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

где G - массовый секундный расход газа; , F 2 - площади поперечных сече­ний канала; w 1 , w 2 - скорости в соответствующих сечениях; ρ 1 ,ρ 2 - 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

- 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 l тр , которая полностью переходит в теплоту q тр . Вследствие равенства l тр =q тр 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 dl тех - 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.

Следуя первому началу термодинамики (закону сохранения энергии), составим баланс энергии в неподвижной системе коор­динат (рис. 2.1), т.е. рассмотрим преобразование энергии в од­ной и той же массе газа, заполнявшей вначале объем 1 - 2, а через бесконечно малый промежуток времени dτ переместив­шейся в положение 1" - 2".

Приращение любого вида энергии равно разности количеств этого вида энергии в положениях 1’ - 2" и 1 - 2. Ввиду того, что заштрихованный объем 1’ - 2 является общим для этих двух положений, приращение энергии измеряется разностью количеств энергии в бесконечно малых объемах 2 - 2" и. 1 - 1" . Отсюда следует, что приращение кинетической энергии равно

здесь dG - массовый расход газа через поперечное сечение струйки за время dτ. Приращение потенциальной энергии (энер­гии положения)

где z 2 и z 1 - высоты расположения (нивелирные уровни) сече­ний 2 и 1, g - ускорение силы тяжести. Приращение внутрен­ней (тепловой) энергии

где U = c v -T - тепловая энергия единицы массы газа (произ­ведение теплоемкости при постоянном объеме на абсолютную температуру). Если теплоемкость газа в сечениях 1 и 2 одина­кова, то прирост внутренней энергии равен

На основания выделенной части струйки газа действуют на­правленные внутрь и по нормали к ним внешние силы давле­ния р. При перемещении газа внешние силы давления произво­дят работу. Например, перенос газа из сечения 1 в сечение 1’ происходит как бы под действием поршня площадью F 1 с дав­лением р 1 . Работа поршня за время dτ равна

Точно так же можно представить себе, что давление р 2 на сече­ние 2 осуществляется поршнем площадью F 2. За время dτ газ переместит поршень в положение 2, производя отрицательную работу

Силы давления, действующие на боковую поверхность струй­ки (поверхность тока), никакой работы не производят, так как они нормальны к траекториям движения частиц газа. Таким об­разом, энергия, внесенная силами давления, равна разности между работами поршня 1 и поршня 2:

К газовой струйке на участке 1 - 2 может быть за время dt подведено тепло в количестве . Далее газовая струйка за время dτ может произвести техническую работу dl, например, приводя во вращение колесо турбины, установленное между се­чениями 1 и 2. Наконец, следует учесть энергию, расходуемую газом за время dτ на преодоление сил трения dl Tp .

Согласно первому началу термодинамики подведенные к газу тепловая энергия и работа сил давления расходуются на со­вершение технической работы, работы сил трения, а также на изменение внутренней энергии

Тогда соотношение (2.11) примет несколько иной вид:

или на основании (2.10)

Используя выражения (2.6), (2.7) и (2.13), можно придать урав­нению энергии следующую форму:

Уравнение энергии (2.14) иногда называют также уравнением теплосодержания. Существенно то обстоятельство, что уравнение теплосодержания не содержит работы трения. По­скольку энергия, расходуемая на преодоление трения или любого другого вида сопротивлений, преобразуется полностью в тепло, а последнее остается в газовой струе, наличие сил трения не может нарушить общий баланс энергии, а лишь приводит к преобразованию одного вида энергии в другой.

Обычно в технике приходится иметь дело с частными фор­мами уравнения теплосодержания. Так, в большинстве случаев изменение потенциальной энергии пренебрежимо мало в срав­нении с другими частями уравнения энергии, и членом g(z 2 - z 1) пренебрегают. Тогда уравнение теплосодержания имеет следую­щий вид:

При отсутствии технической работы и теплообмена с окру­жающей средой, т. е. в случае энергетически изолированного процесса в газе, имеем

В частности, уравнение (2.16) определяет движение газа по трубе, если нет теплопередачи через стенки. Согласно сказанному это уравнение справедливо вне зависимости от того, действуют или нет силы трения. Иначе говоря, изменение теплосодержания (температуры) в энергетически изолированном процессе свя­зано только с изменением скорости. Если скорость газа не ме­няется, то остается постоянной и температура.

Если нет теплообмена, но присутствует техническая работа, то расчет лишь не­много усложнится. Именно:

Когда технической работы нет, уравнение теплосодержания дает

в таком виде оно применяется к теплообменным процессам.

Применительно к энергетически изолированным течениям газа, когда выполняются условия

и уравнение теплосодержания приобретает форму (2.16). Его можно записать следующим образом

Отсюда нетрудно видеть, что если газовую струю затормозить полностью, то теплосодержание газа достигает максимального возможного значения:

Получающееся при этом значение теплосодержания i* называется полным теплосодержанием, а соответствующую абсо­лютная температура

- температурой торможения.

Итак, температура газа получается равной температуре тор­можения в том случае, когда скорость течения уменьшается до нуля при отсутствии энергетического обмена с окружающей сре­дой. Пользуясь средним значением теплоемкости, можно вычис­лить температуру торможения по следующей формуле:

Следует подчеркнуть, что, согласно уравнению энергии (2.20), в энергетически изолированном потоке идеального газа сущест­вует однозначная зависимость между температурой газа Т (теп­лосодержанием i) и скоростью течения w . Повышение скорости в таком потоке всегда сопровождается снижением температуры независимо от изменения других параметров газа.

Уравнение энергии может быть записано в тепловой форме (через энтальпию газа) и в механической форме (через давление газа). Рассмотрим сначала уравнение энергии в тепловой форме для потока массы 1кг/с между двумя произвольными сечениями I и II в условиях обмена работой и теплотой с окружающей (внешней) средой. Условимся внешние работу и теплоту, подводимые к рабочей среде, считать положительным, а отводимые – отрицательными. Согласно закону сохранения энергии, изменение энергии установившегося потока массы газа (в пренебрежении изменением потенциальной энергии положения) должно быть равно сумме работы и теплоты, подведённых извне. Изменение энергии газа на элементарном пути ds складывается из изменения кинетической энергии и изменения энтальпий dh. Соответственно уравнение энергии в дифференциальной форме для турбодетандера имеет вид . В интегральной форме для участка I-II уравнение энергии в тепловой форме для турбодетандера получаем в виде . Здесь – изменения энтальпии и кинетической энергии потока массы газа; – внешняя работа, отведённая через вал от потока; – внешняя теплота, подведённая на участке I-II. Все члены уравнения имеют смысл удельных энергий и размерность джоуль на килограмм, так как характеризуют энергию потока газа 1кг/с. Приток теплоты к потоку массы в общем случае осуществляется двумя путями – извне в количестве и в результате диссипации энергии, т.е. превращения в теплоту работы трения, в количестве . Так что . Уравнение энергии в тепловой форме отражает только внешний поток теплоты, поскольку предполагается, что диссипированная энергия в виде теплоты полностью воспринимается потоком массы. Энергетический уровень потока массы в произвольном сечении рассматриваемого участка удобно характеризовать полной энтальпией, т.е. энтальпией заторможенного потока . Переходя к полным энтальпиям, придадим уравнению энергии следующий вид (уменьшение энтальпии при расширении ). Для адиабатных условий получаем . Из последнего уравнения следует, что в адиабатных условиях изменение энергетического уровня потока массы возможно только в результате обмена работой с внешней средой. При . Полученное уравнение энергии полезно несколько преобразовать, введя в него изоэнтропные разности энтальпий вместо действительных . В связи с этим введём величину , чтобы записать тождество для турбодетандера. Таким образом, есть разность энтальпий в конце действительного и изоэнтропийного процессов расширения газа при давлении в конце рассматриваемого процесса. В общем случае изменение энтальпии на величину является результатом теплообмена с окружающей средой и диссипации энергии . Поэтому . Диссипация энергии и подвод теплоты ведёт к увеличению энтальпии . В адиабатных процессах величина характеризует необратимость процесса, или потери. Как будет показано ниже, в адиабатных процессах, протекающих в турбомашинах, при изменении давления до конечного, т.е. при , выражение и является потерей холода. Используя равенство , можно придать уравнениям энергии несколько иной вид. Для турбодетандеров и его элементов (в условиях подвода теплоты) , где .

Уравнение энергии в механической форме. Запишем уравнение первого закона термодинамики в следующем виде (имея в виду, что ) . Интегрируя это уравнение от до , получаем . Используя это уравнение, следует помнить, что при подводе внешней теплоты к турбодетандеру . Выше было показано, что для идеального газа есть политропная работа расширения потока газа, которая обычно определяется по среднему значению показателя политропы. Диссипированная энергия включает все потери на рассматриваемом участке потока массы. Представляют интерес уравнения, получающиеся при сравнении уравнений энергии в тепловой и в механической формах. Из сравнения этих уравнений получаем следующее обобщенное уравнение Бернулли для расширительной машины, переходя к положительным значениям внешней и политропной работ и изменяя соответственно пределы интегрирования при определении политропной работы, получаем . Физический смысл полученных уравнений заключается в следующем – в турбомашинах политропная работа расширения потока массы газа равна сумме внешней работы, диссипированной энергии (компенсация потерь) и уменьшению кинетической энергии.

15. Типы рабочих колёс турбодетандера. Уравнение сохранения энергии для рабочего колеса с выходным диффузором турбодетандера.

Полная энергия единицы массы пласта состоит из отнесенных к единице массы внутренней удельной энергии пород пласта и насыщающих его веществ , удельной потенциальной и кинетической энергии веществ, движущихся в пласте со скоростью . Поэтому

Из закона сохранения энергии или, точнее, из первого начала термодинамики следует, что изменение энергии пласта и произведенной удельной работы равно количеству подведенного к пласту тепла ,умноженного на механический эквивалент тепла , т. е.

или с учетом (3.17)

Дадим количественную оценку входящих в (3.19) величин. Удельная внутренняя энергия пласта при отсутствии в нем химических или ядерных превращений вещества представляет собой тепловую энергию в единице массы пласта, так что

где - удельная теплоемкость пласта; Т - температура. Положим, что пористый пласт насыщен водой. Тогда ( - удельная теплоемкость пород пласта; - удельная теплоемкость воды, - пористость). Пусть = 1,046 кДж/(кг×К), = 4,184 кДж/(кг. К), , . Тогда , =102×1,67×1=170 м. Удельная потенциальная энергия в пластах может изменяться в соответствии с возможными изменениями уровня движущихся в пласте веществ. Обычно это десятки и иногда сотни метров.

где - плотность горных пород; - плотность насыщающих пласт веществ, и умножать все виды удельной энергии, кроме внутренней, на . При , , .

Тогда для изменения удельной кинетической энергии получим

Из приведенной оценки следует, что удельной кинетической энергией движущихся в пласте веществ можно всегда, кроме особых случаев движения веществ в призабойной зоне скважин, пренебречь.

Если изменение удельной потенциальной энергии движущегося в пласте вещества составляет даже 100 м, то при умножении этой величины на получим 10 м. Изменение же температуры пласта всего на один градус равнозначно изменению удельной внутренней энергии почти на 200 м. Если разработка пласта ведется с использованием тепловых методов, то температура пласта может изменяться на сотни градусов и его удельная внутренняя энергия станет преобладающей среди других видов энергии. Оценим возможную величину работы, которую могут производить насыщающие пласт вещества. Удельную работу ,. производимую насыщающим пласт веществом и отнесенную к единице массы вещества, определим следующим образом:

где - давление; - объем вещества, насыщающего пласт в элементарном объеме пласта; - плотность этого вещества; - ускорение свободного падения.

Поровый объем пласта остается, вообще говоря, неизменным, поскольку не изменяются геометрия пласта и его пористость. Работа вещества в пласте связана всегда с его расширением. Поэтому в (3.21) и введена величина , характеризующая расширение вещества. При этом условно можно считать, что вещество, насыщающее пласт, расширяясь, как бы выходит за пределы элементарного объема пласта. Будем считать, что при бесконечно малом расширении вещества в элементарном объеме пласта масса вещества остается неизменной.

Тогда и, следовательно,

Подставляя (3.22) в (3.21) получим

Оценим возможную работу вещества, насыщающего пласт. Очевидно, что наибольшую работу может производить в пласте газ. Для простоты оценки будем считать газ идеальным, для которого , где и - давление и плотность газа при начальных условиях. Отсюда для идеального газа

Пусть при снижении давления , , , ,

Сделанная оценка показывает, что работа вещества, насыщающего пласт, хотя и намного меньше, чем изменение удельной внутренней энергии при тепловых методах разработки нефтяных месторождений, все же при определенных условиях„ как это показывает опыт, может быть значительной.

Рассмотрим вопрос о том, чему равняется входящая в (3.18) и (3.19) величина . Тепловыделение в элементе пласта может происходить за счет экзотермических химических реакций и гидравлического трения и за счет теплопроводности. Уход тепла из элемента пласта за счет теплопроводности в дальнейшем будем учитывать при изменении внутренней энергии пласта . Перенос тепла из пласта в кровлю и подошву будем учитывать соответствующими граничными условиями и поэтому в балансе энергии элементарного объема пласта его не будем принимать во внимание. Энергия движущегося в пористой среде вещества за счет гидравлического трения превращается в тепло. Для мощности гидравлического трения, отнесенной к единице массы движущегося вещества в элементе пласта, имеем следующее выражение:

Допустим, что в пласте движется газ вязкостью со скоростью . Проницаемость пласта , пористость , плотность газа при давлении составляет 100 кг/м 3 . Тогда

В сутки из килограмма движущегося в пласте газа будет выделяться энергии. Это, конечно, незначительная величина. Однако, например, в призабойной зоне скважин скорость фильтрации того же газа может достигать м/с, а иногда и более. Тогда при тех же остальных условиях, что и выше, значение . В сутки из килограмма фильтрующегося в пласте газа выделится энергии почти 9кДж. Таким образом, можно заключить, что наиболее существенное изменение энергии в элементе пласта связано с переносом тепла за счет теплопроводности и конвекции. Определенный вклад в энергетический баланс пласта, особенно при высоких скоростях движения насыщающих его веществ, вносят работа расширения-сжатия веществ и гидравлическое трение.

Напишем уравнение сохранения энергии в пласте, учитывая теплопроводность и конвекцию, а также работу расширения- сжатия веществ и гидравлическое трение.

Рассматривая, как и при выводе уравнения неразрывности массы фильтрующегося в пласте вещества, поток внутренней энергии и энергии сжатия , а также считая, что тепло поступает в элементарный объем только за счет гидравлического трения, т. е. что , получим

Здесь - вектор суммарной скорости теплопереноса в пласте за счет теплопроводности и конвекции, - вектор скорости фильтрации. Выражение (3.26) и есть дифференциальное уравнение сохранения энергии в пласте, выведенное при указанных выше предположениях.

Уравнение баланса энергии в интегральной форме может быть получено из первого закона термодинамики и имеет вид

где первое слагаемое в скобках – кинетическая энергия движения жидкости, второе – потенциальная энергия положения, третье – энтальпия жидкости, Дж/кг;

Е п – полная энергия в контрольном объеме, Дж;

q – тепловой поток через контрольную поверхность, Вт;

l s – мощность на преодоление внешних сил, в основном трения, Вт;

u – скорость потока, м/с;

r – плотность среды, кг/м 3 ;

x – угол между нормалью и контрольной поверхностью;

g – ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

z – геометрический напор, м;

h – удельная энтальпия, Дж/кг;

S – контрольная поверхность;

t – время, с.

Для химических процессов кинетическая и потенциальная энергии, а также мощность на преодоление внешних сил пренебрежимо малы по сравнению с энтальпией, поэтому можно записать

Это уравнение, по сути, является уравнением теплового баланса.

Для простого контрольного объема, ограниченного контрольными поверхностями, перпендикулярными вектору потока жидкости, интегрирование последнего уравнения дает

Первые два слагаемых в этом уравнении получены следующим образом. Если принять плотность постоянной, а cos(x )=±1, то

тогда

Так как W =rūS , то получаем

Если скорость незначительно меняется в обоих сечениях, а поток жидкости стационарен в гидродинамическом отношении, то уравнение баланса тепла можно записать следующим образом

Если система стационарна и в тепловом отношении, то:

Если в системе не происходит фазовых превращений и химических реакций, то можно от энтальпий перейти к теплоемкостям и тогда

Рассмотрим пример применения уравнений теплового баланса в нестационарных условиях.

Пример 9.1. Два резервуара объемом по 3 м 3 каждый заполнены водой при температуре 25 °С. Оба имеют мешалки, обеспечивающие практически полное перемешивание. В определенный момент времени в первый резервуар начинают подавать 9000 кг/ч воды при температуре 90 °С. Вода, выходящая из первого резервуара, поступает во второй. Определить температуру воды во втором резервуаре через 0,5 часа после начала подачи горячей воды. Резервуары считать теплоизолированными.

Рис. 9.1. К примеру 9.1

Решение: Составим схему тепловых потоков (рис. 9.1) и тепловой баланс для первого резервуара. При отсутствии теплообмена q =0 и при условиях

уравнение теплового баланса примет вид

откуда 9000(90-T 1 )d t=3·1000dT 1 , или

После интегрирования от 0 до t и от 25 °С до T 1 получим

T 1 =90-65exp(-3t).

Составим аналогичным образом тепловой баланс второй емкости