Процесс дросселирования газов и паров его физическая сущность и уравнение (6 видео)

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 не изменяется (dT = 0).

Состояние рабочего тела, в котором a_h = 0, называется точкой инверсии, а соответствующая ей температура – температурой инверсии (T_инв). При атмосферном давлении для: водорода — t_инв = -57 0 С, гелия — t_инв = -239 0 С, водяного пара — t_инв = 4097 0 С. При температурах t

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.

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 2 /с 2 .

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)

Процесс дросселирования газов и паров его физическая сущность и уравнение

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):

скорости — по формулам:

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

f₂ = 4 . 1,7/1019,8 = 6,67 . 10 -3 м 2 ,

f_min =4 . 0,44/616,6 =2,85 . 10 -3 м2

Ответ: f₂ = 6,67 . 10 -3 м2 , f_min = 2,85 . 10 -3 м2 .

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.

6. Как изменится температура при дросселировании сухого насыщенного водяного пара с давлением p₁= 20 бар до p₂ = 1 бар ?

Ответы

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

p₀ = 12,5 бар.5. r = 91,95 кг/м 3 , Ds = 0,272 кДж/(кг . К).

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)

Содержание

Истечение и дросселирование газов и паров
5.3. Дросселирование
Дросселирование
🎥 Видео

Видео:Дросселирование газов и паровСкачать

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.

Рисунок 4.4 — Схемы насадок: а — сопло Лаваля; б — диффузор

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.

Рисунок 4.5 — Схема процесса дросселирования пара

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.

Видео:Дросселирование газов и паровСкачать

5.3. Дросселирование

Дросселированием называется явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты. Такое явление происходит в трубопроводе, где имеется место сужения проходного канала (Рис.5.2). При таком сужении, вследствие сопротивлений, давление за местом сужения — Р₂, всегда меньше давления перед ним – Р₁.

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.

Уравнением процесса дросселирования является следующее уравнение:i₁ = i₂ . (5.14)

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.

Дифференциальный температурный эффект обозначается — б:

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.

Видео:14. Основы теплотехники. Дросселирование газов и паров. Эффект Джоуля ТомсонаСкачать

Дросселирование

Дросселирование — понижение давления газа или пара

Дросселирование (от нем. drosseln — ограничивать, глушить) — понижение давления газа или пара при протекании через сужение проходного канала трубопровода — дроссель, либо через пористую перегородку.

Дросселирование реального газа обычно сопровождается изменением его температуры.
Это явление было экспериментально установлено в 1852 г. Джоулем и Томсоном и получило название эффекта Джоуля-Томсона.

Характер изменения температуры в процессе дросселирования определяется начальной температурой газа.
При некоторой температуре, которая называется температурой инверсии, температура реального газа в процессе дросселирования, как и идеального, остается постоянной.
Если температура реального газа перед дросселированием меньше температуры инверсии, то при дросселировании газ будет охлаждаться.
При начальных температурах, превышающих точку инверсии, газы в процессе дросселирования нагреваются.

Дросселирование используется для сжижения и глубокого охлаждения газов.
Последнее осуществляется на установках низкотемпературной сепарации при подготовке газа к дальнему транспорту.
Кроме того, дросселирование применяется при трубопроводной транспортировке природного газа — для регулирования давления и изменения расхода газа.

Дросселирование может привести к обмерзанию запорных, регулирующих и измерительных устройств, а также образованию в газопроводах газовых гидратов.
Вследствие дросселирования температура газа в магистральных газопроводах (МГП) может опускаться ниже температуры окружающей среды.