Адиабатическое течение и дросселирование газов

Параметры торможения

Выражение первого закон термодинамики для потока без учета работы против массовых сил и трения, который можно сформулировать так: теплота q, подведенная к потоку рабочего тела, расходуется на увеличение энтальпии телаh, производство потоком технической работы l_тех и увеличение кинетической энергии потока(все параметры являются удельными, т.е. отнесены к 1кг газа)

где с ₁ и с ₂ – начальная и конечная скорости потока.

Если в поток газа поместить твердое тело, то в некоторой точке встречи потока с телом этот поток полностью затормозится, т. е. его скорость будет равна нулю. Такая точка называется точкой торможения. Это приведет к изменению параметров набегающего потока Т, р, r до параметров торможения Т *, р *, r* в критической точке. Такое явление, например, имеет место при наполнении цилиндра двигателя свежим зарядом, в момент остановки поршня в НМТ и начале его перемещения к ВМТ.

Для простоты рассмотрим случай, когда в точке торможения нет теплообмена между заторможенным газом и твердым телом. В этом случае торможение является адиабатным. Найдем связь между параметрами невозмущенного (набегающего со скоростью с) и адиабатно заторможенного потока газа. Поскольку l _тex = 0, выражение первого закон термодинамики в дифференциальном виде для потока для данного случая будет иметь вид

или после интегрирования при с _р = const

откуда получим искомую зависимость

Если учесть, что число Маха – это отношение скорости потока к скорости звука в данной среде М = с/а, a ² = k (R /m) T, , то искомая зависимость примет другую форму:

Уравнение адиабаты (p ₁/ p ₂)^{( k -1)/ k} = T ₁/ T ₂, написанное для параметров невозмущенного и заторможенного потоков, дают возможность привести выражение к виду:

или

(3.24)

Полученные соотношения позволяют определить параметры Т ₀, р ₀ или ρ ₀ заторможенного адиабатного потока, если известны соответ­ствующие параметры невозмущенного потока.

Адиабатическое течение и дросселирование газов

Из опыта известно, что если на пути движения газа в канале встречается препятствие (местное сопротивление), частично загромождающее поперечное сечение потока, то давление за препятствием всегда оказывается меньше, чем перед ним. Процесс уменьшения давления, в итоге которого нет ни увеличения кинетической энергии, ни совершения технической работы, называется дросселированием.

Дросселирование – явно неравновесный процесс. Однако, выше говорилось, что уравнение (3.3) применимо и для течения рабочего тела с трением. Поскольку в этом случае l _тех = q = (с ₂² – с ₁²)/2 = 0, из (3.3) следует, что h ₂ = h ₁, то есть энтальпия рабочего тела при адиабатном дросселировании не меняется.

Выше отмечалось, что энтальпия идеального газа зависит только от температуры, поэтому постоянство энтальпии означает постоянство температуры. Следовательно, в результате дросселирования идеального газа температура его остается неизменной. Дросселирование реальных газов и, в частности, водяного пара, изучают с помощью h-s-диаграммы, исходя из того, что в результате дросселирования энтропия возрастает (так как это неравновесный процесс), а энтальпия остается постоянной. Температура же может меняться (эффект Джоуля – Томпсона).