УРАВНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ГАЗОВОГО ПОТОКА
Процессы движения газа, происходящие в различных теплотехнических установках, связаны с преобразованием энергии в газовом потоке. Расчеты рабочих процессов этих установок строятся на общих положениях теории газового потока. Эта теория базируется на основных положениях термодинамики и на ряде допущений, к числу которых относятся следующие:
1.Течение газа установившееся, т.е. в каждом выделенном сечении параметры газа во всех его точках остаются постоянными.
2.От сечения к сечению происходят бесконечно малые изменения параметров газа по сравнению со значениями самих параметров. Течение газа стационарное.
При таких допущениях газ при движении будет проходить ряд последовательных равновесных состояний.
Стационарное течение газа описывается системой уравнений, включающей уравнение неразрывности потока, уравнение состояния и уравнение энергии (уравнение 1-го закона термодинамики применительно к газовому потоку).
Уравнение неразрывности характеризует неизменность массового расхода газа в любом сечении канала при установившемся течении. Это уравнение имеет вид
,
или
,
где G - массовый секундный расход газа; , F2 - площади поперечных сечений канала; w1 , w2 - скорости в соответствующих сечениях; ρ1,ρ2- плотности газа для тех же сечений потока (ρ=l/v).
Для одномерного газового потока в соответствии со вторым законом Ньютона (сила равна массе, умноженной на ускорение) можно записать следующее соотношение [11]
где
- изменение давления по координате х;
- изменение скорости по координате х;
- сила, действующая на выделенный элементарный объем dV;
- ускорение элементарной массы газа pdV.
Последнее соотношение можно переписать в виде
.
Учитывая, что ρ=1/v, получим
(7.1)
Полученное соотношение показывает, что приращения давления dp и скорости dw имеют разные знаки. Следовательно, скорость одномерного потока возрастает с уменьшением давления.
Величина -vdp совпадает с формулой для располагаемой работы dl в уравнении первого закона термодинамики вида
.
Отсюда уравнение первого закона термодинамики для газового потока при отсутствии сил тяжести и сил трения в газе примет вид
, (7.2)
где приращение кинетической энергии газа на выделенном участке.
Так как , то
, (7.3)
где d(pv) = pdv+ vdp- элементарная работа проталкивания.
Последнее уравнение показывает, что теплота, сообщаемая газу, затрачивается на изменение внутренней энергии, на работу проталкивания и на изменение внешней кинетической энергии газа.
Уравнения (7.2),(7.3) являются основными для потоков газа и пара, причем они справедливы как для обратимых (не сопровождающихся действием сил трения), так и для необратимых течений (при наличии сил трения). При наличии сил трения должна затрачиваться работа трения lтр, которая полностью переходит в теплоту qтр. Вследствие равенства lтр =qтр обе эти величины, имеющие противоположные знаки, взаимно сокращаются.
Уравнение (7.3) с учетом гравитационных сил принимает вид
где gdz- элементарная работа против сил тяжести. Этой составляющей в газах ввиду ее малости обычно пренебрегают.
При адиабатном течении газа (dq=0)уравнение (7.2) принимает вид
(7.4)
После интегрирования получим
(7.5)
Таким образом, при адиабатном течении газа сумма удельных энтальпии и кинетической энергии остается неизменной.
Отметим, что уравнения (7.2), (7.3), (7.4) справедливы в случае, когда газ при своем движении совершает лишь работу расширения и не производит полезной технической работы (например, работа на лопатках турбины и проч.). При совершении технической работы уравнение первого закона термодинамики (7.3) для потока газа примет вид
, (7.6)
где dlтех - элементарная техническая работа.
Сравнивая уравнение (7.5) с уравнением первого закона термодинамики (2.17) для расширяющегося, но не перемещающегося газа, получим
.
Таким образом, техническая работа равна работе расширения газа за вычетом работы проталкивания и работы, затрачиваемой на приращение кинетической энергии газа.
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 7924;