Рабочая жидкость

Для гидроэнергетики рабочей жидкостью является газ или жидкость , которая в первую очередь передает силу , движение или механическую энергию . В гидравлике вода гидравлические или гидравлическая жидкость передает усилие между гидравлическими компонентами, такими как гидравлические насосы , гидроцилиндры и гидромоторы , которые собраны в машины , системы гидравлического привода и т. д. В пневматике рабочей жидкостью является воздух или другой газ, передающий силу. между пневматическими компонентами, такими как компрессоры , вакуумные насосы , пневматические цилиндры и пневматические двигатели . В пневматических системах рабочий газ также сохраняет энергию, поскольку он сжимаем. (Газы также нагреваются при сжатии и охлаждаются при расширении; этот дополнительный тепловой насос используется редко.) (Некоторые газы также конденсируются в жидкости при сжатии и кипят при понижении давления.)

Для пассивной теплопередачи рабочей жидкостью является газ или жидкость, обычно называемая охлаждающей жидкостью или теплоносителем, которая в первую очередь передает тепло в интересующую область или из нее посредством проводимости , конвекции и/или принудительной конвекции (охлаждение перекачиваемой жидкостью , воздушное охлаждение и др.).

Рабочей жидкостью или теплового двигателя теплового насоса является газ или жидкость, обычно называемая хладагентом , хладагентом или рабочим газом, которая в первую очередь преобразует тепловую энергию (изменение температуры) в механическую энергию (или наоборот) путем фазового перехода и/или теплота сжатия и расширения. Примеры использования фазового перехода включают воду↔пар в паровых двигателях и хладагенты в парокомпрессионных холодильных установках и кондиционирования воздуха системах . Примеры без фазового перехода включают воздух или водород в двигателях с горячим воздухом , таких как двигатель Стирлинга , воздух или газы в тепловых насосах с газовым циклом и т. д. (Некоторые тепловые насосы и тепловые двигатели используют «рабочие тела», такие как резиновые ленты, для эластокалорийности). охлаждение или термоэластичное охлаждение и никель-титан в прототипе теплового двигателя.)

Рабочие жидкости, кроме воздуха и воды, обязательно рециркулируются в контуре. Некоторые гидравлические и пассивные системы теплопередачи открыты для подачи воды и/или атмосферы, иногда через дыхательные фильтры . Тепловые двигатели, тепловые насосы и системы, использующие летучие жидкости или специальные газы, обычно герметизируются предохранительными клапанами .

Свойства и состояния

Свойства рабочего тела необходимы для полного описания термодинамических систем. Хотя рабочие жидкости обладают многими физическими свойствами, которые можно определить, термодинамических свойств, которые часто требуются при инженерном проектировании и анализе, немного. давление , температура , энтальпия , энтропия , удельный объем и внутренняя энергия Наиболее распространенными являются .

Диаграмма давление-объем, показывающая состояние (p,V)

Если известны хотя бы два термодинамических свойства, можно определить состояние рабочего тела. Обычно это делается на диаграмме свойств, которая представляет собой просто график сравнения одного свойства с другим.

Типичный термодинамический процесс для рабочего тела (расширение из состояния 1 в состояние 2)

Когда рабочая жидкость проходит через технические компоненты, такие как турбины и компрессоры , точка на диаграмме свойств перемещается из-за возможных изменений определенных свойств. Поэтому теоретически можно нарисовать линию/кривую, которая полностью описывает термодинамические свойства жидкости. Однако в действительности это возможно только в том случае, если процесс обратим . В противном случае изменения свойства отображаются пунктирной линией на диаграмме свойств. Эта проблема на самом деле не затрагивает термодинамический анализ, поскольку в большинстве случаев речь идет о конечных состояниях процесса.

Работа

Рабочее тело можно использовать для совершения полезной работы, если оно используется в турбине . Кроме того, в термодинамических циклах энергия может подаваться в рабочее тело посредством компрессора . Математическая формулировка этого может быть довольно простой, если мы рассмотрим цилиндр, в котором находится рабочая жидкость. Поршень используется для передачи полезной работы жидкости. С точки зрения механики работа, совершаемая от состояния 1 до состояния 2 процесса, определяется выражением:

$W=-\int _{1}^{2}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

где ds — приращение расстояния от одного состояния к другому, а F — приложенная сила. Знак минус вводится, поскольку в данном случае рассматривается уменьшение объема. Ситуация показана на следующем рисунке:

Ввод работы на рабочее тело посредством цилиндропоршневой установки.

Сила определяется произведением давления в цилиндре на площадь его поперечного сечения, так что

${\begin{aligned}W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \\&=-\int _{1}^{2}P\cdot \mathrm {d} V\end{aligned}}$

Где A⋅ds = dV — элементарное изменение объема цилиндра. Если из состояния 1 в состояние 2 объем увеличивается, то рабочая жидкость фактически совершает работу над окружающей средой, и это обычно обозначается отрицательной работой. Если объем уменьшается, то работа положительна. Согласно определению, данному с помощью приведенного выше интеграла, проделанная работа представлена ​​площадью под диаграммой давление-объем . Если мы рассмотрим случай, когда мы имеем процесс с постоянным давлением, то работа просто определяется выражением

${\begin{aligned}W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}$

Процесс при постоянном давлении на диаграмме ap – V

Выбор

Основная статья: Выбор рабочей жидкости

В зависимости от применения используются различные типы рабочих жидкостей. В термодинамическом цикле может случиться так, что рабочее тело меняет состояние с газа на жидкость или наоборот. Некоторые газы, такие как гелий, можно рассматривать как идеальные газы . Обычно это не относится к перегретому пару, и уравнение идеального газа на самом деле не выполняется. Однако при гораздо более высоких температурах он по-прежнему дает относительно точные результаты. Физические и химические свойства рабочего тела чрезвычайно важны при проектировании термодинамических систем. Например, в холодильной установке рабочая жидкость называется хладагентом. Аммиак является типичным хладагентом и может использоваться в качестве основной рабочей жидкости. По сравнению с водой (которая также может использоваться в качестве хладагента), аммиак использует относительно высокое давление, требующее более надежного и дорогого оборудования.

В стандартных воздушных циклах, как и в газотурбинных циклах, рабочим телом является воздух. В газовой турбине открытого цикла воздух поступает в компрессор, где его давление увеличивается. Таким образом, компрессор передает работу рабочей жидкости (положительная работа). Затем жидкость переносится в камеру сгорания, где на этот раз вводится тепловая энергия посредством сгорания топлива. Затем воздух расширяется в турбине, совершая работу против окружающей среды (отрицательная работа).

Различные рабочие жидкости имеют разные свойства, и при выборе одной из них проектировщик должен определить основные требования. В холодильных установках для обеспечения большой холодопроизводительности требуется высокая скрытая теплота.

Приложения и примеры

В следующей таблице приведены типичные области применения рабочих жидкостей и примеры для каждого из них:

Приложение	Типичная рабочая жидкость	Конкретный пример
Газотурбинные циклы	Воздух
Циклы Ренкина	Вода ↔ пар , пентан , толуол
Парокомпрессионное охлаждение , тепловые насосы	Хлорфторуглероды , гидрохлорфторуглероды , фторуглероды , пропан , бутан , изобутан , аммиак , диоксид серы	Коммерческие холодильники , Кондиционеры
Многоразовая ракета-носитель с выдвижными вертикально - посадочными опорами	Гелий	Программа разработки многоразовой ракетной системы SpaceX

См. также

• Список газов
• Водяной силовой двигатель

Ссылки

• Истоп и МакКонки (1993). Прикладная термодинамика для инженеров-технологов (5-е изд.). Сингапур: Прентис Холл. стр. 9–12. ISBN  0-582-09193-4 .