13.7. Термотрансформаторы

Зачастую для проведения технологического процесса необходимо поддерживать определенную температуру.

Простейший способ такой поддержки заключается в сжигании топлива и передаче теплоты от горячих продуктов сгорания либо непосредственно потребителю, либо промежуточному теплоносителю. При этом теплообмен происходит естественным путем от горячего источника с температурой Т 1 более холодному с температурой Т 2 . При этом способе большее количество теплоты, чем полученное при сгорании топлива, передать невозможно (а в связи с потерями оно значительно меньше).

Однако принципиально возможно, располагая некоторым количеством теплоты q " при высокой температуре Т 1 , получить без затраты работы большее количество теплоты при более низкой температуре Т 2 . Для этого достаточно осуществить обратимый прямой цикл Карно между источником с высокой температурой и окружающей средой с температурой Т с , в результате которого будет получена работа (см. (7.7)):

Затратив эту работу в обратном обратимом цикле Карно между средой с температурой T с и потребителем с температурой Т 2 , передадим последнему количество теплоты, равное

Подставив в это выражение значение работы l с из предыдущего выражения, получим:

где коэффициент пропорциональности ψ 1,2 называется коэффициентом преобразования теплоты от температуры Т 1 к температуре Т 2 .

Следовательно, получив q " количества теплоты от источника с температурой Т 1 , можно передать телу с температурой Т 2 количество теплоты ψ 1,2 q " .

Так как Т 2 T 1 , то и q " >q " .

Например, пусть t 1 = 1000 о С, t 2 = 50 о С, t с = 0 о С. Коэффициент . Таким образом, для того, чтобы получить, предположим, 5 Дж теплоты при температуре 50 о С, следует затратить лишь 1 Дж теплоты при 1000 о С, тогда как в обычной отопительной установке 1 Дж теплоты при высокой температуре переходит в такое же количество теплоты при низкой температуре.

Следовательно, с точки зрения термодинамики отопительная установка в 5 раз менее экономична, чем обратимая теплопреобразующая установка.

Устройство, позволяющее осуществлять прямой и обратный циклы теплопередачи от источника с одной температурой потребителю с другой температурой, называется термотрансформатором .

Если требуемая температура ниже исходной, то термотрансформатор называется понижающим .

Для поддержания более высокой температуры, чем исходная, требуется помощь повышающего термотрансформатора, для которого , так как Т 2 > T 1 .

Рис. 13.7 Рис. 13.8

Термотрансформатор представляет собой сочетание теплового двигателя и теплового насоса.

На рис. 13.7 представлена схема понижающего термотрансформатора, а на рис. 13.8 – его теоретический цикл.

На рис. 13.9 представлена схема повышающего термотрансформатора, а на рис. 13.10 – его теоретический цикл.

На рисунках: I – тепловой двигатель, II – тепловой насос.

Если термотрансформатор предназначен для поддержания температур и более низких, и более высоких, чем исходная, то он называется термотрансформатором смешанного типа .

Рис. 13.9 Рис. 13.10

Контрольные вопросы

Как осуществляется обратный цикл Карно?

Каким параметром оценивается термодинамическая эффективность теплонасосной установки?

Чем отличаются принципиальные схемы теплонасосных и холодильных установок?

14. Смешение газов и паров

В различных устройствах часто приходится иметь дело со смешением различных газов, паров или жидкостей. В этом случае требуется определить параметры состояния смеси по известным параметрам состояния компонентов, составляющих эту смесь.

Решение этой задачи зависит от условий, при которых осуществляется этот процесс смешения. Все способы образования смесей можно разделить на три группы:

смешение газов при постоянном объеме,

смешение газовых потоков,

смешение газов при заполнении резервуара.

14.1. Процесс смешения в постоянном объеме

Этот способ образования смеси состоит в том, что несколько газов с давлениями р 1 , р 2 , …, р n , температурами Т 1 , Т 2 , …, Т n и массами G 1 , G 2 , …, G n занимают различные объемы V 1 , V 2 , …, V n (рис. 14.1).

Если убрать разъединяющие перегородки между газами, то произойдет смешение газов, причем объем смеси

V = V 1 + V 2 + …+ V n ,

а масса смеси

G = G 1 + G 2 + …+ G n .

При установлении равновесного состояния параметры смеси будут р , v , T , u .

Так как процесс адиабатный и объем не изменился, то в соответствии с первым началом термодинамики сохраняется внутренняя энергия системы:

U = U 1 + U 2 + …+ U n или Gu = G 1 u 1 + G 2 u 2 + … + G n u n .

Отсюда удельная внутренняя энергия смеси определяется следующим образом:

, (14.1)

где g i – массовая доля i -го газа.

А удельный объем по своему определению равен

. (14.2)

Остальные параметры (р , Т ) для реальных газов, паров и жидкостей находятся из диаграмм для этих веществ.

В частном случае, когда смешиваются идеальные газы с постоянными теплоемкостями, для которых du = c v dT , получим

В том случае, когда смешиваются порции одного и того же газа, температура смеси вычисляется по более простой формуле:

.

Давление газа после смешения определяется по уравнению Клайперона–Менделеева

где R – газовая постоянная смеси (определена в разд. 1.4).

14.2. Процесс смешения потоков

В этом случае смешение газов происходит в результате соединения нескольких потоков в одном канале.

Пусть по трубопроводу 1 (рис. 14.2) в камеру смешения поступает газ с параметрами p 1 , v 1 , T 1 , h 1 , а по трубопроводу 2 – газ с параметрами p 2 , v 2 , T 2 , h 2 .

Расход газа через трубопровод 1 равен G 1 , через трубопровод 2 – G 2 . На входе в камеру смешения эти газовые потоки дросселируются для того, чтобы давление в камере р было меньше, чем р 1 и р 2 (если бы, к примеру, р > р 1 , то газ из камеры смешения устремился бы в трубопровод 1 ).

Следует подчеркнуть, что давление р в камере смешения может быть выбрано различным (регулировкой вентилей); этим процесс смешения в потоке существенно отличается от смешения в постоянном объеме, где давление однозначно определяется параметрами смешиваемых газов.

Из камеры смешения газ с параметрами р , v, T отводится по трубопроводу 3 . Расход газа в трубопроводе 3 , очевидно, равен G = G 1 + G 2 .

Поскольку газ в трубопроводах движется, то, помимо внутренней энергии, он обладает (как целое) еще и кинетической и потенциальной энергией. Для простоты (для большинства технических задач она оправдана) будем считать, что

трубопроводы расположены горизонтально, тем самым изменением потенциальной энергией можно пренебречь;

скорости перемещения газа относительно малы, т.е. изменением кинетической энергией также пренебрежем.

Тогда согласно первому началу для адиабатного потока (9.3) при вышеперечисленных условиях имеем

Отсюда получим выражение для удельной энтальпии смеси, полученной в результате смешения в потоке:

. (14.3)

Зная удельную энтальпию h и давление р газа после смешения, с помощью диаграмм состояния можно найти остальные параметры смеси (Т , v , s и др.).

Для идеальных газов, заменяя удельную энтальпию выражением с р Т , получим

. (14.4)

В случае смешения двух потоков одного газа формула для температуры смеси упрощается:

. (14.5)

Зная определенную таким образом температуру Т , из уравнения состояния для идеального газа можно найти удельный объем:

Формулы (14.3)–(14.5) аналогично записываются и для произвольного числа смешивающихся потоков газов.

14.3. Смешение при заполнении объема

Пусть в резервуаре 1 (рис. 14.3) объемом V имеется газ (пар, жидкость) массой G 1 с параметрами р 1 , Т 1 . В этот резервуар поступает по трубопроводу 2 газ с параметрами р 2 , v 2 , Т 2 (очевидно, что р 2 > р 1) и массой G 2 , после чего вентиль закрывается. В резервуаре получается смесь газов объемом V и массой G = G 1 + G 2 . Необходимо определить параметры полученной смеси.

В процессе заполнения совершается работа проталкивания над газом в трубопроводе 2 , равная – p 2 v 2 G 2 ; работа в резервуаре не происходит, поскольку объем резервуара постоянен.

В адиабатном процессе работа совершается за счет изменения внутренней энергии (как и прежде кинетической энергией втекающего газа пренебрегаем ввиду малости скорости течения):

Отсюда удельная внутренняя энергия смеси в сосуде равна

Удельный объем смеси по определению равен v = V / G .

Зная u и v , с помощью диаграмм находят остальные параметры смеси (р , Т , s , h ).

В случае смешения одного и того же идеального газа с постоянными теплоемкостями

где k – показатель адиабаты.

Давление в резервуаре после смешения равно

Смешиваются две порции воздуха, причем масса первого компонента – 10 кг, а его температура – 400 о С, а масса второго компонента – 90 кг, а температура – 100 о С. Определить температуру смеси при различных способах смешения.

Решение: температура смеси в результате процесса смешивания при постоянном объеме или процесса смешения в газовом потоке будет определяться по формуле t = g 1 t 1 +g 2 t 2 . И в нашем примере равна t = 0,1 ∙ 400 + 0,9 ∙ 100 = 130 о С.

Если смесь получается в результате заполнения объема, в котором уже находится первый газ, то ее абсолютная температура вычисляется по формуле T = g 1 T 1 +kg 2 T 2 . В рассматриваемом примере показатель адиабаты воздуха k = 1,4 , а температура смеси равна t = 0,1 (400 +273) +1,4 ∙ 0,9 ∙ (100 +273) – 273 = 264 о С.

14.4. Изменение энтропии при смешении

Энтропия смеси представляет собой сумму энтропий составляющих эту смесь, т.е.

или в удельных величинах

Так как процесс смешивания – процесс необратимый, то энтропия термодинамической системы (все участвующие в адиабатном смешивании вещества) согласно второму началу термодинамики в этом процессе будет возрастать, т.е.

Необратимость процесса смешения объясняется сопровождающей этот процесс диффузией смешивающихся компонент. Увеличение энтропии в процессе смешивания является мерой этой необратимости.

Контрольные вопросы

Какие известны основные способы смешения?

Какими способами задается смесь?

Как определить температуру смеси при различных способах смешения?

Чем объяснить, что при адиабатном смешении газов или паров энтропия смеси увеличивается?

15. Основы химической термодинамики

Неоднородная система определяется составом своих компонент. При определенных условиях этот состав может изменяться за счет происходящих в системе химических и физико-химических превращениях, при которых происходит разрушение старых и возникновение новых связей между атомами. Эти процессы сопровождаются выделением или поглощением энергии в результате действия сил этих связей.

Химическая термодинамика рассматривает применение первого и второго начал термодинамики к химическим и физико-химическим явлениям.

15.1. Химические реакции

Химическое вещество – это макроскопическое тело определенного химического состава, т.е. тело, в отношении которого известно не только, из каких химических элементов и в какой пропорции оно состоит (индивидуальное химическое вещество ), но также известно, из каких соединений химических элементов оно образовано (смесь или раствор ).

Химическое вещество (соединение) обычно характеризуется химической формулой, показывающей, из каких элементов оно состоит и в каком отношении атомы этих элементов соединяются при его образовании.

Процессы взаимодействия между отдельными химическими веществами, ведущие к образованию новых веществ, называются химическими реакциями .

Любая химическая реакция может происходить как в прямом, так и обратном направлениях.

В закрытых системах химические реакции происходят таким образом, что общее количество каждого из химических элементов, представленных в системе, не изменяется. По этой причине в химических реакциях участвуют не произвольные количества веществ, а стехиометрические их количества , т.е. количества, соответствующие химическим формулам веществ. Поэтому химические реакции записываются в виде равенств между химическими формулами участвующих в реакции веществ и химическими формулами продуктов этой реакции. Пусть А 1 , А 2 , …, А n – исходные вещества, а В 1 , В 2 , …, В m – конечные продукты реакции. Тогда химическая реакция между веществами А 1 , А 2 , …, А n , приведшая к образованию веществ В 1 , В 2 , …, В m , запишется в виде равенства:

в котором α 1 , α 2 , … α n , β 1 , β 2 … β m – стехиометрические коэффициенты. Например, в результате сгорания метана образуется углекислый газ и вода:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О.

За единицу количества вещества в химии принимается 1 моль. В этом количестве содержится строго определенное число молекул (атомов) данного вещества, равное постоянной Авогадро N A = 6,02204∙10 23 . Другими словами: 1 моль вещества определяется как такое количество вещества, масса которого в граммах равна его молекулярной (атомной) массе М.

Состав сложных систем, образованных из многих веществ, количество каждого из которых составляет n i молей, в химии задается мольными долями компонент системы.

Смешение газов. Молекулярная и молярная (турбулентная) диффузия

Молекулярная диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного газа в другой, приводящий к образованию совершенной смеси, наблюдается в неподвижных газах и в ламинарных потоках.

При молекулярной диффузии смешение газов определяется тепловым движением молекул. Хотя скорость движения молекул W в среднем очень велика, длина пути свободного пробега / их мала. Поэтому молекулярная диффузия протекает достаточно медленно. Количество газа, диффундирующего из одного слоя в другой, по закону Фика равно

где - коэффициент молекулярной диффузии, м 2 /с; dC/dn -

градиент концентрации диффундирующего газа, кг/м 4 .

С повышением температуры D и интенсивность диффузии растут. Величину D можно определить по формуле Сезерленда в модификации Н.Д. Косова:

где Д)12 - коэффициент диффузии одного газа (1) в другой (2) газ при давлении p Q и температуре 7о; Q и С2 - коэффициенты Сезерленда для составляющих смеси, К (для метана С = 198, воздуха - 119, азота - 107, 0 2 - 138, С0 2 - 255, ); р 0 , Г 0 - значение соответственно давления и температуры при нормальных физических условиях (ро= 1,01 10 5 Па; Т 0 = 273 К).

Часто для определения коэффициента молекулярной диффузии D используется простая степенная формула

где п - эмпирический коэффициент

Зависимости для коэффициентов диффузии многокомпонентной смеси сложнее (см. , с. 80).

В турбулентном потоке диффузия, так же как теплопередача и внутреннее трение, связана с турбулентным переносом и смешением конечных макроскопических масс газа - турбулентных молей. Размеры этих молей и пути их перемещения до смешения разнообразны, имеется спектр значений этих величин. Движение молей носит пульсационный характер, скорости их перемещения - это скорости пульсаций поперек потока. При низких числах Re наблюдаются пульсации крупных масштабов, турбулентные скорости существенно меняются только на больших расстояниях. Под масштабом пульсации (турбулентности) понимают порядок длины, на которой происходит существенное изменение скорости. Частоты крупномасштабных пульсаций низкие.

С повышением Re наряду с крупномасштабными появляются и высокочастотные мелкомасштабные пульсации. Масштаб крупномасштабных пульсаций имеет порядок определяющих размеров системы (.D , Я канала или свободной струи и т.п.). Крупномасштабные пульсации определяют процессы турбулентного смешения: внутреннее трение, диффузию и теплопередачу. Мелкомасштабные пульсации осуществляют вязкую диссипацию. Энергия от крупномасштабных молей передается мелкомасштабным и диссипируется ими. Завершается перемешивание при турбулентной диффузии все же за счет молекулярной диффузии.

Пользуясь соображениями размерности и аналогией с процессами молекулярного переноса, вводят понятие коэффициента турбулентного переноса А Т, который характеризует внутреннее трение, диффузию и теплопередачу в турбулентном потоке:

где Г - масштаб турбулентности, длина перемещения турбулентного

моля до смешения (аналог /); - среднеквадратическая

пульсационная скорость.

Коэффициент А т является одновременно и коэффициентом турбулентной диффузии D T , турбулентной температуропроводностью а т и вязкостью щ. (v T). Он не зависит от свойств газа, определяется характеристиками турбулентности.

Подставляя (3.57) в (3.56), получаем формулу Прандтля

Соотношение (3.58) позволяет оценить коэффициенты переноса в турбулентном потоке. Для расчетов процессов переноса (диффузии) можно использовать соотношения (уравнения), относящиеся к молекулярным процессам, заменяя в них D, а, V на D T , а т, v x . При сопоставимом влиянии турбулентного и молекулярного переноса вводят суммарные коэффициенты.

Пусть смешиваются n химически невзаимодействующих между собой идеальных газов. Предполагается, что известны начальные термодинамические параметры состояния всех компонентов до смешения и условия смешения (условия взаимодействия с окружающей средой). Требуется найти равновесные параметры состояния газов после смешения.

Рассмотрим два случая смешения, для простоты полагая, что этот процесс идет без теплообмена с окружающей средой .

2.1. Смешение при W=Const

В этом случае условия смешения таковы, что объем образующейся смеси W см равен сумме начальных объемов компонентов смеси W H i:

(Не следует путать W H i с парциальными объемами W i , рассмотренными в параграфе 1.4.3.)

Обозначим:

Р H i – начальное давление i -го газа;

Т H i , t H i – начальная температура i -го газа соответственно в 0 К или 0 С .

Т.к. вся система из n газов при смешении в условиях W=Const не совершает внешней работы, то в соответствии с первым началом термодинамики для этого случая () можно записать:

Здесь: U см – внутренняя энергия смеси газов массой m см килограммов

с температурой Т 0 К ;

U H i - внутренняя энергия i -го газа массой m i килограммов

с начальной температурой Т H i .

Введем обозначения:

u см – удельная внутренняя энергия смеси газов при температуре Т 0 К ;

u H i – удельная внутренняя энергия i -го газа с начальной температурой Т H i .

Тогда уравнение (2.1.1) принимает следующий вид:

(2.1.2)

Как известно, для идеального газа du=C v dT , откуда при отсчете внутренней энергии от 0 0 К можно записать:

Здесь: - средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов;

Средняя в диапазоне 0 Т H i 0 К массовая изохорная теплоемкость i -го газа.

После подстановки (2.1.3) в (2.1.2) получим:

Но в соответствии с параграфом 1.4.10 истинная массовая теплоемкость смеси газов выражается через массовые доли компонентов g i и их истинные теплоемкости следующим образом:

Аналогично средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов определится как:

Подставляя это выражение в левую часть уравнения (2.1.4) получим:

откуда (2.1.5)

Т.к. из уравнения состояния , то после подстановки m i в уравнение (2.1.5) окончательно получим формулу для температуры смеси n газов:

Как известно, , поэтому формула (2.1.6) может быть записана в следующем виде:

(Следует напомнить, что произведение - это средняя в диапазоне 0- Т H i 0 К молярная изохорная теплоемкость i -го газа.)

В справочной литературе эмпирические зависимости теплоемкости от температуры часто даются для диапазона 0 t 0 С .

После подстановки (2.1.8) и (2.1.9) в уравнение (2.1.2) получим:

Заменяя m i его значением , окончательно получим формулу для температуры смеси газов в градусах Цельсия :

Выражая R i через малекулярную массу , получим еще одну формулу:

В знаменателях формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11) содержатся средние теплоемкости, у которых в качестве верхнего предела осреднения используется температура смеси (t или Т ), подлежащая определению. В силу этого, температура смеси по этим формулам определяется методом последовательных приближений .

2.1.1. Частные случаи смешения газов при W=Const

Рассмотрим несколько частных случаев формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11).

1. Пусть смешиваются газы, у которых зависимостью показателя адиабаты К i от температуры можно пренебречь.

(В действительности К убывает с ростом температуры, т. к.

где с о р , а – эмперические положительные коэффициенты.

Для технических расчетов в диапазоне от 0 до 2000 0 С можно пользоваться следующими формулами:

а) для двухатомных газов К 1,40 - 0,50 10 -4 t ;

б) для продуктов сгорания К 1,35 - 0,55 10 -4 t .

Из этих формул видно, что влияние температуры на показатель адиабаты К становится заметным лишь при температурах, порядка сотен градусов по шкале Цельсия.)

Т. о., если допустить, что

то формула (2.1.6) примет следующий вид:

Формулу (2.1.12) можно использовать в качестве первого приближения для формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11)

2. Пусть смешиваются газы, у которых мольные изохорные теплоемкости равны и зависимостью этих теплоемкостей от температуры можно пренебречь, т. е.:

Тогда уравнение (2.1.7) принимает очень простой вид:

Если у газов равны между собой мольные изохорные теплоемкости, то в соответствии с уравнением Майера

должны быть равны между собой и мольные изобарные теплоемкости, а, следовательно, равны и показатели адиабаты, т. е.

При этом условии уравнение (2.1.12) превращается в (2.1.13).

2.1.2. Давление после смешения газов при W=Const

Давление, устанавливающееся после смешения газов, можно определить либо по формулам параграфа 1.4.2, либо из условия:

Р см W см = m см R см Т = m см Т .