Особенности истечения через каналы переменного сечения, сопло и диффузор

Уравнение истечения: .

(а)

(б)

(в)

Если (докритический режим), то при сужающемся канале давление будет падать , а скорость возрастать . Такой аппарат называется соплом. При расширяющемся канале давлении будет расти , а скорость падать . Такой аппарат называется диффузор.

Если (закритический режим), то при сужающемся канале давление будет расти , а скорость падать . Такой аппарат называется диффузор. При расширяющемся канале давление будет падать , а скорость возрастать . Такой аппарат называется соплом.

Дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона. Основные понятия

Эффект падения давления потока рабочего тела в процессе преодоления им (потоком) местного сопротивления называется дросселированием.

Причинами возникновения местных сопротивлений при движении потока рабочего тела по каналам могут быть запорные, регулирующие и измерительные устройства; повороты, сужение, загрязнение каналов и т.д.

Рассмотрим процесс дросселирования, протекающий без внешней
работы ( = 0), в котором отсутствует теплообмен рабочего тела с внешней средой ( = 0).

Уравнение первого начала термодинамики для потока по балансу рабочего тела

(1.117)

примет вид

H₂ - H₁ = 0 или . (1.118)

Это значит, что рассматриваемый процесс дросселирования является процессом изоэнтальпийным: энтальпия рабочего тела до дросселя численно равна энтальпии рабочего тела после дросселя. При течении внутри дросселя энтальпия газа или пара меняется.

Если рассматривать в качестве местного сопротивления сужение канала, в суженном сечении поток ускоряется, кинетическая энергия увеличивается и энтальпия рабочего тела уменьшается (процесс 1 - 2') (рис. 1.7). После дросселя сечение потока вновь возрастает, поток тормозится, кинетическая энергия уменьшается, а энтальпия увеличивается до прежнего значения (процесс 2' - 2).

Процесс дросселирования является процессом необратимым; он всегда сопровождается ростом энтропии рабочего тела.

Явление изменения температуры газа или жидкости при адиабатном дросселировании называется эффектом Джоуля – Томсона.

Рис. 1.7. Процесс дросселирования в h-s диаграмме

Различают дифференциальный и интегральный дроссель – эффекты. Величина дифференциального дроссель – эффекта определяется из соотношения

, (1.119)

где – коэффициент дросселирования или коэффициент Джоуля – Томсона, .

Интегральный дроссель-эффект определяется по соотношению

. (1.120)

Коэффициент Джоуля – Томсона определяется из следующего уравнения, выведенного из математических выражений первого начала термодинамики и второго начала термостатики

(1.121)

В зависимости от характера изменения температуры T, имеют место три вида дроссель–эффекта (процесс дросселирования всегда происходит с падением давления dp<0):

1. Дроссель–эффект положительный (D_h > 0), в этом случае процесс дросселирования сопровождается снижением температуры рабочего
тела (dT<0);

2. Дроссель–эффект отрицательный (D_h < 0), в этом случае процесс дросселирования сопровождается повышением температуры рабочего тела (dT>0);

3. Дроссель–эффект равен нулю (D_h = 0), если в процессе дросселирования температура рабочего тела не изменяется. Нулевой дроссель-эффект наблюдается при дросселировании идеального газа.

Состояние газа или жидкости, которому соответствует условие D_h = 0, называется точкой инверсий. Геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния данного вещества называется кривой инверсии.

Рис. 1.8. Обобщенная кривая инверсии

Кривая инверсии описывается уравнением

. (1.122)

Для природных газов инверсионная диаграмма приведена на графике в виде π = f(τ) (рис. 1.8).