1.8 Истечение при наличии трения

Течение сжимаемой жидкости при наличии трения не будет изоэнтропным, так как из-за действия сил трения происходит диссипация (рассеяние) механической энергии и превращение части ее в тепло, в результате чего внутренняя энергия, энтальпия и энтропия рабочего тела возрастают. Этот процесс можно изобразить на S-i диаграмме (рис. 1.10) в виде линии 1 - 2_д.

Рис 1.10. Процессы обратимого и необратимого расширения сжимаемой жидкости в сопле в S-i диаграмме

Рис. 1.11. Процессы обратимого и необратимого расширения сжи-маемой жидкости в сопле в S-T диаграмме

Тепло трения при отсутствии теплообмена с окружающей средой усваивается потоком рабочего тела, при этом часть тепла трения идет на работу расширения и преобразуется в энергию движения рабочего тела (пл 122_д1) (рис. 1.11). Остальная часть тепла представляет собой потерю работы (кинетической энергии) и изображается пл. 2_д2432_д. Все тепло трения, выделившееся в потоке, равно пл. 12_д341.

Из рис. 1.10 видно, что теплоперепад при наличии трения меньше (i - i_2д < i₁ - i₂). Следовательно, скорость истечения, определяемая по формуле (1.6), будет меньше, чем в случае течения без трения. Обозначим эту скорость через w_д. Поскольку всегда w_д < w, то можно записать:

w_д = Yw, (1.26)

где Y- так называемый скоростной коэффициент, величина которого меньше единицы. Как показывает практика, для хорошо обработанных и спрофилированных сопел, имеющих достаточно гладкую поверхность, величина Y = 0,95 ¸ 0,98.

1.9 Дросселирование газов и паров

Если на пути движения газа или пара (т.е. сжимаемой жидкости) имеется резкое местное сужение, например, прикрытый вентиль, задвижка, клапан и др., то, как показывает опыт, давление за сужением всегда меньше давления перед ним. Понижение давления рабочего тела при прохождении через сужения называется дросселированием. Эффект дросселирования, т.е. разность давлений до и после сужения, при прочих равных условиях тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.

Процесс дросселирования протекает следующим образом. При прохождении через сужение давление падает и в самом узком месте потока (рис. 1.12) достигает минимального значения. Падение давления сопровождается ростом скорости, которая в этом узком

Рис. 1.12. Изменение параметров сжимаемой жидкости при

дросселировании

месте достигает наибольшего значения. При дальнейшем течении происходит постепенный рост давления до некоторого значения Р₂ за счет частичного перехода кинетической энергии струи в энергию давления. Однако давление не восстанавливается до начального значения Р₁ в силу того, что часть кинетической энергии струи тратиться на преодоление трения и завихрений и в давление не переходит. Энергия, затраченная на преодоление трения и завихрений, в форме определенного количества тепла воспринимается рабочим телом, вследствие чего растут его удельный объем и энтропия. Таким образом, дросселирование является необратимым процессом, а в случае отсутствия теплообмена с внешней средой - также и адиабатным процессом. Опыт и расчеты показывают, что приближенно можно считать равенство скоростей в сечениях 1 - 1 и 2 - 2 (w₁ » w₂), т.е. можно пренебречь изменением кинетической энергии. Тогда, рассматривая адиабатное дросселирование, из уравнения первого закона термодинамики (1.4) следует, что di = 0, следовательно, i = const, т.е. энтальпия рабочего тела после дросселирования равна энтальпии до дросселирования (i₂ = i₁).

Для идеальных газов имеем:

i₂ - i₁ = c_p(t₂ - t₁).

Но при дросселировании i₂ - i₁ = 0, следовательно, t₂ = t₁, т.е. температуры идеального газа до и после дросселирования одинаковы.

При дросселировании реальных газов и паров их температура может увеличиваться, оставаться неизменной и уменьшаться. Изменение температуры при дросселировании называется эффектом Джоуля - Томсона. Процессы дросселирования большинства газов (за исключением водорода и гелия) и паров идут с понижением температуры. Этот эффект дросселирования используется на практике для получения низких температур.

2. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

   И УСТАНОВОК

1. Общие принципы построения идеальных циклов

тепловых двигателей и сравнительной оценки их экономичности

Тепловым двигателем называют машину, служащую для преобразования некоторой части подведенного количества тепла в работу.

В одних условиях, например, паросиловая установка (ПСУ) или газотурбинная установка (ГТУ), работающая по так называемому замкнутому циклу, рабочий процесс проводится в ряде специальных устройств, образующих замкнутую систему - установку. В одном из этих устройств, например, котле (ПСУ), рабочее тело заимствует некоторое количество тепла от газообразных продуктов сгорания используемого топлива. В другом же устройстве - конденсаторе рабочее тело отдает определенную часть этого количества тепла жидкости, протекающей через конденсатор. Этого рода установки называют двигателями внешнего горения, хотя с термодинамической точки зрения более важная особенность этого класса двигателей состоит в том, что в них рабочему телу отводится роль посредника, совершающего круговой процесс. Разумеется, что в этих условиях температура рабочего тела значительно ниже температуры газообразных продуктов сгорания используемого топлива.

Идея Карно о двигателе, рабочем телом которого были бы сами продукты сгорания используемого топлива, была осуществлена в двигателях внутреннего сгорания. К этого рода двигателям следует отнести поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки (ГТУ), работающие по так называемому разомкнутому циклу, воздушно-реактивные двигатели (ВРД), ракетные двигатели и т.д. В этих случаях рабочее тело не совершает кругового процесса, оно периодически (ДВС) или непрерывно (лопаточные машины) обменивается. Кроме того, в действительности рабочие тела в той или иной мере удалены от своего идеально-газового состояния, а процессы необратимы.

В основу термодинамического исследования тепловых двигателей положены четыре основных принципа, которые приводят к их идеальным циклам:

1. Необратимые процессы, связанные с наличием внутренних источников энергии, например, процесс горения топлива, заменяют равноценным обратимым подводом к рабочему телу соответствующего количества тепла.

2. Считается, что рабочее тело, остающееся химически неизменным, совершает круговой процесс.

3. Из расчета исключаются все потери кроме той, что определена вторым законом термодинамики.

4. Действительный процесс теплового двигателя заменяется замкнутой последовательностью простейших обратимых процессов с идеальным газом, каждый из которых моделирует реальный процесс наивыгоднейшим образом.

Имея в виду понятие об идеальном цикле, принцип действия всякого теплового двигателя надо видеть в том, чтобы за счет подведенного количества тепла расширение рабочего тела провести по политропе, пролегающей выше политропы сжатия.

Исследование идеальных циклов выясняет основные параметры, определяющие экономичность теплового двигателя, дает представ-ление об его максимальной эффективности в данных условиях, о путях его совершенствования.

Известно, что в данных условиях предельно эффективным идеальным циклом теплового двигателя является проямой цикл Карно. Но он не отражает принципиальных особенностей рабочего процесса теплового двигателя рациональной конструкции. Действительно, при возможных в современных тепловых двигателях температурах (Т_max = 2000 К, Т_min = 288 К) максимальное давление в цикле Карно превысило бы 2000 бар, а общая степень расширения была бы более 400.

В связи с этим в современных ДВС процесс сгорания организуется таким образом, что его можно моделировать изохорой, изобарой, изохорой и изобарой. Что же касается процесса отвода количеств тепла, условно замыкающего термодинамически разомкнутый идеализированный рабочий процесс двигателей внутреннего сгорания (ДВС, ГТУ), то он полностью определен принципом действия данного двигателя.

Таким образом, очевидна необходимость в идеальных циклах тепловых двигателей рациональной конструкции. Разумеется, термодинамический КПД h_t этих циклов будет меньше h_t соответственно цикла Карно, который осуществляется между предельными для данного обратимого цикла температурами.

Как впервые указал проф. В.С.Мартыновский [10] сравнение идеальных циклов по экономичности надо строить при одинаковых предельных температурах: Т_max = idem; Т_min = idem. С термоди-намической точки зрения такой подход является единственно верным, так как только в этом случае сравниваются циклы с одинаковой предельной эффективностью, определенной термодинамическим КПД соответственного цикла Карно.