Дросселирование газов и паров

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 14Следующая ⇒

Дросселирование - это эффект падения давления, при преодолении потоком рабочего тела сопротивления, например: частично открытого вентиля, задвижки, шибера, пористой стенки (рис. 6.9).

Данный процесс является необратимым адиабатным (dq = 0, ds_Н > 0), в котором полезная работа не совершается, а изменение, кинетической энергии пренебрежимо мало.

Согласно уравнения первого закона термодинамики (6.2) при , т.е. энтальпия рабочего тела в процессе дросселирования не изменяеся

Таким образом, при дросселировании рабочего тела:

· давление уменьшается (dp < 0);

· энтальпия не изменяется (dh = 0);

· энтропия увеличивается (ds > 0);

· удельный объем увеличивается (dv > 0).

При дросселировании идеального газа температура не изменяется (dT=0), т.к. h=f(T).

При дросселировании реальных газов и паров температура может увеличиваться, уменьшаться или не изменяться для одного и того же рабочего тела. Это зависит от параметров, при которых газ либо пар дросселируются.

Изменение температуры реальных газов и паров характеризуется дифференциальным эффектом дросселирования: .

При α _h> 0 - температура уменьшается (dT< 0).

При α _h< 0 -температура увеличивается (dT> 0).

При α _h= 0 - температура не изменяется (dT= 0).

Состояние рабочего тела, в котором α _h= 0, называется точкой инверсии, а соответствующая ей температура - температурой инверсии (T_инв). При атмосферном давлении для: водорода - t_инв = -57 °С, гелия -t_инв = -239 °С, водяного пара - t_инв, = 4097 °С. При температурах t < t_инв, температура рабочего тела в процессе дросселирования уменьшается.

На, рис. 6.10 показан процесс дросселирования перегретого пара в h-s- диаграмме, его температура уменьшается (t₂ < t₁).

Дросселирование является необратимым процессом, протекающим с увеличением энтропии и с потерей эксергии, которые можно рассчитать по формулам: и (6.35).

Адиабатное дросселирование используется в технике для получения низких температур и сжижения газов. В измерительной технике процессы дросселирования лежат в основе методов определения расхода жидкости или газа, степени сухости паров. Этот эффект иногда используется для уменьшения мощности тепловых двигателей.

На рис. 6.11 показан обратимый адиабатный процесс расширения рабочего пара от p₁ до р₂ в паровой турбине.

Работа данного процесса равна l= h₁- h₂.

После дросселирования пара в задвижке до давления р_1д работа обратимого адиабатного процесса расширения уменьшилась 1_д = h₁ – h₂, следовательно, уменьшилась мощность турбины.

6.10 Методические указания и вопросы

1. Уясните физический смысл отдельных членов уравнения первого закона термодинамики для потока, поймите разницу между внешней и технической работой, и в каком они тождественны.

2. Каково назначение сопел и диффузоров? Как влияет профиль канала
на скорость адиабатного потока? Как изменяются параметры в зависимости
от изменения скорости (dc> 0, dc< 0)? Как выбрать форму сопла в каждом
конкретном случае?

Уясните, что в суживающихся и цилиндрических каналах скорость потока не может превысить скорость звука.

3. Расчет истечения выполняется на основе модели адиабатного процесса газа или пара со всеми вытекающими отсюда особенностями расчета газов
и паров.

При вычислении скорости (с, м/с), подкоренное выражение в формулах должно иметь размерность Дж/кг, т.к. Дж/кг = м²/с².

4. Уясните особенности истечения с учетом трения: определение параметров действительного процесса, скорости и характерных сечений сопла,
расчет потерь кинетической энергии и эксергии.

5. Как изменяются параметры газов и паров при дросселировании?
Можно ли этот процесс считать предельным случаем необратимого адиабатного истечения рабочего тела из сопла? Каково практическое применение
процессов дросселирования?

6.11. Задачи

1. Рассчитайте параметры торможения р_о, t₀, v_o потока воздуха, имевшего
скорость 500 м/с при p =1 бар, t = 30 °С.

2. Определите параметры торможения (h₀, p₀) потока сухого насыщенного пара, движущегося со скоростью с = 300 м/с при p=10 бар.

3. Параметры воздуха на входе в сопло равны: р₁ = 20 бар, t₁ = 300 °С,
скорость c₁= 0, давление среды р_с = 1 бар.

Рассчитайте скорость (с₂) и скорость звука (a₂) на выходе из: а) сопла Лаваля; б) суживающегося сопла.

Решение

Рассчитывается β =p_c/р₁ = 1 / 20 = 0, 05 и сравнивается с β _kp. Для воздуха (табл. 6.1) β _kp= 0, 528, следовательно, в нашем случае β < β _кр.

При установке сопла Лаваля давление на выходе из сопла р₂ = р_c, скорость сверхзвуковая (с₂ > а₂) рассчитывается по формуле (6.19)

В варианте установки суживающего сопла при давление на выходе из сопла p₂=p_kp, скорость равна скорости звука (c₂=c_kp=α ₂), по формуле (6.22) имеем

Ответ: а) с₂=813, 2 м/с, α ₂=312, 6 м/с; б) с₂=α ₂=437, 9 м/с.

4. Водяной пар под давлением р₁=10 бар и притемпературе t₁=320⁰C, истекая из сопла Лаваля, расширяется адиабатно до давления р₂=1 бар. Определить площадь выходного и минимального сечений сопла, если массовый расход пара равен G=4кг/с.

Решение

Выходное и минимальное сечения рассчитываются по уравнениям неразрвности потока (6.31), (6.33):

скорости – по формулам:

Для перегретого пара из табл. 6.1 выбираем β _кр=0, 546. Давление пара в минимальном сечении сопла:

Из h-s-диаграммы для адиабатного процесса расширения находятся необходимые параметры: h₁=3140кДж/кг, h_kp=2950кДж/кг, h₂=2620кДж/кг, v_kp=0, 44 м³/кг, v₂=1, 7 м³/кг.

Тогда

Ответ: f₂=6, 67· 10^{-3 м2}, f _min=2, 85· 10^-3м².

5. При выпуске из баллона азот дросселируется от исходного состояния, характеризуемого параметрами: р₁ = 20 МПа, t₁=20 °С, до давления p₂=8МПа.

Определить плотность азота после дросселирования, а также изменение энтропии в процессе дросселирования, считая азот идеальным газом, имеющим постоянную теплоемкость.

6. Как изменится температура при дросселировании сухого насыщенного водяного пара с давлением p₁= 20 бар до р₂= 1 бар?

6.12. Ответы

1. t₀ = 155 °С, р_о = 1, 104 бар, v₀ =1, 111 м³/кг, 2. h₀ = 2822 кДж/кг, р₀ = 12, 5 бар. 5. р= 91, 95 кг/м³, Δ s = 0, 272 кДж/(кг· К). 6. Δ t=t₁-t₂=52⁰C.

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

Влажный воздух - это смесь сухого воздуха и водяного пара.

Давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха (р_с.в) и водяного пара (р_n)

(7.1)

Поскольку р_n « p_св то сухой воздух, водяной пар, а также их смесь (влажный воздух) можно считать идеальными газами.

Пар, содержащийся во влажном воздухе с температурой Т, может быть перегретым (точка В, рис. 7.1). В этом случае р_n< p_s при данной Т.

Влажный воздух, содержащий перегретый пар, называется ненасыщенным (р_n < p_s).

Если р_n = p_s при данной температуре воздуха (точка A, . 7.1), то пар является сухим насыщенным. Влажный воздух, содержащий сухой насыщенный пар, называется насыщенным (р_n =p_s).

Ненасыщенный влажный воздух можно перевести в состояние насыщения двумя способами:

1. Увеличивая давление р_n до р_s при данной температуре влажного воздуха Т (процесс В - А, . 7.1), например, увеличивая количество пара в воздухе за счет испарения воды.

2. Снижая температуру влажного воздуха при р_n = const (процесс В-Г). Температура, при которой давление пара (р_n) становится равным давлению насыщения (p_s), называется температурой точки росы (Т_р), и она измеряется гигрометром.

Если охлаждать насыщенный влажный воздух (процесс А - Г), то из него будет выпадать влага, т.к. уменьшается давление насыщения (p_s_Г< p_sA).

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒