Давление сжатия и давление веса в теплофизике
Что такое давление?
- Сила давления — это сила, которая оказывает давление на какую-либо поверхность.
Для уменьшения давления увеличивают площадь опоры, если силу уменьшить невозможно.
Для увеличения давления, уменьшают площадь поверхности, на которую действует сила давления.
- Поскольку мы живем на дне воздушного океана, на нас постоянно действует атмосферное давление. Оно не может нас сжать потому, что действует и изнутри нас, даже изнутри клеток.
Метеочувствительные люди болезненно реагируют на быстрые перепады внешнего давления, поскольку их организм не успевает уравнивать изнутри давление окружающей среды.
- Давление на глубине жидкости или газа не зависит от площади поверхности, а зависит от плотности жидкости или газа — ρ, от ускорения силы тяжести — g и от глубины — h. р = ρ*g*h.
Т.е. по высоте столба жидкости или газа происходит приращение давления веса от вышележащих молекул.
- Атмосферное давление убывает с увеличением высоты над уровнем моря. Для определения изменения высоты используют высотомеры
Закон Паскаля
- Закон Паскаля гласит: «жидкости и газы в замкнутом объеме передают оказываемое на них давление сжатия без изменения в каждую точку жидкости или газа перпендикулярно к преграде».
Сообщающиеся сосуды
- Поверхности жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаются на одном уровне.
Поверхности разных жидкостей, плотности которых отличаются, устанавливаются в сообщающихся сосудах на разных уровнях!
Сосуды, соединенные между собой, называются сообщающимися.
- Действие простейшего U-образного жидкостного манометра основано на свойстве сообщающихся сосудов.
Это позволяет сравнивать давление в присоединенном к нему сосуде с атмосферным давлением.
Атмосферное давление
- Итальянский физик Торричелли (1608-1647) первым измерил атмосферное давление с помощью ртутного барометра.
На практике для измерения атмосферного давления чаще всего применяют барометры-анероиды.
Нормальным атмосферным давлением принято считать давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 градусов по шкале Цельсия.
- Давлением (абсолютным давлением) р принято считать сумму атмосферного давления от приращения давления веса атмосферы около поверхности Земли ра и давление от сжатия массы в замкнутом объеме (избыточным давлением) рс .
р = ра + рс
Давление сжатия действует на оболочку единичной массы по нормали к ограничивающей поверхности. Давление сжатия действует в замкнутом объеме и зависит от избытка или недостатка массы и от увеличения или уменьшения внутренней энергии в массе.
Давление веса (сила) появляется внутри единичной массы и действует на преграду через оболочку массы в направлении силы тяжести в массе и зависит от ее изменения и изменения в ней внутренней энергии массы.
Теплофизические свойства различных веществ, при изменении давления сжатия и практически неизменном давлении веса на поверхности Земли достаточно подробно изучены и применяются в теплотехническом оборудовании. Например: цикл Карно, Ренкина и др.
Т.к. физические процессы изменения давления веса и изменения давления сжатия различны, то и теплофизические свойства массы от этих изменений различны. Алгебраические формулы (техническая философия) в различных инерциальных системах одинаковы, но цифровые значения различны.
Закон Архимеда
- Закон Архимеда (около 287-212 до н.э.) гласит: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу вытесненной жидкости или газа.
Эту силу называют архимедовой силой.
Вес равен массе умноженной на ускорение свободного падения. Масса жидкости, вытесненная телом, равна произведению плотности жидкости на объем тела. Условие плавания тел таково: если плотность тела больше плотности жидкости или газа, то тело в ней тонет, если же плотность тела меньше плотности жидкости или газа, то тело в ней всплывает.
При равенстве плотностей жидкости или газа с телом, тело плавает.
- На основании наблюдений природных явлений, опытных данных и математических преобразований сделан вывод, что:
1) Изменение потенциальной энергии перемещения массы по радиусу от (к) поверхности Земли Епи = m * g * h или Епи = m * g * (RЗ2 — RЗ1).
Здесь:
m — масса тела,
g = V1кЗ^2 / RЗ — ускорение свободного падения на поверхности Земли,
RЗ2 – RЗ1 = h — высота перемещения массы по радиусу Земли.
V1кЗ — первая космическая скорость на поверхности Земли,
RЗ — радиус Земли.
Т.к. g меняется при изменении радиуса нахождения массы по радиусу Земли то
Епи = m * ((V1кЗ2^2 / RЗ2)*RЗ2) – (V1кЗ1^2 / RЗ1)*RЗ1) = m * (V1кЗ2^2 — V1кЗ1^2).
Т.е. потенциальная энергия массы в невесомости на поверхности Земли равна ЕпЗ = m * V1кЗ^2, а Епи = m * g * h – это изменение потенциальной энергии при перемещении массы на относительно малую величину при g близко к
g = const.
Т.к. тепловая энергия массы Q является разновидностью потенциальной энергии, то Еп = m * V1кЗ^2 ± Q = m * (ɷ * R1кЗ)^2 ± Q.
Т.е. при неизменных массе m и угловой скорости ɷ, и изменении Еп, тепловая энергия ±Q будет устремлять массу на соответствующий ей радиус – энергетический уровень (аналог: процесс парообразования – кипение воды в колбе, и конденсации – облака (крупнодисперсные капли воды от 4 до 40 мкм, которые падают чрезвычайно медленно, почти незаметно, соединяясь и разъединяясь между собой) [7]): перистые, кучевые, дождевые, дождь. Тогда облака, туман – масса в невесомости на своем энергетическом уровне.
Тогда: Еп = m * V1кЗ^2 + Q характеризуют силы отталкивания;
Еп = m * V1кЗ^2 — Q характеризуют силы притяжения.
2) Если внутренняя тепловая энергия обуславливается скоростью движения молекул, атомов и т.д., то полная потенциальная энергия массы на поверхности инерциальной системы будет состоять из суммы квадратов скоростей этой массы и элементарных частиц, ее составляющих.
Еп сист = m * ∑V^2.
Давление сжатия и давление веса в двухфазном насосе
- Во второй половине 20-го века в СССР и США, при проведении испытаний вращающихся котлов по заданным параметрам давления пара получили перегретый пар без пароперегревателя.
Тогда:
12.1 Если температура кипения жидкости равна температуре пара над кипящей поверхностью, то перегретой жидкостью можно считать и гидрозатвор во вращающемся парогенераторе .
12.2 Т.е. при увеличении силы тяжести в молекулах воды на вращающейся поверхности гидрозатвора котла получили перегретую жидкость.
12.3 За счет увеличения внутренней энергии молекул, при кипении и отрыве от поверхности против действия центробежных сил инерции получали перегретый пар.
12.4 Т.к. температура кипения жидкости равна температуре конденсации пара, то температура конденсации на вращающейся поверхности так же возрастает с увеличением силы тяжести в молекулах.
12.5 Тогда, за счет увеличения силы тяжести (давления веса) можно перегреть жидкость в гидрозатворе до температуры и внутренней энергии большей, чем температура и внутренняя энергия пара на поверхности Земли при атмосферном давлении.
12.6 В этом случае, этот пар, при попадании на поверхность вращающегося гидрозатвора, будет переходить в состояние жидкой фазы.
При бурном развитии техники — турбостроение, авиация и др. в деталях машин происходят процессы, при которых в молекулах жидкости и пара возрастает давление веса, которое приводит к изменению теплофизических свойств массы отличных от свойств, при ускорении силы тяжести на поверхности Земли.
13.1 Перегретую жидкость также можно наблюдать при сверхзвуковом обтекании газами преграды (лопатки турбин, крыло самолета) – скачки уплотнений. Это происходит при ускорении молекул газа перед преградой. Происходит компенсация теплоты расширения газа (не теплоты парообразования) кинетической энергией движущейся преграды. Когда ускорение перед преградой прекращается, перегретая жидкость с большим давлением вновь переходит в газообразное состояние. Об этом говорит газовая прослойка между скачком и преградой.
13.2 В микротрещинах поверхностей лопаток работающих турбин, пар под действием центробежных сил инерции так же переходит в состояние перегретой жидкости. При переполнении микротрещин, он выходит из них и взрывообразно вскипает, производя эрозионный износ лопаток турбин. По данным МЭИ кафедра ТОТ, и ПГТ, начало радиуса эрозионного износа лопаток совпадают с расчетами, при сравнивании энергии отрыва массы на бесконечно малое приращение радиуса на внутренней вращающейся поверхности с кинетической энергией появления скачков уплотнений при обтекании паром преграды со сверхзвуковыми скоростями.
О патенте «Способ работы двухфазного насоса
- На основании вышесказанного и проведенных опытов выполнен патент РФ № 2144987 С1 на «Способ работы двухфазного насоса» для повышения давления пара.
В двухфазном насосе, через входной патрубок, пар низкого давления поступает в отверстия барбатажного цилиндра (как в микротрещинах лопаток турбин, только без переполнения отверстий). Там он раскручивается до создания центробежной силы инерции (силы тяжести), когда внутренней энергии в молекулах пара недостаточно для отрыва от внутренней поверхности вращающегося гидрозатвора. На поверхности гидрозатвора, силой тяжести в молекулах пара компенсируются силы межмолекулярного разрыва (отталкивания) и масса переходит в состояние перегретой жидкости. По радиусу гидрозатвора происходит приращение давления веса перегретой жидкости (как в обычном центробежном насосе) и поступление ее с большим давлением в выходные сопла рабочего колеса насоса. (Эрозионный износ выходных сопел и регулировочного кольца можно сократить использованием сталинитов, керамики) После выхода перегретой жидкости из рабочего колеса насоса и прекращения вращения, она с большим давлением снова перейдет в состояние паровой фазы относительно инерциальной системы поверхности Земли.
- Эффективность использования двухфазного насоса в циклах паросиловых установок заключается в том (см. Рис. 4), что:
А) для перевода пара в состояние жидкой фазы (потери цикла) в двухфазном насосе необходимо тратить энергии много меньше по сравнению с потерями при переводе пара в состояние жидкой фазы в конденсаторах турбин;
Б) теряет смысл система водоснабжения для конденсации пара в конденсаторах;
В) теряет смысл система регенерации тепла в цикле и др.
Здесь (см. Рис. 5):
hз – затраченное (подведенное) тепло в цикле;
hп – полезное тепло в цикле;
—hт – потери тепла в турбинной установке;
—hк – потери тепла при переводе пара в состояние жидкой фазы;
hн – тепло для повышения давления жидкости в цикле;
hдн – тепло затрачиваемое на привод двухфазного насоса в цикле.
Давление сжатия и давление веса в активном двигателе с двухфазным насосом
Однако, двухфазный насос изобретался для активного двигателя (АД).
В настоящее время для создания силы тяги в космических летательных аппаратах используют реактивные двигатели. Эти двигатели состоят из запасов горючего вещества (топливо и окислитель), камеры сгорания (КС), и соплового аппарата (см. Рис. 7). Запасы горючего вещества поступают в камеру сгорания. Сгорая, они превращаются в газ и при расширении повышают давление сжатия в камере сгорания. С повышенным давлением горячие газы поступают в сопловой аппарат, где тепловая энергия переходит в кинетическую энергию движения молекул газа. Газы вылетают из сопла с большой скоростью и расширяясь, создают реактивную составляющую силы тяги реактивного двигателя
Fр = G * (Vг – Vк ) (1).
Здесь: G – секундный расход газов через сопло,
Vг – скорость газов на выходе из сопла,
Vк – скорость летательного аппарата (космического корабля с реактивным двигателем).
Кроме того, к реактивной силе тяги двигателя добавляется разность давлений сжатия на срезе сопла — Pc и в окружающей среде — Po , умноженной на площадь выходного сечения сопла — S
Fc = S * (Pc – Po ) (2).
Таким образом, суммарная сила тяги реактивного двигателя будет равна сумме этих сил
F = Fр + Fc
- Теперь представьте два сопла, направленных противоположно друг к другу и приваренных к камере сгорания (КС) Рис 8, которые создают реактивные силы, компенсирующие друг друга.
Теперь представьте колеса турбины с лопатками Рис. 9. Газ (или пар), выходя из камеры сгорания через сопла, будет превращать тепловую энергию в кинетическую (будет увеличиваться скорость потока), а попадая на лопатки, кинетическая энергия пара будет переходить в механическую энергию вращения (движения) лопаток с рабочим колесом на роторе.
Теперь приварим часть лопаток к выходным отверстиям сопел (Рис 10). Тогда, в сопле, тепловая энергия будет переходить в кинетическую, а кинетическая в механическую энергию перемещения всей сварной конструкции.
- Представим полное расширение газа (пара), при максимальной его скорости на выходе из сопла 14М (примерно 4,5 километра в секунду), и угле наклона лопаток к срезу сопла φ = 45°. Тогда при скорости корабля 2,25 километра в секунду, эффективность активного и реактивного двигателей будут одинаковы, а при больших скоростях активный двигатель будет эффективнее реактивного. Из этого напрашивается конструкция активно-реактивного двигателя (см. Рис. 11). При старте и до скорости 2 – 2,5 километра в секунду должен работать реактивный двигатель, а при больших скоростях активный двигатель.
Однако, реактивный и активный двигатели будут
загрязнять окружающую среду, и у них относительно малая продолжительность работы. Для устранения этого недостатка был изобретен двухфазный насос. - В журнале “Техника молодежи”, № 3 за 1991 год публиковалась статья Андрея Мельниченко “Дисколет? Антигравилет? Вихрелет?”. В ней приводился отрывок из санскритской рукописи “Самарангана Сутрадхара”, содержащей описание двигателя летательного аппарата – “вимана”.
«Сильным и прочным должно быть его тело, сделанное из легкого материала, подобное большой летящей птице. Внутрь следует поместить устройство с ртутью и железным подогревающим устройством под ним. Посредством силы, которая таится в ртути и приводит в движение несущий вихрь, Человек, находящийся внутри этой колесницы, может пролететь большое расстояние по небу самым удивительным образом. Четыре прочных сосуда для ртути должны быть помещены внутрь. Когда они будут подогреты управляемым огнем из железных приспособлений, колесница разовьет силу грома
благодаря ртути. И она сразу превратится в “жемчужину в небе».
Далее автор приводит «Схему вимана» (см. Рис. 12) и свое понимание
способа работы своего двигателя.
- На мой взгляд, приведенная «схема вимана» (после аварии) хорошо совпадает с принципиальной конструкцией активного двигателя с двухфазным насосом – АДДН (см. Рис. 13).
АДДН состоит из:
1 – корпуса АДДН,
2 – ротора АДДН,
3 – ступеней турбопривода,
4 – цилиндра (рабочего колеса) двухфазного насоса,
5 – встроенного соплового пакета ступеней активного двигателя,
6 – полости гидрозатвора с перегретой жидкостью,
7 – поплавкового регулирующего клапана,
8 – выходных сопел,
9 – пароперегревателя,
10 – радиальных подшипников,
11 — упорного подшипника,
12 – системы уплотнений.
- Работа АДДН происходит следующим образом. Пар после пароперегревателя (ПП) с высоким давлением поступает на турбопривод — 3, где срабатывается часть теплоперепада – тепловая энергия пара переходит в кинетическую энергию движения молекул, а кинетическая — в механическую энергию вращения ротора АДДН — 2 (по Рис. 12 вероятно верхняя ступень). После турбопривода, пар поступает во встроенный сопловой пакет активного двигателя — 5. В сопловом пакете срабатывается оставшаяся часть теплоперепада – тепловая энергия переходит в кинетическую энергию движения молекул пара. С большой скоростью они ударяют о рабочую поверхность изгиба сопел и создают силу Fя сопловому пакету (см. Рис. 12, 13, 14). Сила Fя через цилиндр, ротор и упорный подшипник передается корпусу АДДН. Т.к. встроенный сопловой пакет АД вращается вместе с цилиндром, то за счет центробежных сил на изгибе сопел пар будет переходить в перегретую жидкость (так выполнить конструкторско-тепловой расчет), стекать по поверхности к стабилизирующему барьеру (СБ) и в полость гидрозатвора (см. Рис. 13, 14). Из-за большой разности плотностей жидкости и пара, скорость движения жидкости по поверхности изгиба лопатки будет много меньше скорости пара. Поэтому силу реакции (реактивную силу) от движения жидкости можно не учитывать. (в турбостроении используется слой жидкости на поверхности рабочих лопаток для защиты от эрозионного износа). В полости гидрозатвора будет происходить повышение давления сжатия перегретой жидкости. С полученным высоким давлением перегретая жидкость будет поступать в выходные сопла через поплавковый регулирующий клапан 7. После выхода из выходных сопел и прекращения вращения, перегретая жидкость вновь перейдет в состояние паровой фазы, но с высоким давлением сжатия. Затем пар с высоким давлением сжатия снова поступит в пароперегреватель, на турбопривод и т.д.
По схеме вимана гидрозатвор выполнен непосредственно в полости лопаточного аппарата (см. Рис. 12), что не обеспечивает плавное регулирование расхода теплоносителя – силы тяги Fя (см. Рис. 14). Сила тяги в вертикальном направлении, относительно поверхности Земли, может появиться дополнительно, при переходе перегретого пара на поверхности лопаток в состояние перегретой жидкости – потенциальная сила тяги (см. лист 4).
22. В качестве теплоносителя в АДДН можно использовать воду обеспечивающую большие теплоперепады. Однако, для перевода водяных паров в состояние жидкой фазы требуются большие центробежные силы – соответственно специальные высокопрочные материалы, применяемые в турбостроении. При работе АДДН на метане или ртути можно использовать обычные материалы. В СССР работали турбоустановки на ртути в бинарных циклах (два теплоносителя). Они не имели успех из-за дефицита теплоносителя — ртути. Т.е. проблемы теплового расчета АДДН на ртути не будет. Если также ртуть использовать в качестве смазки в подшипниках, то цикл с АДДН по теплоносителю (не по теплу!) можно полностью герметизировать от окружающей среды. В качестве источника тепла в цикле с АДДН нужно использовать ядерное (термоядерное) топливо, как топливо с максимальной теплотворной способностью. Тепловой расчет турбопривода можно выполнить по типовому алгоритму, а силу тяги активного двигателя рассчитать для пускового режима (толчка) турбины.
23. В двигателях летательных аппаратов рекомендуется применять четное число АДДН для парной взаимной компенсации сил реакции вращения на корпус и регулирования положения летательного аппарата в пространстве.
Принципиальная схема паросиловой установки для летательного аппарата с использованием АДДН может выглядеть, как показано на Рис. 15.
Здесь:
ППЯ – Пароперегреватель на ядерном (термоядерном) топливе;
АДДН – Активные двигатели с двухфазным насосом и турбоприводом;
Стрелки указывают направление движения теплоносителя;
Стрелки указывают направление силы тяги активного двигателя Fя;
Дугообразные стрелки указывают направление вращения роторов АДДН.
Выполнен предварительный конструкторско-тепловой расчет для двухфазного насоса для воды и для метана.
К преимуществам использования цикла с АДДН в космических летательных аппаратах также можно отнести малые перегрузки. Т.е. при старте с поверхности Земли можно использовать ускорение 10 м/с2, а далее обычное g = 9,81 м/с2. При этом ускорении, примерно через год работы двигателя можно достигнуть скорости света.
Используемая литература:
Л-1 — Кривченко Г.И. «Гидравлические машины», Москва, Энергоатомиздат, 1983, Стр. 182 — 190, Рис. 11.3 — 11.10.
Л-2 — В.В. Сушков «Техническая термодинамика», под редакцией чл. корр. В.А. Кириллина, Госэнергоиздат, 1960.
Л-3 — патент США 3,590,786, CL. F22b 5/00, 1971, 8 стр.
Л-4 — С.Л.Ривкин, А.А. Александров «Теплофизические свойства воды и водяного пара». Москва, Энергия, 1980.
Л-5 — Б.М. Яворский, А.А. Детлаф «Справочник по физике для инженеров и студентов вузов», 1968г.
Л-6 — «Техника молодежи» № 9 1989г., статья ДФМН Мартынюк М.
Л-7 — Под редакцией чл. корр. Ландсберга Г.С. «Элементарная физика», Т-1.
Л-8 — А.В. Щегляев «Паровые турбины» 1976г.
Л-9 Патент № 2144987 С1 «Способ работы двухфазного насоса».
Л-10 Дополнительные пояснения к патенту «Способ работы двухфазного насоса».[schema type=»book» name=»Давление сжатия и давление веса в теплофизике, в двухфазном насосе, в активном двигателе с двухфазным насосом » description=»В статье говорится о различных теплофизических свойствах массы при изменении давления сжатия и давлении веса на поверхности различных инер-циальных систем. В статье говорится о способе работы двухфазного насоса, при использовании различных теплофизических свойств массы на поверхности различных инерциальных систем и преимущества работы циклов па-росиловых установок с двухфазным насосом. В статье говорится о способе работы активного двигателя с двухфазным насосом, при использовании различных теплофизических свойств массы на поверхности различных инерциальных систем и преимущества работы активного двигателя с двухфазным насосом в циклах паросиловых установок.» author=»Михайловский Виктор Владимирович» publisher=»БСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-18″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]