6. Витікання та дроселювання газів і пари

Витіканням називається рух газу через короткі канали особливої форми. Якщо в каналі збільшується швидкість газу, а тиск падає, то такий канал називають сопло. Якщо в каналі зменшується швидкість руху, а тиск збільшується – дифузор. Розрахунковими величинами в процесах витікання є швидкість у вихідному перетині каналу та масова витрата газу. Час перебування газу в коротких каналах невеликий, тому теплообміном між газом і стінкою можна зневажити, що дає можливість вважати процес витікання адіабатним, тоді S=const. Сопло і дифузор виконують свої функції доти, поки швидкість газу на вході в канал менша за швидкість звуку в середовищі витікання. Як тільки вхідна швидкість w₁ дорівнює швидкості звуку і більша за неї, то сопло гальмує потік, а дифузор прискорює.

Сопло

Диффузор

Перший закон термодинаміки для потоку для випадку витікання

Тоді вихідна швидкість

де - етальпія газу на вході та виході каналу

Через параметри стану для звужуючого сопла

Масова витрата

- показник адіабати; f₂ - площа поперечного перерізу на виході з каналу;.

- питомі об’єми газів на вході та виході з каналу.

Зі зменшенням відношення Р₂/Р₁ наступає момент, коли швидкість і масова витрата газу через сопло не змінюється, вони досягають максимального (критичного) значення. Таке відношення тиску називають критичним:

Критична (максимальна) швидкість і витрата:

;

Критична швидкість на виході із звужуючого сопла дорівнює швидкості звуку в середовищі витікання. Для переходу через швидкість звуку використовується комбіноване сопло Лаваля, що складається звужуючої та розширюючоїся частини.

Лінія Кln відповідає дійсній витраті газу, а Кl0 – теоретичній.

Залежність витрати від відношення тисків	Схема сопла Лаваля

Дроселюванням називається явище зниження тиску при проходженні потоком місцевого опору в трубопроводі. Дроселювання ідеального газу характеризується i=const, тобто i₂=i₁ і t₂=t₁. При дроселюванні реального газу температура після дроселювання може бути рівною, більшою або меншою за температуру до дроселювання (ефект Джоуля-Томсона). Якщо температури рівні, то температуру t₂ називають температурою інверсії. Відношення називається диференціальний дросель ефект, а відношення ΔТ/ΔР - інтегральний дросель ефект.

7. Термодинамічні процеси в компресорах

Компресор - це пристрій, призначений для стискування газів. У залежності від робочого органа, що здійснює стиск, вони підрозділяються на два основних типи: поршневі і відцентрові. У поршневих газ стискується поршнем у циліндрі, а у відцентрових - колесом з робочими лопатками, розташованими по ободу колеса.

Процеси в ідеальному компресорі	Процеси в реальному компресорі	Процеси стиску

Процеси в ідеальному і реальному компресорі: 4-1 – всмоктування газу в циліндр 1, робота всмоктування – площа 4-1-V₁-0; 1-2 – стиск газу, робота стискування – площа V₁-1-2-V₂; 2-3 – виштовхування газу із циліндра, робота виштовхування – площа V₂-2-3-0-V₂; 3-4 – миттєве падіння тиску, L=0. Газ виштовхується поршнем 2.

Принципова схема поршневого компресора

Діаграма реального компресора називається індикаторною. У реальному компресорі між поршнем і кришкою циліндра є шкідливий простір з об’ємом V₀, де газ розширюється по лінії 3-4. Вигини в процесах 2-3 і 4-1 пояснюється запізнюванням спрацьовування нагнітального 3 і всмоктувального 4 клапанів. Поршень здійснює зворотно-поступальний рух кривошипно-шатунним механізмом 5. Робочий об’єм циліндра V₁; V_h – дійсний об’єм всмоктування.

Процеси стискування можуть проходити по адіабаті 1-2а, політропі – 1-2n, ізотермі – 1-2і. Найменша робота, яка затрачується на стискування відповідає ізотермічному процесу, що видно з порівняння площ: пл. Р₁-2_і-Р₂-Р₁<пл. Р₁-1-2_п-Р₂-Р₁< пл. Р₁-1-2_а-Р₂-Р₁, або . У реальному компресорі стискування іде по політропі з показником n=1,25÷1,3. Технічна робота компресора питома та повна:

;

В одноступінчастому (одноциліндровому) компресорі неможливо отримати високий тиск газу, оскільки при стискуванні підвищується температура газу, яка може досягнути до температури спалаху масла. Тому застосовується багатоступінчастий стиск, при цьому між ступенями 1, розташовуються теплообмінники для охолодження газу 2. Процес стискування наближається до ізотермічного.

Багатоступінчастий стиск