Робоче тіло і параметри його стану

Передача теплової енергії здійснює робоче тіло, т. Е. Речовиною, здатним сприймати теплоту і здійснювати роботу. У опалювально-котельні техніці робоче тіло це гаряча вода і водяна пара.

У водогрійних або парових котлах теплота продуктів згоряння, що утворюється при спалюванні палива, передається через стінки котла (площа поверхні нагрівання) до води, яка нагрівається до певної температури або перетвориться в пар. В результаті повідомлення теплоти робоче тіло змінює свій стан, що характеризується параметрами стану робочого тіла: температурою, питомою об'ємом, тиском. Часто ці параметри називають основними.

Температура - міра нагретости тіла, яка є величиною, що визначає напрямок мимовільної передачі теплоти.

Температура вимірюється в градусах. Градус - одна сота частина відстані на стовпчику ртуті між точками, відповідними температур плавлення льоду і кипіння води при атмосферному тиску 101,3 кПа (760 мм рт. Ст.). Шкалу температур, отриману таким чином, називають стоградусной, або шкалою Цельсія ° С. Температуру, виражену за цією шкалою, прийнято позначати буквою t.

Стоградусна, або міжнародна, практична шкала застосовується нарівні з основною в міжнародній системі (СІ) термодинамічної шкалою температур Кельвіна. За початок відліку температур по цій шкалі прийнятий абсолютний нуль (- 273 ° С) - найнижча теоретично можлива температура, при якій відсутній рух молекул. При цьому розмір градуса залишений таким же, як в практичній шкалою. Виражену за шкалою Кельвіна температуру позначають буквою Т, а одиницю її виміру - (Кельвін) К. Температура, виражена в Кельвіна, пов'язана з температурою в градусах Цельсія співвідношенням:

Таким чином, за даною шкалою температура танення льоду дорівнює 273 К, а температура кипіння води 373 К. Однак слід зазначити, що температура кипіння залежить від тиску. При тиску вище атмосферного вода закипає при температурі понад 100 ° С. Наприклад, при тиску 0,17 МПа температура кипіння складе 115 С.

Питома обсяг v - це обсяг одиниці маси речовини

де V - об'єм тіла, м 3; М - маса тіла, кг.

Величина, зворотна питомому об'єму, називається щільністю і позначається буквою р:

Тиск - сила, що діє на одиницю площі поверхні тіла (нормально або перпендикулярно останньої).

Щоб визначити тиск Р, треба силу F розділити на площу S, на яку вона діє, т. Е.

У Міжнародній системі СІ за одиницю тиску прийнятий Паскаль (Па = Н / м 2) - тиск сили, рівної 1 Ньютону, на 1 квадратний метр. Ця одиниця тиску дуже мала і користуватися нею практично незручно, тому вживають більші кратні одиниці: 1 МПа (мегапаскалей) = 10 6 Па (для вимірювання, наприклад тиску пара в казані), 1 кПа (кілопаскалях) - 10 3 Па (для вимірювання , наприклад барометричного тиску).

Широке поширення в техніці має позасистемна одиниця тиску - технічна атмосфера (або коротко атмосфера): 1АТ = 98,0665 × 10 3 Па = 0,0981 МПа = 1 кгс / см 2 = 104 кгс / м 2.

Невеликі тиску, а також розрідження вимірюють іноді висотою стовпа рідини (наприклад, води, ртуті). Одиниці виміру 1 мм вод. ст. і 1 м вод. ст. широко використовуються в техніці (1 мм вод. ст. = 9,807 Па).

У закритих судинах розрізняють тиск надлишкове, розрідження (або вакуум) і абсолютне. Тиск в закритій посудині, що перевищує атмосферний, називається надлишковим (ати), а тиск менше атмосферного розрідженням або вакуумом. Абсолютний тиск (ата) дорівнює сумі виміряного надлишкового та атмосферного тиску або різниці атмосферного тиску і виміряного розрідження.

Надмірне або робочий тиск в котлах, трубопроводах та інших судинах вимірюють приладами, які називаються манометрами, а вакуум або розрідження вимірюють вакуумметрами. Наприклад, манометр показує тиск пари в котлі 0,07 МПа (0,7 кгс / см 2). Це означає, що тиск в котлі 0,7 ати. Для того щоб отримати абсолютний тиск пари в котлі, необхідно до 0,7 ати додати атмосферний тиск, т. Е, 0,7 + 1 = 1,7 ата (атмосфери абсолютні).

Якщо в будь-якому посудині є розрідження, яке дорівнює 0,5 ата, то абсолютний тиск складе 1 - 0,5 = 0,5 ата або 0,05 МПа.

Позначивши Ра - атмосферний тиск; Рм - надлишкове або манометричний тиск, Р - абсолютний тиск, Рв - розрідження або вакуум, маємо наступні формули співвідношення тисків:

Атмосферний тиск. Земля оточена повітряною оболонкою (атмосферою) товщиною в кілька сотень кілометрів. Поверхня землі і знаходяться на ній предмети схильні до дії атмосферного тиску.

Тиск в 1 атмосферу врівноважується стовпчиком ртуті висотою 760 мм (фізична атмосфера). Знаючи щільність ртуті, можна підрахувати величину фізичної атмосфери в інші одиницях, наприклад в кгс / м. 13595 × 0,76 = 10331,2 кгс / м 2. або 1,033 кгс / см 2. Таким чином, фізична атмосфера дорівнює 760 мм рт. ст. або 1,033 кгс / см 2 або 101,3 кПа, Фізична атмосфера скорочено позначається атм. На відміну від фізичної, технічна атмосфера (1 ат) дорівнює 1 кгс / см 3. або 735,6 мм рт. ст. або 98 кПа; 1 кгс / м 2 = 1 мм вод. ст.

Атмосферний тиск залежить від стану погоди і висоти місцевості над рівнем моря. Атмосферний тиск на рівні моря одно 101,3 кПа (760 мм рт. Ст.). Чим вище над рівнем моря точка поверхні землі, тим менше атмосферний тиск. Цим і пояснюється те, що температура кипіння води високо в горах менше 100 ° С. Атмосферний тиск вимірюється приладами, які називають барометрами. Крім основних параметрів робоче тіло має теплоємність, теплопровідність.

Теплоємність - кількість теплоти, необхідне для зміни температури певної речовини на один градус. Теплові властивості речовини характеризуються теплоємністю його одиниці кількості (1 кг, 1 м 3. 1 кіломоль), яку відповідно називають питомою масовою, об'ємною або кіломольной теплоємністю. Одиницями виміру зазначених питомі теплоємності є в Міжнародній системі одиниць СІ кДж / (кг × град); кДж / (м 3 × град); кДж / (кмоль × град) або ккал / (кг × град); ккал / (м 3 × град); ккал / (кмоль × град).

Для газів питома теплоємність залежить від того, в яких умовах відбувається нагрівання. При цьому розрізняють питому теплоємність при постійному обсязі Сv і питому теплоємність при постійному тиску Пор. Причому Ср завжди більше, ніж Сv. Для твердих тіл і рідин ці теплоємності не розрізняються.

Знаючи питому теплоємність речовини, по формулі

Можна розрахувати кількість теплоти (кДж або ккал), що йде на нагрівання або охолодження тіла. У цій формулі С - питома теплоємність; m - одиниця кількості речовини; t1 - t2 - різниця температур.

Значення питомої теплоємності речовин і матеріалів, що найчастіше зустрічаються в опалювально-котельні техніці, наводяться нижче, кДж / (кг × град) ккал / (кг × град).

У табл. 1 дані значення Ср і Cv для деяких газів при температурі 0 ° С.

Водяна пара і його властивості. Водяна пара отримують в парових котлах при постійному тиску (Р = const). В опалювальних котелень малої потужності тиск пара не перевищує 0,07 МПа (0,7 кгс / см 2).

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається паротворенням, а з газоподібного стану в рідке - конденсацією. Процес пароутворення протікає в такий спосіб. Спочатку відбувається нагрів води до температури кипіння при відповідному тиску. При подальшому повідомленні теплоти кипляча вода перетворюється в пар і її температура до повного випаровування води залишається постоянной.Кіпеніе є процес пароутворення в усьому об'ємі рідини.

Кількість теплоти, яку необхідно повідомити воді для перетворення її з рідкого стану в пароподібний при температурі кипіння, називається прихованою теплотою паротворення або теплотою випаровування.

Розрізняють пар насичений і перегрітий.

Пар, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною і має однакові з рідиною температуру і тиск, називається насиченим.

Зазвичай в процесі пароутворення в пар потрапляють крапельки котлової води. Такий пар називається вологим насиченим. Насичена пара, що не має крапельок води, називається сухим насиченим. Частка сухого насиченої пари у вологому називається ступенем сухості пара і позначається х. При цьому вологість пара буде дорівнює 1 - х. Для сухої насиченої пари х = 1.

Таблиця 1. Масова питома теплоємність деяких газів при постійних тиску і об'ємі

Вологість насиченої пари нормально працюють парових чавунних казанів становить 1-3%.

Якщо повідомити теплоту сухому насиченому пару при даному постійному тиску, то вийде перегрітий пар. Перегріта пара не містить в собі вологи і його температура при даному тиску вище температури котла. В опалювальних установках перегрітий пар зазвичай не застосовують.

Різновидом процесу пароутворення є випаровування води. Випаровування води у відкритій посудині при атмосферному тиску може відбуватися і при температурі менше 100 ° С, На відміну від кипіння, коли парові бульбашки виникають у всьому обсязі, випаровування води відбувається тільки з поверхні рідини. Чим менше парів води в навколишньому повітрі і чим вище температура води, тим інтенсивніше йде випаровування з її поверхні.

Зазвичай залежності між параметрами стану робочого тіла вивчають і встановлюють для спрощеної моделі робочого тіла, наприклад ідеального газу, в якому відсутні сили взаємодії між молекулами газу, а самі молекули приймаються за матеріальні точки, що не мають обсягу. З методичної точки зору такий підхід більш зручний. Однак закони термодинаміки і отримані на їх основі співвідношення, справедливі не тільки для газу, а взагалі для будь-яких тіл незалежно від їх агрегатного стану. Незважаючи на те, що в природі ідеальний газ відсутній, в теплотехнічних розрахунках цілком допустимо (без особливої похибки для точності розрахунків) приймати за ідеальні все гази, з якими в теплотехніці доводиться мати справу, за винятком водяної пари, який відноситься до реальних газів. Рівняння стану реальних газів (на відміну від ідеальних) мають складний характер і для практичних розрахунків незручні, тому їх зазвичай використовують для складання діаграм, придатних для теплотехнічних розрахунків, і таблиць термодинамічних властивостей реальних газів, важливих для техніки.

Котельний завод "Котли КВ"