5. Истечение и дросселирование газов и паров

Обратимое адиабатное течение, обратимый процесс течения газа без теплообмена с окружающей средой при отсутствии внутренних источников теплоты.

Необратимое адиабатное течение, необратимый (с трением) процесс течения газа без теплообмена с окружающей средой.

Кризис течения, течение, в котором скорость газа достигает величины равной местной скорости звука.

Скорость звука, скорость распространения в среде малых возмущений. Малыми называются такие возмущения среды, в которых местное изменение давления пренебрежимо мало по сравнению сообщим давлением.

Местная скорость звука, скорость распространения звука в газе при его параметрах в данном сечении потока. Определяют из выражения: или для идеального газа .

Критические параметры газа при течении, параметры газа в сечении канала, где скорость течения равна местной скорости звука.

Критическое отношение давлений, отношение критического значения давления газа р_кр к его давлению во входном сечении канала р₀: _кр = р_кр/р₀. Для идеального газа эту величину можно определить из выражения .

Уравнение первого закона термодинамики для потока вещества, уравнение, согласно которому, в потоке вещества, подведенная или отведенная теплота dq расходуется на изменение энтальпии dh, изменение кинетической wdw и потенциальной gdH энергии потока и на техническую работу dl_тех: dq = dh + wdw + gdH + dl_тех. При рассмотрении процессов протекающих в соплах или диффузорах считают, что потенциальная энергия потока неизменна, а техническая работа отсутствует. В этом случае уравнение первого закона термодинамики имеет вид: dq = dh + wdw.

Сопло, устройство, в котором происходит увеличение скорости движения потока. Сопла бывают: геометрические, тепловые, механические, расходные. Наиболее распространены геометрические сопла, в которых увеличение скорости потока происходит в результате адиабатного расширения газа, за счет понижения давления, при изменении площади поперечного сечения канала.

Диффузор, канал, в котором происходит уменьшение скорости движения потока и возрастание давления.

Суживающееся сопло, сопло, поперечное сечение которого уменьшается по направлению течения среды. В суживающихся соплах скорость на выходе не может быть больше местной скорости звука, а давление меньше критического. Скорость истечения w₂ и массовый расход т через сопло определяют с помощью уравнений: , , где h₀, h₂ – энтальпии газа во входном и выходном сечении сопла, Дж/кг; f₂ – площадь выходного сечения сопла, м²; v₂ – удельный объем газа в выходном сечении сопла, м³/кг. Для идеального газа можно получить соответственно

, . Как видно из формулы, массовый расход обращается в нуль при р₂ = р₁ и р₂ = 0. Следовательно, в этом промежутке давлений расход достигает максимального значения и в этом случае на выходе из сопла устанавливается критическое давление.

Сопло Лаваля (комбинированное сопло), геометрическое сопло, состоящее из суживающейся и расширяющейся части и служащее для увеличения скорости потока газа выше местной скорости звука. Форма сопла и графики изменения скорости потока и местной скорости звука вдоль канала представлены на рисунке. Скорость истечения w₂ и массовый расход т определяют с помощью уравнений: , , где f_min – площадь минимального сечения сопла, м²; v_кр – удельный объем газа в минимальном сечении сопла, м³/кг; w_кр – критическая скорость равная местной скорости звука в минимальном сечении сопла, м/с.

Изображение процесса адиабатного истечения, производят обычно в Ts-, hs-диаграммах. На рисунке представлены процессы адиабатного расширения в hs-диаграмме: процесс 0-2 – обратимое адиабатное истечение; процесс 0-2д – необратимое адиабатное истечение.

Коэффициент скорости сопла, коэффициент, характеризующий степень приближения действительного процесса истечения (с учетом трения) к теоретическому. Он равен отношению действительной скорости истечения w_2д к теоретической w₂:  = w_2д/ w₂. На практике величина  находится в пределах 0,93-0,98.

Дросселирование, эффект падения давления в потоке рабочего тела при его прохождении через местное сопротивление (резкое изменение сечения) без совершения внешней работы. В технике этот процесс рассматривают как адиабатный. Адиабатное дросселирование широко используют в качестве эффективного способа охлаждения газа.

Уравнение адиабатного дросселирования, уравнение, показывающее, что в результате адиабатного дросселирования энтальпия рабочего тела до и после местного сопротивления одинакова: h₁ = h₂. В самом дросселе энтальпия может изменяться.

Эффект Джоуля-Томсона, явление изменения температуры рабочего тела при адиабатном дросселировании. Температура может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной.

Дифференциальный дроссель-эффект, величина, характеризующая темп изменения температуры рабочего тела при адиабатном дросселировании: К/Па. Если температура рабочего тела при дросселировании уменьшается, то _h > 0, если возрастает _h < 0, а если неизменна _h = 0. Идеальный газ дросселируется без изменения температуры.