Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Основні закони газового стану

Основні закони газового стану, отримані на основі молекулярно-кінетичної теорії газів, дозволяють установити зв'язок між основними параметрами стану газу: тиском, об'ємом і температурою.

Температура газів по об'єму печі змінюється значно, але поступово. Це дозволяє на ділянці печі невеликої довжини не враховувати вплив зміни температури на об'єм газів. Отже, для вивчення руху газів у печах можливо використовувати закони руху рідини.

1) Закон Бойля-Маріотта для постійної температури газу виражається рівнянням:

Р₁V₁ = Р₂V₂ = const,

величина, яка залежить від природи, маси і температури газу, Р₁ - тиск, V₁ - об'єм першого стану газу, Р₂ - тиск, V₂ - об'єм другого стану газу.

Процеси, які протікають при постійній температурі, називаються ізотермічними, залежність зміни тиску даної маси газу від об'єму при постійній температурі має вигляд гіперболи, яка називається ізотермою.

2) Якщо тиск газу постійний, то залежність його об'єму від температури описується законом Гей-Люссака: при постійному тиску об'єм газу прямопропорційний температурі, виражається рівнянням:

Vt=Vo(1+αt) V₂=V₁(1+αt₁)

де: Vt - об'єм газу при завданій температурі,

V₂ - об'єм газу при температурі t₂,

Vo - об'єм газу при температурі tо = 0ºC,

α = 1/273ºК - температурний коефіцієнт об'ємного розширення

Ця залежність може бути представлена прямою лінією, яка називається ізобарою, а процеси, які протікають при постійному тиску, називаються ізобаричними.

3) Якщо тиск газу постійний, то залежність густини газу від температури описується законом Гей-Люссака: при постійному тиску густина газу оборотнопропорційна температурі виражається рівнянням:

ρt = ρo/(1 + αt)

де: ρo - густина газу при tо = ОºС і тиску 101,3 кПа

У пічній теплотехніці прийнято густину повітря при нормальних умовах tо = 0ºС Р = 101,3 кПа (760 мм рт.ст.) приймати ρп = 1,29 кг/м³, а газів (продуктів горіння) ρг = 1,32-1,34 кг/м³.

Задача 1: Визначити густину повітря ρt при постійному тиску і температурі 546ºС.

ρt = ρо/(1 + αt)=1,29/(1 + 546/273) = 0,43 кг/м³

4) При постійному об’ємі зміна тиску газу від його температури описується законом Шарля: тиск даної маси газу прямопропорційний температурі і виражається рівнянням:

Р₂=Р₁(1+αt)

Лінію зміни тиску від температури називають ізохорною, так як процеси, які протікають при постійному об'ємі, називаються ізохоричними.

5) Закон збереження мас для рухомого потоку газу: кількість і швидкість газу, який протікає через який-небудь канал, пов'язані з поперечним перерізом каналу певним співвідношенням.

Швидкість руху газів визначається по формулі:

ω = V/F

де V - витрати (об'єм газу, який протікає через переріз за 1 с), м³/с;

F - площа поперечного перерізу каналу, м².

Для перерізу складної форми діаметр каналу виражають через гідравлічний діаметр відношення чотирьох площин вільного перерізу каналу до його периметру

dгідр = 4 F/S

де F - площа вільного перерізу каналу, м²

S - периметр перерізу каналу, м

Для круглих труб dгідр = dвнутр

Визначення тиску

Гази, які знаходяться у спокої або рухаються, володіють потенціальною і кінетичною енергією. Цю енергію виражають у механіці газів тиском. Розрізняють тиск: геометричний, статичний (п'єзометричний), швидкісний (динамічний).

Вимірюється тиск в одиницях:

1 мм вод.ст. = 760 мм рт.ст. = 9,81н/м² = 1 кг/м² = 1 ат = 101,3 кПа

Геометричний тиск (Ргеом) з'являється у результаті різниці густин легкого газу і повітря навколо нього. В цьому випадку газ прагне піднятися вгору.

Розглянемо геометричний тиск на прикладі газу, розміщеного у посудині, яка сполучена знизу і зверху з атмосферою, відокремленою від неї невагомими перетинками на рівнях 1-1 і 2-2, між якими відстань Н. На рівень 2-2 зверху до низу діє сила F₁, яка дорівнює атмосферному тиску повітря (Рп) на рівні 1-1 і вазі легкого газу Gг=Н ρг, знизу до гори - сила F₂, яка дорівнює тільки атмосферному тиску повітря (Рп) на рівні 2-2.

F₁ = Pп + H ρг F₂= Pп + H ρп

Ризниця цих сил F₁ і F₂ дорівнює геометричному тиску:

Ргеом = F2 - F1 = Pп + H pп - Рп - Н ρг = Н(ρп - ρг)

Геометричний тиск може бути як позитивним при ρп > ρг так і негативним при ρп < ρг. При нульовій температурі ρп = ρг = 1,29 кг/м³.

Геометричний тиск не вимірюється, а розраховується по виведеній формулі.

Статичний тиск (Рст) представляє різницю тиску газу, замкненого у посудині, і тиску повітря навколо нього.

Статичний тиск визначається дуже просто: у стінці посудини виконується отвір, у який перпендикулярно напрямку руху потоку вставляють трубку манометра. По ризниці рівнів рідини у манометрі визначають величину статичного тиску. При ρг > ρп статичний тиск Рст - позитивний, при рг < рп тиск Рст - негативний.

У напрямку до своду топки геометричний тиск зменшується, він переходить у статичний.

Таким чином, внаслідок збільшення статичного тиску у топочному просторі тиск вище лежачих шарів газів буде вище, ніж нижче лежачих. Підвищення тиску гарячих газів приводить до вибування їх через любий отвір або щілину у своді і стінах, у наслідок чого забруднюється атмосфера цеху і стає важчим обслуговування печі.

Знаючи розподілення тиску у стовпі гарячих газів, можливо регулювати тиск у різних частинах печі. Так, якщо біля поду печі тиск дорівнює атмосферному, то біля своду тиск газів буде позитивним. Якщо відрегулювати тиск таким чином, що біля своду тиск буде атмосферним, то на поду отримаємо компресорну атмосферу. Тоді зовнішнє повітря буде прагнути проникнути через нещільності заслінок у печі і охолодить матеріал, який нагрівається. У той же час, щоб не охолонув під при підвищеному тиску під сводом збільшуються витрати газів, то підвищуються втрати газів через нещільності у кладці і через зазори біля заслінок вікон у стінках печі. Звичайно, вважається нормальним для полум'яних печей мати ореол газів, який вибивається у верхній частині заслінок вікон, і слабке підсмоктування повітря у щілини під заслінками.

Задача 2: Робочий простір печі висотою 1,5 м заповнено продуктами горіння з температурою 1250°С. Визначити величину статичного тиску під сводом печі. При цьому приймаємо густину повітря у цеху ρп =1,29кг/м³, а густина газів ρо =1,32кг/м³.

Розв'язання:

1. По закону Гей-Люссака визначаємо густину газів у печі при температурі 1250˚С:

ρо 1,32

ρг = -------- = ---------------- = 0,237 кг/м³

1+ dt 1+1250/273

2. Визначаємо геометричний напір, який під сводом печі дорівнює статичному:

Ргеом = Н(ρп - ρг) = 1,5 (1,29-0,237) = 1,58 кг/м² = 1,58 Па

Перейдемо до питань, пов'язаних з рухом газів, - до динаміки газів. У динаміці газів використовують наступні поняття:

1) динамічний або швидкісний тиск,

2) тиск, який витрачається на різного роду опори (загублений тиск).

Динамічний тиск виражає залежність кінетичної енергії газового потоку від швидкості і густини газу. Нехай по трубі рухається потік газу з якоюсь середньою швидкістю. Якщо один кінець манометра поставити поперек протікання потоку газу, а другий кінець - назустріч потоку, то у першій трубці буде тільки статичний тиск Рст, а у другій - тиск, який дорівнює сумі статичного і динамічного Рст + Рдин. Різниця рівнів у манометрі покаже динамічний тиск Рдин. На основі закону Торічеллі динамічний тиск визначається по формулі:

Рдин = ωt² ρt/2 =ωо² ρо(1 + dt)/2

де ω t і ω о - дійсна і умовна (при 0ºС та 101,3кПа) швидкість газового потоку.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒