Файл: Шемаханов, М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы учебник.pdf

М. М. Шемаханов

ОСНОВЫ

ТЕРМОДИНАМИКИ

И

КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

РУДНИЧНОЙ

АТМОСФЕРЫ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология и комплексная механизация подземной разработки месторождений полезных ископаемых».

МОСКВА «НЕДРА»

1974

%' - Н 3 5

Шемаханов М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы. Учебник. М., «Недра», 1974. 208 с.

В книге изложены основы технической термодинамики, теории теплообмена и кондиционирования воздуха, а также основные по­ нятия термодинамики холодильных установок. Рассмотрены основ­ ные вопросы кондиционирования рудничного воздуха в шахтах, при­ ведена краткая характеристика отдельных звеньев установок конди­ ционирования. Книга предназначена в качестве учебника для студен­ тов горных вузов по специальности «Технология и комплексная механизация подземной разработки месторождений полезных иско­ паемых» и других горных специальностей. Кроме того, книга может быть полезна инженерно-техническим работникам горной промыш­ ленности.

Табл. 15, ил. 113, список лит. — 25 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В подготовке специалиста — инженера вообще и горного в ча­ стности — большое значение имеет изучение термодинамики и кон­ диционирования атмосферы. Тепловые процессы составляют осно­ ву многих производств и определяют режим работы ряда уст­ ройств.

Большое значение в горном деле имеют вопросы горной тепло­ техники, связанные с получением и использованием сжатого воздуха (компрессорные установки, сети сжатого воздуха, пнев­ матический привод, в которых происходят сложные термодинами­ ческие процессы). В глубоких шахтах в целях создания теплового режима при работе вентиляционных устройств, обеспечивающих необходимые санитарно-гигиенические условия для шахтеров, при­ меняют установки для кондиционирования воздуха, т. е. получения его заданных оптимальных параметров (температуры и влажно­ сти). В зимнее время широко применяют подогрев воздуха при вентиляции для создания тепловой воздушной завесы в верхней части ствола шахты.

Большое значение в строительстве подземных сооружений име­ ют процессы замораживания при проходке и надлежащая работа холодильных установок, обеспечивающих получение низких темпе­ ратур. В настоящее время в автоматике все шире применяют пнев­ матические релейные устройства, позволяющие создавать совер­ шенные системы автоматического управления технологическими процессами.

Воснову книги положена программа для специальности «Тех­ нология и комплексная механизация подземной разработки полез­ ных ископаемых» горных институтов. Однако книга может быть полезна и учащимся других горных специальностей, например «Строительство подземных сооружений и шахт» и др.

Вкниге применена техническая система единиц (МКГСС). Для перевода в систему СИ следует пользоваться следующими соотно­ шениями.

1.Энергия, количество теплоты:

3

Г л а в а f

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Термодинамика — наука, изучающая законы превращения од­ ного вида энергии в другой. Слово «термодинамика» представляет собой сочетание двух греческих слов: therme (теплота) и dynamikos (сила). Название этой науки объясняется ее историческим развитием. Сначала термодинамика развивалась как наука о вза­ имном преобразовании теплоты и механической энергии (работы). Затем пределы применения термодинамики значительно расшири­ лись, она превратилась в науку об энергии и в настоящее время применяется в различных областях знаний.

Часть термодинамики, изучающая общие основы и закономер­ ности превращения энергии в разнообразных физических явле­ ниях, представляет собой физическую термодинамику; часть тер­ модинамики, занимающаяся вопросами изучения процессов, про­ исходящих при превращении химической энергии веществ в тепло­ вую (тепловые эффекты химических реакций, химического равно­ весия, свойства растворов и т. д.), является предметом химиче­ ской термодинамики. Техническая же термодинамика изучает про­ цессы взаимного превращения теплоты и работы, а также свой­ ства рабочих тел, с помощью которых протекают эти процессы.

Рабочие тела в тепловых процессах претерпевают различные изменения состояния, поэтому исследуются пути и возможности наиболее выгодного превращения теплоты в работу. Сравнитель­ но недавно возник новый метод термодинамического исследова­ ния — «термодинамика необратимых процессов», который исполь­ зуют для исследования термоэлектрических и термодиффузионных процессов, а также молекулярного переноса. Новое направление получает термодинамика при изучении теплофизических свойств плазменного состояния вещества. Большое значение имеет разви­ тие термодинамики диэлектриков, парожидкостей и их потоков, холода, ядерных процессов, газовых потоков больших скоростей и т. д.

Зарождение термодинамики как науки следует отнести к на­ чалу XIX в., когда французский ученый, инженер Сади Карно в

5

1824 г. в своей работе «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развить эту силу» сформулировал ряд выво­ дов термодинамики и ее второго начала. Однако следует особо от­ метить, что еще в 1798 г. М. В. Ломоносов впервые высказал сущ­ ность всеобщего закона сохранения материи и энергии, на основе которого был затем установлен и признан в науке закон сохра­

§ 2. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Как указано выше, техническая термодинамика изучает про­ цессы взаимного превращения теплоты и работы в различных теп­ ловых машинах посредством рабочих тел и веществ. В качестве рабочих тел используют различные газы и пары, для определе­ ния состояния которых применяют характери­

кV стики, называемые параметрами состояния.

Свойства вещества могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные свойства не за­ висят от количества вещества в системе (на­ пример давление, температура), а экстенсивные

вес) тела.

Т е м п е р а т у р а — это величина, характери­ зующая тепловое состояние тела и являющаяся мерой средней кинетической энергии поступа­ тельного движения молекул тела. Чем выше

температура тела, тем больше средняя скорость движения молекул. Для измерения температуры применяют различные шкалы:

стоградусную международную шкалу Цельсия, Фаренгейта, при­ нятую в Англии и Америке, и абсолютную шкалу Кельвина. .На рис. 1 показано соотношение этих шкал.

Фаренгейт принял следующие реперные точки: 0°, что соответ­ ствует температуре смеси равных частей льда и нашатыря; 100°, что соответствует температуре тела.

Переход от одной шкалы к другой выражается формулами

Т = t + 273.15К,

* Удельный объем — интенсивное свойство вещества, так как не зависит от количества.

6

стенку сосуда, представляет собой нормальную составляющую си­ лы, действующей на единицу поверхности.

Для измерения давления применяют различные единицы, в за­ висимости от принятой системы единиц измерений. В системе МКГСС давление измеряют в кгс/см2. В системе СИ давление из­ меряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м2), т. е. в паска­ лях Па. Давление измеряют также в мм ртутного или водяного столба и в барах.

В табл. 1 приведены соотношения между единицами давления.

Давление окружающей среды (атмосферы) определяется баро­ метром и называется барометрическим давлением ръ. При опреде­ лении абсолютного давления давление рабочего тела может быть больше (ра> Р б) и меньше (ра<Срб) барометрического давления.

В первом случае

Ра = Рм + Рб>

7

Так как масса в 1 кг обладает весом в 1 кгс, то в системе МКГСС удельный объем выражают

V = — , м3/кгс.

G

Плотность вещества

М кг/м3.

V ’

Удельный вес у — вес единицы объема в системе МКГСС будет

У = — » кгс/м3.

Ввиду того, что вес, измеренный в кгс, численно равен массе, измеренной в кг, удельные объемы численно одинаковы в обоих

§ 3. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Состояние рабочего тела определяется при задании двух пара­ метров. Так, например, удельный объем определяется величинами давления и температуры, т. е.

v = f(p , Т),

откуда

Р = Т (у . Т)

и

Т = ц>(р, v).

8

Общее уравнение, связывающее все три параметра, имеет вид f (р, v, t) = 0.

Это уравнение является характеристическим уравнением состоя­ ния вещества. Для каждого вещества характер функциональной зависимости индивидуален, т. е. термодинамические свойства каж­ дого вещества описываются своим уравнением.

При изменении параметров состояния системы изменяется и состояние системы, т. е. протекает термодинамический процесс. Очевидно, термодинамическая система есть совокупность рабочих тел, в которой происходит обмен энергией как между телами си­ стемы, так и между отдельным телом и окружающей средой. Та­ ким образом, термодинамическая система — это совокупность ра­ бочих тел и окружающей среды, в результате взаимодействия ко­ торых происходит термодинамический процесс.

Если в системе нет теплового взаимодействия с окружающей средой, то ее называют изолированной (адиабатной) системой.

Если система состоит из рабочих тел, имеющих одинаковое фазовое состояние и физические свойства и внутри ее нет по­ верхностей раздела (вода, газ, лед), то такая система называ­ ется однородной, или гомогенной.

Если система состоит из тел с различными физическими свой­ ствами и при этом тела отделены друг от друга видимыми по­ верхностями раздела (например, вода и плавающий в ней лед), система называется гетерогенной.

Все процессы, происходящие в термодинамической системе, можно разделить на равновесные и неравновесные.

Равновесным процессом называется термодинамический про­ цесс, при котором при изменении состояния тела давление и тем­ пература во всех частях системы изменяются одновременно и име­ ют одно и то же значение. Равновесный процесс должен проте­ кать бесконечно медленно, значит бесконечно медленно должны меняться внешние условия.

Н еравновесным процессом называется термодинамический про­ цесс, при котором в различных частях системы различны темпе­ ратура, давление, плотность, концентрация и т, д. Любой реаль­ ный процесс является неравновесным, так как он протекает с ко­ нечными скоростями и в рабочем теле при изменении состояния не будет механического и термического равновесия.

Е1ростейшим примером неравновесного процесса является про­ цесс сжатия или расширения газа в цилиндре. При движении поршня с конечной скоростью в первую очередь будут сжиматься слои газа, прилегающие к поршню, а затем во всем объеме газа, но за время сжатия поршень переместится дальше и давление опять возрастет. Следовательно, за все время процесса сжатия — от на­ чального давления до конечного— давление газа внутри цилиндра будет неодинаково в различных частях объема, занимаемого га­ зом в данный момент. Температура в процессе сжатия будет так­

9