Що це таке – адіабатний (адіабатичний) процес, формули та приклади

Коли газ стискають в компресорі або пара розширюється в турбіні, відбувається цікава річ – температура змінюється, хоча ніхто спеціально не нагріває і не охолоджує систему. Це і є адіабатний процес – явище, без якого не працювала б жодна сучасна ТЕС, компресорна станція або навіть драйкулер.

Адіабатичний процес – це природнє явище

Адіабатичний процес це те, з чим ми стикаємось майже щодня. Уявіть велосипедний насос. Качаєте повітря – насос гріється. Причому гріється він не від тертя, а від самого стискання повітря всередині. Це відбувається тому, що енергія стискання перетворюється на тепло. При цьому тепло не встигає піти назовні, так як процес йде занадто швидко.

Адіабатичний процес відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Газ стискається або розширюється настільки швидко, що тепло просто не встигає передатися стінкам обладнання. Вся енергія залишається всередині системи. Саме тому при стисканні температура росте, а при розширенні – падає.

На українських підприємствах такі процеси зустрічаються повсюдно. Взяти хоча б Одеський припортовий завод – там аміак стискають у величезних компресорах. Температура газу при цьому підскакує з 20°C до 140°C за лічені секунди. Ніяких нагрівачів – тільки адіабатний процес.

Адіабатний процес – формули і як з ними працювати

Адіабатний процес формули виглядають так: PVᵞ = const

Де:

·         P – тиск (в паскалях або барах)

·         V – об'єм (в кубічних метрах)

·         γ – показник адіабати (для повітря = 1,4)

А ось формула для розрахунку температури: T₂/T₁ = (P₂/P₁)^((γ-1)/γ)

Приклад розрахунку для промислового компресора: повітря стискають з 1 бар до 8 бар. Початкова температура 20°C (293K). T₂ = 293 × (8/1)^((1,4-1)/1,4) = 293 × 1,74 = 510K = 237°C

Температура виросла більш ніж у два рази! І це без всякого нагріву ззовні. Ось чому на компресорних станціях стоять потужні охолоджувачі після кожної ступені стискання.

Адіабатний процес – приклади з української промисловості

Адіабатний процес приклади можна знайти на будь-якому заводі. Ось найпоширеніші:

1.       Турбіни на ТЕС. На Бурштинській ТЕС пара з котла потрапляє в турбіну при 540°C і 130 барах. Розширюючись в турбіні, вона охолоджується до 30°C. Це адіабатичний процес в чистому вигляді – пара віддає енергію лопаткам турбіни, а її температура падає.

2.       Компресори на хімзаводах. ДніпроАзот в Кам'янському використовує турбокомпресори для виробництва азотної кислоти. Повітря стискається в кілька ступенів. Після кожної ступені його охолоджують, тому що адіабатний процес нагріває газ до 200-250°C.

3.       Холодильні установки. На молокозаводах Житомирської області фреон стискається в компресорі, нагріваючись при цьому. Потім він охолоджується в конденсаторі і різко розширюється в дроселі. При розширенні температура падає – ось і готовий холод для охолодження молока.

Адіабатний процес в природі і техніці

Адіабатний процес в природі зустрічається частіше, ніж здається. Коли повітря піднімається в горах, тиск падає, тому повітря розширюється і охолоджується приблизно на 1°C кожні 100 метрів підйому. Відповідно, в Карпатах на висоті 2000 метрів на 20 градусів холодніше, ніж у підніжжя.

А ось цікавий факт – в двигуні трактора ХТЗ повітря стискається так сильно, що нагрівається до 600°C. Цього вистачає, щоб дизельне паливо спалахнуло само, без іскри. Весь процес займає частки секунди – класичний адіабатний процес.

На заводі "Мотор Січ" в Запоріжжі виробляють авіаційні двигуни. Там адіабатний процес формули використовуються для розрахунку кожної ступені компресора. Інженери точно знають, наскільки нагріється повітря після стискання і скільки палива потрібно впорснути для оптимальної роботи.

Адіабатичний процес це що для інженерів?

Працюєте з компресорами або турбінами? Ось що важливо пам'ятати про адіабатичний процес:

Завжди враховуйте нагрів при стисканні. Якщо компресор дає на виході 10 бар, температура повітря може досягати 300°C. Звичайні гумові шланги такого не витримають, так що потрібні спеціальні матеріали.

Між ступенями компресора бажано ставити проміжні охолоджувачі. Це знизить витрати електроенергії на 15-20%. На великому підприємстві економія складе сотні тисяч гривень на місяць.

При розрахунку трубопроводів після редукторів тиску пам'ятайте – газ охолоджується. Якщо вологість висока, може випасти конденсат або навіть лід. На газорозподільних станціях Нафтогазу це часта проблема взимку.

Адіабатичний процес це те, що повинен знати кожен технічний спеціаліст. Без розуміння цього явища неможливо правильно спроектувати компресорну станцію або розрахувати систему охолодження. А помилки в розрахунках можуть коштувати мільйони гривень.

FAQ: часто задавані питання

Чому адіабатичний процес називається саме так?

Слово походить від грецького "адіабатос" – непрохідний. Мається на увазі, що тепло не може "пройти" через межі системи. Процес йде настільки швидко, що теплообмін з навколишнім середовищем просто не встигає відбутися.

Чи можна створити ідеальний адіабатний процес?

В реальності – ні. Якийсь мінімальний теплообмін завжди є. Але якщо процес триває частки секунди, а стінки обладнання товсті або теплоізольовані, то теплообміном можна знехтувати і вважати процес адіабатичним.

Чим відрізняється такий процес від ізотермічного?

При ізотермічному процесі температура залишається постійною – тепло вільно йде або надходить в систему. При адіабатичному теплообміну немає, тому температура обов'язково змінюється при зміні тиску або об'єму.

Де використовують формулу адіабатичного процесу на практиці?

Адіабатний процес приклади – це скрізь, де є швидке стискання або розширення газів. Проектування компресорів, турбін, двигунів внутрішнього згорання, пневматичних систем. Навіть при розрахунку повітряних подушок безпеки в автомобілях враховують адіабатичний нагрів.

Чому балончик з дезодорантом холоне при використанні?

Коли газ виходить з балончика, він різко розширюється. Це типовий адіабатний процес в природі, точніше, в побуті. Газ розширюється, його температура падає, і балончик стає холодним на дотик.

Як адіабатичні процеси впливають на ККД обладнання?

Безпосередньо. Чим ближчий реальний процес до адіабатичного, тим вищий ККД турбіни або компресора. Тому конструктори намагаються мінімізувати втрати тепла через стінки, використовують теплоізоляцію і збільшують швидкість процесів.