3.1.2. Диффузоры

При течении газа в соплах происходит непрерывное понижение давле-

ния и возрастание скорости потока, т. е. в соплах протекает процесс превра-

щения потенциальной энергии в кинетическую.

Каналы, в которых происходит превращение кинетической энергии

потока в потенциальную, т. е. повышение давления за счет снижения

скорости потока, называются диффузорами.

В диффузорах всегда

dр > 0, поэтому из формулы

(3.8) следует, что при всех

значениях скорости потока

при условии w < (азв = wкр)

профиль его должен быть

расширяющимся (df > 0), а

при w >(азв = wкр) он должен

быть суживающимся

(df < 0).

Диффузор является

важной частью турбомашин

(турбокомпрессоров и

турбонасосов), служащих

для сжатия газа и

транспортирования его

потребителю.

34

3.2.3. Торможение и дросселирование газов

Торможение газов. При адиабатном течении газа в горизонтальном

канале уравнение (2.41) принимает вид:

0

2

2

+ = + =

⎟ ⎟ ⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜ ⎜

⎝

⎛ dh wdw d h w или

2

w2 h+ = const. (3.10)

Таким образом, любое изменение кинетической энергии газа будет

вызывать соответствующее изменение его энтальпии.

Пусть поток при адиабатном течении набегает на какое-либо тело М

(рис. 3.3). При этом происходит торможение потока газа. Скорость цен-

тральной струйки потока газа в точке О, полностью потерявшей кинетичес-

кую энергию, которая превратится в потенциальную энергию, будет равна

нулю. Это приведет к повышению температуры в потоке. Точка, в которой

скорость газа обращается в нуль, называется точкой нулевой скорости, а

температура в этой точке _ температурой полного торможения.

Для идеального газа h = срТ, тогда из уравнения (3.10) следует

2

w2 c T p + = const. (3.11)

Откуда: торм

2

2

T

c

T w

р

+ = = const. (3.12)

В случае адиабатного течения газа ср можно выразить формулой:

γ 1

γ

= −c R p , тогда: ( )

γ 2

γ 1 2

торм

w

R

T =T + − и ΔTторм = ( )

γ 2

γ 1 w2

R

−

, (3.13)

где γ _ показатель адиабаты.

Рис. 3.3. Схема процесса торможения потока газа

Эффект торможения, к примеру, проявляется в ошибке измерения

температуры Т высокоскоростного потока с помощью термометра или

термопары. При обтекании спая термопары часть потока затормаживается.

35

Измеряемое значение температуры при этом может заметно превысить

истинное.

Дросселирование газов. Из практического опыта известно, что если

адиабатный поток газа в трубопроводе встречает на своем пути какое-либо

препятствие (местное сопротивление), частично перекрывающее сечение

трубы, то давление за ним оказывается меньше, чем перед ним. К таким

препятствиям относят перегородки, диафрагмы, вентили или задвижки.

Процесс падения давления за местным сопротивлением называется

дросселированием. В большинстве случаев это явление приносит вред. Но

иногда оно является необходимым и создается искусственно (пр. регулиро-

вание паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах для

измерения расхода газа и т.д.).

При подходе к диафрагме (рис. 3.4) поток, сужаясь, ускоряется, давле-

ние внутри его уменьшается, а у стенки трубопровода, вследствие торможе-

ния газа в застойной зоне, оно несколько повышается. После прохождения

отверстия поток, расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление

газа при этом возрастает. Однако давление р2 в сечении после диафрагмы

оказывается меньше давления р1 в сечении перед диафрагмой.

Рис. 3.4. Процесс дросселирования газа

Снижение давления является следствием потерь на трение и вихреоб-

разование, вызванное разностью давлений у стенок диафрагмы и в потоке.

Вследствие этих потерь процесс дросселирования является необратимым и

протекает с увеличением энтропии.

Величина снижения давления зависит от природы газа, параметров его

состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода.

После дросселирования удельный объем возрастает, а температура газа

в зависимости от его природы и параметров состояния перед дросселирова-

нием может как увеличиваться, так и уменьшаться или оставаться неизмен-

ной.

36

Изменение температуры после дросселирования газа и пара, называется

дроссель-эффектом Джоуля _Томсона.

Для адиабатного процесса дросселирования справедливо уравнение

первого закона термодинамики (3.10): dh + wdw = 0 , однако для сечений,

достаточно удаленных от сужения, изменение скорости и соответственно

кинетической энергии в процессе дросселирования в потоке незначительное

и им можно пренебречь, поэтому из уравнения (3.10) следует:

dh = 0 и h1 = h2 (3.14)

Это равенство является уравнением дросселирования. Оно показывает,

что энтальпия в результате дросселирования не изменяется, что справедливо

для сечений, удаленных от сужения.

Для идеального газа энтальпия является однозначной функцией темпе-

ратуры, поэтому эффект Джоуля _Томсона для него равен нулю.

В отличие от идеального в реальном газе имеются силы притяжения

между молекулами и при расширении его внутренняя потенциальная энергия

возрастает. Это и является причиной изменения температуры реального газа

при дросселировании.

Количественно дроссель-эффект Джоуля _Томсона определяется

выражением:

p h

T

⎟ ⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

∂

= ∂ др α , (3.15)

где αдр – коэффициент адиабатического дросселирования или коэффи-

циент дифференциального дроссель-эффекта.

Если для газа

p h

T

⎟ ⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛

∂

= ∂ др α > 0 (dp < 0 и dT < 0), то в процессе

дросселирования газ охлаждается, а при др α < 0 (dp < 0 и dT > 0) – газ

соответственно нагревается.

Коэффициент дросселирования может менять величину и знак.

Температура, при которой дроссельный эффект меняет знак, называется

температурой инверсии Tинв.

Для реальных газов установлено: если температура газа перед дрос-

селем Tнач < Tинв, то газ охлаждается, а если Tнач> Tинв _ газ при

дросселиро-вании нагревается.

Температуру инверсии газа Тинв определяют из опыта.

Ряд данных приведен ниже.

Газ...........Воздух Водяной пар Водород Гелий

Тинв,°С : ... 600 4121 -57 -239

Дроссельный эффект используется в криогенной технике для получения

сжиженных газов.

Из приведенных данных видно, что два первых газа в области комнат-

ной температуры можно превратить в жидкость в процессе их дросселиро-

вания, так как для них Тнач < Тинв. Для сжижения двух других газов их

предварительно следует охладить в каком-либо теплообменнике до тем-

37

пературы Тнач < Тинв, а затем подавать на дросселирование. К примеру,

дроссель является одним из основных элементов схемы криогенных блоков

разделения воздуха, применяемых для получения жидкого кислорода.