разное

Диаграммы смесей

Для решения инженерных задач по расчету действительных процессов с бинарными смесями, Р. Мольером была предложена объемная диаграмма h-s-X, отразившая три закона природы для смеси: закона сохранения массы, т. е. постоянство массового содержания компонентов в смеси (X), Первого (К) и Второго (5) законов термодинамики.

Понятно, что создание и использование объемной диаграммы сопряжено со значительными сложностями, в связи с этим для реальных смесей рабочих веществ построены диаграммы h-X и s-X, как проекции пространственных линий и поверхностей на соответствующие плоскости проекции.

Наибольшее распространение получила диаграмма h-X. Целе­сообразность этой диаграммы заключается в том, что тепло в изобар­ном процессе (при расчете теплообменных аппаратов) графически иллюстрируется отрезком, начало и конец которого соответствуют состояниями потока смеси до и после теплообменного аппарата, а процесс смешения изображается прямой, проходящей через точки состояний исходных смесей.

На рис.6.19 представлен общий вид диаграммы h-X для бинарной смеси. Алгоритм построения диаграммы следующий: зная термодинамические свойства чистых компонентов RH (Х=0) и RL (Х-1) и теплоты смешения при каждом значении X, на диаграмму наносят семейство изотерм в области переохлажденной жидкости (кривые) и перегретого пара (прямые, так как для пара qt-0).

При давлении р, изотерма, проходящая через точку А (Х=0) представляет температуру кипения чистого высококипящего компо­нента (TRH). Изотерма, проходящая через точку С (Х-0) также представляет температуру фазового перехода чистого высококипяще-

T=const хж X Хп Х-1

Го компонента (Тт). Аналогичная ситуация имеет место для точек В и D (Х=1), где изотерма в области переохлажденной жидкости (в точке В) и изотерма в области перегретого пара (в точке D) представляют температуру фазового перехода чистого низко - кипящего компонента (Тш). Отрезок АС графически выражает тепло фазового перехода для чистого компонента RH при некотором давлении р, а отрезок DB - тепло фазового перехода для чистого компонента RL при том же давлении

СА = hc — hA = hRH —hRH -- rRH,

DB = hD-hB =hRL"-hRL'^rRL.

Кривые кипения (АВ) и конденсации (CD) взаимно не пересекаются при Х~0 и Х-1 как характерно для диаграммы Т Х, хотя и переносятся из этой диаграммы на диаграмму h X. Характер изгиба изобар определяется свойствам смеси при различной концентрации. Так, например, для смеси NH3-H20, изобары кипения носят параболи­ческий характер, для большинства смесей рабочих веществ HFC - и HCFC-типа - гиперболический характер.

Для каждой изотермы наносят соответствующие Хж и Хп. Таким образом в области влажного пара изотермы имеют наклон, угол которого переменный.

Кривая кипения представляет состояние насыщенной жидкое - ти, ниже ее - зона переохлажденной жидкости; кривая конденсации - состояние насыщенного пара, выше ее - зона перегретого пара. Между кривыми насыщения располагается область влажного пара. Влажный пар (например, в точке N) представляет гетерогенную смесь кипящей жидкости (точка М) и конденсирующегося пара (точка К), обе фазы которого находятся в равновесии.

Степень сухости влажного пара определяется из соотношения

І = (6.60)

Рассмотрим последовательные изменения состояния смеси при переходе из зоны переохлажденной жидкости (точка 1) в зону перегретого пара (точка 5) или наоборот при Х-const, используя диаграмму h-X - рис.6.20.

Тепло, необходимое для осуществления процесса 1-5 в любом направлении может быть определено как qi-5=hs-hi или поэтапно: • нагрев (охлаждение жидкости) j;

Х-0 0,2 0,4 0,6 0,8 Х=1

• фазовый переход (кипение или конденсация) q2-4-hr~h2\

• перегрев (снятие перегрева) пара q^s-^s-h^

На диаграмму h-X в одной системе координат наносят семейст­во изобар кипения и конденсации, получая инженерные диаграммы - рис.6.21. Сложность работы в этой диаграмме заключается в том, что каждый раз фазовое состояние смеси в любой точке необходимо рассматривать только относительно пары кривых того давления, при котором находится смесь. Например, точка D представляет состояние насыщенной жидкости при давлении рз, для любого давления р<рз эта точка представляет влажный пар, а для давления р>рз - переохлаж­денную жидкость. Точка L описывает состояние насыщенного пара при давлении р3, для любого давления р<рз эта точка представляет перегретый пар, а для давления р>р3 - влажный пар.

На примере инженерной диаграммы продемонстрируем пра­вило построения изотерм в области влажного пара, что необходимо для определения точки на кривой конденсации (например, точки Q при известном равновесном положении точки на кривой кипения (например, точки А) и наоборот.

Для построения изотерм в области влажного пара существуют вспомогательные кривые, располагающиеся вблизи кривых конденса­ции. Каждая вспомогательная кривая соответствует строго опреде­ленному уровню давления.

Диаграмма T-s для смесей (рис.6.22а) имеет большую специ­фику применения, в связи с чем большого распространения в инже­нерной практике не получила. Особенность этой диаграммы заключа­ется в том, изобары в области влажного пара представляют кривые, которые должны быть построены каждый раз в зависимости от Т и X. Для анализа машин в целях научных исследований использование этой диаграммы чрезвычайно полезно, а иногда и крайне необходимо.

Диаграмма h~s для смесей (рис.6.22б) имеет те же особен­ности, что и диаграмма T-s, однако необходимость в ее практическом применении невелика, так как эксергетический анализ холодильных машин и тепловых насосов на смесях рабочих веществ пока не полу­чил широкого применения при анализе и оптимизации этих машин.

Фазовое состояния смеси на диаграммах T-s и h-s определяется аналогично диаграмме h-X.

Диаграмма lg р-Т (рис.6.23), применяющаяся для одноком- понентных рабочих веществ, нашла применение и для смесей. Особенностью является создание и использование отдельных фраг­ментов диаграммы для области переохлажденной и насыщенной жид­кости и для области насыщенного и перегретого пара. Диаграмма для зоны влажного пара отсутствует.

7 Л

Диаграмма lg р -1 - —

Специально для смесей как усовершенствование диаграммы lgp-T - рис.6.24. Удобство применения этой диаграммы заключается в том, что линии постоянной концентрации для абсолютного большинства смесей выражаются прямыми. Спецификой диаграммы является изображение процесса фазового перехода (кипения и конденсации) одной точкой, например точкой А, процесс В-С соответствует сжатию при X=const). Эта диаграмма получила широкое применения за рубежом и чрезвычайно редко использовалась отечественными спе­циалистами ввиду невозможности проведения термодинамического анализа.

Очевидны преимущества использования диаграммы lg p-h (рис.6.25), однако каждая диаграмма создается для определенного значения концентрации смеси X, поэтому линии X-const на этой диаграмме отсутствуют.

Рис.6.22. Диаграммы для смесей рабочих веществ: a) T-s; б) h-s

Для смеси рабочих веществ для смеси рабочих вещеста