Temperatură și regimuri termice. Relații pentru amestecuri de gaze ideale. Legea lui Dalton

Presiunea parțială a fiecărui gaz care face parte din amestec este presiunea care ar fi creată de aceeași masă a acestui gaz dacă ar ocupa întregul volum al amestecului la aceeași temperatură.

În natură și tehnologie, foarte des avem de-a face nu numai cu un gaz pur, ci cu un amestec de mai multe gaze. De exemplu, aerul este un amestec de azot, oxigen, argon, dioxid de carbon si alte gaze. De ce depinde presiunea unui amestec de gaze?

În 1801, John Dalton a stabilit că presiunea unui amestec de mai multe gaze este egală cu suma presiunilor parțiale ale tuturor gazelor care formează amestecul.

Această lege se numește legea presiunilor parțiale ale gazelor

Legea lui Dalton Presiunea parțială a fiecărui gaz dintr-un amestec este presiunea care ar fi creată de aceeași masă a gazului respectiv dacă ar ocupa întregul volum al amestecului la aceeași temperatură.

Legea lui Dalton afirmă că presiunea unui amestec de gaze (ideale) este suma presiunilor parțiale ale componentelor amestecului (presiunea parțială a unui component este presiunea pe care ar exercita-o un component dacă singur ar ocupa întreg spațiul ocupat). prin amestec). Această lege indică faptul că fiecare componentă nu este afectată de prezența altor componente și proprietățile componentei din amestec nu se modifică.

Două legi ale lui Dalton

Legea 1 Presiunea unui amestec de gaze este egală cu suma presiunilor parțiale ale acestora. Rezultă din aceasta că presiunea parțială a unui component al unui amestec de gaze este egală cu produsul dintre presiunea amestecului și fracția molară a acestui component.

Legea 2 Solubilitatea unei componente dintr-un amestec de gaze într-un lichid dat la o temperatură constantă este proporțională cu presiunea parțială a acestei componente și nu depinde de presiunea amestecului și de natura altor componente.

Legile sunt formulate de J. Dalton resp. în 1801 și 1803.

Ecuația legii lui Dalton

După cum sa menționat deja, componentele individuale ale amestecului de gaze sunt considerate independente. Prin urmare, fiecare componentă creează presiune:

\[ p = p_i k T \quad \left(1\right), \]

iar presiunea totală este egală cu suma presiunilor componentelor:

\[ p = p_(01) k T + p_(02) k T + \cdots + p_(i) k T = p_(01) + p_(02) + \cdots + p_(i) \quad \left( 2\dreapta),\]

unde \(p_i\) este presiunea parțială i a componentei gazului. Această ecuație este legea lui Dalton.

La concentrații mari, presiuni mari, legea lui Dalton nu este îndeplinită întocmai. Întrucât se manifestă interacţiunea dintre componentele amestecului. Componentele nu mai sunt independente. Dalton și-a explicat legea folosind ipoteza atomistă.

Să existe o componentă i în amestecul de gaze, atunci ecuația Mendeleev-Claiperon va arăta astfel:

\[ ((p)_1+p_2+\dots +p_i)V=(\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)((\mu )_2)+\dots +\frac(m_i )((\mu )_i))RT\ \quad \left(3\right), \]

unde \(m_i \) sunt masele componentelor amestecului de gaze, \((\mu )_i \) - mase molare componentă a amestecului de gaze.

Dacă intri \(\left\langle \mu \right\rangle \) astfel încât:

\[ \frac(1)(\left\langle \mu \right\rangle )=\frac(1)(m)\left[\frac(m_1)((\mu )_1)+\frac(m_2)( (\mu )_2)+\dots +\frac(m_i)((\mu )_i)\right] \quad \left(4\right), \]

atunci ecuația (3) poate fi scrisă ca:

\[ pV=\frac(m)(\left\langle \mu \right\rangle )RT \quad \left(5\right). \]

Legea lui Dalton poate fi scrisă astfel:

\[ p=\sum\limits^N_(i=1)(p_i)=\frac(RT)(V)\sum\limits^N_(i=1)((\nu )_i)\ \quad \left (6\dreapta). \]

\[ p_i=x_ip\ \quad \left(7\right), \]

Unde \(x_i-molar\ concentrație\ i-th \) gaz în amestec, în timp ce:

\[ x_i=\frac((\nu )_i)(\sum\limits^N_(i=1)(n_i))\ \quad \left(8\right), \]

unde \((\nu )_i \) este numărul de moli de gaz \(i-th\) din amestec.

Javascript este dezactivat în browserul dvs.
Controalele ActiveX trebuie să fie activate pentru a face calcule!

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Foloseste formularul de mai jos

Buna treaba la site">

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Introducere

Ingineria termică este o știință care studiază metodele de obținere, conversie, transfer și utilizare a căldurii, precum și principiile de funcționare și caracteristicile de proiectare ale motoarelor termice, aparatelor și dispozitivelor. Căldura este folosită în toate domeniile activității umane.

Pentru a stabili cele mai raționale modalități de utilizare a acestuia, pentru a analiza eficiența proceselor de lucru ale instalațiilor termice și pentru a crea noi, cele mai avansate tipuri de unități termice, este necesară dezvoltarea fundamente teoretice inginerie termică. Există două domenii fundamental diferite de utilizare a căldurii - energetic și tehnologic.

În timpul utilizării energiei, căldura este transformată în lucru mecanic, cu ajutorul căruia se creează energie electrică în generatoare, convenabile pentru transmiterea la distanță. În acest caz, căldura se obține prin arderea combustibilului în centralele de cazane sau direct în motoarele cu ardere internă.

În domeniul tehnologic - căldura este folosită pentru modificarea direcțională a proprietăților diferitelor corpuri (topire, solidificare, modificări structurale, mecanice, fizice, proprietăți chimice). Cantitatea de energie produsă și consumată este enormă.

Ingineria termică este o disciplină tehnică generală în formarea specialiștilor din specialitățile tehnice și constă din trei subiecte interdependente: termodinamica tehnică, fundamentele teoriei transferului de căldură, care studiază legile de transformare și proprietățile energiei termice și procesele de căldură. propagare.

Sarcina cursului de inginerie termică este de a pregăti un inginer-tehnolog chimist care are abilitățile de a gestiona în mod competent proiectarea și funcționarea unui producție chimică, care este o combinație de procese tehnologice și termice și echipamentele tehnologice și termice corespunzătoare. Această pregătire va contribui la îndeplinirea cu succes a sarcinilor de mai sus de către absolvenții universităților de inginerie chimică. Semnificația unui astfel de antrenament va crește pe măsură ce tipurile de energie atomică, termonucleară și regenerabilă sunt incluse într-un număr de altele practic semnificative și eficiente, deoarece, conform unei expresii binecunoscute, niciun tip de energie nu este la fel de scump ca lipsa lui.

gaz parțial turbină cu gaz convectivă

Întrebarea teoretică #1

Conceptul de amestec de gaze. presiune parțială. Legea lui Dalton. Volum parțial. Legea lui Amag. Metode de fixare a amestecurilor de gaze. Pericol de incendiu al amestecurilor combustibile cu aer

Un amestec de gaze este un amestec de mai multe gaze ideale care nu intră în niciunul reacții chimice. Exemple de amestec de gaze sunt: ​​aerul atmosferic care constă dintr-un amestec de azot și oxigen în principal; gaz natural; gazele de eșapament ale motoarelor cu ardere internă (ICE), care conțin CO 2 , CO, N 2 , NO 2 , O 2 și alte gaze, aer umed (vapori de apă) în instalațiile de uscare etc.

Principiul principal care determină proprietățile unui amestec de gaze este principiul independenței acțiunii gazelor dintr-un amestec, adică fiecare gaz dintr-un amestec acționează independent de alte gaze, nu își schimbă proprietățile și respectă toate legile gazelor. În plus, fiecare gaz ocupă întregul volum al amestecului și toate gazele din amestec au aceeași temperatură, iar proprietățile unui amestec de gaze sunt suma proprietăților tuturor componentelor sale.

De aici rezultă că amestecurile de gaze respectă aceleași legi și ecuații ca și gazele ideale omogene. Legea principală care determină comportamentul unui amestec de gaze este legea lui Dalton: presiunea totală a unui amestec de gaze de gaze ideale este egală cu suma presiunilor parțiale ale tuturor componentelor sale:

R cm= p 1 + p 2 + ... + p n =

unde P cm este presiunea amestecului de gaze; Р 1 , Р 2 , Р n - presiuni parțiale ale componentelor amestecului.

Fiecare componentă a amestecului, care ocupă întregul volum al amestecului, se află sub propria sa presiune parțială. Dar dacă această componentă este pusă sub presiune P cm la aceeași temperatură a amestecului T cm, atunci va ocupa un volum mai mic (V i) decât volumul amestecului V cm). Acest volum Vi se numește redus sau parțial.

Presiunea parțială se calculează din ecuația de stare pentru această componentă:

Prin urmare, .

Pentru a compara gazele incluse în amestec în volum, se introduce conceptul de volum parțial.

Volumul parțial (redus) al unei anumite componente este volumul condiționat pe care l-ar avea această componentă dacă ar fi singur la temperatura și presiunea amestecului. Relația dintre volumul amestecului de gaze și volumele parțiale ale gazelor individuale din amestec reflectă legea Amag (legea aditivității): volumul total al amestecului de gaze este egal cu suma volumelor parțiale ale componentelor sale:

V cm= V 1 + V 2 +...+ V n = .

Pentru a calcula volumul parțial, scriem două ecuații de stare pentru orice gaz inclus în amestec:

primul este atunci când un gaz are o presiune parțială R 1 ocupă întregul volum al amestecului V cm are temperatura amestecului T cm:

R 1 V cm=m 1 R 1 T cm;

al doilea - când gazul are un volum redus V i la o presiune P cm și o temperatură a amestecului T cm:

R cmV 1 =m 1 R 1 T cm.

Împărțind prima ecuație la a doua, obținem ecuațiile de stare componente

unde R cm și V cm - presiunea și volumul amestecului; P i și V i - presiunea și volumul componentei i.

De aici exprimăm volumul parțial al componentei:

Proprietățile unui amestec de gaze depind de compoziția sa, care poate fi specificată prin masă, volum și fracții molare.

Fractiune in masa componenta amestecului g i este valoarea egala cu raportul dintre masa componentului si masa intregului amestec:

unde m i este masa acestei componente; m cm este masa întregului amestec care conține n componente.

Deoarece masa amestecului m este egală cu suma maselor tuturor componentelor:

atunci suma fracțiilor de masă este egală cu:

Cunoscând fracțiunile de masă ale gazelor individuale incluse în amestec, este posibil să se determine presiunile parțiale ale acestora

prin urmare

Fracțiile de masă sunt adesea date ca procent. De exemplu, pentru aer uscat: g (N 2) \u003d 77%; g(02) = 23%.

Fracție de volum componenta amestecului r i este valoarea egală cu raportul dintre volumul parțial al componentei și volumul amestecului:

Unde V i- volumul parțial al componentei date; V cm este volumul întregului amestec.

Deoarece volumul amestecului este egal cu suma volumelor parțiale ale componentelor, suma fracțiilor volumice este: .

Fracțiile de volum sunt date ca procent. De exemplu, pentru aer: r (N 2) \u003d 79%; r(02) = 21%.

Fracția molară componenta amestecului x i este valoarea egală cu raportul dintre numărul de moli ai acestei componente și numărul total de moli ai amestecului:

Deoarece numărul total de moli ai amestecului este egal cu suma numerelor de moli ale fiecărei componente, este evident că:

În conformitate cu legea lui Avogadro, volumele unui mol de orice gaz la aceeași presiune și temperatură, în special la temperatura și presiunea unui amestec, sunt aceleași într-o stare de gaz ideală. Prin urmare, volumul redus al oricărei componente poate fi calculat ca produs al volumului unui mol V m prin numărul de moli ai acestei componente, adică V i = V mN, iar volumul amestecului este conform formulei V = V mN.

prin urmare, sarcina gazelor incluse în amestec, pe fracții molare, este egală cu sarcina prin fracțiile lor de volum.

Raportul dintre masă și fracția molară poate fi găsit din ecuația:

Ca urmare, avem următoarele relații:

În ecuațiile rezultate M CM- greutatea moleculară medie (aparentă) a unui amestec de gaze dat, adică greutatea moleculară a unui astfel de gaz omogen condiționat, care este similară ca proprietăți cu un amestec de gaze dat.

Pe baza acestui fapt, valoarea M CM determinată de compoziția amestecului după cum urmează:

Deoarece raportul:

Adăugarea de dependențe pentru magnitudine g i pentru toate componentele amestecului de gaze avem:

După transformări, obținem:

Ecuația de stare pentru un amestec de gaze poate fi adoptată după următoarele considerații. Din principiul independenței rezultă că, dacă fiecare gaz dintr-un amestec respectă în mod independent ecuația de stare, atunci întregul amestec poate fi considerat ca un gaz omogen cu proprietățile sale speciale, care se supune și ecuației de stare, adică.

Unde R CM- constanta medie a gazului aparent a amestecului, determinată pe baza greutății moleculare medii a amestecului:

Valoare R CM pot fi găsite și din compoziția amestecului după înlocuirea dependențelor pentru M CM:

Însumând toate componentele, obținem:

Suma din partea stângă a ecuației este egală cu volumul amestecului. Împărțirea ambelor părți ale ecuației la masa amestecului m primim

Suma din partea dreaptă a ecuației este constanta de gaz a amestecului:

Unele gaze și vapori dintr-un anumit amestec cu aerul sunt explozive. Pericolul de incendiu al amestecurilor de gaze este determinat de concentrația de gaze combustibile, vapori sau pulberi din amestec. La limita inferioară a concentrației de aprindere (LEL), există o cantitate mică de combustibil și exces de aer în amestec. Pe măsură ce concentrația de combustibil din amestec crește, există o lipsă de aer, ceea ce duce la o pierdere a capacității de aprindere.

O explozie a unui amestec poate avea loc numai la anumite rapoarte ale gazelor combustibile incluse în amestecul cu aer sau oxigen, caracterizate prin limite de explozie inferioară și superioară. La alegerea compoziției amestecului se iau în considerare limitele de explozie. De exemplu, un amestec metan-aer este exploziv la un conținut de 5,3 - 14,9% CH4, iar un amestec amoniac-aer este exploziv la un conținut de 14,0 - 27% NH3. Astfel, amestecul gazos utilizat în producție, care conține 12--13% CH4 și 11--12% MH3, este rezistent la explozie în aer. Cu toate acestea, un astfel de amestec inițial este aproape de limitele de explozie și, pentru a preveni o posibilă încălcare a compoziției, este asigurat un control automat al raportului de gaze. Pentru o siguranță completă, se adaugă azot la amestecul inițial.

Întrebarea teoretică #2

Cicluri ale instalațiilor cu turbine cu gaz

Instalațiile de turbine cu gaz (GTP) se numesc dispozitive de putere termică în care fluidul de lucru este produșii gazoși ai arderii combustibilului (sau alte gaze încălzite într-un fel sau altul), iar turbina cu gaz este motorul de lucru. GTU-urile sunt printre motoarele cu ardere internă. Ele diferă de motoarele cu combustie internă alternativă prin faptul că în ele se realizează o muncă utilă datorită energiei cinetice a unui gaz care se mișcă cu viteză mare.

În comparație cu motoarele cu piston, turbinele cu gaz au o serie de avantaje tehnice și economice, și anume:

Greutate redusă și dimensiuni reduse ale instalației cu putere mare;

Absența unui mecanism de biela;

Omogenitatea cursului și posibilitatea de conectare directă cu consumatorii de lucru - generatoare electrice, compresoare centrifuge etc.;

Ușurință de întreținere;

Implementarea ciclului cu expansiune totală și astfel cu randament termic ridicat;

Posibilitatea de a utiliza grade ieftine de combustibil (kerosen).

Aceste avantaje ale turbinelor cu gaz au contribuit la răspândirea lor în multe domenii ale tehnologiei.

Designul primei turbine cu gaz a fost dezvoltat de P.D. Kuzminsky în 1897. Era destinat unei bărci mici. O caracteristică distinctivă a acestei turbine a fost funcționarea ei cu vapori de apă, care erau injectați în camera de ardere pentru a scădea temperatura gazelor din fața turbinei.

Distribuția largă a turbinelor cu gaz a devenit posibilă numai după rezolvarea a două probleme principale: crearea unui compresor de gaz cu randament ridicat (turbocompresor) și producerea de noi aliaje metalice rezistente la căldură, capabile să funcționeze timp îndelungat la temperaturi de 650–750°C. °C și peste.

Munca turbinelor cu gaz se bazează pe cicluri ideale constând din cele mai simple procese termodinamice. Studiul termodinamic al acestor cicluri se bazează pe ipoteze similare cu cele ale motoarelor cu ardere internă și anume: ciclurile sunt reversibile, căldura este furnizată fără modificare. compoziție chimică fluidul de lucru al ciclului, îndepărtarea căldurii se presupune a fi reversibilă, nu există pierderi hidraulice și termice, fluidul de lucru este un gaz ideal cu o capacitate termică constantă. Spre deosebire de motoarele cu ardere internă cu piston, în care procesele de compresie, alimentare cu căldură și expansiune se desfășoară în același cilindru, în instalațiile cu turbine cu gaz aceste procese au loc în diverse elemente instalaţii în care curgerea fluidului de lucru pătrunde secvenţial. Turbinele cu gaz pot funcționa cu arderea combustibilului la presiune constantă și la volum constant. Ciclurile ideale corespunzătoare sunt împărțite în cicluri:

Cu alimentare de căldură la presiune constantă ( P = const) este ciclul Brayton;

Cu alimentare de căldură la volum constant ( v = const) -- Ciclul Humphrey;.

Ciclu de recuperare a căldurii.

Ciclul cu alimentare cu căldură la presiune constantă a primit cea mai mare aplicație practică.

p= const(ciclul Brighton)

O diagramă schematică a unei instalații cu turbină cu gaz, în care arderea combustibilului are loc la o presiune constantă, este prezentată în Fig. 1, iar ciclul reversibil efectuat în aceasta este prezentat în diagramele pv și Ts în Fig. 1.1. În această instalație, aerul atmosferic din mediu inconjurator având presiunea p 1 şi temperatura T 1 intră în admisia compresorului (1), rotindu-se pe acelaşi arbore cu turbina cu gaz (4). Aerul este comprimat adiabatic în compresor 1-2 ) la o presiune p 2 la care este alimentat în camera de ardere (3), unde pătrunde combustibil gazos sau lichid. Aici, la o presiune constantă, arderea combustibilului are loc la p=idem (2-3 ), în urma căreia temperatura produșilor gazoși de ardere rezultați crește la valoarea lui T 3 . La această temperatură și presiune p 3 = p 2, gazul intră în turbina (4), unde, cu expansiune adiabatică ( 3-4 ) până la presiunea atmosferică p 1 efectuează lucrări, din care o parte este cheltuită pentru antrenarea compresorului, iar cealaltă parte este cheltuită pentru antrenamentul generatorului care generează energie electrică. Din turbina (4), gaz la o presiune p 4 = p 1 este eliberat în atmosfera înconjurătoare ( 4-1 ), iar aerul curat nou este preluat în compresor din atmosferă.

Următorii sunt acceptați ca parametri definitori ai ciclului ideal:

Raportul presiunii aerului sau (raportul de compresie);

Gradul de pre-expansiune.

Principalul indicator termodinamic al eficienței ciclului este eficiența sa termică

și cantitatea de căldură îndepărtată - conform formulei

Apoi, randamentul termic al ciclului

Este de obicei exprimată în funcție de gradul de creștere a presiunii y. Pentru adiabat 1 - 2 avem:

Pentru izobară 2 - 3

Pentru adiabatic 3 - 4

Inlocuind valorile obtinute ale temperaturilor T 2 , T 3 si T 4 in ecuatia randamentului termic se obtine

Din formula rezultă că randamentul termic al unei turbine cu gaz cu alimentare de căldură la presiune constantă depinde de gradul de creștere a presiunii y și de indicele adiabatic k, crescând cu aceste valori.

Sub rezerva dependenței

În consecință, pentru același fluid de lucru, o creștere a gradului

compresia duce întotdeauna la o creștere a eficienței.

Ciclu de lucru:

În ciuda faptului că o creștere a gradului de creștere a presiunii aerului afectează în mod favorabil eficiența unei instalații cu turbină cu gaz, o creștere a acestei valori duce la o creștere a temperaturii gazelor din fața palelor turbinei. Valorile acestei temperaturi sunt limitate de rezistența la căldură a aliajelor din care sunt fabricate lamele. În prezent, temperatura maximă admisă a gazului în fața turbinei este de 800 - 1000 ° C și o creștere suplimentară a temperaturii poate fi obținută numai cu utilizarea de noi materiale rezistente la căldură și introducerea de modele de turbine cu palete răcite.

Schema si ciclul GTU cu alimentare termica laV= const (ciclul Humphrey)

Într-o instalație de turbină cu gaz care funcționează pe un ciclu cu aport de căldură la un volum constant (V=const), procesul de ardere a combustibilului are loc cu supape de intrare și ieșire închise instalate în camera de ardere. Compresorul 1, antrenat de turbina 6, furnizează aer comprimat către camera de ardere 4 printr-o supapă controlată 7. A doua supapă 5 este situată la capătul camerei de ardere și este proiectată să iasă din produsele de ardere către turbină. Combustibilul este alimentat în camera de ardere de către pompa 2, situată pe arborele turbinei, prin duză. Alimentarea cu combustibil trebuie efectuată periodic prin supapa de combustibil 3.

Când presiunea crește, supapa 5 se deschide, iar produsele de ardere intră în aparatul duzei și pe paletele turbinei 6. La trecerea prin paletele turbinei, gazul funcționează și este eliberat în mediu.

Ciclul acestei instalații constă în compresie adiabatică în compresor ( a-c); furnizare de căldură la v= const(c-z); expansiunea adiabatică a gazului în turbină ( z-e); transfer izobar de căldură de către gaz către aerul înconjurător ( uh-huh). Ciclul termodinamic în coordonatele pv și Ts este prezentat în Figura 2.1. Principalii parametri ai ciclului sunt:

Gradul de creștere a presiunii în compresor;

Creșterea gradului de presiune izocorică.

Eficiența unui ciclu de turbină cu gaz cu aport de căldură la un volum constant este determinată astfel:

Parametrii gazului în punctele caracteristice ale ciclului se determină prin temperatura inițială Ta din relațiile:

Înlocuind aceste expresii pentru temperaturi în formula eficienței termice, obținem:

Astfel, valoarea eficienței într-o turbină cu gaz cu intrare de căldură la un volum constant depinde de gradul de creștere a presiunii în compresor și de gradul de creștere a presiunii în camera de ardere, care depinde de cantitatea de căldură furnizată ( q 1 ) într-un proces izocor.

Lucrul specific pe ciclu este determinat de:

Comparații între ciclurile cu alimentare cu căldură la p=constși v= const este văzut, că pentru același grad de creștere a presiunii și aceeași cantitate de căldură îndepărtată, un ciclu cu aport de căldură la volum constant este mai profitabil decât un ciclu cu aport de căldură la presiune constantă. Acest lucru se datorează gradului mai mare de expansiune în ciclu v = constși, în consecință, valori ridicate ale eficienței termice. În ciuda acestui avantaj, ciclul cu furnizare de căldură la un volum constant nu și-a găsit o aplicație largă în practică din cauza complexității proiectării camerei de ardere și a deteriorării turbinei într-un flux de gaz pulsatoriu, deși lucrările de îmbunătățire a acestui ciclu continuă. .

din cauza design complex camere de ardere, ciclul turbinei cu gaz cu alimentare izocoră de căldură este utilizat extrem de rar, deși are o eficiență sporită față de ciclul Brayton.

Ciclu turbină cu gaz cu recuperare de căldură

Una dintre măsurile de îmbunătățire a eficienței termice a turbinelor cu gaz este utilizarea recuperării căldurii. Recuperarea căldurii este utilizarea căldurii gazelor de eșapament pentru a încălzi aerul care intră în camera de ardere. Recuperarea căldurii este posibilă cu condiția ca T4 >T2. Pentru a face acest lucru, în schema de instalare este introdus un dispozitiv suplimentar, un schimbător de căldură.

O diagramă a unei instalații cu turbină cu gaz cu ardere la P = const cu recuperare de căldură este prezentată în Figura 3. Diferența dintre o instalație cu turbină cu gaz cu recuperare de căldură și o instalație fără regenerare este că aerul comprimat nu intră imediat în compresorul 1 în camera de ardere. 4, dar mai întâi trece prin regeneratorul de aer - schimbătorul de căldură 3, în care este încălzit de căldura gazelor de eșapament. În consecință, gazele care părăsesc turbina trec printr-un regenerator de aer înainte de a fi eliberate în atmosferă, unde sunt răcite, încălzind aerul comprimat. Astfel, o anumită parte a căldurii, transportată anterior de gazele de eșapament în atmosferă, este acum utilizată în mod util.

Ciclul unei instalații cu turbină cu gaz cu regenerare și alimentare cu căldură izobară în diagramele P,v - și T,s - este prezentat în Figura 1.

Orez. 1 Schema termică a turbinei cu gaz cu recuperare de căldură

Ciclul luat în considerare constă în procesul adiabatic de comprimare a aerului în compresorul 1 - 2, procesul 2 - 5, care este o încălzire izobară a aerului în regenerator, proces izobaric 5 - 3, corespunzător furnizării de căldură în camera de ardere datorită la arderea combustibilului, procesul de expansiune adiabatică a gazelor 3 - 4 în turbină, răcirea izobară a gazelor de eșapament în regeneratorul 4 - 1.

Cantitatea de căldură furnizată fluidului de lucru în procesul izobaric

și eliminate în procesul izobaric

Înlocuind q 1 și |q 2 | la raportul general

Vom primi.

Temperaturile în punctele principale ale ciclului sunt determinate de:

Eficiența termică a ciclului turbinei cu gaz cu alimentare cu căldură la Р = const iar regenerarea completă depinde de temperatura iniţială T 1 şi de temperatura de la sfârşitul expansiunii adiabatice T 4 .

În condiții reale, căldura de regenerare nu este complet transferată, deoarece schimbătoarele de căldură nu sunt ideale. Eficiența termică a ciclului va depinde de gradul de regenerare. Gradul de regenerare este raportul dintre cantitatea de căldură transferată în aer, primită de aerul comprimat în regenerator, și cantitatea de căldură pe care ar putea-o primi dacă este încălzită de la T 2 la T 5 \u003d T 4 la ieșirea din turbina cu gaz.

Eficiența termică a ciclului turbinei cu gaz cu regenerare incompletă, i.e. la r<1, определяется следующим образом

Gradul de regenerare este determinat de calitatea și suprafața suprafețelor de lucru ale schimbătorului de căldură (regenerator).

În prezent, astfel de turbine cu gaz sunt utilizate în instalații staționare datorită greutății și dimensiunilor mari ale regeneratorului, de exemplu, ca centrale electrice de nave.

Sarcina 1

Determinați compoziția volumetrică, greutatea moleculară, constanta gazului și volumul amestecului, dacă compoziția sa în masă este următoarea: propan - 48,7%, butan - 16,8%, hexan - 14,6%, etilenă - 4,7%, azot - 15,2%. Presiunea amestecului este de 3 bari, masa și temperatura amestecului sunt, respectiv, egale

Greutate, kg	Temperatura, 0 С

C 4 H 10 \u003d 16,8% C 6 H 14 \u003d 14,6% C 2 H 4 \u003d 4,7% P cm = 3 bar t cm = 17 0 С	g i (C 3 H 8) \u003d 0,487 g i (C 4 H 10) \u003d 0,168 g i (C 6 H 14) \u003d 0,146 g i (C 2 H 4) \u003d 0,047 g i (N 2) \u003d 0,152 R cm \u003d 3 10 5 Pa

Găsiți: i - ?, M cm - ?,

R cm - ?, V cm - ?

1. Pe baza datelor de referință, determinăm greutățile moleculare ale componentelor:

M (C 3 H 8) \u003d 44 kg / kmol;

M (C 4 H 10) \u003d 58 kg / kmol;

M (C6H14) = 86 kg/kmol;

M (C 2 H 4) \u003d 28 kg / kmol;

M (N 2) \u003d 28 kg / kmol.

2. Calculați constantele de gaz ale gazelor folosind valoarea constantei universale de gaz R = 8,314 kJ/kmol K:

R(C3H8) = = 0,18895 kJ/kg K = 188,9 J/kg K;

R(C4H10) = = 0,1433 kJ/kg K = 143,3 J/kg K;

R (C 6 H 14) \u003d \u003d 0,09667 kJ / kg K \u003d 96,7 J / kg K;

R (C 2 H 4) \u003d \u003d 0,2969 kJ / kg K \u003d 296,9 J / kg K;

R (N 2) \u003d \u003d 0,2969 kJ / kg K \u003d 296,9 J / kg K.

3. Determinați constanta de gaz a amestecului:

R cm= ?(g i R i)

R= 0,487 188,95 + 0,168 143,3 + 0,146 96,7 + 0,047 296,9 + 0,152 296,9 = 92,02+24,07+13,95+14,26+45,14 K..

4. Determinați fracțiile volumice ale componentelor incluse în amestec:

unde R cm este constanta de gaz a amestecului, J/(kg K);

R i - constanta de gaz a componentelor individuale incluse în amestec J/(kg·K).

5. Calculați greutatea moleculară a amestecului:

M cm \u003d 0,488 44 + 0,127 58 + 0,074 86 + 0,073 28 + 0,238 28 \u003d 21,47 + 7,37 + 6,36 + 2,04 + 6,66 + 4 kg / kmd.

6. Calculați volumul amestecului de gaze exprimându-l din ecuația Claiperon:

RV = m R T,

m 3 / kg.

Răspuns: r(C3H8) - 48,8%; r(C4H10) -12,7%;

r(C6H14) - 7,4%; M cm - 44 kg / kmol.

r(C2H4) - 7,3%; R cm - 189,43 J/kg K.

r(N2) - 23,8%; V cm - 1.648 m 3 / kg.

Sarcina #2

Amestecul gazos din reactor are următoarea compoziție volumetrică: monoxid de carbon = 14%, azot = 6%, oxigen = 75%, vaporii de apă = 5% sunt încălziți de la t1 la t2. Determinați cantitatea de căldură furnizată amestecului de gaze. Luați în considerare dependența capacității termice de temperatură în conformitate cu opțiunea dvs

			constant

H 2 O abur \u003d 5%	r(H20) abur = 0,05

Găsiți: Q - ?

1. În funcție de starea problemei, rezultă că dependența capacității termice de temperatură este constantă, adică nu depinde de temperatură, prin urmare, capacitatea termică este determinată de formula:

unde C este capacitatea termică a gazului, kJ/kmol K;

M i - greutatea moleculară a componentei, g/kmol.

Pentru gaze biatomice (azot, oxigen) C v = 20,93 kJ/kmol K, pentru vapori de apă și alte gaze poliatomice C v = 25 kJ/kmol K.

Calculați capacitățile termice ale componentelor:

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol K;

kJ/kmol K.

Să calculăm capacitatea termică totală a amestecului de gaze:

C cm = 0,7475 0,14 + 0,7475 0,06 + 0,6541 0,75 + 1,3889 0,05 = 0,1046 + 0,0448 + 0,4906 + 0,0694 = 0,7094 kJ/kmol

2. Calculați cantitatea de căldură la o capacitate termică constantă conform formulei:

Q = mC v(T 2 - T 1 )

Q= 4 0,7094 (1073 - 423) \u003d 2,8376 650 \u003d 1844,44 J.

Răspuns: Q = 1844,44J.

Sarcina #3

Aerul funcționează pe un ciclu cu alimentare izocoră de căldură. Determinați parametrii ciclului în punctele caracteristice și munca utilă a ciclului dacă masa de aer, presiunea inițială, temperatura inițială, raportul de compresie și cantitatea de căldură furnizată în timpul arderii sunt, respectiv, egale.

	P 1 \u003d 9 10 3 Pa

Găsiți: A = ?

Un ciclu cu alimentare izocoră de căldură (ciclul Otto) este format din două adiabate și două izocore. Caracteristicile ciclului sunt:

rata compresiei - ;

gradul de crestere a presiunii - ;

Cantitatea de căldură furnizată și îndepărtată este determinată de formulele:

Munca ciclului este determinată de:

1. Să determinăm parametrii ciclului în punctele caracteristice.

a) Determinați parametrii la punctul 1.

P 1 \u003d 90 10 3 Pa; T1 = 298 K; M aer \u003d 28,97 kg / kmol.

Constanta de gaz a aerului este

Calculăm volumul specific de aer V 1 exprimându-l din ecuația Claiperon:

b) Determinați parametrii la punctul 2.

Raportul de compresie este

Prin urmare m 3 / kg.

Din ecuația adiabatică (procesul 1-2 - compresie adiabatică) exprimăm temperatura

unde k este indicele adiabatic (pentru aer este 1,4).

Presiunea P 2 se găsește din expresie

c) Determinați parametrii la punctul 3.

Deoarece 2 - 3 este un izocor, atunci V 3 \u003d V 2 \u003d 0,7125 m 3 / kg.

Temperatura la punctul 3 se determină din relație

Luând Ms v \u003d 20,98 kJ / kg K, M (aer) \u003d 28,97 kg / kmol, obținem

Prin urmare,

Presiunea P 3 se determină din relaţie

d) Determinați parametrii la punctul 4.

V 4 = V 1 \u003d 2,85 m 3 / kg.

de aici exprimam presiunea la punctul 4

2. Determinați munca utilă a ciclului.

Calculați cantitatea de căldură îndepărtată:

Munca utilă în ciclu este egală cu

Răspuns: l c= 680,56 kJ.

Sarcina #4

Găsiți cel mai mare raport de compresie într-un ciclu cu alimentare izocoră de căldură, dacă se știe că presiunea inițială este de 100 kPa, indicele adiabatic este 1,3, iar temperatura inițială și temperatura de autoaprindere a amestecului combustibil sunt:

t sine \u003d 430 0 C	P 1 \u003d 10 10 3 Pa

Deoarece există o sursă de căldură izocoră, putem exprima gradul de compresie din ecuația adiabatică:

Să calculăm raportul de compresie:

Răspuns: raportul de compresie? max în ciclul cu alimentare izocoră de căldură este egal cu 26,9. Cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât eficiența ciclului este mai mare.

Sarcina numărul 5

Se scurge aer din rezervor. Aflați valoarea presiunii mediului la care viteza teoretică a curgerii adiabatice va fi egală cu cea critică și valoarea acestei viteze dacă presiunea inițială și respectiv temperatura sunt egale.

	P 1 \u003d 5 10 6 Pa

Aflați: P 2 =?

Aerul este un gaz biatomic, prin urmare valoarea critică pentru aer este 0,528.

Din raportul exprimăm și găsim presiunea mediului Р 2:

Să determinăm valoarea și să o comparăm cu valoarea critică pentru aer: 0,528 = 0,528.

Deoarece fluxul adiabatic de gaz are loc la ? în cr, atunci viteza teoretică de ieșire a gazului va fi egală cu viteza critică și este determinată de formula

Răspuns: P 2 \u003d 2,64 10 6 Pa; w kr= 321 m/s.

Întrebarea teoretică #3

Transferul convectiv de căldură sub mișcarea forțată a fluidului. Transferul de căldură în timpul mișcării forțate a fluidului prin canale.

Transferul de căldură convectiv este un proces comun de convecție și conducție a căldurii, deoarece atunci când un lichid sau un gaz se mișcă, particulele individuale cu temperaturi diferite intră inevitabil în contact.

Transferul convectiv de căldură între fluxul de lichid sau gaz de pe suprafața unui corp solid se numește transfer de căldură convectiv, care

adesea însoțită de transfer radiativ de căldură.

În funcție de cauza care provoacă mișcarea unui fluid, se disting două tipuri de mișcare: liberă (convecție naturală) și forțată (convecție forțată).

Mișcarea liberă apare din cauza diferenței de densități a particulelor fluide încălzite și reci, ceea ce provoacă apariția unei forțe de ridicare. Particulele fluide în contact cu suprafața încălzită a corpului se încălzesc și devin mai ușoare decât particulele reci de deasupra lor. Acest aranjament al particulelor este instabil: particulele reci tind să coboare și să înlocuiască particulele încălzite mai ușoare, care trebuie să se deplaseze în sus, spre particulele reci care coboară. Există o mișcare neregulată complexă în care curenții ascendenți și descendenți se ciocnesc. Cu cât se transferă mai multă căldură, cu atât este mai intensă mișcarea liberă a fluidului. Cantitatea de căldură transferată este proporțională cu suprafața corpului și diferența de temperatură dintre suprafața care eliberează (sau care primește căldură) și lichid. Diferența de temperatură determină forța de ridicare a mișcării, iar suprafața determină zona de distribuție a procesului de transfer de căldură.

Mișcarea forțată are loc sub influența unei forțe care acționează asupra lichidului din exterior - de către o pompă, vânt, ventilator, compresor, ejector etc. În acest caz, diferența de presiune a fluidului este stabilită la intrarea și ieșirea canalului. prin care se deplasează fluidul. Forța motrice este determinată în principal de diferența de presiune. Intensitatea transferului de căldură în timpul mișcării forțate a unui lichid depinde de viteza acestuia de mișcare, de tipul și proprietățile fizice ale lichidului, de temperatura acestuia, de forma și dimensiunea canalului în care are loc schimbul de căldură.

Intensitatea procesului de transfer de căldură convectiv este limitată de procesul de conducere a căldurii la limita unui lichid cu o suprafață solidă și în stratul limită în raport cu particulele imobile ale lichidului adiacent suprafeței solide. Intensitatea transferului de căldură convectiv poate fi crescută prin creșterea vitezei fluidului față de suprafața solidă, ceea ce contribuie la scăderea grosimii stratului limită. Acest proces include două etape și două tipuri de transfer de energie termică:

Transfer de energie termică prin convecție în volumul unui lichid sau gaz;

Transferul de energie termică prin conductivitate termică într-un strat subțire, cu mișcare lentă, de lichid sau gaz, direct adiacent unui perete solid și numit strat limită sau substrat laminar;

Transferul de căldură prin conducție termică în contact direct al particulelor lichide sau gazoase cu particulele unui perete solid direct la limita unei suprafețe solide.

Pe baza prevederilor de mai sus, s-a obținut ecuația de bază a transferului de căldură convectiv, numită ecuația Newton-Richmann:

unde q este fluxul de căldură specific în timpul transferului de căldură convectiv, W/m2;

Q - flux total de căldură, W;

F - suprafaţa transferului de căldură convectiv, m 2 ;

l w - coeficientul de conductivitate termică a lichidului (gazului) în stratul limită, W / m 2 K;

d p.sl. este grosimea stratului limită al lichidului (gazului) adiacent suprafeței de schimb de căldură, m;

b - coeficient de transfer termic care caracterizează condițiile de schimb de căldură dintre lichid și peretele solid, W/m 2 K.

Coeficient de transfer termic b - principala caracteristică a procesului de transfer de căldură convectiv și este o funcție complexă a unui număr mare de mărimi independente care caracterizează fenomenul.

Una dintre sarcinile principale ale transferului de căldură convectiv este determinarea coeficientului de transfer de căldură în condiții specifice. Determinarea analitică a coeficientului de transfer de căldură, de regulă, este imposibilă, deoarece valoarea sa depinde de multe variabile: parametri de proces, constante fizice, dimensiuni geometrice și condiții la limită. Coeficientul de transfer de căldură este determinat de formule empirice, care sunt compilate într-o formă de criteriu conform regulilor teoriei similitudinii. Două procese de transfer de căldură convectiv sunt considerate similare dacă toți parametrii care caracterizează transferul de căldură convectiv sunt similari.

Pentru a simplifica procesul de stabilire a similitudinii, se folosesc complexe adimensionale de parametri fizici - numere sau criterii de similaritate. Există multe numere similare. Pentru transferul convectiv de căldură

utilizați următoarele cinci numere de asemănare.

numărul Reynolds caracterizează regimul de curgere al unui lichid sau gaz și exprimă raportul dintre forțele de inerție (înălțimea vitezei) și forțele de frecare vâscoasă:

Unde w- viteza medie a lichidului sau gazului, m/s;

l- mărime caracteristică, m;

v- coeficientul de vâscozitate cinematică, m 2 / s.

La numerele Reynolds mai mici de 2000, regimul este considerat laminar, la valori mai mari de 10000, regimul de mișcare este turbulent; cu valori ale numărului de la 2000 la 10000 - modul de tranziție.

numărul Prandtl stabilește raportul dintre grosime

straturi limită dinamice și termice:

unde a este coeficientul de difuzivitate termică, m 2 / s;

n - coeficientul de vâscozitate cinematică, m 2 / s.

numărul Nusselt caracterizează intensitatea transferului de căldură convectiv între un lichid (gaz) și suprafața unui corp solid:

unde b este coeficientul de transfer de căldură, W/(m2CHK);

l - dimensiune caracteristică, m;

l - coeficientul de conductivitate termică a unui gaz sau lichid, W / (mChK).

Numărul Grashof caracterizează intensitatea transferului de căldură convectiv liber:

unde g \u003d 9,81 m / s 2 - accelerația de cădere liberă;

b - coeficient de dilatare volumetrică: pentru lichide b sunt date în cărțile de referință (Anexa L), pentru gaze - b = 1 / T, 1 / K;

l - dimensiune caracteristică, m;

Dt - diferența de temperatură a particulelor lichide (gazoase);

n - vâscozitatea cinematică, m 2 / s.

numărul Euler caracterizează raportul dintre căderea de presiune și viteza înălțimii:

unde DP este căderea de presiune în secțiunea canalului, Pa;

r - densitatea lichidului (gaz), kg/m 3 ;

w - viteza lichidului (gazului), m/s.

La proiectarea schimbătoarelor de căldură, este necesar să se determine doi parametri: coeficientul de transfer de căldură b și căderea de presiune DP. Ele sunt incluse în numerele Nusselt și Euler, adică acestea sunt numere de similaritate definite. Numerele Reynolds, Grashof și Prandtl sunt decisive. Ecuații de similaritate- relația dintre numărul de similaritate definit și numerele de similaritate definitorie. Astfel, la modelare, scopul principal este găsirea ecuațiilor:

Ecuația generală de similaritate pentru transferul de căldură convectiv are forma

Unde c, n, m, d- coeficienți care sunt determinați prin studii experimentale.

În ecuațiile de criteriu, factorul ia în considerare direcția fluxului de căldură prin raport, în timp ce Pr este numărul Prandtl pentru un lichid (gaz) la temperatura acestuia; Prst - numărul Prandtl pentru lichid (gaz) la temperatura peretelui.

Parametrii fizici incluși în formule trebuie luați la temperatura definitorie, care este indicată pentru fiecare caz de transfer de căldură, și se utilizează următoarele temperaturi definitorii:

t ST - temperatura medie a peretelui;

t W - temperatura medie a lichidului sau gazului;

t PL - temperatura medie a stratului limită (film), este definită ca media aritmetică între t W și t ST.

Temperatura medie a unui lichid (gaz) poate fi definită aproximativ ca media aritmetică dintre temperaturile inițiale și finale ale lichidului.

Procesul de transfer de căldură în timpul curgerii fluidului în conducte este mai complex decât procesul de transfer de căldură la spălarea unei suprafețe plane cu un debit nelimitat, în care fluidul care curge departe de corp nu este afectat de procesele care au loc în apropierea peretelui. Secțiunea transversală a țevii are dimensiuni finite. Ca urmare, în conductă, începând de la o anumită distanță de intrare, lichidul de pe întreaga secțiune transversală suferă acțiunea de întârziere a forțelor vâscoase. Datorită dimensiunilor finite ale conductei, temperatura lichidului se modifică atât de-a lungul secțiunii transversale, cât și de-a lungul lungimii canalului. Toate acestea afectează transferul de căldură.

Fluxul de fluid în conducte poate fi laminar, tranzițional și turbulent.

Cu mișcare laminară sau stratificată, calmă, cu jet, jeturile de lichid repetă contururile unui canal sau perete, adică nu se amestecă. Propagarea căldurii într-o direcție perpendiculară pe direcția mișcării se datorează exclusiv conductivității termice.

În mișcare turbulentă, fluidul este amestecat constant. Viteza unei particule de fluid în orice moment de timp variază în mărime și direcție. În regimul turbulent, căldura este transferată prin conducție termică numai în substratul vâscos, iar în interiorul miezului turbulent acest proces se realizează prin amestecarea intensivă a particulelor fluide.

Trecerea de la laminar la turbulent și invers are loc în anumite condiții. Parametrii de tranziție sunt determinați de numărul Reynolds. Deci, de exemplu, pentru țevile netede, acest număr este aproximativ egal cu 2300.

În mișcarea laminară a unui fluid se disting două regimuri: vâscos și vâscos-gravitațional.

Modul vâscos este modul de mișcare în care forțele vâscoase prevalează asupra forțelor de ridicare din fluid. Un astfel de regim de mișcare are loc cu mișcarea forțată a fluidelor vâscoase și efectul dispărut de mic al mișcării libere. Regimul vâscos de mișcare se observă de obicei în timpul mișcării laminare a lichidelor cu vâscozitate mare în țevi de diametru mic și la diferențe de temperatură scăzute.

Regimul vâscos-gravitațional este regimul mișcării fluidului când forțele de ridicare sunt suficient de mari: mișcarea forțată se suprapune mișcării libere, a cărei influență asupra transferului de căldură nu poate fi neglijată. În acest caz, distribuția vitezei pe secțiunea conductei depinde nu numai de modificarea vâscozității, ci și de intensitatea și direcția mișcării libere a lichidului, datorită diferenței de densități a particulelor de lichid mai puțin și mai încălzite.

Cu un regim turbulent dezvoltat (Re> 10000), se utilizează următoarea ecuație:

unde e l este un factor de corecție care ține cont de influența secțiunii inițiale a curgerii asupra coeficientului de transfer termic în conductă.

Temperatura determinantă este temperatura medie a lichidului sau gazului. Mărimea caracteristică l este: pentru o țeavă rotundă - diametrul interior al țevii d; pentru o conductă de formă arbitrară - diametru echivalent d echiv

F - aria secțiunii transversale a canalului, m 2 ;

P este perimetrul total al secțiunii, indiferent de ce parte a acestui perimetru este implicată în transferul de căldură, m.

Pentru gaze, formula este simplificată, deoarece în acest caz, criteriul Pr este practic o valoare constantă, independentă de temperatură, Pr = 0,67…1,0 (determinat de numărul de atomi din moleculă): .

În timpul schimbului de căldură în țevile curbe (bobine), datorită efectului centrifugal, are loc circulația secundară în secțiunea transversală a țevii, a cărei prezență duce la creșterea coeficientului de transfer de căldură. Prin urmare, coeficientul de transfer de căldură ar trebui înmulțit cu factorul de corecție e zm:

unde d - diametrul conductei, m; D - diametrul bobinei, m.

În cazul unui flux de fluid laminar (Re<2320) вынужденное перемещение ее частиц сопровождается также и свободным движением.

Valoarea medie a coeficientului de transfer termic este determinată din formula:

La calcularea criteriului Gr, valoarea lui Dt caracterizează diferența de temperatură dintre lichid (gaz) și perete.

Dacă purtătorul de căldură este un gaz, formula este simplificată: .

Cu dispunerea verticală a țevii se introduce o modificare de 0,85 dacă mișcările libere și forțate coincid și se introduce o modificare de 1,15 în sens invers.

Dacă purtătorul de căldură este un lichid cu un coeficient de vâscozitate ridicat, atunci convecția liberă nu afectează transferul de căldură. Ecuația de similaritate pentru regimul de vâscozitate -

Temperatura medie a lichidului este luată ca temperatură determinantă, iar diametrul interior al țevii servește ca dimensiune liniară caracteristică.

În intervalul numerelor Reynolds de la 2320 la 10000, se observă un regim de tranziție al mișcării fluidului. Pentru a determina coeficientul de transfer de căldură în modul tranzitoriu de mișcare, se poate folosi următoarea ecuație a criteriului de proiectare:

unde K 0 este o funcție a numărului Reynolds.

Temperatura medie a lichidului este luată ca temperatură determinantă în ecuație, iar diametrul interior al țevii este luată ca dimensiune determinantă d ext sau d eq

Transferul de căldură în modul tranzitoriu de mișcare a fluidului în canale și țevi este calculat la rezolvarea problemelor din practica de stingere a incendiilor.

Formula de calcul pentru determinarea valorilor medii ale coeficientului de transfer de căldură, obținute pe baza generalizării datelor experimentale, are forma:

Index f cu numerele Nu, Re, Pr înseamnă că toți parametrii fizici sunt calculați la temperatura medie a lichidului. În acest caz, diametrul interior al țevii este luat ca dimensiune determinantă. d ext sau d eq=4 F/ U pentru canalele cu secțiune necirculară, unde F este aria secțiunii transversale a canalului și U este perimetrul acestei secțiuni.

Multiplicator e l \u003d 1 cu l / d out? 50 și cu l / d out<50, его принимают в зависимости от числа Рейнольдса для данных условиях

Valoarea lui e l depinde de condițiile de intrare a fluidului în conductă.

Destul de des, pentru a rezolva problemele de securitate la incendiu, sunt folosite ecuații care descriu transferul de căldură convectiv în timpul mișcării forțate a fluidului.

Întrebarea teoretică numărul 4

Radiație termala. Legile de bază ale transferului de căldură radiantă

Radiația termică este o metodă de transfer de căldură în spațiu, realizată ca urmare a propagării undelor electromagnetice, a căror energie, atunci când interacționează cu materia, este convertită în căldură. Transferul radiativ de căldură este asociat cu o dublă transformare a energiei: inițial, energia internă a corpului este convertită în energia radiației electromagnetice, iar apoi, după transferul de energie în spațiu prin unde electromagnetice, a doua tranziție a energiei radiante în se produce energia internă a altui corp.

Radiația termică a unui corp depinde de temperatura acestuia (gradul de încălzire a corpului).

Densitatea fluxului de radiație proprie E suspin, W / m 2, corpul se numește capacitatea sa radiantă (radiativă). Acest parametru de radiație în cadrul unei secțiuni elementare de lungimi de undă dl se numește densitatea spectrală a fluxului de radiație intrinsec E l, W / m 3 sau emisivitatea spectrală a corpului sau intensitatea spectrală a radiației.

Energia radiației termice incidente asupra unui corp, conform legii conservării energiei, poate fi absorbită, reflectată de corp sau trece prin el:

Q absorb + Q neg + Q prop = Q pad.

Raportul dintre partea absorbită a energiei și energia incidentă a radiației termice se numește capacitatea de absorbție a corpului și este notat cu litera A. Raportul dintre partea reflectată a energiei și energia incidentă a radiației termice se numește reflectivitatea corpului și se notează cu litera R. Raportul dintre energia transmisă prin corp și energia incidentă a radiației termice se numește transmitanța corpului și se notează cu litera D. Astfel, conform legii lui conservarea energiei, scriem:

Un corp care absoarbe toată energia radiantă incidentă pe suprafața sa se numește corp negru (corp negru). Pentru un corp complet negru, absorbtivitatea A = 1.

Un corp care reflectă toată energia radiantă incidentă pe suprafața sa se numește corp absolut alb (dacă reflexia are loc în interiorul unei emisfere) sau corp specular (dacă unghiul fasciculului incident este egal cu unghiul fasciculului reflectat). În acest caz, reflectivitatea R = 1.

Un corp care trece toată energia radiantă incidentă pe suprafața sa se numește transparent sau diatermic. În acest caz, debitul D = 1.

Un corp solid nu trece energia radiației termice incidente pe suprafața sa și, prin urmare

Suma autoradierii și o parte a energiei incidente, care este reflectată de suprafața corpului, se numește radiația efectivă a corpului:

E eff = E eveniment + E neg.

Fluxul de căldură rezultat al radiației este diferența dintre propria radiație și o parte din energia incidentă pe care corpul o absoarbe de către organism:

E res = E eveniment? E absorbție = E eff? E pad.

În funcție de caracteristicile fluxului, procesele de transfer de căldură au loc într-un mod constant (staționar), când temperaturile în toate punctele sunt constante în timp și într-un mod instaționar (nestaționar).

Legile transferului de căldură radiantă au fost obținute pentru un corp complet negru în condiții staționare.

Luați în considerare legile de bază ale radiației radiante.

legea Stefan-Boltzmann stabilește relația dintre emisivitate și temperatura corpului negru:

unde E o este emisivitatea unui corp complet negru, W / m 2;

y o \u003d 5.67Ch10- 8, - constanta de radiație a unui corp complet negru, W / m 2 ChK 4; 61

C o \u003d 5,67-emisivitate a unui corp complet negru, W / m 2 ChK 4;

T este temperatura absolută a corpului radiant, K.

Pentru corpurile gri:

E este emisivitatea corpului gri, W / m 2;

C - emisivitatea corpului gri, W / (m 2 ChK 4).

Dacă împărțim energia de radiație a unui corp gri la energia de radiație a unui corp complet negru, obținem:

unde e este gradul de emisivitate al corpului.

Dacă presupunem că C=C0Che, atunci energia de radiație a unui corp gri poate fi scrisă ca:

Gradul de întuneric poate varia de la 0 la 1. Depinde nu numai de proprietățile fizice ale corpului, ci și de starea suprafeței sau rugozității acestuia.

După cum se poate observa din formulă, dependența energiei de temperatura absolută are o dependență cuaternară, prin urmare, cea mai mare parte a căldurii în timpul incendiilor este transferată prin transfer de căldură radiantă.

legea lui Kirchhoff afirmă că raportul dintre emisivitatea unui corp și absorbtivitatea sa este același pentru suprafețele tuturor corpurilor gri (la aceeași temperatură) și este egal cu emisivitatea unui corp complet negru la aceeași temperatură:

unde E și A sunt emisivitatea și absorbția corpurilor.

Din legea lui Kirchhoff decurg trei consecințe:

1) în natură nu există suprafețe care ar radia mai multă energie decât un corp complet negru (la aceeași temperatură);

2) corpurile cu o capacitate de absorbție mai mare au o densitate de radiație mai mare și invers;

3) abilitățile de absorbție și gradele de emisivitate ale corpurilor reale (gri) sunt numeric egale (A=e).

legea lui Lambert stabilește relația dintre cantitatea de energie radiată și direcția radiației:

E H este cantitatea de energie radiată în direcția normalului.

Legea lui Lambert a fost obținută pentru un corp absolut negru; pentru corpurile gri cu o suprafață rugoasă, această lege este valabilă la< 60 0 .

Pentru suprafețele lustruite, legea lui Lambert nu se aplică; pentru acestea, radiația la un unghi va fi mai mare decât în ​​direcția normală la suprafață.

Legea vinului afirmă că intensitatea maximă a radiației corespunde următoarei valori a lungimii de undă:

Din formula se poate observa că maximul de radiație se deplasează către unde scurte odată cu creșterea temperaturii (în caz contrar, legea lui Wien se numește legea deplasării).

...

Documente similare

Prepararea gazelor pentru prelucrare, purificarea lor din amestecuri mecanice. Separarea amestecurilor de gaze, distilarea și condensarea lor la temperatură scăzută. Schema tehnologica a instalatiei de fractionare a gazelor. Specificul gazelor de procesare a câmpurilor de gaz condensat.

teză, adăugată 02.06.2014


Investigarea influenței diferitelor tipuri de agenți de uscare asupra eficienței uscării nisipurilor și miezurilor de turnare. Calculul unității de uscare în procesul de uscare a tijei cu aer care trece prin uscător. Bazele termotehnice ale procesului de uscare, transferul de căldură.

lucrare de termen, adăugată 11/04/2011


Rectificarea periodică a amestecurilor binare. Instalatii de distilare continua pentru separarea amestecurilor binare. Calculul frigiderului a reziduului de TVA, înălțimea stratului gaz-lichid al lichidului. Determinarea vitezei aburului și a diametrului coloanei.

lucrare de termen, adăugată 20.08.2011


Formarea amestecului de măcinare ca metodă de stabilizare a proprietăților tehnologice ale cerealelor. Cerințe pentru prepararea amestecurilor de măcinat de cereale. Calculul compoziției componentelor amestecului de măcinare, caracteristicile fiecărui lot de boabe de grâu pentru prepararea acestuia.

test, adaugat 05.07.2012


Chimia fundamentală a negrului de fum, metode de producere a acestuia. Prepararea compușilor de cauciuc cu o anumită duritate care conțin negru de fum. Caracteristici ale alegerii mărcii potrivite pentru compusul de cauciuc. Prelucrarea compușilor de cauciuc umpluți cu negru de fum.

lucrare de termen, adăugată 16.05.2013


Fenomene fizico-chimice în prelucrarea cauciucurilor și compușilor cauciucului. Caracteristici ale tehnologiei moderne pentru prepararea compușilor de cauciuc. Prepararea amestecurilor pe bază de cauciuc izopren. Prelucrarea amestecurilor de cauciuc pe mașini cu role.

lucrare de termen, adăugată 01/04/2010


Rectificarea amestecurilor de uleiuri. Sisteme de schimb de caldura pentru instalatii de distilare primara a uleiului si de rectificare a gazelor de hidrocarburi. Evaluarea posibilității de creștere a eficienței sistemului de schimb de căldură. Luarea în considerare a schemei optimizate din punct de vedere hidraulic.

teză, adăugată 20.10.2012


Calculul lamei de lucru. Volumul unei secțiuni de aripioare. Fabricarea lamei folosind prototipuri 3D. Parametrii de precizie a turnării și cotele de procesare. Pregătirea nisipurilor de turnare într-un mixer centrifugal cu palete continuu.

teză, adăugată 27.05.2014


Caracteristicile și domeniul de aplicare al materialelor termoizolante, structura și proprietățile acestora. Eficiența și dezavantajele izolației termice cu pulbere multistrat în vid. Tehnologia de izolare în dispozitivele instalațiilor de separare la temperatură joasă a amestecurilor de gaze.

raport, adaugat 24.11.2010


Cerințe pentru amestecul de beton asfaltic, caracteristici ale materialelor utilizate pentru prepararea acestuia. Alegerea compoziției amestecului de beton asfaltic în funcție de sarcină. Tehnologie și secvență, echipamente pentru prepararea mixturii asfaltice.

Amestecul gazos este în stare de echilibru dacă concentrațiile componentelor și parametrii de stare ai acestuia pe tot volumul au aceleași valori. În acest caz, temperatura tuturor gazelor incluse în amestec este aceeași și egală cu temperatura amestecului T cm.

Într-o stare de echilibru, moleculele fiecărui gaz sunt dispersate uniform în volumul amestecului, adică au propria lor concentrație specifică și, în consecință, propria lor presiune. R i, Pa, care se numește parțial . Este definit după cum urmează.

Presiunea parțială este egală cu presiunea acestui component, cu condiția ca el singur să ocupe întregul volum destinat amestecului la o temperatură a amestecului T cm .

Conform legii chimistului și fizicianului englez Dalton, formulată în 1801, presiunea unui amestec de gaze ideale este p cm este egală cu suma presiunilor parțiale ale componentelor sale p i :

Unde n este numărul de componente.

Expresia (2) se mai numește legea presiunii parțiale.

3.3. Volumul redus al unei componente dintr-un amestec de gaze. Legea lui Amag

Prin definiție, volumul redus i-a componenta a amestecului de gaze V i, m 3 , este volumul pe care numai această componentă l-ar putea ocupa, cu condiția ca presiunea și temperatura sa să fie egale cu presiunea și temperatura întregului amestec de gaze.

Legea fizicianului francez Amag, formulată în jurul anului 1870, spune: suma volumelor reduse ale tuturor componentelor unui amestec este egală cu volumul amestecului.V cm :

, m 3 . (3)

3.4. Compoziția chimică a amestecului de gaze

Compoziția chimică a amestecului de gaze poate fi setată trei diferite moduri.

Luați în considerare un amestec de gaze format din n componente. Amestecul ocupă un volum V cm, m 3, are o masă M cm, kg, presiune R cm, Pa și temperatura T cm, K. De asemenea, numărul de moli ai amestecului este N vezi aluniță. În același timp, masa unuia i-a componenta m i, kg și numărul de moli ai acestei componente ν i, mol.

Este evident ca:

, (4)

. (5)

Folosind legea Dalton (2) și Amag (3) pentru amestecul luat în considerare, putem scrie:

, (6)

, (7)

Unde R i- presiune parțială i-a componentă, Pa; V i- volum redus i a-a componentă, m3.

Fără ambiguitate, compoziția chimică a unui amestec de gaze poate fi specificată fie prin masă, fie prin moli, fie prin fracțiuni de volum ale componentelor sale:

, (8)

, (9)

, (10)

Unde g i , k i și r i– fracțiuni de masă, molare și volum i respectiv a a-a componentă a amestecului (cantități adimensionale).

Este evident ca:

,
,
. (11)

Adesea, în practică, compoziția chimică a amestecului nu este dată de fracții i componenta, ci procentele acesteia.

De exemplu, în ingineria termică, se presupune aproximativ că aerul uscat constă din 79 procente în volum azot și 21 procente în volum oxigen.

La sută i A-lea component al amestecului se calculează prin înmulțirea fracției sale cu 100.

De exemplu cu aer uscat vom avea:

,
. (12)

Unde
și
sunt fracțiunile de volum ale azotului și oxigenului din aerul uscat; N 2 și O 2 - desemnarea procentelor de volum de azot și respectiv oxigen, % (vol.).

Notă:

1)Fracțiile molare ale unui amestec ideal sunt numeric egale cu fracțiile de volum:k i = r i . Să demonstrăm.

Folosind definiția fracției de volum(10)iar legea Amag (3) putem scrie:

, (13)

UndeV i - volum redusi-a componentă, m 3 ; ν i - numărul de aluniţei-a componenta, mol; - volumul unui molicomponenta la presiunea amestecului p cm și temperatura amestecului T cm , m 3 /mol.

Din legea lui Avogadro (vezi paragraful 2.3 al acestui apendice) rezultă că la aceeași temperatură și presiune, un mol din orice gaz (component al amestecului) ocupă același volum. În special, la T cm și p cm va fi o sumăV 1 , m 3 .

Cele de mai sus ne permit să scriem egalitatea:

. (14)

Înlocuind(14)în(13)primim ceea ce ne trebuie:

. (15)

2)Fracțiile volumice ale componentelor unui amestec de gaze pot fi calculate cunoscând presiunile parțiale ale acestora. Să o arătăm.

Considerai-a-a componentă a unui amestec de gaze ideale în două stări diferite: când se află la presiunea sa parțială p i ; când îşi ocupă volumul redusV i .

Ecuația de stare a unui gaz ideal este valabilă pentru oricare dintre stările sale, în special, pentru cele două menționate mai sus.

În conformitate cu aceasta și ținând cont de definiția volumului specific, putem scrie:

, (16)

, (17)

UndeR i este constanta gazuluii-a-a componentă a amestecului, J/(kg K).

După împărțirea ambelor părți(16)și(17)unul pe celălalt obținem necesarul:

. (18)

Din(18)se poate observa că presiunile parțiale ale componentelor amestecului pot fi calculate din compoziția sa chimică, cu o presiune totală cunoscută a amestecului p cm :

. (19)

Pentru a efectua calcule termodinamice ale sistemelor cu amestecuri sau soluții de gaze, este necesar să se cunoască compoziția acestora. Compoziția amestecului poate fi setată:

Fracții de masă, unde

- Masă molară i-a componenta, kg/mol; M i- greutate moleculară relativă i-a componenta; n i- Cantitate i-a-a substanță, mol;

pentru fiecare fază
;

Fracții molare
, Unde
- cantitatea de substanță a amestecului, mol; pentru fiecare fază, suma fracțiilor molare ale componentelor amestecului
;

Fracții de volum, care sunt egale cu fracțiile molare
, Unde
- volum i-a componenta a amestecului, care la temperatura si presiunea amestecului de gaze se numeste volum redus;
, m 3 / mol - volumul molar al i-a componentă a amestecului. În conformitate cu legea lui Avagadro, volumele molare ale tuturor componentelor unui amestec de gaze sunt egale și
, Unde
. Suma volumelor reduse ale componentelor unui amestec de gaze este egală cu volumul amestecului (legea lui Amag), adică.
.

Compoziția unui amestec de gaze ideale poate fi dată și de presiuni parțiale R i, concentrații de masă și concentrațiile molare
.

La stabilirea compoziției soluțiilor se folosesc concentrații de masă și molare.

Presiune parțială R i este presiunea i-a componenta a amestecului de gaze, cu conditia sa ocupe intregul volum destinat amestecului la temperatura amestecului.

3.2. Relații pentru amestecuri de gaze ideale. Legea lui Dalton

Masa molară medie a unui amestec de gaze este dată de
, kg/mol, unde
- masa amestecului;
- cantitatea de substanță din amestec. Apoi

.

Constanta specifică de gaz a unui amestec de gaze

, J/(kgK),

Unde
J/(molK) – constanta molară a gazului; este masa molară a amestecului.

legea lui Dalton:

,Pa,

acestea. suma presiunilor parțiale ale gazelor individuale din amestec este egală cu presiunea totală a amestecului. Astfel, fiecare gaz din vas ocupă întregul volum la temperatura amestecului, fiind sub propria sa presiune parțială.

Ecuația de stare pentru un amestec de gaze ideale are forma:

.

Pentru presiune parțială și pentru volum redus i- a-a componentă a amestecului, ecuațiile de stare au forma:

Apoi, împărțind aceste ecuații termen cu termen primul la al doilea, avem

.

Împărțirea ecuației
la ecuație
termen cu termen, obținem:

.

capitolul 4

4.1. Tipuri de capacitate termică

Capacitatea de căldură este proprietatea corpurilor de a absorbi și elibera căldură atunci când temperatura se schimbă cu un grad în diferite procese termodinamice. Distingeți între capacitatea totală de căldură medie și totală reală.

Capacitatea termică medie totală a procesului termodinamic (TP) este capacitatea termică a unui corp cu masa m, kg pentru segmentul final al TP:

,[J/K].

Capacitatea termică reală totală a TP este capacitatea termică a unui corp cu o masă m, kg la fiecare moment dat TP:

, [J/K].

Se consideră un TP 1-2 arbitrar în coordonate
, Unde Q este căldura furnizată în [J]; t este temperatura în [ 0 C]. Apoi
,
.

Dacă TS este un fluid de lucru omogen, atunci capacitățile termice relative sunt utilizate în calcule:

Capacitate termică specifică - capacitate termică la 1 kg de substanță c=c/m, J/kgK;

Capacitate termică molară - capacitatea termică legată de 1 mol dintr-o substanță
, J/molK;

Capacitate termică volumetrică - capacitate termică raportată la 1m 3 dintr-o substanță
, J/m3K.

Capacitatea termică este o funcție a procesului și depinde de tipul fluidului de lucru, natura procesului și parametrii de stare. Deci, capacitatea termică într-un proces cu presiune constantă se numește capacitate termică izobară:

,

Unde H, J este entalpia.

Capacitatea termică într-un proces cu volum constant se numește capacitate termică izocoră:

,

Unde U, J – energie internă.

Capacitatea termică a unui gaz ideal nu depinde de temperatură și presiune și depinde doar de numărul de grade de libertate de mișcare a moleculelor și, în conformitate cu legea privind distribuția egală a energiei asupra gradelor de libertate de mișcare a moleculelor. , capacitatea termică:
, Unde
- grade de libertate de rotație, egale cu zero pentru un gaz monoatomic
, pentru un gaz diatomic -
=2 și pentru gazele triatomice
=3;
J/molK este constanta molară a gazului. Capacitate termica este determinată de ecuația Mayer:

.

Pentru un gaz monoatomic
și
, pentru un gaz biatomic
și
, pentru trei sau mai multe gaze atomice
și
.

Capacitatea termică a gazelor reale depinde de presiune și temperatură. În unele cazuri, putem neglija influența presiunii asupra capacității termice și acceptăm că capacitatea termică a gazelor reale depinde doar de temperatură: C= f(t). Această dependență este determinată experimental.

Dependența empirică a capacității de căldură adevărată specifică de temperatură poate fi reprezentată ca un polinom:

Unde
la o temperatură t=0 0 C. Pentru gazele biatomice, ne putem restrânge la doi termeni:
, sau
, Unde
.

Pentru secțiunea finală a procesului 1-2, cantitatea de căldură este:

Apoi, capacitatea medie de căldură în această secțiune a procesului va fi egală cu:

, J/kgK.

În zona temperaturilor scăzute la T<100К прекращается вращательное движение молекул и колебательное движение атомов, а при температуреT→0K, se oprește și mișcarea de translație a moleculelor, adică. la T=0K DIN R = C v=0 și mișcarea termică a moleculelor se oprește (date experimentale ale lui Nernst și colab., 1906-1912). La o temperatură T→ Proprietățile 0K ale substanțelor încetează să mai depindă de temperatură, așa cum este ilustrat în graficul capacității termice în funcție de temperatura absolută.

Această lege arată proprietatea de aditivitate a volumului parțial.

v cm = Sv i

v i / v cm \u003d n i / N \u003d y i

v i \u003d y i × v c m

Folosit în calculele câmpurilor de gaze.

33. Ecuația stării gazelor ideale, factorul de supracompresibilitate

COEFICIENT DE SUPERCOMPRESIE A GAZELOR NATURALE

Gaze - reale și ideale.

Gazele ideale sunt atunci când interacțiunea moleculelor între ele este neglijată.

P - presiune absolută (Pa), V - volum (m 3), G - masa unei substanțe (kg), T - temperatură (K), R - constantă universală a gazului (kJ / K × kg).

(pentru un gaz ideal).

z este gradul de abatere al unui gaz real de la unul ideal sau coeficientul de compresibilitate al unui gaz real.

34. Ecuația Van der Waals și semnificația ei fizică

Proprietatea gazelor ideale este că: Р×V/(G×R×Т)=1=z.

Noul coeficient z introdus de noi, care este egal cu 1 pentru gazele ideale și diferă de acesta pentru gazele reale, se numește factor de supercompresibilitate.

z este coeficientul prin care proprietățile gazelor ideale sunt aplicate celor reale. Caracterizează gradul de abatere a gazului ideal de cel real.

Au fost făcute diferite încercări de a îmbunătăți descrierea:

1) Ecuația Van der Waals:

(P + a / v 2) (v-in) \u003d R × T,

unde v este volumul specific; c – corecția pentru volumul moleculelor; a / v 2 \u003d const - constanta de cuplare a moleculelor.

Valoarea a/v 2 exprimă presiunea internă, care este, parcă, forța rezultantă de atracție a tuturor moleculelor din volumul v.

La presiuni de până la 100 MPa și temperaturi T=150°C, este necesar să se determine cea mai precisă descriere a dependențelor. Luând în considerare această problemă, știința a mers în două direcții:

1. introducerea factorului de supercompresibilitate z;

2. adăugarea de constante suplimentare la ecuația de stare.

2) Orice dependență experimentală poate fi descrisă folosind un polinom, așa că s-a ales modalitatea de creștere a numărului de constante. Cele mai comune au fost ecuațiile cu cinci constante Beatty-Bridgeman și opt constante Benedict-Webb-Rubin. Toate constantele sunt determinate prin metoda celor mai mici pătrate.

35. Parametri redusi si critici ai gazelor si amestecurilor acestora

I. Introducerea lui z în ecuația de stare. Pe baza experimentelor, s-a dovedit că, dacă parametrii noștri dați P pr, T pr sunt aceiași și sunt în stările corespunzătoare, atunci proprietăți termodinamice precum coeficientul de supercompresibilitate sunt aceleași pentru diferite gaze. Acestea. z=f(P pr, T pr).

Parametrii dați componente ideale - mărimi adimensionale care arată de câte ori parametrii efectivi ai stării gazelor sunt mai mari decât cei critici. Parametrii sunt înțeleși ca: P abs, T, V și z.

T CR = T/T cr; P CR =P/P cr; z pr \u003d z / z cr.

Parametrii dați sunt calculați pe baza parametrilor critici, de aici vom lua în considerare problema determinării parametrilor critici.

P kr =Sy i ×P kri ; T cr =Su i ×T cri ; z cr =Sу i ×z cri

Dependența parametrilor dați arată astfel: z Т pr

36 Dependența coeficientului de supracompresibilitate al gazelor naturale de presiunea și temperatura reduse

Parametrul dat este o mărime adimensională care arată de câte ori parametrii P, V, r sunt mai mari sau mai mici decât cei critici.

gaze reale - un amestec de componente hidrocarburi și non-hidrocarburi. Moleculele de argon, xenon, krypton și metan au o configurație sferică. Moleculele unor astfel de gaze precum propanul și butanul sunt nesferice, prin urmare, pentru a ține cont de forma moleculelor, a fost introdus parametrul - factor acentric (w). El arată că dacă molecula este sferică, atunci forțele care acționează asupra ei sunt sferice, ceea ce indică simetria forțelor. Dacă moleculele nu sunt sferice, atunci există o asimetrie a forțelor care acționează.

z=z(P pr, T pr, w)

z cm \u003d z 0 (P pr, T pr) + z 1 (P pr, T pr) × w cm,

unde z 0 este coeficientul de supercompresibilitate al unui gaz simplu. Pentru un gaz simplu, moleculele sunt sferice și w=0.

z 1 este o corecție a coeficientului de supracompresibilitate al unui gaz complex, care depinde de Р pr, Т pr și w¹0.

w cm este factorul acentric al întregului amestec caracterizat prin anumite concentrații:

w cm \u003d Sу i × w i

De aici se poate observa că factorul acentric al amestecului depinde de factorul acentric al fiecărei componente.

i este concentrația molară a componentei.

37 Densitatea gazelor naturale și a condensatului stabil de hidrocarburi

Pentru gaze naturale:

r P, t \u003d r P0, t0 × (P × z 0 × T 0) / (P 0 × z × T)

Pentru condens stabil:

r (C 5+) \u003d 1,003 × M până la / (M până la +44,29)[kg/cm3]

Conform indicelui de refracție, determinat experimental, se poate calcula:

1gM la =1,939+0,0019×t la +1g(2,15 - n D),

unde t to - punctul de fierbere al condensului; n D este indicele de refracție.

Acești coeficienți sunt de natură empirică.

Dar densitatea unui condensat stabil poate fi calculată și folosind o formulă diferită, și anume:

r la =Sх i ×М i /Sх i ×n i /r i ,

unde x i este fracția molară a i-a componentă;

r i este densitatea componentei i-a;

M i este greutatea moleculară.

________________________

Densitatea gazului. Cu cât proporția de componente cu greutate moleculară mare în gaz este mai mare, cu atât greutatea moleculară a gazului este mai mare, care este legată liniar de densitatea gazului:

ρcm = Mcm/22,41

De obicei ρ este în intervalul 0,73 - 1 kg/m3. densitatea componentelor individuale ale hidrocarburilor gazoase (și hidrogenul sulfurat), cu excepția metanului, este mai mare de 1.

Pentru a caracteriza densitatea gazului se folosește și raportul acestuia față de densitatea aerului în aceleași condiții (densitatea aerului în condiții normale este de 1,293 kg/m3).

unde este densitatea relativă a gazului; ρcm, ρv sunt densitatea gazului și, respectiv, a aerului. Relația dintre densitatea unui gaz și greutatea moleculară, presiunea și temperatura acestuia este determinată de legea stării gazelor, care poate fi reprezentată astfel:

38 Vâscozitatea gazelor și a amestecurilor de gaze

Vâscozitatea gazelor. Vâscozitatea unui gaz depinde de compoziție, presiune și temperatură. Vâscozitatea gazelor se datorează schimbului de impuls între straturi de gaz care se mișcă la viteze diferite unul față de celălalt. Acest schimb are loc datorită tranziției moleculelor de la un strat la altul în timpul mișcării lor haotice. Deoarece moleculele mari au o cale liberă mai scurtă (probabilitatea coliziunii lor între ele este relativ mare), cantitatea de mișcare pe care o transferă de la un strat la altul este mai mică decât cea a moleculelor mici. Prin urmare, vâscozitatea gazelor cu o creștere a greutății lor moleculare, de regulă, scade.

Odată cu creșterea temperaturii, viteza de mișcare a moleculelor crește și, în consecință, cantitatea de mișcare transferată de acestea de la strat la strat, prin urmare, la presiuni scăzute, vâscozitatea gazului crește odată cu creșterea temperaturii. La presiuni mari, când distanțele dintre molecule sunt mici, transferul de impuls de la strat la strat se modifică oarecum. Apare în principal, ca și în lichide, datorită asocierii temporare a moleculelor la limita straturilor care se mișcă cu viteze diferite. Probabilitatea unei astfel de combinații scade odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, la presiuni mari, vâscozitatea gazelor scade odată cu creșterea temperaturii.

Odată cu creșterea presiunii, vâscozitatea gazelor crește: ușor la presiuni joase și mai intens la presiuni mari.

Vâscozitatea unui gaz se determină experimental prin măsurarea debitului său în capilare, a vitezei de cădere a bilei în gaz, a atenuării oscilațiilor de rotație ale discului și a altor metode. Modificarea vâscozității la diferite presiuni și temperaturi poate fi determinată prin calcul și din grafice în funcție de presiunea și temperatura dată.

Vâscozitatea gazului la presiuni și temperaturi scăzuteînchide vâscozitatea gazului ideal. Deci, puteți folosi teoria cinematică scriind ecuația pentru un gaz rarefiat:

m=r×v×l/3,

unde v este viteza medie a moleculelor; l este lungimea drumului liber.

Conform teoriei cinetice, vâscozitatea depinde de presiune și temperatură:

Cu o creștere a presiunii, densitatea crește, dar l scade, rezultând o creștere a probabilității de coliziune, viteza medie de mișcare este constantă, iar vâscozitatea în perioada inițială este aproape constantă (Dр<<).

Odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea crește, deoarece viteza medie a moleculelor crește, iar densitatea și calea liberă medie practic nu se modifică.

În același timp, din definiția vâscozității, forțele care împiedică mișcarea unui strat față de altul trebuie să se modifice, ceea ce înseamnă că modificarea vâscozității este complexă.

m P max

La presiuni joase, m depinde puțin de căderea de presiune. Odată cu creșterea presiunii și creșterea temperaturii, vâscozitatea gazelor (m) scade.

Dacă avem o creștere a greutății moleculare a gazului, atunci vâscozitatea va crește în mod corespunzător.

Luând în considerare prezența gazelor non-hidrocarburi, efectul acestora asupra vâscozității se realizează după cum urmează:

m \u003d y a × m a + (1 - y a) × m y,

unde y este fracția molară;

m a este vâscozitatea gazului nehidrocarburic;

m y este vâscozitatea gazului de hidrocarbură.

Dependența lui m de greutatea moleculară poate fi reprezentată grafic:

39. Dependența vâscozității gazului de compoziție și de condițiile termobarice

40 Capacitatea termică molară izobară a gazelor naturale

Să luăm în considerare două procese termodinamice principale: la presiune constantă (izobar) și la volum constant (izocor).

Pentru a calcula procesele în curs în gaze, conceptele izobaric și capacitatea termică specifică izocoră .

C p \u003d (dQ / dT) p

C v \u003d (dQ / dT) v

dQ=di - v×dр,

unde i este entalpia unui gaz ideal.

di \u003d dQ + v × dp \u003d C p × dT + (v - T × (dp / dT) p) dv

Cu p=const: dQ=di=С р ×dТ Þ С р =(di/dТ) р

Acea. Cp depinde de temperatură.

С ri =0,523×(8,36+0,008×t)m i 3/4[kJ/(kmol×K)]

Capacitatea termică a gazelor reale este determinată de regula aditivității, adică:

C pcm \u003d Sу i × С рi

Capacitatea de căldură molară izobară depinde de presiune și temperatură:

C p \u003d C ri (t) + DC p (p, t),

unde DСр este corecția izotermă a capacității termice pentru presiune și temperatură.

TPR

Starile sistemelor de hidrocarburi au o relevanta deosebita, deoarece sunt în regiunea stărilor critice, unde au loc transformări de fază.

Toate ecuațiile obținute pe baza experimentului sunt semi-empirice.

41 Dependența capacității de căldură molară izobară a gazelor reale de presiune și temperatură

42 Ecuația de stat Pent-Robinson

43 Ecuația Pent-Robinson pentru factorul de supercompresibilitate

44 Utilizarea ecuației Pent-Robinson pentru a descrie abaterea proprietăților termofizice ale gazelor

Rezolvarea problemelor legate de producerea, transportul și prelucrarea gazului este asociată cu ecuația Peng-Robinson (1975):

P \u003d R × T / (v-c) \u003d a (T) / (v × (v + c) + c × (v-c)),

unde а(Т), в sunt coeficienți determinați de parametrii critici și а(Т) este o funcție.

v este volumul molecular.

z 3 - (1 - B) × z 2 + (A - 3 × B 2 - 2 × B) × z - (A × B - B 2 - B 3) \u003d 0,

unde A \u003d a (T) × P / (R 2 × T 2),

V=v×P/(R×T)

Dacă amestecul este în două faze, atunci rădăcina mai mare corespunde fazei de vapori, iar rădăcina mai mică corespunde fazei lichide.

În condiții critice, z cr = const este o valoare constantă - și z cr = 0,307. Apoi:

a(T cr)=0,45724×R 2 ×T cr 2 /R cr

v(T cr)=0,0778×R×T cr / R cr

Dacă temperatura este diferită de cea critică, atunci acești coeficienți depind de T cr:

a(T)=a(T cr)×a(T cr,w);

în (T) \u003d în (T cr),

unde w este o funcție adimensională.

La T=T cr a=1.

Relația dintre a și temperatură (T) se poate scrie după cum urmează:

a 0,5 \u003d 1 + m × (1 - T 0,5), m \u003d f (w).

Pentru un amestec, ecuația Peng-Robinson arată astfel:

a cm (T) \u003d Sу i ×а i;

în cm (T) \u003d Sу i ×in i,

unde ai și wi sunt calculate prin formulele:

şi i =0,457×(R2×T cr i2/R cr i)×ai;

în i \u003d 0,0778 × R × T cr i / R cr i

45 Presiunea vaporilor saturați a sistemelor de hidrocarburi și a amestecurilor acestora

46 Legea lui Henry

Solubilitatea gazelor în lichide. La presiuni mari, solubilitatea gazelor în lichide, inclusiv ulei, respectă legea lui Henry. Conform acestei legi, cantitatea de gaz Vr care se dizolvă la o anumită temperatură într-un volum de lichid Vl este direct proporțională cu presiunea gazului p deasupra suprafeței lichidului:

Vg = α∙р∙V (2,8)

unde [a] \u003d [m 2 / N] - coeficientul Henry , care ia în considerare cantitatea de gaz care se dizolvă într-o unitate de volum de lichid atunci când presiunea este crescută cu o unitate.

a \u003d V g / (V f × p)

Coeficientul de solubilitate arată cât de mult gaz este dizolvat într-o unitate de volum de ulei cu o creștere a presiunii pe unitate. Coeficientul de solubilitate al gazului în petrol este o valoare variabilă. În funcție de compoziția petrolului și a gazelor, de temperatură și de alți factori, aceasta variază de la 0,4∙10-5 la 5∙10-5 1/Pa.

În cea mai mare măsură, compoziția gazului în sine afectează solubilitatea gazului în petrol. Gazele ușoare (azot, metan) sunt mai puțin solubile în uleiuri decât gazele cu o greutate moleculară relativ mai mare (etan, propan, dioxid de carbon). În uleiurile care conțin o cantitate mai mare de hidrocarburi ușoare, solubilitatea gazelor este mai mare în comparație cu uleiurile grele. Pe măsură ce temperatura crește, solubilitatea gazelor în ulei scade.

Din legea lui Henry rezultă că, cu cât coeficientul de solubilitate este mai mare, cu atât presiunea într-un anumit volum de petrol dizolvă același volum de gaz. Prin urmare, uleiurile cu un conținut ridicat de metan la temperaturi ridicate ale rezervorului au, de obicei, presiuni de saturație ridicate, în timp ce uleiurile grele cu un conținut scăzut de metan la temperaturi scăzute ale rezervorului au presiuni de saturație scăzute. Diferența dintre proprietățile fizice ale petrolului în condițiile de rezervor și la suprafață este asociată cu cantitatea de gaz dizolvat.

47 Solubilitatea gazelor în ulei și apă

Caracteristicile de solubilitate ale gazului în petrol sunt următoarele:

cm 3 / cm 3

Valorile presiunii sunt reprezentate de-a lungul abscisei, iar cantitatea de gaz dizolvată în ulei este reprezentată de-a lungul ordonatei.

Solubilitatea gazelor crește odată cu creșterea greutății moleculare a gazului. În consecință, diferitele componente ale gazului au solubilitate diferită, ceea ce înseamnă că gazul natural se va dizolva în petrolul natural într-un mod complex.

Solubilitatea depinde de compoziția și proprietățile uleiului. Mai mult, solubilitatea gazelor crește odată cu creșterea conținutului de hidrocarburi parafinice, și cu un conținut ridicat de hidrocarburi aromatice.

Gazele ușor solubile respectă legea lui Henry mai bine decât gazele foarte solubile.

Natura gazului afectează solubilitatea gazelor în ulei într-o măsură mai mare decât compoziția uleiului, deși într-un gaz comprimat la presiuni mari are loc o dizolvare reversibilă a componentelor uleiului, care se poate observa în aplatizarea solubilității. curbe ale gazelor foarte solubile.

Factorul de solubilitate gazele petroliere variază foarte mult și ajung la (4-5)×10 -5 m 3 /(m 3 ×Pa).

Gazele de hidrocarburi sunt mai puțin solubile în ulei odată cu creșterea temperaturii.

Pe lângă procesul de dizolvare, există un proces de extracție a gazelor din petrol. Dizolvarea este asociată cu condiții geologice, iar procesul în sine a avut loc pentru o perioadă lungă de timp. Și procesul de selecție este legat de activitatea noastră și este deja pe termen scurt.

a lua legatura diferenţial

48 Izotermele de solubilitate ale gazelor naturale în uleiuri

Cantitatea de gaz eliberată depinde de alegerea tehnologiei:

Gazul a fost eliberat și este în contact cu uleiul (bușoane de gaz);

S-a eliberat gaz și l-am scos din sistemul ulei-gaz (cu o ramură).

Prima dintre aceste metode de degazare se numește a lua legatura , sau o singură etapă. Al doilea - diferenţial , sau treptat (multiplu).

Dacă procesul este diferențial, atunci cantitatea de gaz rămasă în stare dizolvată în ulei este mai mare decât la contact (în o singură etapă). Acest lucru se datorează trecerii la faza de vapori a metanului.

Cantitatea de gaz eliberată din petrol este caracterizată prin curbe de degazare. Ele sunt obținute experimental, iar fiecare câmp are propria sa curbă.

cm 3 / cm 3

Factorul de degazare Se obișnuiește să se numească cantitatea de gaz eliberată dintr-o unitate de volum de ulei cu o scădere a presiunii pe unitate.

Într-un anumit interval de presiune, degazarea nu are loc.

Dacă gazul este degazat, atunci permeabilitatea fază a uleiului scade.

49 Contact și degazare diferențială a uleiului

2 tipuri de curbe de degazare:

1) tip contact - tot gazul eliberat rămâne.

2) tip diferenţial - gazul este îndepărtat. Caracteristic pentru condiții de laborator.

Pentru dif. Degazare - cantitatea de gaz este mai mare decât la contact.

Curba de degazare:

50 Factorul de degazare a uleiului

Coeficientul de degazare se numește de obicei cantitatea de gaz eliberată atunci când presiunea este redusă cu unu.

Pe lângă ulei, poate exista o cantitate mare de apă în formațiune.

51 Solubilitatea gazelor de hidrocarburi în apă

52

53 Cum afectează condițiile termobarice presiunea de saturație

Presiunea de saturație a uleiului - presiunea maxima la care gazul incepe sa fie degajat din petrol intr-un proces izoterm, in conditii de echilibru termodinamic.

Printre altele, presiunea de saturație depinde de temperatură și crește odată cu creșterea acesteia.

Dacă presiunea de saturație este aproximativ egală cu presiunea din rezervor și vom injecta apă rece, atunci temperatura rezervorului va scădea, ceea ce înseamnă că gazul poate fi eliberat din cauza reducerii presiunii.

Stepanova a constatat că, cu o eliberare foarte ușoară de gaz (sutimi de procent), are loc un efect de lubrifiere și permeabilitatea de fază pentru ulei crește anormal.

Când iradiăm roca cu ultrasunete, încep să se elibereze bule de gaz, controlul asupra acestui proces ne va permite să controlăm permeabilitatea fazei. Numărul de bule eliberate depinde de scheletul componentei rocii, de compoziția rezervorului. Din aceasta putem concluziona că presiunea de saturație variază în rezervor.

54 Compresibilitatea uleiului și a componentelor sale caracterizatoare

Uleiul are elasticitate, care se măsoară factor de compresibilitate (sau elasticitate în vrac ).

b n \u003d -1 / V × (dV / dp)

Este de aproximativ (0,4¼0,7) GPa -1 (pentru uleiurile care nu conțin gaz dizolvat). Uleiurile ușoare care conțin o cantitate semnificativă de gaz dizolvat au un coeficient de compresibilitate crescut (b n atinge 14 GPa -1).

b n depinde de temperatură și presiune și cu cât temperatura este mai mare, cu atât coeficientul de compresibilitate este mai mare.

Când uleiul dintr-un rezervor se ridică la suprafață, compoziția acestuia se schimbă, volumul său se modifică.

Factorul de volum se calculează prin formula:

v \u003d V pl / V bani,

unde V pl este volumul de ulei în condiții de rezervor;

V deg este volumul de ulei degazat (la suprafață).

Dependența coeficientului volumetric de presiune este după cum urmează.