Для гидравлической энергии рабочая жидкость — это газ или жидкость , которые в первую очередь передают силу , движение или механическую энергию . В гидравлике вода или гидравлическая жидкость передают силу между гидравлическими компонентами, такими как гидравлические насосы , гидравлические цилиндры и гидравлические двигатели , которые собраны в гидравлические машины , системы гидравлического привода и т. д. В пневматике рабочая жидкость — это воздух или другой газ, который передает силу между пневматическими компонентами, такими как компрессоры , вакуумные насосы , пневматические цилиндры и пневматические двигатели . В пневматических системах рабочий газ также хранит энергию , поскольку он сжимаем. (Газы также нагреваются при сжатии и охлаждаются при расширении; этот побочный тепловой насос редко используется.) (Некоторые газы также конденсируются в жидкости при сжатии и кипят при снижении давления.)
При пассивной передаче тепла рабочей жидкостью является газ или жидкость, обычно называемые охлаждающей жидкостью или теплоносителем, которые в основном переносят тепло в интересующую область или из нее посредством теплопроводности , конвекции и/или принудительной конвекции ( охлаждение перекачиваемой жидкостью , воздушное охлаждение и т. д.).
Рабочее тело теплового двигателя или теплового насоса представляет собой газ или жидкость, обычно называемые хладагентом , охлаждающей жидкостью или рабочим газом, которые в первую очередь преобразуют тепловую энергию (изменение температуры) в механическую энергию (или наоборот) путем фазового перехода и/или теплоты сжатия и расширения. Примеры использования фазового перехода включают воду↔пар в паровых двигателях и хладагенты в парокомпрессионных холодильных и кондиционерных системах. Примеры без фазового перехода включают воздух или водород в двигателях горячего воздуха , таких как двигатель Стирлинга , воздух или газы в газовых тепловых насосах и т. д. (Некоторые тепловые насосы и тепловые двигатели используют «рабочие твердые тела», такие как резиновые ленты, для эластокалорического охлаждения или термоэластичного охлаждения и никель-титан в прототипе теплового двигателя.)
Рабочие жидкости, отличные от воздуха или воды, обязательно рециркулируются в контуре. Некоторые гидравлические и пассивные системы теплопередачи открыты для водоснабжения и/или атмосферы, иногда через фильтры-сапуны . Тепловые двигатели, тепловые насосы и системы, использующие летучие жидкости или специальные газы, обычно герметизируются за предохранительными клапанами .
Свойства рабочей жидкости имеют важное значение для полного описания термодинамических систем. Хотя рабочие жидкости имеют много физических свойств, которые можно определить, термодинамических свойств, которые часто требуются в инженерном проектировании и анализе, немного. Давление , температура , энтальпия , энтропия , удельный объем и внутренняя энергия являются наиболее распространенными.
Если известны хотя бы два термодинамических свойства, можно определить состояние рабочей жидкости. Обычно это делается на диаграмме свойств, которая представляет собой просто график одного свойства по сравнению с другим.
Когда рабочая жидкость проходит через такие технические компоненты, как турбины и компрессоры , точка на диаграмме свойств перемещается из-за возможных изменений определенных свойств. Поэтому в теории можно нарисовать линию/кривую, которая полностью описывает термодинамические свойства жидкости. Однако в действительности это можно сделать только в том случае, если процесс обратим . В противном случае изменения свойств отображаются в виде пунктирной линии на диаграмме свойств. Эта проблема на самом деле не влияет на термодинамический анализ, поскольку в большинстве случаев ищутся конечные состояния процесса.
Рабочая жидкость может быть использована для выработки полезной работы, если она используется в турбине . Кроме того, в термодинамических циклах энергия может быть введена в рабочую жидкость с помощью компрессора . Математическая формулировка для этого может быть довольно простой, если мы рассмотрим цилиндр, в котором находится рабочая жидкость. Поршень используется для ввода полезной работы в жидкость. Из механики работа, выполненная из состояния 1 в состояние 2 процесса, определяется как:
где ds — это приращение расстояния от одного состояния до другого, а F — приложенная сила. Знак «минус» введен, поскольку в данном случае рассматривается уменьшение объема. Ситуация показана на следующем рисунке:
Сила определяется произведением давления в цилиндре на площадь его поперечного сечения, так что
Где A⋅ds = dV — элементарное изменение объема цилиндра. Если от состояния 1 до 2 объем увеличивается, то рабочая жидкость фактически совершает работу над своим окружением, и это обычно обозначается отрицательной работой. Если объем уменьшается, работа положительна. Согласно определению, данному с помощью приведенного выше интеграла, проделанная работа представлена площадью под диаграммой давление-объем . Если мы рассмотрим случай, когда у нас есть процесс постоянного давления, то работа просто задается как
В зависимости от области применения используются различные типы рабочих жидкостей. В термодинамическом цикле может быть так, что рабочая жидкость меняет состояние с газа на жидкость или наоборот. Некоторые газы, такие как гелий, можно рассматривать как идеальные газы . Это, как правило, не относится к перегретому пару, и уравнение идеального газа на самом деле не выполняется. Однако при гораздо более высоких температурах оно все еще дает относительно точные результаты. Физические и химические свойства рабочей жидкости 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 высокие давления, требующие более надежного и дорогого оборудования.
В стандартных воздушных циклах, как и в циклах газовых турбин , рабочим телом является воздух. В газовой турбине открытого цикла воздух поступает в компрессор, где его давление увеличивается. Таким образом, компрессор вкладывает работу в рабочее тело (положительная работа). Затем тело переносится в камеру сгорания, где на этот раз вводится тепловая энергия посредством сжигания топлива. Затем воздух расширяется в турбине, тем самым 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 требуются высокие скрытые теплоты.
В следующей таблице приведены типичные области применения рабочих жидкостей и примеры для каждой из них:
F9R (произносится как F-niner) показывает маленькую ногу. Конструкция представляет собой вложенный телескопический поршень с рамой A... Гелий высокого давления. Должен быть сверхлегким.
