Osn
OsnОсновные параметры состояния рабочего тела
Технической термодинамикой называется наука, изучающая свойства тепловой энергии и законы всемирного превращения тепловой и механической энергии. Она является основой теории двигателей внутреннего сгорания.
Процесс
образования тепловой энергии в механическую в двигателях внутреннего сгорания
(д. в. с.) осуществляется с помощью рабочего тела. Рабочим телом в д. в. с.
являются газообразные продукты сгорания топлива. Величины, которые характеризуют
физическое состояние тела называются термодинамическими параметрами состояния.
Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная
температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость
и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного
и др.
Если изменить термодинамическое состояние системы, т. е. подвести или отнять тепло, сжать газ или дать возможность ему расшириться, то все параметры рассматриваемой системы изменят свою величину.
Давление равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела. Когда говорят о давлении газа или пара, под силой понимают суммарную силу ударов молекул этого газа или пара, направленную перпендикулярно к стенкам сосуда. Подавляющее большинство приборов для определения давления измеряет разницу между давлением среды (иногда называемым полным, или абсолютным давлением) р и атмосферным (барометрическим) В. Если измеряемое давление выше атмосферного, такой прибор называется манометром, а измеряемое давление — избыточным
Ризб.
= Р — В.
Если измеряемое давление ниже атмосферного, такой приор называется вакуумметром, а измеряемое давление — вакуумметрическим (или вакуумом).
Рвак = В — Р.
Температура — это мера нагретости тела. Если теплота переходит от одного тела к другому, это значит, что температура первого тела Т1 больше температуры второго тела Т2. Если же теплообмен между телами отсутствует, температуры одинаковы T2 = T1.
v = V / m
Плотность
— это отношение массы вещества к его объему.
p = m / V
То
есть плотность является величиной, обратной удельному объему.
Величины, характеризующие термодинамическое состояние газа, давление р, удельный
объем v и температура Т
зависят друг от друга. Если, например, газ определенной температуры занимает
какой-то определенный объем, то он будет находиться под некоторым давлением.
Изменение объема или температуры изменит давление газа.
pv/T= const
Для 1 кг газа эту постоянную величину называют газовой постоянной и обозначают буквой R:
pv/T=R
Уравнение состояния часто называют уравнением Клапейрона, по имени ученого, предложившего это уравнение.
Хостинг от uCoz
Рабочее тело.
Основные параметры состояния.Предметом технической термодинамики является главным образом изучение процессов взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах. В тепловых двигателях преобразование теплоты в работу осуществляется при помощи так называемого рабочего тела. Рабочее тело — газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты.
Например, в ДВС, а также в газотурбинных установках рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является газ. В паровых двигателях рабочим телом является пар, легко переходящий из парообразного состояния в жидкое и, наоборот, из жидкого в парообразное.
Физическое
состояние тела вполне определяется
некоторыми величинами, характеризующими
данное состояние, которые в термодинамике
называются параметрами
состояния.
Параметры состояния взаимно связаны,
и любые из них можно рассматривать в
качестве основных, а другие — в качестве
производных. В технической термодинамике
в качестве основных принято три параметра: удельный
объем, абсолютная температура и абсолютное давление, которые связаны между собой вполне
определенными математическими
зависимостями.
У д е л ь н ы й о б ъ е м. Удельный объем v — это объем, занимаемый единицей массы рабочего тела. Если V — полный объем, занимаемый рабочим телом в м 3, m — его масса в кг, то
[м3/кг] (1.1)
Плотность тела определяется как масса единицы объема
[кг/м3]. (1.2)
Удельный объем есть величина, обратная плотности, т.е.
(1.3)
Т
е м п е р а т у р а.
Температура,
характеризуя степень нагретости тела,
представляет собой меру средней
кинетической энергии поступательного
движения его молекул, т.е. температура
характеризует среднюю интенсивность
движения молекул, и, чем больше эта
средняя скорость движения молекул, тем
выше температура тела. Понятие температуры
не может быть применено к одной или
нескольким молекулам. Если два тела с
различными средними кинетическими
энергиями движения молекул привести в
соприкосновение, то тело с большей
кинетической энергией молекул /с большей
температурой/ будет отдавать энергию
телу с меньшей средней кинетической
энергией молекул /с меньшей температурой/,
и этот процесс будет протекать до тех
пор, пока средние кинетические энергии
молекул обоих тел не сравняются, т.е. не
выровняются температуры обоих тел.
Такое состояние двух тел называется
В
технике для измерения температур
используют различные свойства тел:
расширение тел от нагревания в жидкостных
термометрах; изменение электрического
сопротивления проводника при нагревании
в термометрах сопротивления; изменение
электродвижущей силы в цепи термопары
при нагревании или охлаждении ее спая
и др.
Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина /К/. Между температурами, выраженными в градусах Кельвина и Цельсия, имеется следующая связь:
T = t + 273,15 (1.4)
Абсолютная температура — величина всегда положительная, т.к. в данном случае отсчет температуры ведется по шкале, характеризуемой тем, что нулевая точка этой шкалы представляет собой наинизшую термодинамически возможную температуру. Эта точка называется абсолютным нулем.
Д а в л е н и е. Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальную составляющую силы, действующей на единицу поверхности.
Различают
абсолютное, избыточное, барометрическое
/атмосферное/ и вакуумметрическое
давления.
Термодинамическим параметром
состояния является только абсолютное
давление.
Абсолютное давление — это полное давление,
производимое паром или газом.
Пусть к сосуду, в котором находится, например, газ, подсоединен манометр /прибор для измерения давления/. Когда давление газа равно давлению внешней среды, т.е. барометрическому давлению , то стрелка манометра находится на нуле шкалы. Когда же давление газа превышает барометрическое, стрелка отклоняется, показывая избыток давления газа над барометрическим, т.е. избыточное давление (рис. 1.1). Таким образом,
Ра = Ризб + Рб. (1.5)
Если
абсолютное давление Ра меньше
барометрического Рб,
то величина Н,
показывающая на сколько Ра меньше Рб,
называется разрежением или вакуумом.
Н=Рвак= Рб — Ра ; Ра = Рб — Н. (1.6)
Избыточное давление измеряется манометром, а разрежение — вакуумметром.
Давление в системе СИ измеряется в паскалях:
1Па
= 1Н/м
В технических расчетах пользуются иногда внесистемной единицей — баром: 1 бар = 105Па.
Рис.1.1. К измерению давления |
Влияние свойств рабочей жидкости на производительность миниатюрного свободнопоршневого детандера для сбора отходящего тепла
%PDF-1.4 % 1 0 объект > эндообъект 7 0 объект /Заголовок /Предмет /Автор /Режиссер /Ключевые слова /CreationDate (D:2020021
Fullbanner (Это MiKTeX-pdfTeX 2.9.7029 \(1.40.20\))
/В ловушке /Ложь
>>
эндообъект
2 0 объект
>
эндообъект
3 0 объект
>
эндообъект
4 0 объект
>
эндообъект
5 0 объект
>
эндообъект
6 0 объект
>
ручей
приложение/pdfРабочие жидкости для тепловых труб | Технология тепловых трубок
Выбор рабочей жидкости для тепловых трубок
Испарение и конденсация рабочей жидкости обеспечивают тепловым трубам высокую эффективную теплопроводность, которая может достигать 100 000 Вт/м·К.
Во время работы тепловой трубы рабочая жидкость испаряется в испарителе, а затем конденсируется в конденсатор, таким образом передавая тепло.
Первым шагом при выборе рабочей жидкости для тепловых труб и материала оболочки/фитиля является определение диапазона рабочих температур. Чтобы тепловая трубка работала, она должна находиться в условиях насыщения, когда тепловая трубка содержит как жидкость, так и пар. Практический диапазон рабочих температур медно-водяной тепловой трубки составляет примерно от 25° до 150°C.
Узнайте больше о теоретических и практических диапазонах температур для тепловых труб ниже.
Оболочка тепловых трубок и пары жидкостей
- Медная оболочка с водой в качестве рабочей жидкости обычно используется для охлаждения электроники
- Медные или стальные оболочки с хладагентом R134a обычно используются для рекуперации энергии
- Алюминиевая оболочка с аммиаком в качестве рабочей жидкости, обычная для термоконтроля космических аппаратов
- Суперсплавы: щелочные металлы (цезий, калий, натрий) для высокотемпературных тепловых трубок
Как указано в разделе «Совместимые жидкости и материалы», существует большое количество других совместимых пар оболочка/жидкость, которые используются в других диапазонах температур или когда необходимо учитывать дополнительные факторы.
Например, медь/метанол часто используется для охлаждения электроники, когда тепловая трубка должна работать при температуре около 0°C или ниже, при которой вода замерзает. Выбор жидкости в заданном температурном диапазоне ранжируется по номеру качества.
Почему вода является наиболее часто используемой жидкостью для тепловых трубок, а аммиак используется для терморегулирования космического корабля?
Причина, по которой вода и аммиак являются обычными рабочими жидкостями, заключается в том, что они являются лучшими рабочими жидкостями для тепловых труб для своих соответствующих температурных диапазонов, определяемых путем сравнения числа достоинств.
При какой температуре работают тепловые трубы?
Рабочие жидкости теоретически работают от тройной точки до критической точки.
Тепловые трубы являются двухфазными теплообменными устройствами, поэтому для работы тепловой трубы необходима насыщенная рабочая жидкость, то есть в тепловой трубе будет и жидкость, и пар. Скрытая теплота рабочего тела передается путем испарения жидкости в испарителе и конденсации пара обратно в жидкость в конденсаторе. Теоретически тепловая трубка будет работать при температуре чуть выше тройной точки (уникальная температура и давление, при которых рабочая жидкость может находиться в жидкой, парообразной и твердой форме) и чуть ниже критической точки (пара и жидкость имеют одинаковые характеристики). Как обсуждается ниже, существуют и другие ограничения, которые сужают практический диапазон температур.
Тройная точка и критическая точка для ряда распространенных рабочих жидкостей для тепловых труб показаны слева и в таблице ниже. Есть несколько замечаний:
- Существуют пробелы в температурном диапазоне криогенных тепловых трубок (ниже примерно 100 К), где в настоящее время отсутствует известное рабочее тело.
- Существует много потенциальных рабочих жидкостей при заданной температуре, для температур выше 200 K. Обычно выбирается жидкость с наивысшим числом достоинств, где приемлема совместимая оболочка с тепловыми трубками. Например, хотя аммиак является более рабочей жидкостью, чем метанол, метанол следует выбирать при использовании медного фитиля и оболочки.
- Число достоинств и совместимость материалов не являются единственным фактором, т. е. для больших геотермальных термосифонов может быть выбрана жидкость с низким потенциалом глобального потепления.
Отдельные рабочие жидкости для тепловых труб, тройная точка и критическая точка
(Точка замерзания используется для галогенидов, цезия и лития, поскольку тройная точка недоступна.)*Прокрутите вправо для просмотра таблицы
Жидкость
Тройная температура, K
Критическая точка, K
Температура тройной точки, °C
Критическая точка, °С
Гелий
–
5,20
–
-268,0
Водород
13,95
33,15
-259,2
-240,0
Неон
24,56
44,49
-248,6
-228,7
Кислород
54,33
154,58
-218,8
-118,6
Азот
63,14
126,19
-210,0
-147,0
Пропилен
87,8
365,57
-185,4
92,4
Этан
91
305,33
-182,2
32,2
Пентан
143,46
469,7
-129,7
196,6
Р134а
169,85
374,1
-103,3
101,0
Метанол
175,5
512,6
-97,7
239,5
Толуол
178,15
591,75
-95,0
318,6
Ацетон
178,5
508,1
-94,7
235,0
Аммиак
194,95
405,4
-78,2
132,3
Двуокись углерода
216,58
304,1
-56,6
31,0
SnCl 4
240,15
591,85
-33,0
318,7
TiCl 4
243
638
-30,2
364,9
Вода
273,16
647,10
0,0
373,9
Цезий
301,6
2045
28,5
1771,9
Нафталин
353,5
748,4
80,4
475,3
Калий
336,35
2239
63,2
1965,9
фунтов стерлингов 3
370,15
763
97,0
489,9
Натрий
370,98
2507
97,8
2233,9
Литий
453,64
3503
180,5
3229,9
Каковы практические пределы температуры рабочих жидкостей?
Этот расчет показывает, что пик производительности тепловой трубы обычно приходится на середину температурного диапазона между тройной точкой и критической точкой.
На практике диапазон жидкости меньше, чем теоретическая работа от Тройной точки до Критической точки, поскольку мощность, которую может нести тепловая трубка, резко падает вблизи точки замерзания и критической температуры.
Например, водяная тепловая трубка будет передавать некоторую мощность между тройной точкой воды (0,01°C) и критической точкой (373,9°C). Расчеты максимальной мощности для типичной водяной тепловой трубы показаны справа. Пиковая мощность возникает при температуре около 150°C и падает при более низких и более высоких температурах.
- Существуют пробелы в температурном диапазоне криогенных тепловых трубок (ниже примерно 100 К), где в настоящее время отсутствует известное рабочее тело.
Каковы практические пределы температуры рабочих жидкостей?
Этот расчет показывает, что пик производительности тепловой трубы обычно приходится на середину температурного диапазона между тройной точкой и критической точкой.
На практике диапазон жидкости меньше, чем теоретическая работа от Тройной точки до Критической точки, поскольку мощность, которую может нести тепловая трубка, резко падает вблизи точки замерзания и критической температуры.
Например, водяная тепловая трубка будет передавать некоторую мощность между тройной точкой воды (0,01°C) и критической точкой (373,9°C). Расчеты максимальной мощности для типичной водяной тепловой трубы показаны справа. Пиковая мощность возникает при температуре около 150°C и падает при более низких и более высоких температурах.
Каковы пределы практической рабочей температуры для водяных тепловых трубок?
Средний практический диапазон рабочих температур водяных тепловых труб составляет 25-150°С (при среднем верхнем пределе 300°С с оболочкой из титана или монеля).
Давление насыщенного водяного пара в зависимости от температуры
Практически, большинство водяных тепловых труб рассчитаны на работу при температуре выше ~25°C). При более низких температурах давление пара уменьшается, а также плотность пара, поэтому скорость пара при заданной мощности увеличивается.
При температурах ниже примерно 25 °C вязкостные и звуковые пределы становятся важными, ограничивая мощность тепловой трубы.- Практический верхний температурный предел для медно-водяных тепловых труб составляет примерно 150°C и определяется максимально допустимыми напряжениями в медной оболочке; см. рис. 6. При 150 °C давление насыщенного водяного пара составляет 69 фунтов на квадратный дюйм (477 кПа). Так как медь относительно мягкая, требуемый диаметр при толщине стенки выше 150°С становится нецелесообразным.
Оболочки из титана или монеля увеличивают максимальный диапазон рабочих температур для воды до 300°C. В этом случае верхний температурный предел задается свойствами жидкости. Как и в случае любой насыщенной жидкости, свойства насыщенного пара и жидкости становятся все более и более похожими по мере приближения к критической точке. Хорошая рабочая жидкость для тепловых трубок имеет большую скрытую теплоту и большое поверхностное натяжение. Как показано на рисунках ниже, и скрытая теплота, и поверхностное натяжение приближаются к нулю вблизи критической точки (373,9°С).
Поверхностное натяжение воды как функция температуры
Скрытая теплота воды как функция температуры
Практические пределы температурыболее подробно обсуждаются в разделе «Совместимые жидкости и материалы», где в «Таблице совместимости рабочей жидкости и оболочки» перечислены практические пределы температуры. Обратите внимание, что верхний диапазон температур для некоторых из этих жидкостей определяется тем фактом, что более качественная жидкость может использоваться при более высоких температурах.
При температурах ниже примерно 25 °C вязкостные и звуковые пределы становятся важными, ограничивая мощность тепловой трубы.
Почетный номер тепловой трубы
Что такое показатель качества и как он используется при выборе рабочей жидкости для обычных тепловых труб?
Жидкости для тепловых труб оцениваются по формуле Merit Number:
где
ρ l Плотность жидкости
σ Поверхностное натяжение
λ Скрытая теплота
μ л Вязкость жидкостиВысокая плотность жидкости и высокая скрытая теплота уменьшают расход жидкости, необходимый для передачи заданной мощности, а высокое поверхностное натяжение увеличивает производительность насоса.
Низкая вязкость жидкости снижает падение давления жидкости при заданной мощности. Число заслуг получено ниже.Рис. 1. Показатель качества широко используемых рабочих жидкостей для тепловых труб.
Показатель качества в зависимости от температуры показан на рис. 1 для ряда типичных рабочих жидкостей для тепловых трубок. Из рисунка очень ясно, почему в качестве рабочей жидкости для тепловых труб по возможности выбирают воду. Его число достоинств примерно в 10 раз выше, чем у всех остальных, кроме жидких металлов, а это означает, что он будет нести в десять раз больше энергии (в соответствующем температурном диапазоне), чем другие рабочие жидкости.
Аммиак выбран для тепловых труб космических кораблей, так как он имеет самое высокое число Мерит (примерно в 3 раза меньше, чем вода) в их типичном диапазоне рабочих температур. Метанол, как правило, является предпочтительной рабочей жидкостью, когда аммиак и вода не подходят, поскольку он имеет третье по величине число добротности при условиях окружающей среды.
Как получить показатель качества для теплоносителей с тепловыми трубками?
Количество энергии, которую может нести тепловая трубка, определяется наименьшим пределом тепловой трубки при заданной температуре. Для данной тепловой трубы показатель Merit оценивает максимальную мощность тепловой трубы, когда тепловая труба ограничена капиллярами. (Капиллярный предел обычно контролирует мощность в среднем диапазоне, в то время как другие пределы контролируют более высокие и низкие температуры).
Капиллярный предел достигается, когда сумма перепадов давления жидкости, пара и силы тяжести равна способности капиллярного насоса:
В числе Мерита пренебрегают перепадами давления пара и силы тяжести и предполагается, что способность капиллярной откачки равна перепаду давления жидкости. Уравнение для перепада давления жидкости в тепловой трубе:
, где
Δp L Падение давления жидкости, предполагалось, что равна мощности фитиля
L Эффективная Эффективная длина
K Wick Проницаемость
A фитиль область фитиляМассовый расход – это скорость теплопередачи, деленная на скрытую теплоту:
Производительность фитиля:
Где r c – радиус пор.
Низкая вязкость жидкости снижает падение давления жидкости при заданной мощности. Число заслуг получено ниже.
