Файл: Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие.pdf

поступает в окружающую среду. Эта тепловая энергия уже не мо­ жет быть превращена в работу, она теряется в окружающей среде бесполезно; в этом случае говорят, что энергия рассеивается. Мерой рассеивания энергии и служит энтропия.

Так как энтропия является параметром состояния, то ее можно использовать как одну из координат для графического изображе­ ния процессов. Наглядной и удобной для расчетов является си­ стема координат, в которой по оси абсцисс откладывается энтропия, а по оси ординат — абсолютная температура. Если в такой си­ стеме координат нанести линии процессов, получится диаграм­

ма T — S.

теплота, в результате чего энтро­ пия увеличивается от Si до S2.

Произведение энтропии на абсолютную температуру дает коли­ чество теплоты, участвующей в процессе. В данном процессе энтро­ пия составляет Si — S2, следовательно, (Si — S2)T=q.

Графически Si — S2 представляет собой основание, а Т — вы­ соту; произведение этих двух сомножителей дает площадь. Таким образом, в диаграмме Т — S площадь, ограниченная линией про­ цесса, ее крайними ординатами и осью абсцисс, определяет коли­ чество теплоты, участвующей в процессе.

Напомним, что в диаграмме р—ѵ аналогичная площадь изо­ бражает работу.

Адиабатный процесс, как известно, протекает без теплообмена, следовательно, <7 = 0, а S = const; температура изменяется. Это зна­ чит, что адиабата должна идти параллельно оси ординат (рис. 12).

Изохорный (рис. 13) и изобарный (рис. 14) процессы изобра­ жаются кривыми AB и АС, причем изохора идет круче изобары. Заштрихованные площади представляют собой количество теп­

параллельной оси абсцисс; поскольку к рабочему телу подводится теплота, энтропия его увеличивается (процесс направлен вправо

29

от точки 1). При адиабатном расширении температура тела сни­ жается, а так как адиабата в диаграмме Т — S изображается вер­ тикально, то процесс от точки 2 направлен по ординате вниз (2—3). Изотермическое сжатие сопровождается отводом теплоты энтропия при этом уменьшается. Следовательно, процесс сжатия

Т

I

•S

•ч:

s

Рис. 15. Цикл Карно в диаграмме

T—S.

представляет собой отрезок горизонтальной прямой 3—4. Адиабат­ ное сжатие имеет вид прямой 4—1. Площадь диаграммы 1—2—3—4 в масштабе соответствует количеству теплоты, превращенной в работу.

нии. Они как бы «танцуют», и те из них, которые приобретают наи­ большую энергию, вырываются и образуют над поверхностью воды нар.

30 .

зовании в закрытом сосуде одновременно происходят оба процесса. Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, назы­ вается и с п а р е н и е м . Испарение происходит при любой темпе­ ратуре. Для процесса испарения необходима поверхность раздела между жидкостью и паром, которая может быть и внутри жид­ кости; при этом в жидкости образуются пузырьки пара, и испарение

количество пара в нем будет увеличиваться, а количество воды уменьшаться до тех пор, пока последняя капля воды не превратится в пар. В этот момент пар становится с у х и м н а с ы ще н н ы м .

Доля содержания сухого насыщенного пара во влажном на­ зывается степенью сухости пара и обозначается буквой х. Таким образом, если говорят, что степень сухости влажного пара л:—0,96, это значит, что 1 кг пара содержит 0,4 кг воды и 0,96 кг сухого насыщенного пара. Доля содержания воды во влажном паре называется с т е п е н ь ю в л а ж н о с т и . Если к сухому насыщен­ ному пару подводить теплоту при постоянном давлении, то он ста­ новится п е р е г р е т ы м , температура пара при этом повышается, а объем его увеличивается; теплосодержание перегретого пара ста­ новится большим.

Перегретый пар используют в энергетических установках (тур­ бинах, машинах), насыщенный — в технологических установках (рыбообрабатывающих).

31

Получение пара в паровых котлах происходит при постоянном давлении и включает следующие стадии:

—нагрев воды до температуры кипения;

—образование пара из кипящей воды;

—образование перегретого пара из сухого насыщенного.

Весь процесс получения пара в паровых котлах можно изобра­ зить на диаграмме р — ѵ (рис. 16). Предположим, что в действую­ щий котел подали под давлением 1 кг холодной воды при 0°. Удель­ ный объем ѵв очень мал. На диаграмме это состояние представится точкой 1. Затем температура, а следовательно, и удельный объем поданной массы воды быстро начнут повышаться при том же дав­ лении рі. Одно из состояний процесса нагревания воды показано на диаграмме точкой 2, при нем удельный объем подогретой воды равен ѵп.в-

В точке 3 вода уже перейдет в кипящее состояние при тем­ пературе кипения, соответствующей давлению рі и удельному объему цк. Отрезок 1—3 на диаграмме представляет процесс подо­ грева воды от 0° С до температуры кипения.

При дальнейшем подогреве начинается процесс образования пара из кипящей воды при постоянных давлении и температуре кипения; этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не испарится последняя капля воды. На диаграмме процесс парооб­ разования показан отрезком <3—5, причем за точкой 3 кипящая вода постепенно начинает переходить в насыщенный пар и в точке 5 полностью превращается в сухой насыщенный пар. Поэтому про­ межуточные точки (например, точка 4) отрезка 3—5 изображают влажный пар с различными значениями сухости. В точке 3 (со­ стояние кипящей воды) сухость пара х=0, в точке 5 (состояние сухого насыщенного пара) я = 1, т. е. сухость пара составляет 100%.

Если продолжать процесс нагревания сухого насыщенного пара (в пароперегревателе), то получаемая при этом характеристика пара графически изобразится горизонтальной прямой, являющейся продолжением линии 1—5.' В точке 6 удельный объем теперь уже перегретого пара будет рп. п. С удалением точки 6 от точки 5 как температура нагрева, так и удельный объем пара будут повы­ шаться.

Если теперь рассмотреть работу котла при большем давлении (Рі ), равном примерно 10 МПа ( — 100 кгс/см2), то весь процесс образования насыщенного пара из воды при температуре 0° и пере­ гретого пара из сухого насыщенного изобразится штриховой линией 1'—6'. В точке 1' удельный объем воды при 0° С получается такой же, как при ри так как удельный объем воды почти не зависит от давления, он изменяется только с изменением температуры жид­ кости. Однако при давлениях свыше 10 МПа удельный объем воды начинает заметно уменьшаться; это уменьшение для наглядности показано на диаграмме штриховой линией 1' — С.

Если через одноименные точки провести плавные линии, то по­ лучим п о г р а н и ч н ы е к р и в ы е ЕК и КМ, которые делят всю диаграмму на три области: область воды, лежащую левее линии

32

ЕК, область влажного пара, расположенную между линиями ЕК и КМ, и область перегретого пара, находящуюся правее линии КМ. Линия 4—4'—4"—К. есть кривая постоянной сухости. Это значит, что при различных давлениях сухость пара в точках 4, 4', 4" и К будет одинаковой.

Д. И. Менделеев в 1860 г. пришел к выводу, что существует такая температура жидкости, при которой ее поверхностное натя­ жение как результат действия сил сцепления между молекулами будет равно нулю. Выше этой температуры жидкость и пар обла­ дают одинаковыми свойствами; различие между ними исчезает.

Предполагая, что энтропия воды при 0°С (273 К) равна нулю, со­ стояние воды при 0° изображают на диаграмме Т—S точкой А, лежащей на оси ординат. Критическая точка на диаграмме Т—S обозначается точкой К, в которой сходятся нижняя А0К и верхняя

пара изобары круто поднимаются, а в области жидкости сливаются с нижней пограничной кривой.

Так как процесс парообразования в паровом котле происходит при постоянном давлении (по изобаре), то три стадии парообразо­ вания в диаграмме Т — S будут изображены следующим образом:

линия ВС.