Введение
Рабочая жидкость — это газ или жидкость, которая в первую очередь передает силу, движение или механическую энергию. В гидравлике вода или гидравлическая жидкость передает силу между гидравлическими компонентами, такими как гидравлические насосы, гидравлические цилиндры и гидравлические двигатели, которые собраны в гидравлические машины, гидравлические приводы и т. д. В пневматике рабочей жидкостью является 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 накапливает энергию, поскольку он сжимается. (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.) Для пассивной теплопередачи рабочей жидкостью является газ или жидкость, обычно называемая охлаждающей жидкостью или теплоносителем, которая в основном передает тепло в или из интересующей области посредством теплопроводности, конвекции и/или принудительной конвекции (жидкостное охлаждение с принудительной циркуляцией, воздушное охлаждение и т. д.). Рабочая жидкость теплового двигателя или теплового насоса — это газ или жидкость, обычно называемая хладагентом, охлаждающей жидкостью или рабочим газом, которая преимущественно преобразует тепловую энергию (изменение температуры) в механическую энергию (или наоборот) посредством изменения фазового состояния и/или тепла сжатия и расширения. Примеры использования изменения фазового состояния включают воду/пар в паровых двигателях и хладагенты в системах охлаждения и кондиционирования воздуха с компрессией паров. Примеры без изменения фазового состояния включают воздух или водород в двигателях горячего воздуха, таких как двигатель Стирлинга, воздух или газы в тепловых насосах с газовым циклом и т. д. (Некоторые тепловые насосы и тепловые двигатели используют "рабочие твердые тела", такие как резиновые ленты, для эластокалорического охлаждения или термоэластического охлаждения и никель-титан в прототипе теплового двигателя.) Рабочие жидкости, отличные от воздуха или воды, обязательно циркулируют по замкнутому контуру. Некоторые гидравлические и пассивные системы теплопередачи открыты для водоснабжения и/или атмосферы, иногда через воздушные фильтры. Тепловые двигатели, тепловые насосы и системы, использующие летучие жидкости или специальные газы, обычно герметизированы за предохранительными клапанами.
For fluid power, a working fluid is a gas or liquid that primarily transfers force, motion, or mechanical energy. In hydraulics, water or hydraulic fluid transfers force between hydraulic components such as hydraulic pumps, hydraulic cylinders, and hydraulic motors that are assembled into hydraulic machinery, hydraulic drive systems, etc. In pneumatics, the working fluid is air or another gas which transfers force between pneumatic components such as compressors, vacuum pumps, pneumatic cylinders, and pneumatic motors. In pneumatic systems, the working gas also stores energy because it is compressible. (Gases also heat up as they are compressed and cool as they expand; this incidental heat pump is rarely exploited.) (Some gases also condense into liquids as they are compressed and boil as pressure is reduced.) For passive heat transfer, a working fluid is a gas or liquid, usually called a coolant or heat transfer fluid, that primarily transfers heat into or out of a region of interest by conduction, convection, and/or forced convection (pumped liquid cooling, air cooling, etc.). The working fluid of a heat engine or heat pump is a gas or liquid, usually called a refrigerant, coolant, or working gas, that primarily converts thermal energy (temperature change) into mechanical energy (or vice versa) by phase change and/or heat of compression and expansion. Examples using phase change include water↔steam in steam engines, and refrigerants in vapor compression refrigeration and air conditioning systems. Examples without phase change include air or hydrogen in hot air engines such as the Stirling engine, air or gases in gas cycle heat pumps, etc. (Some heat pumps and heat engines use "working solids", such as rubber bands, for elastocaloric refrigeration or thermoelastic cooling and nickel titanium in a prototype heat engine.) Working fluids other than air or water are necessarily recirculated in a loop. Some hydraulic and passive heat transfer systems are open to the water supply and/or atmosphere, sometimes through breather filters. Heat engines, heat pumps, and systems using volatile liquids or special gases are usually sealed behind relief valves.
Собственность и состояние
Для полного описания термодинамических систем необходимы свойства рабочего тела. Хотя рабочие тела обладают множеством физических свойств, которые можно определить, термодинамических свойств, часто требуемых в инженерном проектировании и анализе, немного. Наиболее распространенными являются давление, температура, энтальпия, энтропия, удельный объем и внутренняя энергия. Если известно хотя бы два термодинамических свойства, можно определить состояние рабочего тела. Обычно это делается на диаграмме свойств, представляющей собой график зависимости одного свойства от другого. Когда рабочее тело протекает через инженерные компоненты, такие как турбины и компрессоры, точка на диаграмме свойств перемещается из-за возможных изменений определенных свойств. Следовательно, теоретически можно построить линию или кривую, полностью описывающую термодинамические свойства рабочего тела. Однако на практике это возможно только для обратимых процессов. Если процесс необратим, изменения свойств отображаются на диаграмме свойств пунктирной линией. Эта проблема обычно не влияет на термодинамический анализ, поскольку в большинстве случаев интересуют лишь конечные состояния процесса.
Выбор
В зависимости от применения используются различные типы рабочих тел. В термодинамическом цикле рабочее тело может менять свое состояние из газообразного в жидкое и наоборот. Некоторые газы, такие как гелий, можно считать идеальными газами. Это, как правило, не относится к перегретому пару, и уравнение состояния идеального газа для него неприменимо. Однако при значительно более высоких температурах оно все еще дает относительно точные результаты. Физические и химические свойства рабочего тела имеют решающее значение при проектировании термодинамических систем. Например, в холодильной установке рабочее тело называется хладагентом. Аммиак является типичным хладагентом и может использоваться в качестве основного рабочего тела. По сравнению с водой (которая также может использоваться в качестве хладагента), аммиак требует более высокого давления, что обуславливает необходимость применения более прочного и дорогостоящего оборудования. В воздушных циклах, таких как циклы газовых турбин, рабочим телом является воздух. В газовой турбине открытого типа воздух поступает в компрессор, где его давление повышается. Компрессор, таким образом, совершает работу над рабочим телом (положительная работа). Затем рабочее тело поступает в камеру сгорания, где тепловая энергия подводится за счет сжигания топлива. Далее воздух расширяется в турбине, совершая работу против внешней среды (отрицательная работа). Различные рабочие тела обладают различными свойствами, и при выборе конкретного конструктору необходимо определить основные требования. В холодильных установках для обеспечения высокой холодопроизводительности требуется высокая скрытая теплоемкость.