوظائف المميزة أو الإمكانات الديناميكية الحرارية للنظام.أهم الوظائف المميزة هي: المحتوى الحراري
أنا= أنا(س، ع)،
الطاقة الداخلية
ش= ش (ق، الخامس)،
الإمكانات متساوية الضغط، أو المحتوى الحراري الحر،
ز= ض(تي،ص)،
الإمكانات متساوية الحرارة، أو الطاقة الحرة،
ف= ف(تلفزيون).
إلى الرئيسي خصائص الوظائف المميزةتشمل ما يلي.
1. تختلف إمكانات الديناميكا الحرارية عن الوظائف الأخرى من حيث أن لها بنية أبسط ومعنى فيزيائي معين.
2. معلمات حالة النظام تساوي المشتقات الجزئية للجهد الديناميكي الحراري مأخوذة بنفس المعلمات.
3. نتيجة لتمايز الإمكانات الديناميكية الحرارية، يتم الحصول على التفاضل الكلي لهذه الوظيفة.
4. باستخدام الدوال المميزة المكتوبة في شكل تفاضلي، يمكنك الحصول على أي معلمات ديناميكية حرارية للنظام.
5. تتكون الإمكانات الديناميكية الحرارية للنظام بأكمله من القيم المحتملة لأجزائه، أي أنها تمتلك خاصية الجمع.
6. تحدد الوظائف المميزة العلاقة بين الخصائص الديناميكية الحرارية المختلفة للمادة. لذلك، على سبيل المثال، فإن المشتقات الأولى للاحتمالات تميز الخواص الحرارية (أي الكميات التي يتم قياسها مباشرة بواسطة الأجهزة - الحجم ودرجة الحرارة والضغط)، والمشتقات الثانية تتوافق مع خصائص السعرات الحرارية للنظام (هذه هي الكميات المعبر عنها بوحدات الحرارة - السعة الحرارية، الإنتروبيا، المحتوى الحراري، الطاقة الداخلية).
7. المشتقات الجزئية للدوال المميزة تسمح بتكوين معادلات السعة الحرارية ج ضدو ج ع ,معادلات الحالة والتبعيات الديناميكية الحرارية الأخرى.
8. الوظيفة مميزة لمعلمات معينة فقط. عند اختيار متغيرات أخرى فإنه يفقد خصائصه، لأنه في هذه الحالة لا تعبر المشتقات الجزئية عن الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام.
45. الإمكانات الكيميائية
>الطاقة الكيميائيةهذه هي الطاقة التي تتشكل نتيجة التفاعلات الكيميائية وهي جزء من الطاقة الداخلية للمادة. تنقسم التفاعلات الكيميائية إلى طاردة للحرارة (تحدث مع إطلاق الطاقة) وتفاعلات ماصة للحرارة (مصحوبة بامتصاصها).
في حالة التفاعل الكيميائي تتغير الطاقة الداخلية للنظام، مع تغير امتصاص الذرات في المواد المتفاعلة. لمثل هذه العمليات يمكننا تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية في الصورة:
يو 1 -يو 2 =?U=س+أ,
أين س– كمية الحرارة
DU – التغير في الطاقة الداخلية للمادة؛
أ- عمل مفيد، بما في ذلك العمل على التغلب على القوى الكهرومغناطيسية المختلفة.
الشغل المبذول في تفاعل كيميائي عكسي هو الحد الأقصى. يتم التعبير عنها باستخدام معادلة جيبس-هيلمهولتز:
دعونا نفكر في الإمكانات الكيميائية للتفاعل. في حالة التفاعلات الكيميائية، فإن كتلة المواد المتفاعلة ليست ثابتة؛ ويمكن تعريفها على أنها دالة ت(كمية المادة) من المعلمات الأساسية (ت،ص، ت، و، س، يوإلخ). دعونا نفرق المساواة:
أين ش– كمية محددة من الطاقة الداخلية لدينا :
دو = MDU + UDM،
و = ش– شارع+ الكهروضوئية= أنا– شارع
ي- الإمكانات الكيميائية.
لكن، الإمكانات الكيميائيةويسمى المشتق الجزئي بالنسبة للكتلة، مأخوذ من أي جهد ديناميكي حراري عند قيم معينة للوسيطة. توضح الإمكانات الكيميائية كيف تتغير طاقة المادة إذا تغيرت كتلتها بمقدار واحد.
46. المعادلات التفاضلية الأساسية للديناميكا الحرارية
>المعادلات التفاضلية في الديناميكا الحراريةتستخدم لدراسة الغازات الحقيقية في الحسابات النظرية (والعملية).
دعونا ننظر في الحالات التالية.
1. المتغيرات المستقلة هي المعلمات p، V.
هذا هو القانون الأول للديناميكا الحرارية في الشكل التفاضلي.
2. المتغيرات المستقلة هي المعلمات ص، ت.
ويكون فرق الحجم الإجمالي بالشكل:
3. المتغيرات المستقلة هي المعلمات الخامس، ت.
4. متى ص= السعة الحرارية الثابتة
في ضد= السعة الحرارية الثابتة
47. المشتقات الجزئية بالنسبة للحجم والضغط ودرجة الحرارة
>1. المشتق الجزئي بالنسبة للحجم:
هذا هو المشتق الجزئي فيما يتعلق بالحجم المأخوذ من قيمة الطاقة الداخلية. 2. مشتق جزئي فيما يتعلق بالضغط.
دعونا نستبدل القيمة دي كيوفيما يتعلق ب دي إس = دق/ ت، نحصل على:
هذا هو المشتق الجزئي بالنسبة للضغط المأخوذ من قيمة الطاقة الداخلية. 3. مشتق جزئي بالنسبة لدرجة الحرارة.
هذا هو المشتق الجزئي بالنسبة لدرجة الحرارة المأخوذة من قيمة الطاقة الداخلية.
48. معادلة الاستمرارية
>وفقا لنظرية تدفق الغاز، يتم تحديد تدفق الغاز في حالة السكون باستخدام نظام خاص من المعادلات. ويتضمن النسب التالية:
1) معادلة الطاقة لتدفق الغاز.
2) معادلة الحالة.
3) معادلة استمرارية تدفق الغاز.
معادلة الطاقةيتبع من البداية الأولى
الديناميكا الحرارية لتدفقات الغاز.
معادلة الاستمراريةتسمى النسبة :
جي في = مهاجم.
ويترتب على ذلك أنه في حالة تدفق الغاز الثابت في كل قسم من التدفق، فإن معدل تدفق الغاز بالكتلة يكون قيمة ثابتة. وبخلاف ذلك يمكن كتابة هذه المعادلة على النحو التالي:
ز=pFw =p 1 F 1 w 1 =P 2 F 2 w 2 =const,
أين ص 1 ,ص 2 , ص= 1/v كثافة الغاز في المقاطع العرضية؛
ف 1، ف 2- مساحة مقطع التدفق؛
ث 1، ث 2- سرعة التدفق، مقاسة في منطقة المقطع العرضي.
في هذه الحالة، هناك قسمان للتدفق (الأول والثاني)، والقيمة زومن هذه المعادلة يسمى معدل تدفق كتلة الغاز (في الثانية).
وكما تعلم فإن قانون نيوتن الثاني ينص على أن "القوة تتحدد بضرب الكتلة بالتسارع". إذا كان سريان الغاز أحادي البعد فإن القانون الثاني يتبع:
في هذه العلاقة، كل مصطلح له معنى مادي محدد. دعونا ننظر إلى كل عامل في المعادلة.
1. الحجم
يوضح كيف يتغير الضغط اعتمادًا على الإحداثيات X.
2. الحجم
يوضح كيف تتغير السرعة اعتمادًا على إحداثي X.
3. النسبة
يساوي القوة المطبقة على الحجم الأولي، dV هو الحجم المحدد.
4. الحجم
الغاز يساوي تسارع الكتلة pdV(كتلة عنصرية).
49. دفع العمل
>دفع العمل.لتحديده في المعادلة:
دعونا نستبدل المساواة أنا = ش + pv نحصل على النتيجة:
حيث d(pv) هو عمل الدفع المحسوب لحجم أولي،
د(بف) = بي دي في + في دي بي- معادلة العمل الابتدائي.
العلاقة (2)، بما في ذلك قوى الجاذبية، لها الشكل:
في الحالة التي يتم فيها تمثيل تدفق الغاز كعملية ثابتة الحرارة فيها دق = 0، العلاقة (1) مكتوبة على النحو التالي:
في حركة التدفق الأدياباتي، يكون مجموع الطاقة الحركية المحددة والمحتوى الحراري النوعي قيمة ثابتة.
إذا تم إجراء عمل فني في هذه العملية، فبالنسبة لتدفق الغاز، سيكون للقانون الأول للديناميكا الحرارية الشكل:
أين دل تك– عمل مفيد (الابتدائي).
50. العمل المتاح أثناء تدفق الغاز
>دعونا ندرس عملية الحركة (التدفق الخارجي) لتدفق الغاز.
لنفترض أن هناك حاوية معينة تحتوي على بخار أو غاز (أي سائل عامل) له معلمات الحالة على شكل قيم f 1، v 1، p 1. من هذا الوعاء، الذي يوجد ثقب في جداره، يتدفق الغاز إلى البيئة. يحدث هذا بسبب اختلاف الضغط (ع1 – ع2)، مخرج الغاز لديه ضغط ص1< p 2 Соответственно температура газа при этом равна تي 2,والحجم المحدد هو v 2 لكي يتلقى تيار الغاز المتسرب اتجاهًا معينًا، يتم وضع فوهات أسطوانية (ما يسمى بالفوهات) على السطح الخارجي للأوعية على السطح حيث يوجد الثقب. غالبًا ما يكون لها شكل مخروطي مقطوع يتناقص نحو الحافة الخارجية. تسمى هذه الفوهات بالحيرة. وفي حالة القناة التي تعمل وفق العملية العكسية، تكون هذه الفوهة بمثابة ناشر. الفم هو الجزء الخارجي (أي المخرج) من الفوهة.
نشير إلى سرعة تدفق الغاز عند الخروج من الفم بالقيمة وعند مدخل الوعاء بالقيمة W 1 (الغاز المتدفق)، بينما تحتوي الفوهة على فتحة، يتم تحديد المقطع العرضي لها بواسطة المنطقة ف. في الممارسة العملية ث 1أقل من ذلك بكثير W2,عند الحساب يتم إهماله وقبوله: ث 1= 0, ث 2= ث.
دق = دو + دا،
أين دا = بدف –أعمال التوسعة، أو العمل الأولي الذي يقوم به الغاز نفسه. من هنا:
وبالتالي، نتيجة لتدفق الغاز، لدينا عمل يساوي أ 0 .عدديًا، يساوي إما الزيادة في الطاقة الحركية أثناء التدفق، أو مجموع عمل الدفع وضد القوى الخارجية.
51. سرعة التدفق في قناة مستدقة، وسرعة التدفق الشامل
>سرعة التدفق في قناة مستدقة
دعونا نفكر في عملية التدفق الأديباتي للمادة. لنفترض أن سائل العمل له حجم محدد معين (الخامس ١)موجود في خزان تحت ضغط معين (ص1).تتضمن عملية التدفق الخارجي حركة الغاز (أو البخار) من وسط تحت الضغط ص 1(الخزان) في البيئة، والضغط فيها ص2< p 1 . في الوقت نفسه، أثناء عملية تدفق المادة العاملة من الفوهة، لا ينخفض \u200b\u200bالضغط داخل الخزان عمليا؛ وهذا مقبول في حالة حجم الخزان الكبير جدًا. عندما يتحرك تدفق الغاز (البخار) عبر فوهة، تكون طاقته الكامنة صغيرة جدًا وعادةً ما يتم إهمال تغيرها. وفي هذه الحالة تزداد الطاقة الحركية.
أين ث 1- سرعة حركة تدفق المادة في قسم مدخل الفوهة؛
ث 2- السرعة عند مخرج الفوهة.
معدل تدفق الغاز (البخار).من الفوهة.
السرعة في أغلب الأحيان ث 1سرعة أقل بكثير ث 2(د1 << W2)، ولذلك يتم إهماله ويعتبر W 1 = 0.
سرعة التدفق الشاملالعلاقة تسمى :
أين ز ج– الاستهلاك الثاني للبخار (الغاز)؛
S – منطقة التدفق العرضي.
ص– كثافة سائل العمل .
52. تدفق قطرات السائل. التدفق الشامل
>يتم تحديد العمل المتاح لأي مادة تشكل مائعًا عاملاً بواسطة الصيغة:
أنا 0 = ف +(ط 1 – ط 2).
إذا كان التدفق ثابت الحرارة (في س= 0)
أين أنا- المحتوى الحراري (J/كجم)؛
W2 = ث- سرعة التدفق (م/ث).
تسمى الكمية Di = i 1 - i 2، والتي تساوي فرق المحتوى الحراري فقدان حرارة الغاز (البخار).
وبالنسبة لسائل القطرة فإن المساواة التالية:
أين ث– سرعة تدفق السائل من الفوهة.
التدفق الشاملهي كمية المادة التي تتدفق عبر الفوهات في الثانية. وهي تساوي نسبة الحجم الثاني من تدفق المادة (الغاز) U2إلى الحجم المحدد لنفس المادة المقابلة للضغط ص2:
التدفق الكتلي (يتم تحديده أيضًا من معادلة الاستمرارية: جي في = سو).
53. السرعة الحرجة
>يوضح تحليل صيغة سرعة التدفق أنه كلما انخفضت قيمة p 2 /p 1، تزداد سرعة التدفق. وهذا ممكن، على سبيل المثال، إذا كان pi = const والضغط ص2يتناقص.
من المعروف من التجارب أن الضغط عند مخرج الفوهة المتقاربة (أو الفوهة ذات المقطع العرضي الثابت) p 2 لا يمكن تخفيضه إلا إلى قيمة محددة معينة، ما يسمى بالضغط الحرج (p حرج). في نفس الوقت نسبة الضغط الحرجةتسمى الكمية ب= p حرج /p 1، وبالتالي P k = bp 1
نتيجة لانخفاض الضغط ع 0 (البيئة الخارجية) عند ص 1= const حالتان ممكنتان:
1) p o >= P k، أي أنه بينما ينخفض الضغط p o إلى قيمة حرجة، يتم ملاحظة المساواة ص2= p o حيث p 2 هو ضغط المادة عند مخرج الفوهة المتقاربة، p o هو ضغط البيئة الخارجية؛
2) ص< P к, т. е. дальнейшее падение давления p o среды ниже критического значения определяется равенством p 2 = بي كيه,والضغط p 2 للمادة المتدفقة ثابت (ص2= ثابت).
وهكذا تسمى الظاهرة التي يكون فيها الضغط عند فوهة الفوهة ثابتا ولا يتناقص عن طريق إغلاق الفوهة.ولذلك، فإن هذا الضغط عند مخرج الفوهة، والذي لا يمكن تخفيضه عن طريق تقليل ضغط البيئة الخارجية التي يتدفق إليها سائل العمل، يسمى شديد الأهمية(ص2ك).
بغض النظر عن انخفاض الضغط المحيط صعند فم الفوهة المتقاربة عند ب كتم ضبط الضغط P2k = const، الذي يتوافق مع G max = const (التدفق الشامل)، أسبوع= const (سرعة انتهاء الصلاحية)، المعارف التقليدية= ثابت (درجة الحرارة)، و الخامس 2 ك= const (حجم محدد)، أي ثبات جميع المعلمات عند مخرج الفوهة (ما يسمى بمعلمات الإخراج).
في الصيغ الناتجة، a وY هي معاملات يتم تحديدها فقط بالقيمة ك(الأس الأديابي)، يتم الحصول على قيمها من جداول خاصة.
حسب التعريف السرعة الحرجةوتسمى أعلى سرعة للمادة عندما تتدفق من الفوهة، بحيث لا تتجاوز سرعة الصوت، أي. ث ك = أ،أين أ- ما يسمى بالسرعة المحلية للصوت.
تسمى الصيغة الناتجة معادلة لابلاس.
54. تدفق الغاز المثالي من خلال فوهة لافال مجتمعة
>فوهات لافالتستخدم لإنشاء عملية فوق حرجة لتدفق سائل العمل، وحالتها ص / ع 1 < b k В нем выделяют три основные области.
1. جزء قصير مستدق تكون فيه سرعة التدفق دون سرعة الصوت.
2. قسم ضيق تتحرك فيه المادة بسرعة الصوت.
3. توسيع الفوهة المخروطية الشكل (سرعة التدفق الأسرع من الصوت).
الشرط الرئيسي لاختيار أبعاد الجزء العريض من فوهة لافال لتدفق سائل العمل هو استمراريته من جدران الفوهة. لذلك، يجب أن يكون حد زاوية فتح المخروط 12 درجة، مما يساعد على التخلص من الخسائر الكبيرة بسبب تمدد الغاز (البخار).
دعونا ننظر في العمليات التي تحدث أثناء تشغيل الفوهة المدمجة. في حالة الضغط الخارجي ص< بي كيه,سرعة التدفق والضغط في المستوى الضيق للفوهات شديد الأهمية.
يسمح تصميم فوهة لافال لكل نسبة o< ص/ص 1< بالحصول على التمدد الكامل للمادة في حدود قيمة الضغط. في هذه الحالة، لا يتم فقدان أي طاقة في قسم الخروج من الفوهة، وعندما يتم تعادل ضغط سائل العمل والبيئة الخارجية، تصبح سرعة التدفق أسرع من الصوت، وهو أمر ضروري لاستخدام الفوهة عمليًا. في هذه الحالة، يصبح معدل تدفق الكتلة الحد الأقصى وتعتمد قيمته على مساحة أصغر مقطع عرضي للفوهة (S min).
في الجزء الضيق من الفوهة (يسمى الرقبة)، يتم إنشاء القيم الحرجة للمعلمات V k، T k، p k، w k = w sound، G max (حيث W sound هي السرعة المحلية للصوت). تتميز حركة التدفق على طول الجزء المتوسع بحقيقة أن الغاز يتوسع بشكل أكبر داخل الحدود [p 2k، p 1]، وتزداد السرعة في الفاصل الزمني (أي إلى القيم ث> صوت W)، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط، ولكن في نفس الوقت يزيد الحجم المحدد (أي. ضد>الخامس ك، ص< p k).
يمكن أن يكون الجزء المتوسع من الفوهة بمثابة ناشر إذا كان في مستوى ضيق ث< w зв (для p o / p 1 > ب ك).
55. اختناق الغاز ومعادلة العملية
>لبخار الماء درجة الحرارة الحرجة هي تي ك= 647 كيلو على التوالي تي الجرد> 4400 كلفن (درجة حرارة الانقلاب). في عملية الاختناقيحدث تبريد بخار الماء دائمًا؛ ويرجع ذلك إلى التفكك الكامل لجزيئات البخار عند قيم ليست عالية جدًا لدرجة حرارة انعكاس معينة.
يتميز اختناق بخار الماء بالخصائص التالية التي تم الحصول عليها من تحليل الرسم البياني (i، s):
1) في أي حالة بخار، يؤدي الاختناق دائمًا إلى خفض درجة حرارة بخار الماء؛
2) يصاحب اختناق الأبخرة الرطبة عند ضغوط منخفضة انتقال من حالة ترطيب إلى حالة جافة ثم إلى حالة شديدة السخونة. يتم في البداية ترطيب الأبخرة الرطبة عند الضغوط العالية، ولكنها تشكل أيضًا مرحلة جافة ومسخنة جدًا؛
3) يكون اختناق الأبخرة شديدة السخونة عند ضغوط عالية (إذا كانت درجة حرارة التسخين المفرط منخفضة) مصحوبًا بمرورها عبر عدة مراحل (جافة مشبعة، ورطبة، وجافة، وأخيرًا شديدة السخونة). تتميز الحالة الأخيرة للبخار بانخفاض درجات الحرارة والضغوط. بشكل عام، أثناء الاختناق، تحتفظ الأبخرة شديدة السخونة بحالتها شديدة السخونة إذا كانت ضغوطها مرتفعة في بداية العملية.
عادةً، في مخطط is، تكون عملية الاختناق i 1 = i 2 عبارة عن خط أفقي موجه نحو زيادة الإنتروبيا (بسبب عدم إمكانية الرجوع عن العملية).
ومن المعروف أن ضغط البخار المسخن (وعمله المفيد) يتناقص أثناء عملية التكسير.
والجحيم< a дрос, где а дрос - температурный эффект адиабатного необратимого расширения (т. е. дросселирования), а а ад – эффект адиабатного обратимого расширения. Отсюда при одном давлении موانئ دبيلدينا:
دي تيدروس< dT ад на величину v/cp.
56. انتقال الحرارة عبر جدار كروي
>يجب أن تكون هناك كرة مجوفة ذات نصف قطر داخلي وخارجي، على التوالي r 1 و r 2، معامل التوصيل الحراري أناوهو ثابت. بالنسبة للشروط الحدودية المعطاة من النوع الثالث، سيتم أيضًا تحديد معاملات انتقال الحرارة على أسطح الكرة أ 1و 2ودرجات حرارة البيئات الداخلية والخارجية على التوالي Tl 1 و Tl 2. احتمال أ 1، أ 2سوف تكون ثابتة في الوقت المناسب، ودرجات الحرارة Tl 1، Tl 2 ستكون ثابتة في الوقت المناسب وعلى الأسطح.
في وضع نقل الحرارة الثابت، فإن إجمالي تدفق الحرارة Q المنقول عبر جدار كروي منتظم من وسط ساخن إلى وسط بارد سيكون ثابتًا لجميع الأسطح متساوية الحرارة ويمكن تحديده من خلال ثلاث معادلات.
حيث د 1 ,د 2 – أقطار الكرة الداخلية والخارجية;
أ 1، أ 2معاملات انتقال الحرارة من الوسط الساخن إلى الجدار ومن الجدار إلى الوسط البارد؛
أنا- معامل التوصيل الحراري لمادة الجدار؛
T 1, T 2 – درجات حرارة الجدران الداخلية والخارجية.
حيث د.ت = Tzh 1 – Tzh 2 – الفرق في درجات الحرارة الإجمالية؛
ك ش- معامل انتقال الحرارة للجدار الكروي (W/deg).
الضغط الجزئي لكل غاز موجود في الخليط هو الضغط الذي سيتم إنشاؤه بواسطة نفس كتلة غاز معين إذا احتل الحجم الكامل للخليط عند نفس درجة الحرارة.
في الطبيعة والتكنولوجيا، لا نتعامل في كثير من الأحيان مع غاز نقي واحد فحسب، بل مع خليط من عدة غازات. على سبيل المثال، الهواء عبارة عن خليط من النيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى. على ماذا يعتمد ضغط خليط الغاز؟
وفي عام 1801، أثبت جون دالتون ذلك إن ضغط خليط من عدة غازات يساوي مجموع الضغوط الجزئية لجميع الغازات المكونة للخليط.
كان يسمى هذا القانون قانون الضغوط الجزئية للغازات
قانون دالتون الضغط الجزئي لكل غاز موجود في الخليط هو الضغط الذي سيتم إنشاؤه بواسطة نفس كتلة غاز معين إذا احتل الحجم الكامل للخليط عند نفس درجة الحرارة.
ينص قانون دالتون على أن ضغط خليط الغازات (المثالية) هو مجموع الضغوط الجزئية لمكونات الخليط (الضغط الجزئي للمكون هو الضغط الذي سيمارسه المكون إذا احتل وحده المساحة المحتلة بالكامل بواسطة الخليط). ويشير هذا القانون إلى أن كل مكون لا يتأثر بوجود مكونات أخرى ولا تتغير خصائص المكونات الموجودة في الخليط.
قانون دالتون اثنين
>القانون 1: ضغط خليط الغازات يساوي مجموع ضغوطها الجزئية. ويترتب على ذلك أن الضغط الجزئي لأحد مكونات خليط الغاز يساوي ناتج ضغط الخليط والجزء المولي من هذا المكون.
القانون 2 تتناسب ذوبان أحد مكونات خليط الغاز في سائل معين عند درجة حرارة ثابتة مع الضغط الجزئي لهذا المكون ولا تعتمد على ضغط الخليط وطبيعة المكونات الأخرى.
تمت صياغة القوانين بواسطة J. Dalton resp. في عامي 1801 و1803.
معادلة قانون دالتون
>كما ذكرنا سابقًا، تعتبر المكونات الفردية لخليط الغاز مستقلة. لذلك، كل مكون يخلق الضغط:
\[ p = p_i k T \quad \left(1\right), \]
والضغط الكلي يساوي مجموع ضغوط المكونات:
\[ p = p_(01) ك T + p_(02) ك T + \cdots + p_(i) k T = p_(01) + p_(02) + \cdots + p_(i) \quad \left( 2\يمين)،\]
حيث \(p_i\) هو الضغط الجزئي لمكون الغاز i. هذه المعادلة هي قانون دالتون.
عند التركيزات العالية والضغوط العالية، لا يتحقق قانون دالتون تمامًا. حيث أن هناك تفاعل بين مكونات الخليط. المكونات لم تعد مستقلة. شرح دالتون قانونه باستخدام الفرضية الذرية.
إذا كان هناك مكون في خليط الغازات، فستكون معادلة مندليف-كليبرون على الشكل:
\[ ((p)_1+p_2+\dots +p_i)V=(\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)((\mu )_2)+\dots +\frac(m_i) )((\mu )_i))RT\ \quad \left(3\right), \]
حيث \(m_i\) هي كتل مكونات خليط الغاز، \(\mu )_i\) هي الكتل المولية لمكونات خليط الغاز.
إذا دخلت \(\يسار\langle \mu \يمين\rangle \)بحيث:
\[ \frac(1)(\left\langle \mu \right\rangle )=\frac(1)(m)\left[\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)( (\mu )_2)+\dots +\frac(m_i)((\mu )_i)\right] \quad \left(4\right)، \]
ثم نكتب المعادلة (3) على الصورة:
\[ pV=\frac(m)(\left\langle \mu \right\rangle )RT \quad \left(5\right). \]
يمكن كتابة قانون دالتون على النحو التالي:
\[ p=\sum\limits^N_(i=1)(p_i)=\frac(RT)(V)\sum\limits^N_(i=1)((\nu )_i)\ \quad \left (6\يمين). \]
\[ p_i=x_ip\ \quad \left(7\right), \]
أين \(x_i-molar\ تركيز\ of i-th\)الغاز في الخليط، في حين:
\[ x_i=\frac((\nu )_i)(\sum\limits^N_(i=1)(n_i))\ \quad \left(8\right), \]
حيث \((\nu )_i \) هو عدد مولات الغاز \(i-th \) في الخليط.
تم تعطيل Javascript في متصفحك.لإجراء العمليات الحسابية، يجب عليك تمكين عناصر تحكم ActiveX!
يكون خليط الغاز في حالة توازن إذا كانت تركيزات المكونات ومعلمات حالتها في جميع أنحاء الحجم لها نفس القيم. وفي هذه الحالة تكون درجة حرارة جميع الغازات الموجودة في الخليط هي نفسها وتساوي درجة حرارة الخليط تسم.
في حالة التوازن، تتناثر جزيئات كل غاز بالتساوي في كامل حجم الخليط، أي أن لها تركيزًا محددًا خاصًا بها، وبالتالي ضغطًا خاصًا بها ص أنا، باسكال، وهو ما يسمى جزئي . يتم تعريفه على النحو التالي.
الضغط الجزئي يساوي ضغط مكون معين، بشرط أن يشغل وحده كامل الحجم المخصص للخليط عند درجة حرارة الخليط T سم .
وفقًا لقانون الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي دالتون، الذي تمت صياغته عام 1801، فإن ضغط خليط الغازات المثالية p سم يساوي مجموع الضغوط الجزئية لمكوناته ص أنا :
أين ن– عدد المكونات .
ويطلق على التعبير (2) أيضًا قانون الضغوط الجزئية
3.3. انخفاض حجم أحد مكونات خليط الغاز. قانون أماج
>بحكم التعريف، انخفاض حجم أناالمكون الرابع من خليط الغاز V أنا، m3، هو الحجم الذي يمكن أن يشغله هذا المكون الواحد، بشرط أن يكون ضغطه ودرجة حرارته مساويين لضغط ودرجة حرارة خليط الغاز بأكمله.
ينص قانون الفيزيائي الفرنسي أماج، الذي تمت صياغته حوالي عام 1870، على أن: مجموع الأحجام المخفضة لجميع مكونات الخليط يساوي حجم الخليطV سم :
، م 3. (3)
3.4. التركيب الكيميائي لخليط الغاز
>يمكن تحديد التركيب الكيميائي لخليط الغاز ثلاثة مختلفةطرق.
لنفترض أن خليط الغاز يتكون من n من المكونات. يشغل الخليط الحجم Vسم، م 3، له كتلة مسم، كجم، الضغط صسم، باسكال ودرجة الحرارة تسم، ك. كما أن عدد مولات الخليط هو نسم، الخلد. وفي الوقت نفسه، كتلة واحدة أناالمكون م أنا، كجم، وعدد مولات هذا المكون ν أناالخلد.
ومن الواضح أن:
, (4)
. (5)
باستخدام قانون دالتون (2) وقانون أماج (3) للخليط قيد النظر يمكننا أن نكتب:
, (6)
, (7)
أين ص أنا- الضغط الجزئي أناالمكون الرابع، باسكال؛ V أنا- انخفاض الحجم أناالمكون الرابع، م3.
بشكل لا لبس فيه، يمكن تحديد التركيب الكيميائي لخليط الغاز إما عن طريق الكتلة، أو المول، أو الكسور الحجمية لمكوناته:
, (8)
, (9)
, (10)
أين ز أنا , ك أنا و ص أنا- كسور الكتلة والخلد والحجم أناالمكون الرابع للخليط على التوالي (القيم بدون أبعاد).
ومن الواضح أن:
,
,
. (11)
في كثير من الأحيان، في الممارسة العملية، لا يتم تحديد التركيب الكيميائي للخليط في الكسور أناالمكون الخامس ونسبته.
على سبيل المثال، في هندسة التدفئة، يُفترض تقريبًا أن الهواء الجاف يتكون من 79 بالمائة من النيتروجين و21 بالمائة من الأكسجين.
نسبة مئوية أنا يتم حساب المكون الخامس في الخليط بضرب حصته في 100.
على سبيل المثال مع الهواء الجاف سيكون لدينا:
,
. (12)
أين
و
- أجزاء حجم النيتروجين والأكسجين في الهواء الجاف؛ N 2 و O 2 – تحديد النسبة المئوية لحجم النيتروجين والأكسجين، على التوالي،٪ (المجلد).
ملحوظة:
1)الكسور المولية للخليط المثالي تساوي عدديًا كسور الحجم:ك أنا = ص أنا . دعونا نثبت ذلك.
باستخدام تعريف جزء الحجم(10)وقانون أماج (3) يمكننا أن نكتب:
, (13)
أينV أنا - انخفاض الحجمأناالمكون الرابع، م 3 ; ν أنا - عدد الشاماتأناالمكون ال، مول؛ – حجم مول واحدأناالمكون الرابع عند ضغط الخليط صسم ودرجة حرارة الخليط Tسم ، م 3 /مول.
من قانون أفوجادرو (انظر الفقرة 2.3 من هذا الملحق) يترتب على ذلك أنه عند نفس درجة الحرارة والضغط، يشغل مول واحد من أي غاز (مكون الخليط) نفس الحجم. وعلى وجه الخصوص، في Tسم و صسم سيكون بعض الحجمV 1 ، م 3 .
هذا يسمح لنا بكتابة المساواة:
. (14)
استبدال(14)V(13)نحصل على ما نحتاجه:
. (15)
2)يمكن حساب الكسور الحجمية لمكونات خليط الغاز من خلال معرفة ضغوطها الجزئية. دعونا نظهر ذلك.
دعونا نفكرأنا-المكون الرابع لخليط الغاز المثالي في حالتين مختلفتين: عندما يكون عند ضغطه الجزئي ص أنا ; عندما تحتل حجمها المنخفضV أنا .
معادلة حالة الغاز المثالي صالحة لأي من حالاته، وعلى وجه الخصوص، للحالتين المذكورتين أعلاه.
وعليه، ومع مراعاة تعريف الحجم المعين، يمكننا أن نكتب:
, (16)
,
(17)
أينر أنا – ثابت الغازأناالمكون الرابع للخليط، J/(kg K).
بعد تقسيم كلا الجزأين(16)و(17)على بعضنا البعض نحصل على المطلوب:
. (18)
من(18)ويمكن ملاحظة أنه يمكن حساب الضغوط الجزئية لمكونات الخليط من تركيبه الكيميائي، مع معرفة الضغط الكلي للخليط pسم :
. (19)
من السهل إرسال عملك الجيد إلى قاعدة المعرفة. استخدم النموذج أدناه
>سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.
تم النشر على http://www.allbest.ru/
مقدمة
الهندسة الحرارية هي العلم الذي يدرس طرق الحصول على الحرارة وتحويلها ونقلها واستخدامها، بالإضافة إلى مبادئ التشغيل والميزات التصميمية للمحركات والأجهزة والأجهزة الحرارية. تستخدم الحرارة في جميع مجالات النشاط البشري.
لتحديد الطرق الأكثر عقلانية لاستخدامها، وتحليل كفاءة عمليات عمل المنشآت الحرارية وإنشاء أنواع جديدة وأكثر تقدمًا من الوحدات الحرارية، من الضروري تطوير الأسس النظرية لهندسة التدفئة. هناك اتجاهان مختلفان بشكل أساسي لاستخدام الحرارة - الطاقة والتقنية.
عند استخدامها كطاقة، يتم تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي، حيث يتم إنشاء الطاقة الكهربائية في المولدات الملائمة للنقل عبر مسافة. يتم الحصول على الحرارة عن طريق حرق الوقود في محطات الغلايات أو مباشرة في محركات الاحتراق الداخلي.
في العمليات التكنولوجية، يتم استخدام الحرارة لتغيير خصائص الهيئات المختلفة بشكل هادف (الذوبان، التصلب، تغيير الهيكل، الخواص الميكانيكية والفيزيائية والكيميائية). إن كمية موارد الطاقة المنتجة والمستهلكة هائلة.
الهندسة الحرارية هي مجال تقني عام في تدريب المتخصصين في التخصصات التقنية وتتكون من ثلاثة مواضيع مترابطة: الديناميكا الحرارية التقنية، أسس نظرية انتقال الحرارة، وفيها قوانين تحول وخصائص الطاقة الحرارية وعمليات انتشار الحرارة درس.
الهدف من دورة الهندسة الحرارية هو إعداد مهندس كيميائي تقني لديه المهارات اللازمة لإدارة تصميم وتشغيل الإنتاج الكيميائي الحديث بكفاءة، وهو عبارة عن مجموعة من العمليات التكنولوجية والحرارية ومعدات الطاقة التكنولوجية والحرارية المقابلة. سيساهم هذا التدريب في التنفيذ الناجح للمهام المذكورة أعلاه من قبل خريجي جامعات الهندسة الكيميائية. وستزداد أهمية هذا الإعداد مع إدراج أنواع الطاقة النووية والنووية الحرارية والمتجددة في نطاق أنواع الطاقة المهمة والفعالة من الناحية العملية، لأنه، كما يقول التعبير المعروف، لا يوجد نوع من الطاقة باهظ الثمن مثل الافتقار إليه.
توربينات الغاز الجزئية بالحمل الحراري
السؤال النظري رقم 1
مفهوم خليط الغاز. الضغط الجزئي. قانون دالتون. حجم جزئي. قانون أماج. طرق تحديد مخاليط الغازات. خطر الحريق من المخاليط القابلة للاشتعال مع الهواء
خليط الغازات هو خليط من عدة غازات مثالية لا تدخل في أي تفاعلات كيميائية مع بعضها البعض. تتضمن أمثلة خليط الغاز ما يلي: الهواء الجوي، الذي يتكون من خليط من النيتروجين والأكسجين في الغالب؛ الغاز الطبيعي؛ غاز عادم محركات الاحتراق الداخلي (ICE)، والذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، N2، NO2، O2 وغازات أخرى، والهواء الرطب (بخار الماء) في وحدات التجفيف، وغيرها.
المبدأ الرئيسي الذي يحدد خصائص خليط الغاز هو مبدأ استقلالية عمل الغازات في الخليط، أي أن كل غاز في الخليط يعمل بشكل مستقل عن الغازات الأخرى، ولا يتغير خصائصه ويخضع لجميع قوانين الغاز. بالإضافة إلى ذلك، فإن كل غاز يشغل كامل حجم الخليط وجميع الغازات الموجودة في الخليط لها نفس درجة الحرارة، وخواص خليط الغازات هي مجموع خصائص جميع مكوناته.
ويترتب على ذلك أن مخاليط الغاز تخضع لنفس القوانين والمعادلات التي تخضع لها الغازات المثالية المتجانسة. القانون الأساسي الذي يحدد سلوك خليط الغاز هو قانون دالتون: الضغط الكلي لخليط الغاز من الغازات المثالية يساوي مجموع الضغوط الجزئية لجميع مكوناته:
ر سم= ص 1 + ص 2 + … + ص ن =
حيث P cm هو ضغط خليط الغاز؛ P 1، P 2، P n - الضغوط الجزئية لمكونات الخليط.
كل مكون من الخليط، الذي يشغل كامل حجم الخليط، يكون تحت ضغط جزئي خاص به. أما إذا تم وضع هذا المكون تحت ضغط P cm عند نفس درجة حرارة الخليط T cm، فإنه سيشغل حجمًا أصغر (V i) من حجم الخليط V cm). يسمى هذا المجلد السادس مخفضًا أو جزئيًا.
يتم حساب الضغط الجزئي باستخدام معادلة حالة مكون معين:
لذلك، .
لمقارنة الغازات الموجودة في الخليط من حيث الحجم، تم تقديم مفهوم الحجم الجزئي.
الحجم الجزئي (المخفض) لمكون معين هو الحجم الشرطي الذي سيكون لمكون معين إذا كان وحده عند درجة حرارة وضغط الخليط. العلاقة بين حجم خليط الغاز والأحجام الجزئية للغازات الفردية في الخليط تعكس قانون أماج (قانون الجمع): الحجم الإجمالي لخليط الغاز يساوي مجموع الأحجام الجزئية لمكوناته:
V سم= V 1 + V 2 +...+ V ن = .
لحساب الحجم الجزئي نكتب معادلتين لحالة أي غاز يدخل في الخليط:
الأول هو عندما يكون للغاز ضغط جزئي ر 1 ، يشغل كامل حجم الخليط V سملديها درجة حرارة الخليط ت سم:
ر 1 V سم=م 1 ر 1 ·ت سم؛
الثاني - عندما يكون للغاز حجم منخفض Vi عند الضغط P cm ودرجة حرارة الخليط T cm:
ر سمV 1 =م 1 ر 1 ·ت سم.
بقسمة المعادلة الأولى على الثانية، نحصل على معادلات حالة المكون
حيث P cm و V cm هما ضغط وحجم الخليط؛ P i و Vi هما ضغط وحجم المكون i.
من هنا نعبر عن الحجم الجزئي للمكون:
تعتمد خصائص خليط الغاز على تركيبته، والتي يمكن تحديدها من خلال الكتلة والحجم والكسور المولية.
الكسر الشاملمكون الخليط g i هي قيمة تساوي نسبة كتلة المكون إلى كتلة الخليط بأكمله:
حيث m i هي كتلة هذا المكون؛ m cm هي كتلة الخليط بأكمله الذي يحتوي على n من المكونات.
بما أن كتلة الخليط m تساوي مجموع كتل جميع المكونات:
فإن مجموع كسور الكتلة يساوي:
بمعرفة أجزاء الكتلة من الغازات الفردية الموجودة في الخليط، من الممكن تحديد ضغوطها الجزئية
لذلك
غالبًا ما يتم تحديد الكسور الجماعية كنسب مئوية. على سبيل المثال، للهواء الجاف: g(N 2) = 77%؛ ز(يا2) = 23%.
جزء الحجممكون الخليط r i هي قيمة تساوي نسبة الحجم الجزئي للمكون إلى حجم الخليط:
أين V أنا- الحجم الجزئي لمكون معين؛ V سم- حجم الخليط كله.
بما أن حجم المخلوط يساوي مجموع الحجوم الجزئية للمكونات فإن مجموع الكسور الحجمية يساوي: .
يتم تحديد كسور الحجم كنسب مئوية. على سبيل المثال، بالنسبة للهواء: r(N 2) = 79%؛ ص(يا 2) = 21%.
جزء الخلدمكون الخليط x i هي قيمة تساوي نسبة عدد مولات هذا المكون إلى إجمالي عدد مولات الخليط:
بما أن العدد الإجمالي لمولات الخليط يساوي مجموع أعداد مولات كل مكون فمن الواضح أن:
وفقًا لقانون أفوجادرو، فإن أحجام المول من أي غاز عند نفس الضغط ودرجة الحرارة، وخاصة عند درجة حرارة وضغط الخليط، تكون هي نفسها في حالة الغاز المثالي. لذلك، يمكن حساب الحجم المخفض لأي مكون على أنه حاصل ضرب حجم المول V ممن خلال عدد مولات هذا المكون، أي. V أنا = V من, وحجم الخليط حسب الصيغة V = V من.
ولذلك فإن تحديد الغازات الموجودة في الخليط بالكسور المولية يساوي تحديد الكسور الحجمية لها.
يمكن إيجاد العلاقة بين الكتلة والكسر المولي من المعادلة:
ونتيجة لذلك، لدينا العلاقات التالية:
في المعادلات الناتجة م سم- متوسط الوزن الجزيئي (الظاهري) لخليط غاز معين، أي الوزن الجزيئي لمثل هذا الغاز المتجانس الشرطي، والذي يشبه في خصائصه خليط غاز معين.
وعلى هذا الأساس فإن القيمة م سميتحدد من خلال تكوين الخليط على النحو التالي:
منذ النسبة:
إضافة التبعيات للحجم ز أنالجميع مكونات خليط الغاز لدينا:
بعد التحويلات نحصل على:
يمكن اعتماد معادلة الحالة لخليط الغاز للأسباب التالية. يترتب على مبدأ الاستقلال أنه إذا كان كل غاز في الخليط، بشكل مستقل عن الآخرين، يخضع لمعادلة الحالة، فيمكن اعتبار الخليط بأكمله بمثابة غاز متجانس واحد له خصائصه الخاصة، والذي يخضع أيضًا لمعادلة الحالة ، أي.
أين ر سم.- متوسط ثابت الغاز الظاهر للخليط، محدداً على أساس متوسط الوزن الجزيئي للخليط:
ضخامة ر سم.يمكن العثور عليها أيضًا من تركيبة الخليط بعد استبدال التبعيات بـ م سم:
وبجمع جميع المكونات نحصل على:
المجموع على الجانب الأيسر من المعادلة يساوي حجم الخليط. قسمة طرفي المعادلة على كتلة الخليط منحصل عليها
يمثل المجموع الموجود على الجانب الأيمن من المعادلة ثابت الغاز للخليط:
تكون بعض الغازات والأبخرة الموجودة في مخاليط معينة مع الهواء قابلة للانفجار. يتم تحديد خطر الحريق لمخاليط الغاز من خلال تركيز الغازات القابلة للاشتعال أو الأبخرة أو الغبار في الخليط. عند الحد الأدنى للتركيز القابل للاشتعال (LCFL)، توجد كمية صغيرة من الوقود والهواء الزائد في الخليط. ومع زيادة تركيز الوقود يظهر نقص الهواء في الخليط مما يؤدي إلى فقدان القدرة على الاشتعال.
ولا يمكن أن يحدث انفجار مخلوط إلا عند نسب معينة من الغازات القابلة للاشتعال المتضمنة في المخلوط مع الهواء أو الأكسجين، وتتميز بحدود انفجارية دنيا وعليا. عند اختيار تركيبة الخليط تؤخذ حدود الانفجار بعين الاعتبار. على سبيل المثال، يكون خليط الهواء والميثان متفجرًا عندما يحتوي على 5.3-14.9% CH4، ويكون خليط الهواء والأمونيا متفجرًا عندما يحتوي على 14.0-27% NH3. وبالتالي، فإن خليط الغاز المستخدم في الإنتاج، والذي يحتوي على 12-13% CH4 و11-12% MN3، مقاوم للانفجار في الهواء. ومع ذلك، فإن هذا الخليط الأولي قريب من حدود الانفجار، ولمنع حدوث انتهاك محتمل للتكوين، يتم توفير التنظيم التلقائي لنسبة الغاز. للحصول على السلامة الكاملة، يتم إضافة النيتروجين إلى الخليط الأولي.
السؤال النظري رقم 2
دورات التوربينات الغازية
وحدات التوربينات الغازية (GTU) هي أجهزة طاقة حرارية يكون فيها سائل العمل عبارة عن منتجات غازية لاحتراق الوقود (أو غازات أخرى يتم تسخينها بطريقة أو بأخرى)، والمحرك العامل عبارة عن توربينات غازية. تصنف توربينات الغاز على أنها محركات احتراق داخلي. وهي تختلف عن محركات الاحتراق الداخلي المكبسية في أنها تؤدي عملاً مفيدًا بسبب الطاقة الحركية للغاز المتحرك بسرعة عالية.
تتمتع الوحدات التوربينية الغازية بعدد من المزايا الفنية والاقتصادية مقارنة بالمحركات المكبسية، وهي:
وزن أخف وأبعاد تركيب صغيرة مع طاقة عالية؛
عدم وجود آلية قضيب الكرنك.
توحيد السكتة الدماغية وإمكانية الاتصال المباشر مع مستهلكي العمل - المولدات الكهربائية، وضواغط الطرد المركزي، وما إلى ذلك؛
سهولة الصيانة
تنفيذ دورة ذات تمدد كامل وبالتالي بكفاءة حرارية عالية؛
إمكانية استخدام أنواع رخيصة من الوقود (الكيروسين).
هذه المزايا التي تتمتع بها توربينات الغاز ساهمت في انتشارها في العديد من مجالات التكنولوجيا.
تم تطوير تصميم أول توربين غازي بواسطة المهندس الميكانيكي للأسطول الروسي P.D. كوزمينسكي عام 1897. كان مخصصًا لقارب صغير. ومن السمات المميزة لهذه التوربينة عملها ببخار الماء الذي يتم حقنه في غرفة الاحتراق لخفض درجة حرارة الغازات الموجودة أمام التوربين.
أصبح الاستخدام الواسع النطاق لوحدات التوربينات الغازية ممكنًا فقط بعد حل مشكلتين رئيسيتين: إنشاء ضاغط غاز بكفاءة عالية (ضاغط توربيني) وإنتاج سبائك معدنية جديدة مقاومة للحرارة قادرة على التشغيل طويل الأمد عند درجات حرارة تتراوح بين 650 و 750 درجة مئوية. ج وما فوق .
يعتمد تشغيل محطات توربينات الغاز على دورات مثالية تتكون من أبسط العمليات الديناميكية الحرارية. تعتمد الدراسة الديناميكية الحرارية لهذه الدورات على افتراضات مشابهة لدورات محرك الاحتراق الداخلي، وهي: الدورات قابلة للعكس، ويتم توفير الحرارة دون تغيير التركيب الكيميائي لسائل العمل في الدورة، ويفترض أن إزالة الحرارة قابلة للعكس، وهناك لا توجد خسائر هيدروليكية وحرارية، سائل العمل هو غاز مثالي ذو سعة حرارية ثابتة. على عكس محركات الاحتراق الداخلي المكبسية، حيث يتم تنفيذ عمليات الضغط وإمداد الحرارة والتمدد في نفس الأسطوانة، في وحدات توربينات الغاز، تحدث هذه العمليات في عناصر مختلفة من التثبيت، حيث يدخل تدفق سائل العمل بالتتابع. يمكن أن تعمل توربينات الغاز باحتراق الوقود عند ضغط ثابت وحجم ثابت. تنقسم الدورات المثالية المقابلة إلى دورات:
مع إدخال الحرارة عند ضغط ثابت ( ف = ثابت) - دورة برايتون؛
مع إدخال الحرارة بحجم ثابت ( ضد = const) - دورة همفري؛.
دورة مع استعادة الحرارة.
تلقت الدورة ذات الإمداد الحراري عند ضغط ثابت أكبر تطبيق عملي.
ص= ثابت(دورة برايتون)
يظهر الرسم التخطيطي لوحدة توربينات الغاز، التي يحدث فيها احتراق الوقود عند ضغط ثابت، في الشكل 1، ويتم عرض الدورة العكسية التي يتم تنفيذها فيها في المخططات الكهروضوئية وTs في الشكل 1.1. في هذا التثبيت، يدخل الهواء الجوي من البيئة، الذي له ضغط p 1 ودرجة حرارة T 1، إلى مدخل الضاغط (1)، الذي يدور على نفس عمود التوربينات الغازية (4). في الضاغط، يتم ضغط الهواء بشكل ثابت الحرارة ( 1-2 ) إلى الضغط p 2 حيث يتم إمداده إلى غرفة الاحتراق (3) حيث يدخل الوقود الغازي أو السائل. هنا، عند الضغط المستمر، يحدث احتراق الوقود عند ع =شرحه (2-3 ) ونتيجة لذلك ترتفع درجة حرارة منتجات الاحتراق الغازي الناتجة إلى القيمة T 3 . عند درجة الحرارة والضغط p 3 = p 2 يدخل الغاز إلى التوربين (4)، حيث مع التمدد الأدياباتي ( 3-4 ) ما يصل إلى الضغط الجوي ص 1 ينفذ العمل، الذي ينفق جزء منه على تشغيل الضاغط، والآخر على تشغيل المولد الذي يولد الكهرباء. من التوربين (4)، يتم إطلاق الغاز عند الضغط p 4 = p 1 إلى الغلاف الجوي المحيط ( 4-1 )، ويتم أخذ الهواء النظيف الجديد إلى الضاغط من الغلاف الجوي.
يتم قبول ما يلي كمعلمات محددة للدورة المثالية:
نسبة زيادة ضغط الهواء أو (نسبة الضغط) ؛
درجة ما قبل التوسع.
المؤشر الديناميكي الحراري الرئيسي لكفاءة الدورة هو كفاءتها الحرارية
وكمية الحرارة المزالة - حسب الصيغة
ثم الكفاءة الحرارية للدورة
وعادة ما يتم التعبير عنها كدالة لدرجة زيادة الضغط y. بالنسبة للأدياباتيك 1 - 2 لدينا:
للأيزوبار 2 - 3
للحرارة الأدياباتيكية 3 - 4
باستبدال درجات الحرارة التي تم الحصول عليها T 2 و T 3 و T 4 في معادلة الكفاءة الحرارية، نحصل عليها
يستنتج من الصيغة أن الكفاءة الحرارية لوحدة توربينات الغاز ذات الإمداد الحراري عند ضغط ثابت تعتمد على درجة زيادة الضغط y ومؤشر الأديباتيك k، الذي يزداد مع زيادة هذه القيم.
تخضع للتبعية
وبالتالي، لنفس سائل العمل، زيادة في الدرجة
يؤدي الضغط دائمًا إلى زيادة الكفاءة.
عمل الدورة:
على الرغم من أن الزيادة في درجة الزيادة في ضغط الهواء لها تأثير مفيد على كفاءة تركيب التوربينات الغازية، إلا أن الزيادة في هذه القيمة تؤدي إلى زيادة درجة حرارة الغازات أمام ريش التوربينات. قيم درجة الحرارة هذه محدودة بالمقاومة الحرارية للسبائك التي تصنع منها الشفرات. حاليًا، الحد الأقصى لدرجة حرارة الغاز المسموح بها أمام التوربين هو 800 - 1000 درجة مئوية، ولا يمكن تحقيق زيادة أخرى في درجة الحرارة إلا من خلال استخدام مواد جديدة مقاومة للحرارة وإدخال تصميمات التوربينات ذات الشفرات المبردة.
مخطط ودورة وحدة توربينات الغاز مع إمدادات الحرارة فيV= ثابت (دورة همفري)
في وحدة توربينات الغاز التي تعمل في دورة مع إمداد بالحرارة بحجم ثابت (V=const)، تتم عملية احتراق الوقود من خلال صمامات السحب والعادم المغلقة المثبتة في غرفة الاحتراق. يقوم الضاغط 1، الذي يعمل بواسطة التوربين 6، بتزويد الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق 4 من خلال صمام يتم التحكم فيه 7. ويقع الصمام الثاني 5 في نهاية غرفة الاحتراق وهو مصمم لإطلاق منتجات الاحتراق إلى التوربين. يتم توفير الوقود إلى غرفة الاحتراق عن طريق المضخة رقم 2 الموجودة على عمود التوربين من خلال فوهة. يجب أن يتم إمداد الوقود بشكل دوري عن طريق صمام الوقود 3.
مع زيادة الضغط، يفتح الصمام رقم 5 وتدخل منتجات الاحتراق إلى جهاز الفوهة وعلى شفرات التوربينات 6. عند المرور عبر شفرات التوربينات، يعمل الغاز ويتم إطلاقه في البيئة.
تتكون دورة هذا التثبيت من ضغط ثابت الحرارة في الضاغط ( أ-ج); إمدادات الحرارة في ضد= ثابت(ج-ض); التوسع الأديباتي للغاز في التوربينات ( ض-ه); انتقال متساوي الضغط للحرارة عن طريق الغاز إلى الهواء المحيط ( ه-أ). يتم عرض الدورة الديناميكية الحرارية في إحداثيات pv وTs في الشكل 2.1. المعلمات الرئيسية للدورة هي:
درجة زيادة الضغط في الضاغط.
درجة زيادة الضغط isochoric.
يتم تحديد كفاءة دورة توربينة الغاز مع إمداد الحرارة بحجم ثابت على النحو التالي:
يتم تحديد معلمات الغاز عند النقاط المميزة للدورة من خلال درجة الحرارة الأولية Ta من العلاقات:
باستبدال هذه التعبيرات لدرجات الحرارة في صيغة الكفاءة الحرارية، نحصل على:
وبالتالي، فإن قيمة الكفاءة في وحدة توربينية غازية ذات مدخلات حرارية بحجم ثابت تعتمد على درجة زيادة الضغط في الضاغط وعلى درجة زيادة الضغط في غرفة الاحتراق، والتي تعتمد على كمية الحرارة المدخلة ( س 1 ) في عملية متساوية.
يتم تحديد العمل المحدد لكل دورة:
مقارنات بين الدورات مع مدخلات الحرارة عند ع = ثابتو ضد= ثابتفيما يبدو أنه عند نفس درجة زيادة الضغط ونفس كمية الحرارة المزالة، تكون الدورة ذات الإمداد الحراري بحجم ثابت أكثر ربحية من الدورة ذات الإمداد الحراري عند ضغط ثابت. ويرجع ذلك إلى درجة التوسع الأكبر في الدورة ضد = ثابت، وبالتالي قيم الكفاءة الحرارية العالية. على الرغم من هذه الميزة، فإن الدورة ذات الإمداد الحراري بحجم ثابت لم تجد تطبيقًا واسعًا في الممارسة العملية بسبب تعقيد تصميم غرفة الاحتراق وتدهور التوربين في تدفق الغاز النابض، على الرغم من استمرار العمل على تحسين هذه الدورة.
نظرًا للتصميم المعقد لغرفة الاحتراق، نادرًا ما يتم استخدام دورة توربينات الغاز ذات الإمداد الحراري المتساوي، على الرغم من أنها زادت كفاءتها مقارنة بدورة برايتون.
دورة GTU مع استعادة الحرارة
أحد التدابير لزيادة الكفاءة الحرارية لمحطات توربينات الغاز هو استخدام استرداد الحرارة. يتضمن استرداد الحرارة استخدام الحرارة الناتجة عن غازات العادم لتسخين الهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق. تجديد الحرارة ممكن بشرط أن يكون T 4 > T 2. للقيام بذلك، يتم إدخال جهاز إضافي في دائرة التثبيت - مبادل حراري.
يظهر الشكل 3 الرسم التخطيطي لتركيب توربين غاز مع احتراق عند P = const مع استرداد الحرارة. الفرق بين تركيب توربين غاز مع استرداد الحرارة والتركيب بدون تجديد هو أن الهواء المضغوط لا يدخل من الضاغط 1 مباشرة إلى الاحتراق الغرفة 4، ولكنها تمر أولاً عبر مُجدد الهواء - المبادل الحراري 3، حيث يتم تسخينه بواسطة حرارة غازات العادم. وبناء على ذلك، فإن الغازات الخارجة من التوربين، قبل أن تتسرب إلى الغلاف الجوي، تمر عبر جهاز تجديد الهواء، حيث يتم تبريدها، وتسخين الهواء المضغوط. وهكذا، فإن جزءًا معينًا من الحرارة التي كانت غازات العادم تحملها سابقًا إلى الغلاف الجوي، أصبح الآن مفيدًا.
يظهر الشكل 1 دورة محطة توربينات الغاز مع التجديد وإمدادات الحرارة متساوية الضغط في المخططات P،v - و T، s.
أرز. 1 رسم تخطيطي حراري لوحدة توربينية غازية مع استرداد الحرارة
تتكون الدورة قيد النظر من عملية ضغط الهواء الأدياباتي في الضاغط 1 - 2، العملية 2 - 5، وهي عبارة عن تسخين متساوي الضغط للهواء في المجدد، عملية متساوية الضغط 5 - 3، تتوافق مع إمداد الحرارة في غرفة الاحتراق بسبب احتراق الوقود، عملية تمدد ثابت الحرارة للغازات 3 - 4 في التوربين، تبريد متساوي الضغط لغازات العادم في المجدد 4 - 1.
كمية الحرارة التي يتم توفيرها لسائل العمل في عملية متساوية الضغط
وما يتم سحبه بعملية متساوية الضغط
استبدال q 1 و |q 2 | في النسبة الإجمالية
سوف نحصل عليه.
يتم تحديد درجات الحرارة عند النقاط الرئيسية للدورة:
الكفاءة الحرارية لدورة التوربينات الغازية مع مدخلات الحرارة عند R = ثابتويعتمد التجدد الكامل على درجة الحرارة الأولية T 1 ودرجة الحرارة عند نهاية التمدد الأديباتي T 4 .
في الظروف الحقيقية، لا يتم نقل حرارة التجديد بالكامل، لأن المبادلات الحرارية ليست مثالية. تعتمد الكفاءة الحرارية للدورة على درجة التجديد. درجة التجديد هي نسبة كمية الحرارة المنقولة إلى الهواء الذي يستقبله الهواء المضغوط في المجدد إلى كمية الحرارة التي يمكن أن يستقبلها إذا تم تسخينه من T 2 إلى T 5 = T 4 عند مخرج توربين الغاز .
الكفاءة الحرارية لدورة توربينات الغاز مع التجديد غير الكامل، أي. في ص<1, определяется следующим образом
يتم تحديد درجة التجديد من خلال جودة ومساحة أسطح عمل المبادل الحراري (المجدد).
حاليًا، تُستخدم توربينات الغاز هذه في المنشآت الثابتة نظرًا للوزن الكبير وأبعاد المجدد، على سبيل المثال، كمحطات طاقة للسفن.
المهمة رقم 1
حدد التركيب الحجمي والوزن الجزيئي وثابت الغاز وحجم الخليط إذا كان تركيبه الكتلي كما يلي: البروبان - 48.7٪، البيوتان - 16.8٪، الهكسان - 14.6٪، الإيثيلين - 4.7٪، النيتروجين - 15.2٪. يبلغ ضغط الخليط 3 بار، وتكون كتلة الخليط ودرجة حرارته متساويتين على التوالي
|
الوزن، كجم |
درجة الحرارة، 0 درجة مئوية |
|
|
C4H10 = 16.8% C6H14 = 14.6% ج 2 ح 4 = 4.7% ف سم = 3 بار ر سم = 17 0 ج |
ز ط (ج 3 ح 8) = 0.487 ز ط (ج 4 ح 10) = 0.168 ز ط (ج 6 ح 14) = 0.146 ز ط (ج 2 ح 4) = 0.047 ز ط (ن 2) = 0.152 ف سم = 3 10 5 باسكال |
ابحث عن: i - ؟، M سم - ؟،
ص سم - ؟، سم الخامس - ؟
1. باستخدام البيانات المرجعية، نحدد الأوزان الجزيئية للمكونات:
M(C3H8) = 44 كجم/كمول؛
M(C 4 H 10) = 58 كجم/كمول؛
M(C6H14) = 86 كجم/كمول؛
M(C2H4) = 28 كجم/كمول؛
م(ن2) = 28 كجم/كمول.
2. دعونا نحسب ثوابت الغازات باستخدام قيمة ثابت الغاز العالمي R = 8.314 kJ/kmol K:
R(C3H8) = 0.18895 كجول/كجم ك = 188.9 جول/كجم ك؛
R(C 4 H 10) = = 0.1433 كجول/كجم ك = 143.3 جول/كجم ك؛
R(C 6 H 14) = = 0.09667 كجول/كجم ك = 96.7 جول/كجم ك؛
R(C 2 H 4) = 0.2969 كيلوجول/كجم ك = 296.9 جول/كجم ك؛
R(N 2) = = 0.2969 كيلوجول/كجم ك = 296.9 جول/كجم ك.
3. دعونا نحدد ثابت الغاز للخليط:
ر سم= ?(ز أنا ر أنا)
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 + 45.13 = 189.43 جول / كجم ك.
4. دعونا نحدد الكسور الحجمية للمكونات الموجودة في الخليط:
حيث R cm هو ثابت الغاز للخليط، J/(kg K);
R i هو ثابت الغاز للمكونات الفردية الموجودة في الخليط J/(kg K).
5. احسب الوزن الجزيئي للخليط:
م سم = 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 كجم / كمول.
6. احسب حجم خليط الغاز معبرا عنه بمعادلة كلايبيرون:
رV = م ر ت,
م3/كجم.
الجواب: ص(ج 3 ح 8) - 48.8%؛ ص(ج 4 ح 10) -12.7%؛
ص(ج 6 ح 14) - 7.4%؛ م سم - 44 كجم/كمول.
ص(ج 2 ح 4) - 7.3%؛ ص سم - 189.43 جول/كجم ك.
ص(ن 2) - 23.8%؛ سم الخامس - 1.648 م3 /كجم.
المشكلة رقم 2
يحتوي خليط الغاز في المفاعل على التركيبة الحجمية التالية: أول أكسيد الكربون = 14%، النيتروجين = 6%، الأكسجين = 75%، بخار الماء = 5% ويتم تسخينه من t1 إلى t2. تحديد كمية الحرارة الموردة لخليط الغاز. اقبل اعتماد السعة الحرارية على درجة الحرارة وفقًا لخيارك
|
ثابت |
|
بخار H2O = 5% |
ص(H2O) البخار = 0.05 |
البحث عن : س - ؟
1. وفقا لظروف المشكلة يترتب على ذلك أن اعتماد السعة الحرارية على درجة الحرارة ثابت، أي أنها لا تعتمد على درجة الحرارة، وبالتالي يتم تحديد السعة الحرارية بالصيغة:
حيث C هي السعة الحرارية للغاز، kJ/kmol K؛
M i هو الوزن الجزيئي للمكون، جم/كمول.
للغازات ثنائية الذرة (النيتروجين والأكسجين) C ضد = 20.93 كيلو جول/كمول كلفن لبخار الماء والغازات المتعددة الذرات الأخرى C ضد = 25 كيلوجول/كمول ك.
دعونا نحسب السعات الحرارية للمكونات:
كيلوجول / كمول ك؛
كيلوجول / كمول ك؛
كيلوجول / كمول ك؛
كيلوجول/كمول ك.
دعونا نحسب السعة الحرارية الإجمالية لخليط الغاز:
C سم = 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 كيلوجول/كمول ك.
2. احسب كمية الحرارة عند السعة الحرارية الثابتة باستخدام الصيغة:
س = مولودية ضد(ت 2 - ت 1 )
س = 4 0.7094(1073 - 423) = 2.8376 650 = 1844.44 ج.
الجواب: س = 1844.44 ج.
المهمة رقم 3
يعمل الهواء في دورة مع مصدر حرارة متساوي. حدد معلمات الدورة عند النقاط المميزة والعمل المفيد للدورة إذا كانت كتلة الهواء والضغط الأولي ودرجة الحرارة الأولية ونسبة الضغط وكمية الحرارة المقدمة أثناء الاحتراق متساوية على التوالي
|
ف 1 = 9 10 3 باسكال |
البحث عن : أ = ؟
تتكون الدورة ذات الإمداد الحراري المتساوي (دورة أوتو) من اثنين من الأديابات واثنين من الأيزوكور. خصائص الدورة هي:
نسبة الضغط - ;
درجة زيادة الضغط - ;
يتم تحديد كمية الحرارة الموردة والمزالة بواسطة الصيغ:
يتم تحديد عمل الدورة من خلال:
1. دعونا نحدد معالم الدورة عند النقاط المميزة.
أ) لنحدد المعلمات عند النقطة 1.
ف 1 = 90 10 3 باسكال؛ تي 1 = 298 ك؛ م هواء = 28.97 كجم/كمول.
ثابت غاز الهواء هو
لنحسب الحجم المحدد للهواء V 1 بالتعبير عنه من معادلة Clayperon:
ب) دعونا نحدد المعلمات عند النقطة 2.
نسبة الضغط هي
ومن ثم م 3 / كغ.
من المعادلة الأديباتية (العملية 1-2 - الضغط الأديباتي) نعبر عن درجة الحرارة
حيث k هو المؤشر الأدياباتي (بالنسبة للهواء فهو 1.4).
تم العثور على الضغط P 2 من التعبير
ج) دعونا نحدد المعلمات عند النقطة 3.
بما أن 2 - 3 هو متساوي النواة، فإن V 3 = V 2 = 0.7125 م 3 /كجم.
يتم تحديد درجة الحرارة عند النقطة 3 من العلاقة
بأخذ Ms v = 20.98 كيلوجول/كجم K، M (هواء) = 28.97 كجم/كمول، نحصل على
لذلك،
يتم تحديد الضغط P 3 من العلاقة
د) دعونا نحدد المعلمات عند النقطة 4.
V 4 = V 1 = 2.85 م3 /كجم.
من هنا نعبر عن الضغط عند النقطة 4
2. تحديد العمل المفيد للدورة.
دعونا نحسب كمية الحرارة التي تمت إزالتها:
العمل المفيد في الدورة هو
إجابة: ل نهاية الخبر= 680.56 كيلوجول.
المشكلة رقم 4
ابحث عن أعلى نسبة ضغط في دورة ذات مصدر حرارة متساوي، إذا كان من المعروف أن الضغط الأولي هو 100 كيلو باسكال، والأس الأديابي هو 1.3، ودرجة الحرارة الأولية ودرجة حرارة الاشتعال الذاتي للخليط القابل للاحتراق هي:
|
ر نفسها = 430 0 ج |
ف 1 = 10 10 3 باسكال |
نظرًا لحدوث إمداد حراري متساوي، فإننا نعبر عن درجة الضغط من المعادلة الأديباتية:
دعونا نحسب نسبة الضغط:
الجواب: نسبة الضغط؟ الحد الأقصى في دورة مع إمدادات الحرارة المتساوية هو 26.9. كلما زادت نسبة الضغط، زادت كفاءة الدورة.
المهمة رقم 5
يتدفق الهواء من الخزان. أوجد قيمة الضغط المتوسط الذي تكون عنده السرعة النظرية للتدفق الأديباتي مساوية للسرعة الحرجة وحجم هذه السرعة إذا كان الضغط الأولي ودرجة الحرارة متساويين على التوالي
|
ف 1 = 5 10 6 باسكال |
أوجد : ف 2 = ؟
الهواء هو غاز ثنائي الذرة، وبالتالي فإن القيمة الحرجة للهواء هي 0.528.
من العلاقة نعبر ونوجد ضغط الوسط P2 :
لنحدد قيمة b ونقارنها بالقيمة الحرجة للهواء: 0.528 = 0.528.
منذ تدفق ثابت الحرارة من الغاز يحدث في؟ في kr، فإن سرعة تدفق الغاز النظرية ستكون مساوية للسرعة الحرجة ويتم تحديدها بواسطة الصيغة
الجواب: ف 2 = 2.64 10 6 باسكال؛ ث كر= 321 م/ث.
السؤال النظري رقم 3
نقل الحرارة بالحمل مع حركة السوائل القسرية. انتقال الحرارة أثناء الحركة القسرية للسائل عبر القنوات.
إن نقل الحرارة بالحمل الحراري هو عملية مشتركة بين الحمل الحراري والتوصيل الحراري، لأنه عندما يتحرك السائل أو الغاز، تتلامس حتما الجزيئات الفردية ذات درجات الحرارة المختلفة.
يسمى التبادل الحراري بالحمل بين تدفق السائل أو الغاز وسطح الجسم الصلب بالحمل الحراري، والذي
غالبًا ما يكون مصحوبًا بنقل الحرارة عن طريق الإشعاع.
اعتمادا على السبب الذي يسبب حركة السائل، يتم تمييز نوعين من الحركة: الحر (الحمل الحراري الطبيعي) والقسري (الحمل القسري).
تحدث حرية الحركة بسبب اختلاف كثافات جزيئات السوائل الساخنة والباردة، مما يسبب ظهور قوة الرفع. تسخن جزيئات السائل الملامسة لسطح الجسم الساخن وتصبح أخف من الجسيمات الباردة التي فوقها. هذا الترتيب للجسيمات غير مستقر: تميل الجسيمات الباردة إلى النزول وإزاحة الجسيمات الساخنة الأخف، والتي يجب أن تقوم بحركة تصاعدية نحو الجسيمات الباردة الهابطة. تنشأ حركة فوضوية معقدة تصطدم فيها التيارات الصاعدة والهابطة. كلما زادت الحرارة المنقولة، زادت كثافة الحركة الحرة للسائل. تتناسب كمية الحرارة المنقولة مع سطح الجسم والفرق في درجة الحرارة بين السطح المطلق للحرارة (أو المستقبل للحرارة) والسائل. يحدد اختلاف درجة الحرارة قوة الرفع للحركة، ويحدد السطح منطقة توزيع عملية التبادل الحراري.
تحدث الحركة القسرية تحت تأثير القوة على السائل من الخارج - مضخة، ريح، مروحة، ضاغط، قاذف، إلخ. في هذه الحالة، يتم إنشاء اختلاف في ضغط السائل عند مدخل ومخرج القناة التي يتم من خلالها التحركات السائلة. يتم تحديد القوة الدافعة بشكل أساسي من خلال فرق الضغط. تعتمد شدة التبادل الحراري أثناء الحركة القسرية للسائل على سرعة حركته ونوع السائل وخصائصه الفيزيائية ودرجة حرارته وشكل وحجم القناة التي يحدث فيها التبادل الحراري.
تقتصر شدة عملية نقل الحرارة بالحمل الحراري على عملية التوصيل الحراري عند حدود السائل مع سطح صلب وفي الطبقة الحدودية لجزيئات السائل الثابتة نسبيًا المتاخمة للسطح الصلب. يمكن زيادة شدة انتقال الحرارة بالحمل الحراري عن طريق زيادة سرعة حركة السوائل بالنسبة للسطح الصلب، مما يساعد على تقليل سمك الطبقة الحدودية. تتضمن هذه العملية مرحلتين ونوعين من نقل الطاقة الحرارية:
نقل الطاقة الحرارية عن طريق الحمل الحراري في حجم السائل أو الغاز؛
نقل الطاقة الحرارية عن طريق التوصيل الحراري في طبقة رقيقة بطيئة الحركة من السائل أو الغاز متاخمة مباشرة لجدار صلب وتسمى الطبقة الحدودية أو الطبقة الفرعية الصفائحية؛
يتم نقل الحرارة عن طريق التوصيل الحراري من خلال الاتصال المباشر لجزيئات السائل أو الغاز مع جزيئات جدار صلب مباشرة على حدود السطح الصلب.
وبناء على الأحكام السابقة تم الحصول على المعادلة الأساسية لانتقال الحرارة بالحمل والتي تسمى معادلة نيوتن-ريتشمان:
حيث q هو التدفق الحراري النوعي أثناء التبادل الحراري بالحمل الحراري، W/m2؛
س - إجمالي تدفق الحرارة، W؛
F - سطح التبادل الحراري الحراري، M2؛
ل ث - معامل التوصيل الحراري للسائل (الغاز) في الطبقة الحدودية، W/m 2 K؛
د ملاحظة. - سمك الطبقة الحدودية للسائل (الغاز) المتاخمة لسطح التبادل الحراري، م؛
ب - معامل انتقال الحرارة الذي يميز ظروف التبادل الحراري بين السائل والجدار الصلب W/m 2 K.
معامل انتقال الحرارة ب -السمة الرئيسية لعملية نقل الحرارة بالحمل الحراري وهي وظيفة معقدة لعدد كبير من الكميات المستقلة التي تميز هذه الظاهرة.
إحدى المهام الرئيسية لنقل الحرارة بالحمل الحراري هي تحديد معامل نقل الحرارة في ظل ظروف محددة. عادة ما يكون التحديد التحليلي لمعامل نقل الحرارة مستحيلاً لأنه وتعتمد قيمته على العديد من المتغيرات: معلمات العملية والثوابت الفيزيائية والأبعاد الهندسية والشروط الحدودية. يتم تحديد معامل انتقال الحرارة باستخدام الصيغ التجريبية، والتي يتم تجميعها في شكل معياري وفقا لقواعد نظرية التشابه. تعتبر عمليتان لنقل الحرارة بالحمل الحراري متشابهتين إذا كانت جميع المعلمات التي تميز نقل الحرارة بالحمل متشابهة.
لتبسيط عملية إنشاء التشابه، يتم استخدام مجمعات المعلمات الفيزيائية بدون أبعاد - الأرقام أو معايير التشابه. هناك العديد من أرقام التشابه. لنقل الحرارة بالحمل الحراري
استخدم أرقام التشابه الخمسة التالية
رقم رينولدزيميز نظام تدفق السائل أو الغاز ويعبر عن نسبة قوى القصور الذاتي (ضغط السرعة) إلى قوى الاحتكاك اللزج:
أين ث- متوسط سرعة السائل أو الغاز، م/ث؛
ل- الحجم المميز، م؛
ضد- معامل اللزوجة الحركية م 2 / ث.
عند أرقام رينولدز أقل من 2000، يعتبر الوضع صفائحيًا، وعند الأعداد الأكبر من 10000، يكون وضع الحركة مضطربًا؛ مع أرقام تتراوح من 2000 إلى 10000، يكون الوضع انتقاليًا.
رقم براندتليحدد العلاقة بين سمك
طبقات الحدود الديناميكية والحرارية:
حيث أ هو معامل الانتشار الحراري، م 2 / ث؛
n هو معامل اللزوجة الحركية، م 2 /ث.
رقم نسلتيميز شدة التبادل الحراري بالحمل بين السائل (الغاز) وسطح المادة الصلبة:
حيث b هو معامل انتقال الحرارة، W/(m 2 CHK)؛
ل - الحجم المميز، م؛
ل - معامل التوصيل الحراري للغاز أو السائل، W/(mCHK).
رقم جراشوفيميز شدة انتقال الحرارة بالحمل الحر:
حيث g = 9.81 م/ث 2 - تسارع السقوط الحر؛
ب - معامل التمدد الحجمي: بالنسبة للسوائل ب ترد في الكتب المرجعية (الملحق L)، للغازات - ب = 1/T، 1/K؛
ل - الحجم المميز، م؛
Dt هو الفرق في درجة الحرارة بين جزيئات السائل (الغاز)؛
ن - اللزوجة الحركية، م 2 / ث.
رقم أويلريميز نسبة انخفاض الضغط إلى سرعة الرأس:
حيث DR هو انخفاض الضغط في قسم القناة، Pa؛
ص - كثافة السائل (الغاز)، كجم/م3؛
ث - سرعة السائل (الغاز)، م/ث.
عند تصميم المبادلات الحرارية، من الضروري تحديد معلمتين: معامل نقل الحرارة ب وانخفاض الضغط DR. وهي مدرجة في أرقام نسلت وأويلر، أي. هذه أرقام تشابه يمكن تحديدها. تعتبر أرقام رينولدز وجراشوف وبراندتل حاسمة. معادلات التشابه- العلاقة بين رقم التشابه المحدد وأرقام التشابه المحددة. وبالتالي، عند النمذجة، فإن الهدف الرئيسي هو العثور على المعادلات:
معادلة التشابه العامة لانتقال الحرارة بالحمل لها الشكل
أين ج، ن، م، د- المعاملات التي تحددها الدراسات التجريبية.
في المعادلات المعيارية، يأخذ المضاعف في الاعتبار اتجاه تدفق الحرارة بالنسبة، بينما Pr هو رقم براندتل للسائل (الغاز) عند درجة حرارته؛ Prst - رقم براندتل للسائل (الغاز) عند درجة حرارة الجدار.
يجب أن تؤخذ المعلمات الفيزيائية المضمنة في الصيغ عند درجة الحرارة المحددة، والتي يشار إليها لكل حالة من حالات انتقال الحرارة، ويتم استخدام درجات الحرارة المحددة التالية:
ر ST - متوسط درجة حرارة الجدار؛
tf - متوسط درجة حرارة السائل أو الغاز؛
t PL هو متوسط درجة حرارة الطبقة الحدودية (الفيلم)، والتي يتم تعريفها على أنها المتوسط الحسابي بين t L وt ST.
يمكن تعريف متوسط درجة حرارة السائل (الغاز) تقريبًا على أنه الوسط الحسابي بين درجتي الحرارة الأولية والنهائية للسائل.
تعتبر عملية انتقال الحرارة عندما يتدفق السائل في الأنابيب أكثر تعقيدا مقارنة بعملية انتقال الحرارة عند غسل سطح مستو بتدفق غير محدود، حيث لا يتأثر السائل المتدفق بعيدا عن الجسم بالعمليات التي تحدث بالقرب من الجدار. المقطع العرضي للأنبوب له أبعاد محدودة. ونتيجة لذلك، في الأنبوب، بدءًا من مسافة معينة من المدخل، يتعرض السائل في جميع أنحاء المقطع العرضي بأكمله لتأثير الكبح للقوى اللزجة. بسبب الأبعاد المحدودة للأنبوب، تتغير درجة حرارة السائل عبر المقطع العرضي وعلى طول القناة. كل هذا يؤثر على نقل الحرارة.
يمكن أن يكون تدفق السوائل في الأنابيب صفحيًا وعابرًا ومضطربًا.
مع الحركة الصفحية أو الطبقية، الهادئة، النفاثة، تكرر تيارات السائل معالم القناة أو الجدار، أي أنها لا تختلط. إن انتشار الحرارة في اتجاه عمودي على اتجاه الحركة يرجع فقط إلى التوصيل الحراري.
مع الحركة المضطربة، يتم خلط السائل باستمرار. تتغير سرعة الجسيم السائل في كل لحظة من الزمن من حيث الحجم والاتجاه. في النظام المضطرب، يتم نقل الحرارة عن طريق التوصيل الحراري فقط في الطبقة الفرعية اللزجة، وداخل القلب المضطرب تتم هذه العملية عن طريق الخلط المكثف للجزيئات السائلة.
يحدث الانتقال من الصفحي إلى المضطرب والعكس في ظل ظروف معينة. يتم تحديد معلمات الانتقال بواسطة رقم رينولدز. لذلك، على سبيل المثال، بالنسبة للأنابيب الملساء، يبلغ هذا الرقم حوالي 2300.
عندما يتحرك السائل صفحيًا، يتم التمييز بين وضعين: اللزج واللزج الجاذبية.
اللزوجة هي طريقة الحركة عندما تسود قوى اللزوجة على قوى الرفع في السائل. يحدث هذا النمط من الحركة مع الحركة القسرية للسوائل اللزجة وتأثير ضئيل للغاية لحرية الحركة. عادة ما يتم ملاحظة الوضع اللزج للحركة أثناء الحركة الصفائحية للسوائل ذات اللزوجة العالية في الأنابيب ذات القطر الصغير وعند ضغوط درجات الحرارة المنخفضة.
نظام اللزوجة والجاذبية هو نظام حركة السوائل عندما تكون قوى الرفع كبيرة بما فيه الكفاية: يتم فرض الحركة القسرية بواسطة حركة حرة، ولا يمكن إهمال تأثيرها على نقل الحرارة. في هذه الحالة، يعتمد توزيع السرعة على المقطع العرضي للأنبوب ليس فقط على التغير في اللزوجة، ولكن أيضًا على شدة واتجاه الحركة الحرة للسائل، الناتجة عن الاختلاف في كثافات أقل وأكثر تسخينًا جزيئات سائلة.
في النظام المضطرب المتطور (Re>10000)، يتم استخدام المعادلة التالية:
حيث e l هو عامل تصحيح يأخذ في الاعتبار تأثير القسم الأولي من التدفق على معامل نقل الحرارة في الأنبوب.
درجة الحرارة المحددة هي متوسط درجة حرارة السائل أو الغاز. الحجم المميز l هو: للأنبوب الدائري - القطر الداخلي للأنبوب d؛ لأنبوب ذو شكل تعسفي - القطر المكافئ د مكافئ
F هي مساحة المقطع العرضي للقناة، m2؛
P هو المحيط الإجمالي للقسم، بغض النظر عن أي جزء من هذا المحيط يشارك في التبادل الحراري، م.
بالنسبة للغازات، تم تبسيط الصيغة، لأن في هذه الحالة، يكون معيار Pr قيمة ثابتة تقريبًا مستقلة عن درجة الحرارة، Pr = 0.67...1.0 (يحدده عدد الذرات في الجزيء): .
أثناء التبادل الحراري في الأنابيب المنحنية (الملفات)، بسبب تأثير الطرد المركزي، يحدث دوران ثانوي في المقطع العرضي للأنبوب، مما يؤدي وجوده إلى زيادة معامل نقل الحرارة. لذلك يجب ضرب معامل انتقال الحرارة بعامل التصحيح e zm :
حيث d هو قطر الأنبوب، m؛ D هو قطر الملف اللولبي، m.
في حالة تدفق السائل الصفحي (Re<2320) вынужденное перемещение ее частиц сопровождается также и свободным движением.
يتم تحديد القيمة المتوسطة لمعامل نقل الحرارة من الصيغة:
عند حساب معيار Gr، فإن قيمة Dt تميز الفرق في درجة الحرارة بين السائل (الغاز) والجدار.
إذا كان سائل التبريد غازًا، فسيتم تبسيط الصيغة: .
عندما يتم وضع الأنبوب عموديًا، يتم إدخال تصحيح قدره 0.85 عندما تتزامن الحركات الحرة والإجبارية، ويتم إدخال تصحيح قدره 1.15 في الاتجاه المعاكس.
إذا كان سائل التبريد ذو معامل لزوجة عالية، فإن الحمل الحراري الحر لا يؤثر على انتقال الحرارة. معادلة التشابه للنظام اللزج هي
يتم أخذ متوسط درجة حرارة السائل كدرجة حرارة محددة، والحجم الخطي المميز هو القطر الداخلي للأنبوب.
في نطاق أرقام رينولدز من 2320 إلى 10000، لوحظ نظام انتقالي لحركة السوائل. لتحديد معامل انتقال الحرارة أثناء الحركة العابرة، يمكنك استخدام معادلة معيار التصميم التالية:
حيث K 0 هي دالة لعدد رينولدز.
يتم أخذ متوسط درجة حرارة السائل كدرجة الحرارة المحددة في المعادلة، ويتم أخذ القطر الداخلي للأنبوب كحجم محدد د vn أو د مكافئ
يتم حساب انتقال الحرارة أثناء النظام العابر لحركة السوائل في القنوات والأنابيب عند حل المشكلات الناتجة عن ممارسة مكافحة الحرائق.
صيغة الحساب لتحديد القيم المتوسطة لمعامل نقل الحرارة، التي تم الحصول عليها على أساس تعميم البيانات التجريبية، لها الشكل:
فِهرِس وفي الأرقام Nu، Re، Pr تعني أنه يتم حساب جميع المعلمات الفيزيائية عند متوسط درجة حرارة السائل. في هذه الحالة، يتم أخذ القطر الداخلي للأنبوب كحجم محدد د vnأو د مكافئ=4 ف/ شبالنسبة للقنوات غير ذات المقطع العرضي الدائري، حيث F هي مساحة المقطع العرضي للقناة، وU هي محيط هذا المقطع.
المضاعف e l =1 عند l/d nar?50 و عند l/d nar<50, его принимают в зависимости от числа Рейнольдса для данных условиях
تعتمد قيمة e l على ظروف دخول السائل إلى الأنبوب.
في كثير من الأحيان، لحل مشاكل السلامة من الحرائق، يتم استخدام المعادلات التي تصف انتقال الحرارة بالحمل الحراري أثناء حركة السوائل القسرية.
السؤال النظري رقم 4
الإشعاع الحراري. القوانين الأساسية لانتقال الحرارة بالإشعاع
الإشعاع الحراري هو وسيلة لنقل الحرارة في الفضاء، ويتم ذلك نتيجة لانتشار الموجات الكهرومغناطيسية، التي تتحول طاقتها إلى حرارة عند التفاعل مع المادة. يرتبط التبادل الحراري الإشعاعي بتحول مزدوج للطاقة: في البداية، يتم تحويل الطاقة الداخلية للجسم إلى طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي، وبعد ذلك، بعد أن يتم نقل الطاقة في الفضاء عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية، يتم تحويل ثاني للطاقة الإشعاعية إلى طاقة إشعاعية. تحدث الطاقة الداخلية لجسم آخر.
يعتمد الإشعاع الحراري للجسم على درجة حرارته (درجة تسخين الجسم).
كثافة تدفق الإشعاع الذاتي ه شخصي، W/m2، يسمى الجسم انبعاثيته (الانبعاثية). تسمى معلمة الإشعاع هذه داخل منطقة الطول الموجي الأولية dl كثافة التدفق الطيفي للإشعاع الخاص بها E l، W/m 3، أو الابتعاثية الطيفية للجسم، أو الكثافة الطيفية للإشعاع.
إن طاقة الإشعاع الحراري الساقطة على الجسم، حسب قانون حفظ الطاقة، يمكن أن تمتص أو تنعكس عن الجسم أو تمر عبره:
Q امتصاص + Q neg + Q دعامة = Q قطرة.
تسمى نسبة الجزء الممتص من الطاقة إلى الطاقة الساقطة من الإشعاع الحراري بالسعة الامتصاصية للجسم ويشار إليها بالحرف A. وتسمى نسبة الجزء المنعكس من الطاقة إلى الطاقة الساقطة من الإشعاع الحراري انعكاسية الجسم ويشار إليها بالحرف R. وتسمى نسبة الطاقة التي تمر عبر الجسم إلى الطاقة الساقطة للإشعاع الحراري بنفاذية الجسم ويشار إليها بالحرف D. وهكذا وفقًا للقانون لحفظ الطاقة نكتب:
يُسمى الجسم الذي يمتص كل الطاقة الإشعاعية الواردة على سطحه بالجسم الأسود المطلق (ABL). بالنسبة لجسم أسود تمامًا، فإن قدرة الامتصاص A = 1.
يُسمى الجسم الذي يعكس كل الطاقة الإشعاعية الساقطة على سطحه جسمًا أبيض تمامًا (إذا حدث الانعكاس داخل نصف الكرة الأرضية) أو جسم مرآة (إذا كانت زاوية الشعاع الساقط تساوي زاوية الشعاع المنعكس). في هذه الحالة، الانعكاسية R = 1.
يسمى الجسم الذي ينقل كل الطاقة الإشعاعية الساقطة على سطحه شفافًا أو طاردًا للحرارة. في هذه الحالة، الإنتاجية D = 1.
الجسم الصلب لا ينقل طاقة الإشعاع الحراري الساقط على سطحه وبالتالي
يُطلق على مجموع إشعاعه وجزء الطاقة الساقطة المنعكسة على سطح الجسم اسم الإشعاع الفعال للجسم:
E eff = حدث E + E Neg.
التدفق الحراري للإشعاع الناتج هو الفرق بين الإشعاع الخاص به وجزء الطاقة الساقطة التي يمتصها الجسم:
إريس = إيوب؟ إيب = إيف؟ وسادة E.
اعتمادًا على خصائص التدفق، تحدث عمليات نقل الحرارة في وضع ثابت (ثابت)، عندما تكون درجات الحرارة في جميع النقاط ثابتة بمرور الوقت وفي وضع غير مستقر (غير ثابت).
تم الحصول على قوانين انتقال الحرارة الإشعاعية لجسم أسود بالكامل في ظل ظروف ثابتة.
دعونا ننظر في القوانين الأساسية للإشعاع المشع.
قانون ستيفان بولتزمانيحدد العلاقة بين الابتعاثية ودرجة حرارة الجسم الأسود:
حيث E o هي انبعاثية الجسم الأسود المطلق، W/m 2 ؛
y o = 5.67X10- 8, - ثابت الإشعاع لجسم أسود تمامًا، W/m 2 CHK 4;61
C o = 5.67 - انبعاثية الجسم الأسود، W/m 2 CHK 4 ;
T هي درجة الحرارة المطلقة للجسم المشع، K.
للأجسام الرمادية:
E هي انبعاثية الجسم الرمادي، W/m2؛
C هي ابتعاثية الجسم الرمادي، W/(m 2 CHK 4).
إذا قسمنا الطاقة الإشعاعية لجسم رمادي على الطاقة الإشعاعية لجسم أسود تمامًا، نحصل على:
حيث e هي درجة سواد الجسم.
إذا قبلنا أن C=C0Ce، فيمكن كتابة الطاقة الإشعاعية لجسم رمادي على النحو التالي:
يمكن أن تختلف درجة السواد من 0 إلى 1. ولا يعتمد ذلك على الخصائص الفيزيائية للجسم فحسب، بل يعتمد أيضًا على حالة سطحه أو خشونته.
كما يتبين من الصيغة، فإن اعتماد الطاقة على درجة الحرارة المطلقة له اعتماد رباعي، وبالتالي يتم نقل الجزء الأكبر من الحرارة أثناء الحرائق عن طريق التبادل الحراري الإشعاعي.
قانون كيرتشوفينص على أن نسبة انبعاثية الجسم إلى قدرته على الامتصاص هي نفسها بالنسبة لأسطح جميع الأجسام الرمادية (عند نفس درجة الحرارة) وتساوي انبعاثية جسم أسود تمامًا عند نفس درجة الحرارة:
حيث E و A هما قدرة الأجسام على الانبعاث والامتصاص.
ثلاث نتائج تترتب على قانون كيرتشوف:
1) لا توجد في الطبيعة أسطح تشع طاقة أكثر من جسم أسود تمامًا (عند نفس درجة الحرارة)؛
2) الأجسام ذات القدرة الامتصاصية الأكبر تكون لها كثافة إشعاعية أكبر، والعكس صحيح؛
3) قدرات الامتصاص ودرجات الانبعاث للأجسام الحقيقية (الرمادية) متساوية عددياً (A=e).
قانون لامبرتيحدد العلاقة بين كمية الطاقة المنبعثة واتجاه الإشعاع:
ه ن- كمية الطاقة المنبعثة في الاتجاه الطبيعي.
تم الحصول على قانون لامبرت لجسم أسود تمامًا؛ أما بالنسبة للأجسام الرمادية ذات السطح الخشن، فإن هذا القانون صالح لـ μ< 60 0 .
بالنسبة للأسطح المصقولة، لا ينطبق قانون لامبرت عليها؛ حيث يكون انبعاث الإشعاع بزاوية أكبر منه في الاتجاه الطبيعي للسطح.
قانون النبيذينص على أن الحد الأقصى لكثافة الإشعاع يتوافق مع الطول الموجي التالي:
يتضح من الصيغة أن الحد الأقصى للإشعاع يتحول نحو الموجات القصيرة مع زيادة درجة الحرارة (وإلا فإن قانون فيينا يسمى قانون الإزاحة).
...وثائق مماثلة
>تحضير الغازات للمعالجة وتنظيفها من الخلائط الميكانيكية. فصل مخاليط الغازات وتصحيحها وتكثيفها عند درجات الحرارة المنخفضة. الرسم التكنولوجي لمصنع تجزئة الغاز. تفاصيل معالجة الغاز من حقول مكثفات الغاز.
أطروحة، أضيفت في 02/06/2014
دراسة تأثير أنواع مختلفة من عوامل التجفيف على كفاءة تجفيف رمال القولبة والنوى. حساب وحدة التجفيف في عملية تجفيف القضيب مع مرور الهواء عبر المجفف. أساسيات الهندسة الحرارية لعملية التجفيف والتبادل الحراري.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 11/04/2011
التصحيح الدوري للمخاليط الثنائية. وحدات التقطير العاملة بشكل مستمر لفصل المخاليط الثنائية. حساب قيعان برودة، وارتفاع طبقة الغاز السائل من السائل. تحديد سرعة البخار وقطر العمود.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 20/08/2011
تشكيل خليط الطحن كوسيلة لتثبيت الخواص التكنولوجية للحبوب. متطلبات تحضير مخاليط طحن الحبوب. حساب تركيبة مكونات خليط الطحن وخصائص كل دفعة من حبوب القمح لتحضيرها.
تمت إضافة الاختبار في 05/07/2012
الكيمياء الأساسية لأسود الكربون، طرق إنتاجه. تحضير مخاليط مطاطية ذات صلابة معينة تحتوي على أسود الكربون. مميزات اختيار العلامة التجارية المناسبة للمركب المطاطي. معالجة المركبات المطاطية المملوءة بأسود الكربون.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 16/05/2013
الظواهر الفيزيائية والكيميائية في عمليات معالجة المطاط ومركباته. مميزات التكنولوجيا الحديثة لتحضير المركبات المطاطية. تحضير المخاليط المعتمدة على مطاط الأيزوبرين. معالجة المخاليط المطاطية على الآلات الدوارة.
تمت إضافة الدورة التدريبية في 01/04/2010
تصحيح المخاليط الزيتية. أنظمة التبادل الحراري لمحطات التقطير الأولي للزيت ومحطات معالجة الغاز الهيدروكربوني. تقييم إمكانية زيادة كفاءة نظام التبادل الحراري. النظر في المخطط الأمثل من منظور الهيدروليكية.
أطروحة، أضيفت في 20/10/2012
حساب شفرة العمل. حجم قسم واحد من الزعانف. تصنيع شفرة باستخدام النماذج الأولية ثلاثية الأبعاد. صب معلمات الدقة وبدلات المعالجة. تحضير صب الرمل في خلاط مجداف الطرد المركزي المستمر.
أطروحة، أضيفت في 27/05/2014
خصائص ونطاق مواد العزل الحراري وهيكلها وخصائصها. كفاءة وعيوب العزل الحراري المسحوق متعدد الطبقات. تكنولوجيا العزل في أجهزة فصل مخاليط الغاز بدرجة حرارة منخفضة.
تمت إضافة التقرير في 24/11/2010
متطلبات الخلطة الخرسانية الإسفلتية وخصائص المواد المستخدمة في تحضيرها. اختيار تركيبة الخلطة الخرسانية الإسفلتية حسب المواصفات. التكنولوجيا والتسلسل، معدات تحضير خليط الخرسانة الإسفلتية.
