Что такое дросселирование газа пара

Истечение и дросселирование газов и паров

Общие сведения об истечении и дросселировании. Истечение — это процесс непрерывного движения газа или пара по каналу изменяющегося сечения. При истечении газа или пара меняются основные параметры его состояния. Для осуществления процесса истечения в теплотехнике применяют короткие участки трубопроводов—специальные насадки, называющиеся соплами или диффузорами.

Соплом называется канал с таким профилем, при движении по которому пара или газа увеличивается скорость потока и уменьшается давление. В сопле потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Диффузором называется канал с таким профилем, при движении по которому газа или пара давление увеличивается, а скорость потока уменьшается, т. е. кинетическая энергия уменьшается. Диффузоры широко применяются в струйных насосах, а сопла — в паровых и газовых турбинах.

Сопла бывают суживающимися и расширяющимися. Суживающееся сопло — это насадка, поперечное сечение которой постепенно уменьшается от входа к выходу (рисунок 4.4, а). Если к выходному концу суживающегося сопла прибавить плавно расширяющуюся часть, получится расширяющееся сопло (рисунок 4.4, б).

Процесс истечения в суживающемся сопле. Пусть через сопло (см. рисунок 4.4, а), во входном сечении которого I—I поддерживаются постоянные параметры газа Р₁, υ₁, Т₁ ), протекает газ в пространство, где также все время поддерживаются постоянными давление Р₂, температура Т₂ и удельный объем υ₂, причем давление на входе P₁ больше давления на выходе Р₂.

Так как струя газа, протекающего через сопло, неразрывна, то в единицу времени через любое сечение сопла проходит одинаковое количество газа. Следовательно, при проходе газа через малое сечение скорость его увеличивается, а при проходе через большое сечение уменьшается. Давление же будет изменяться обратно изменению скорости, т.е. чем больше скорость, тем меньше давление, и наоборот.

Таким образом, по мере протекания газа через суживающееся сопло его давление быстро падает, а скорость увеличивается, т.е. газ расширяется и удельный объем его растет. В узком выходном сечении давление достигает наименьшего значения и называется критическим (Pкр), скорость же становится наибольшей и тоже называется критической (Cкр). Измерения показали, что для большинства газов и паров критическое давление составляет примеряю половину давления на входе в сопло: Ркр

0,5Р₁, т.е. на создание скорости в суживающемся сопле расходуется лишь часть энергии, соответствующая половине располагаемого давления, а вторая часть затрачивается на создание завихренного потока после сопла. Таким образом, вторая часть энергии расходуется бесполезно; ее нельзя, например, направить на лопатки турбины для совершения работы.

Процесс истечения в расширяющемся сопле. Шведский инженер Лаваль предложил сопло, в котором можно получить давление ниже критического. Такое сопло, называется расширяющимся или комбинированным. Узкое сечение II—II называется горлом сопла. При переходе через горло газ или пар имеет критические давление и скорость.

В сопле Лаваля можно получить скорость истечения в 2,5—3 раза больше критической. Это объясняется тем, что вследствие перепада давления Р₂

Чтобы струя газа или пара при проходе через расширяющуюся часть сопла не отставала от стенок и не возникали вихревые движения, угол конусности в этом месте должен быть небольшим.

Истечение через диффузоры. До сих пор мы рассматривали истечение через сопла, в которых происходит понижение давления газа и повышение его скорости. Однако процесс может протекать и в обратном направлении. В этом случае скорость газа уменьшается, а давление его повышается, т. е. сопло превращается в диффузор.

Допустим, что происходит процесс истечения газа через сопло Лаваля (рисунок 4.4, а). В сечении 3—3 устанавливаются критические скорость и давление, а в выходном сечении 2—2 — скорость, превышающая критическую, и давление, равное давлению окружающей среды.

Если процесс движения газа по соплу и истечения из него считать обратным, то при протекании в обратном направлении (см. рисунок 4.4, б) сечения 1—1 до сечения 2—2 давление газа понизится, а скорость повысится.

Такие диффузоры для газа и воздуха широко применяются в центробежных компрессорах.

Дросселирование паров и газов. Если в трубопроводе на пути прохождения пара или газа давлением P₁ имеется сужение (рисунок 4.5), то давление Р₂ по другую сторону сужения становится меньше. Происходящее таким путем понижение давления пара или газа называется дросселированием, или мятием.

Вентили, употребляемые для регулирования мощности паровых машин и турбин, а также дроссельные заслонки для двигателей внутреннего сгорания вызывают дросселирование. Падение давления пара при дросселировании объясняется тем, что часть пара потенциальной энергии пара за­трачивается на увеличение скорости его прохода через сужение.

После сужения скорость движения потока уменьшается и становится равной скорости потока до сужения. Однако часть кинетической энергии потока, приобретенной им при истечении через сужение, затрачивается на образование вихрей. Освобождающаяся при этом теплота потока нагревает его.

Таким образом, при дросселировании уменьшается только давление и незначительно понижается температура, скорость же остается без изменения.

Дросселирование рабочего пара в паровых двигателях — явление нежелательное, так как при этом снижается экономичность паросиловых установок. На судах иногда возникает необходимость в получении путем дросселирования небольших количеств пара низкого давления из котлов высокого давления (например, для парового отопления, подогрева топлива). Для этой цели на ответвление паровой магистрали для прохода пара устанавливают специальные клапаны с малым сечением, называемые дроссельными или редукционными. Регулируя натяжение пружины клапана, можно получить необходимое давление за клапаном.

Кроме того, дросселирование находит применение в рабочих процессах, холодильных установок.

Источник

5.3. Дросселирование

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара, следовательно падения давления. В большинстве случаев это явление приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходим и создается искусственно (регулирование паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах для измерения расхода газа и т.д.).

При прохождении газа через отверстие, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления.

Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту. Кроме того, в теплоту превращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется (уменьшается или увеличивается).

В отверстие скорость газа увеличивается. За отверстием газ опять течет по полному сечению и скорость его вновь понижается. А давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.

Дросселирование является необратимым процессом, при которм происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.

Это равенство показывает, что энтальпия в результате дросселирования не изменяется и справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.

Для идеальных газов энтальпия газа является однозначной функцией температуры. Отсюда следует, что при дросселировании идеального газа его температура не изменяется (Т₁ = Т₂).

При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура изменяется (увеличивается, уменьшается или остется неизменной).

Изменение температуры жидкостей и реальных газов при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю. Различают дифференциальный температурный эффект, когда давление и температура изменяются на бесконечно малую величину, и интегральный температурный эффект, при котором давление и температура изменяются на конечную величину.

Интегральный температурный эффект определяется из следующего уравнения:

Для реальных газов D T ¹ 0 и может иметь положительный или отрицательный знак.

Состояние газа, при котором температурный эффект меняет свой знак, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии — Т_инв.

Источник

Дросселирование газов и паров

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_H > 0), в котором полезная работа не совершается, а изменение кинетической энергии пренебрежимо мало.

Согласно уравнения первого закона термодинамики (6.2) при : h₁ = h₂, т.е. энтальпия рабочего тела в процессе дросселирования не изменяется.

Таким образом, при дросселировании рабочего тела:

· давление уменьшается (dp 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 a_h > 0 – температура уменьшается (dT 0).

При a_h = 0 – температура не изменяется (dT = 0).

На рис. 6.11 показан обратимый адиабатный процесс расширения рабочего пара от p₁ до p₂ в паровой турбине.

После дросселирования пара в задвижке до давления p_1д работа обратимого адиабатного процесса расширения уменьшилась , 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 случае они тождественны.

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?

Задачи

1. Рассчитайте параметры торможения p₀, t₀, v₀ потока воздуха, имевшего скорость 500 м/с при p =1 бар, t = 30 0 С.

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

3. Параметры воздуха на входе в сопло равны: p₁ = 20 бар, t₁ = 300 0 С, скорость c₁= 0, давление среды p_c = 1 бар.

Рассчитайте скорость (c₂) и скорость звука (a₂) на выходе из: а) сопла Лаваля; б) суживающегося сопла.

Рассчитывается и сравнивается с b_kp. Для воздуха (табл. 6.1) b_kp = 0,528, следовательно, в нашем случае b a₂) рассчитывается по формуле (6.19)

В варианте установки суживающегося сопла при b 0 С, истекая из сопла Лаваля, расширяется адиабатно до давления p₂ = 1 бар.

Определить площадь выходного и минимального сечений сопла, если массовый расход пара равен G = 4 кг/с.

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

,

.

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

бар.

Из h-s- диаграммы для адиабатного процесса расширения находятся необходимые параметры: h₁ = 3140 кДж/кг, h_kp = 2950 кДж/кг, h₂ = 2620 кДж/кг, v_kp = 0,44 м 3 /кг, v₂ = 1,7 м 3 /кг.

м/с

м/с

5. При выпуске из баллона азот дросселируется от исходного состояния, характеризуемого параметрами: p₁ = 20 МПа, t₁ = 20 0 С, до давления
p₂ = 8 МПа.

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

Ответы

1.t₀ = 155 0 С, p₀ = 1,104 бар, v₀ =1,111 м 3 /кг. 2.h₀= 2822 кДж/кг,

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

Влажный воздух – это смесь сухого воздуха и водяного пара.

Давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха (p_с.в.) и водяного пара (p_п)

Источник

Дросселирование газов и паров. Дросселирование – это эффект падения давления при преодолении потоком рабочего тела сопротивления, например: частично открытого вентиля

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_H > 0), в котором полезная работа не совершается, а изменение кинетической энергии пренебрежимо мало.

Согласно уравнению первого закона термодинамики (6.2) при : h₁ = h₂, т. е. энтальпия рабочего тела в процессе дросселирования не изменяется.

Таким образом, при дросселировании рабочего тела:

· давление уменьшается (dp 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 a_h > 0 – температура уменьшается (dT 0).

При a_h = 0 – температура не изменяется (dT = 0).

На рис. 6.11 показан обратимый адиабатный процесс расширения рабочего пара от p₁ до p₂ в паровой турбине.

После дросселирования пара в задвижке до давления p_1д работа обратимого адиабатного процесса расширения уменьшилась , следовательно, уменьшилась мощность турбины.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗА

Дросселирование – это процесс понижения давления газа или жидкости в потоке без совершения работы. Такое явление имеет место при протекании газа (жидкости) через гидравлическое сопротивление, в частности, при прохождении таких элементов, как клапаны, жиклеры, редукторы давления и др. Процесс дросселирования широко применяется для понижения температуры в системах охлаждения, холодильных установках и в установках для получения сжиженных газов.

Поскольку при дросселировании газ, расширяясь, не производит внешней работы, то этот процесс является необратимым. Понижение давления в канале может иметь место как из-за трения, так и вследствие роста скорости газа; что следует из уравнения Бернулли:

При анализе процесса дросселирования рассматривается лишь падение давления, вызванное трением.

Дросселирование обычно протекает без теплообмена с внешней средой. Поток в этом случае является энергоизолированным, для которого уравнение сохранения энергии имеет следующий вид:

Соответствующим подбором сечений канала перед дросселированием и после него можно обеспечить равенство скоростей газа в этих сечениях. В этом случае из уравнения сохранения энергии вытекает равенство:

Следовательно, при адиабатном дросселировании энтальпия газа до и после дросселирования (при с₁ = с₂) одинакова. Необходимо иметь в виду, что условие (7.4) определяет конечный результат процесса; им не принимаются во внимание промежуточные состояния газа.

Схема и изменение параметров газа при дросселировании показаны на рис. 7.9а. Неизменность энтальпии при дросселировании объясняется тем, что работа сил трения l_r полностью переходит в теплоту трения q_r , которая передается газу, что обеспечивает восстановление энтальпии до начального уровня (i₂ = i₁). Для идеального газа Δi = c_рΔT, поэтому условие (7.4) означает равенство температур:

Это означает, что, при адиабатном дросселировании идеального газа его температура не меняется.

Из (7.4) также следует, что процесс дросселирования идеального газа в координатах i – s изображается горизонтальной прямой (рис. 7.9б). Это изображение является условным, так как, с одной стороны, процесс дросселирования является необратимым и, с другой стороны – энтальпия газа в промежуточных состояниях может изменяться. Поскольку при дросселировании p₂ 0), повышаться (α_i 0, т.е. газ при дросселировании охлаждается. Вне этой области α_i

Изменение температуры ΔТ_i газа при конечном изменении давления Δр называется интегральным дроссельным эффектом. Если величина Δр невелика, то изменение температуры можно найти из приближенного уравнения (7.6), считая, что α_i = const:

При значительной величине Δр условие α_i = const неприемлемо и в этом случае:

. (7.8)

Более удобно величину ΔТ_i можно определить с помощью энтропийных диаграмм. Для этого на T—s или i- s диаграмме по параметрам р₁ и Т₁ наносится начальная точка 1

(рис. 7.11, 7.12). Проведя из точки 1 линию i = const до пересечения с изобатой р₂, соответствующей конечному давлению процесса, определяют конечную точку процесса 2. По точке 2 (состояние газа после дросселирования) находят температуру газа после дросселирования Т₂ и разницу температур ΔТ₁ = Т₂ – Т_1.

Для выяснения физики эффекта Джоуля-Томсона рассмотрим вначале процесс расширения неподвижного газа без совершения внешней работы (рис. 2.13). Поскольку этот процесс идет без теплообмена с внешней средой, то согласно первому закону термодинамики Δu = 0. В реальном газе Δu = Δu_кин. + Δu_пот, Следовательно, в этом случае имеем: Δu_кин. = –Δu_пот.

При расширении реального газа его потенциальная энергия увеличивается, т.к. при этом его энергия затрачивается на работу преодоления сил взаимного притяжения молекул. Поэтому в данном случае величина Δu_пот положительна, а Δu_кин. – отрицательна. Следовательно, при расширении неподвижного газа без совершения внешней работы его внутренняя кинетическая энергия, а, следовательно, и температура уменьшаются.

В случае дросселирования движущегося газа, как было показано,

причем знак Δu_пот. будет таким же, как и в предыдущем примере. Следовательно, знак Δu_кин, а, следовательно, и характер изменения температуры при дросселировании, будет определяться соотношением между Δu_пот. и работой проталкивания Δ(pυ).

Таким образом, температура реального газа при дросселировании может изменяться различным образом. Первопричиной эффекта Джоуля-Томсона, являются свойства реального газа, изменение внутренней потенциальной энергии газа и работы проталкивания.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник