Уравнение первого закона термодинамики для потока

Под открыты­ми понимаются термодинамические системы, которые кроме обмена теплотой и работой с окружающей средой до­пускают также и обмен массой. В техни­ке широко используются процессы пре­образования энергии в потоке, когда ра­бочее тело перемещается из области с одними параметрами в область с другими. Это, например, расширение пара в турбинах, сжатие га­зов в компрессорах.

Будем рассматривать лишь одно­мерные стационарные пото­ки, в которых параметры зависят только от одной координаты, совпадающей с на­правлением вектора скорости, и не за­висят от времени. Условие неразрывности течения в таких потоках заклю­чается в одинаковости массового расхода m рабочего тела в любом сечении:

,

где F — площадь поперечного сечения канала; с — скорость рабочего тела.

Рассмотрим термодинамическую систему, представленную схематически на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Открытая термодинамическая сис­тема

По трубопроводу 1 рабочее тело с параметрами Т₁ , p1, v1 подается со скоростью c1в тепломеханический агре­гат 2 (двигатель, паровой котел, ком­прессор и т. д.). Здесь каждый кило­грамм рабочего тела в общем случае может получать от внешнего источника теплоту q и совершать техническую работу lтех, например, приводя в движение ротор турбины, а затем удаляется через выхлопной патрубок со скоростью с2, имея параметры Т₂ , p2, v2.

Если в потоке мысленно выделить за­мкнутый объем рабочего тела и наблю­дать за изменением его параметров в процессе перемещения, то для описа­ния его поведения будут пригодны все полученные выше термодинамические со­отношения и, в частности, первый закон термодинамики в обычной записи: .

Внутренняя энергия есть функция со­стояния рабочего тела, поэтому значение определяется параметрами рабочего тела при входе (сечение потока I), а зна­чение — параметрами рабочего тела при выходе из агрегата (сечение II).

Работа расширения l совершается рабочим телом на поверхностях, ограни­чивающих выделенный движущийся объем, т. е. на стенках агрегата и грани­цах, выделяющих этот объем в потоке. Часть стенок агрегата неподвижна, и ра­бота расширения на них равна нулю. Другая часть стенок специально делает­ся подвижной (рабочие лопатки в турби­не и компрессоре, поршень в поршневой машине), и рабочее тело совершает на них техническую работу

При входе рабочее тело вталкивается в агрегат. Для этого нужно преодолеть давление p1. Поскольку p1=const, то каждый килограмм рабочего тела может занять объем лишь при затрате рабо­ты, равной .

Для того чтобы выйти в трубопровод 3, рабочее тело должно вытолкнуть из него такое же количество рабочего тела, ранее находившегося в нем, преодолев давление р2, т. е. каждый килограмм, занимая объем v2 должен произвести определенную работу выталкивания .

Сумма называется работой вытеснения.

Если скорость на выходе больше, чем на входе, то часть работы расши­рения будет затрачена на увеличение ки­нетической энергии рабочего тела в по­токе, равное .

Наконец, в неравновесном процессе некоторая работа может быть затра­чена на преодоление сил трения. Оконча­тельно

.

Теплота, сообщенная каждому кило­грамму рабочего тела во время прохож­дения его через агрегат, складывается из теплоты , подведенной снаружи, и теплоты , в которую переходит рабо­та трения внутри агрегата, т. е. .

Подставив полученные значения q и l в уравнение первого закона термо­динамики, получим

.

Поскольку теплота трения равна работе трения, оконча­тельно запишем:

.

Это и есть выражение первого закона термодинамики для потока, который можно сформулировать так: теплота, подведенная к потоку рабочего тела изв­не, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энер­гии потока.

В дифференциальной форме уравне­ние записывается в виде

. (7.1)

Оно справедливо как для равновесных процессов, так и для течений, сопровож­дающихся трением.

Выше было указано, что к замкнуто­му объему рабочего тела, выделенному в потоке, применимо выражение первого закона термодинамики для закрытой системы, т.е. .

Сравнивая это выражение с уравне­нием *, получим:

, или

.

Величину называют располагаемой работой. В p, v-диаграмме она изображается заштрихованной площадью.

Применим первый закон термодина­мики к различным типам тепломеханиче­ского оборудования.

Теплообменный аппарат(устройство, в котором теплота от жидкой или газо­образной среды передается другой сре­де). Для него =0, a , поэтому

.

Следует подчеркнуть, что для тепло­обменника, установленного в потоке, это выражение справедливо не только в изо­барном процессе, но и в процессе с тре­нием, когда давление среды уменьшается из-за сопротивления.

Тепловой двигатель.Обычно , поэтому рабочее тело производит техническую работу за счет уменьшения энтальпии:

. (7.2)

Величину называют располагаемым теплоперепадом.

Интегрируя уравнение от p1 до p2 и от h1до h2для случая, когда =0, получим

. (7.3)

Сравнивая выражения (7.2) и (7.3), приходим к выводу, что

.

Таким образом, при , и отсутствии потерь на трение получаемая от двигателя техническая работа равна располагаемой, т. е. тоже изображается заштрихованной пло­щадью на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 - Изображение располагаемой и тех­нической работы в координатах p, v

Компрессор.Если процесс сжатия газа в компрессоре происходит без теп­лообмена с окружающей средой ( ) и c1=c2, что всегда можно обеспе­чить надлежащим выбором сечений вса­сывающего и нагнетательного воздухо­проводов, то

В отличие от предыдущего случая здесь h1<h2, т.е. техническая работа в адиа­батном компрессоре затрачивается на увеличение энтальпии газа.

Сопла и диффузоры.Специально спрофилированные каналы для разгона рабочей среды и придания потоку опре­деленного направления называются соплами. Каналы, предназначенные для торможения потока и повышения давле­ния, называются диффузорами. Техническая работа в них не совершает­ся, поэтому уравнение приводится к виду

.

С другой стороны, для объема рабо­чего тела, движущегося в потоке без трения, применимо выражение первого закона термодинамики для закрытой системы .

Приравняв правые части двух по­следних уравнений, получим

. (7.4)

Видно, что dc и dp всегда имеют противоположные знаки. Следова­тельно, увеличение скорости течения в канале (dc>0) возможно лишь при уменьшении давления в нем (dp<0). Наоборот, торможение потока (dc<0) сопровождается увеличением давления (dp>0),

Так как длина сопла и диффузора невелика, а скорость течения среды в них достаточно высока, то теплообмен между стенками канала и средой при малом времени их контакта настолько незначи­телен, что в большинстве случаев им можно пренебречь и считать процесс истечения адиабатным ( ). При этом уравнение принимает вид

. (7.5)

Следовательно, ускорение адиабат­ного потока происходит за счет уменьше­ния энтальпии, а торможение потока вы­зывает ее увеличение.

Проинтегрировав соотношение (7.4) и сравнив его с уравнением (7.5), полу­чим, что для равновесного адиабатного потока

т. е. располагаемая работа при адиабат­ном расширении равна располагаемому теплоперепаду.