Hs-диаграмма адиабатного истечения. Расход рабочего тела. Зависимость расхода от степени расширения газа, страница 3

Эта часть кинетической энергии потока вследствие трения превращается в теплоту, вследствие чего повышается энтальпия газа (или пара). Поэтому действительное состояние газа (или пара) на выходе из сопла изображается в hs-диаграмме точкой 1, расположенной на той же изобаре р₁ правее теоретической точки 1t (рис.1.24). Действительный процесс истечения отклоняется от изоэнтропы (s₁>s_1t), в диаграмме он представляет линию 0-1.

Из рис.1.24 также видно, что h₀ – h₁ < h₀ — h_1t, что соответствует неравенству c₁ < c_1t, так как

c₁ = j, м/с.                                  (1.76)

На современном уровне развития техники сопла имеют скоростной коэффициент j=0.95-0.97, соответственно коэффициент потерь энергии z=0.10-0.04.

Рис. 1.24. Действительный процесс (0-1) истечения из сопла

В инженерной практике поправки на трение учитываются после расчета теоретической скорости с_1t истечения газа или пара (без трения).

При расчете теоретической скорости истечения газа или водяного пара пользуются формулой (1.62) в виде

,                   (1.77)

где энтальпии h₀ и h_1t, кДж/кг, определяются по таблице либо по h,s-диаграмме соответствующего рабочего тела.

Для критической скорости формула (1.77) запишется так:

,                                   (1.78)

где h_кр определяется по изоэнтропе s_кр=s₀ при давлении р_кр.

1.10.6.Процесс дросселирования

При прохождении потока газа (пара) через суженое сечение в каком-либо участке канала происходит падение его давления. Процесс уменьшения давления, в результате которого нет ни увеличения кинетической энергии, ни совершения технической работы, называется дросселированием (мятием). Этот процесс часто встречается в технике (например, в клапанах, заслонках, дроссельных шайбах и других местных сопротивлениях).

На рис.1.25 показан канал, имеющий резкое сужение проходного сечения, и графики изменения параметров и скорости потока вдоль оси канала. Падение давления при дросселировании на величину Dр объясняется потерей части кинетической энергии потока из-за трения и вихреобразования на местном сопротивлении. Данный необратимый процесс происходит в условиях изолированной системы, без подвода тепла извне, и поэтому описывается уравнением адиабатного течения dh=- d(с²/2). Запишем его для двух сечений  1 и 2, достаточно удаленных от местного сопротивления:

.                                     (1.79)

Рис.1.25. Изменение параметров h, p и скорости газа

в процессе дросселирования

х – направление оси канала

При одинаковом сечении канала до и после сужения потока изменение его кинетической энергии мало, поэтому можно принять, что с₀=с₁. Тогда из (1.79) следует, что

h₀=h₁ (∆h=0).                                      (1.80)

Таким образом, при дросселировании рабочего тела его энтальпия остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает.

Температура в разных условиях меняется по-разному. Дросселирование — процесс изоэнтальпийный и на hs-диаграмме изображается прямой линией h=const, параллельной оси энтропии (рис. 1.26).

Данный вывод справедлив для идеального и реального газов, поскольку при выводе (1.80) не оговаривались свойства газа. Следствия из (1.80) для идеального и реального газов будут существенно различны.

Для идеального газа u=u(Т), h=h(T), и дросселирование означает, что Т₀=Т₁. Для реального газа, у которого внутренняя энергия зависит и от объема, u=u(v, T), несмотря на то, что в процессе дросселирования ∆h = 0, ∆u ≠ 0, а следовательно, и ∆T ≠ 0 (T₀ ≠ T₁) т. е. дросселирование реального газа сопровождается изменением его температуры вследствие изменения теплоемкости.

Рис.1.26. Процесс дросселирования (0-1) в hs-диаграмме

У большинства газов при не очень высоких температурах при дросселировании наблюдается охлаждение. Изменение температуры при дросселировании называется эффектом Джоуля — Томсона и используется в технике для получения низких температур.

1.11. Реальные газы. Водяной пар

Реальный газ, в отличие от идеального, состоит из молекул конечного объема, связанных между собой силами взаимодействия, имеющими электромагнитную природу. Ван-дер-вальс (1873 г.), исходя из качественных физических представлений, получил эмпирическое уравнение состояния реального газа, которое носит его имя:  ,                          (1.81)

здесь b-поправка на объем (предельный объем сжатия газа); a/v² - поправка на внутреннее давление (добавочное к внешнему) за счет сил молекулярного притяжения; a и b - физические константы, определяемые экспериментально для конкретного газа. Это уравнение можно получить также аналитически.

Водяной пар является реальным газом и широко используется в качестве рабочего тела в технике и, в особенности, в теплоэнергетике. Водяной пар получается в процессе парообразования при подводе теплоты к воде в теплообменных аппаратах и агрегатах, например в паровых котлах.