 |
Дросселирование. Методическое пособие. Предисловие. 1. Общие сведения о дросселировании
|
|
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и науки РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное агентство по образованию
государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. Н. Диденко
Дросселирование
Методическое пособие
к дисциплинам
«Техническая термодинамика» и «Теоретические основы теплотехники» для студентов специальностей
270109 «теплогазоснабжение и вентиляция»
и 140104 «промышленная теплоэнергетика»
Ижевск
Издательство ИжГТУ
УДК 621. 1
ББК 31. 31
Р ___
Составитель: д. техн. наук, проф. В. Н. Диденко
Рецензент: д. техн. наук, проф. В. Г. Исаков
Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Теплогенерирующие установки и газоснабжение» ИжГТУ «___» ____________ 2008 г.
В методическом пособии подробно рассматривается процесс дросселирования жидкостей, газов и паров. Раздел «Дросселирование» относится к разряду наиболее сложных в курсах «Техническая термодинамика» и «Теоретические основы теплотехники» и недостаточно раскрыт в учебной литературе. Материал раздела базируется на дисциплине «Термодинамика» (спецкурс). Сведения о фазовых переходах, необходимые для понимания материала, изложены автором в методических пособиях «Фазовые переходы» (Ижевск, 2003 г. ) и «Водяной пар и его свойства» (Ижевск, 2007 г. ).
Автор выражает искреннюю благодарность Варфоломеевой Т. И. за помощь в подготовке данного пособия к изданию.
| Р | Дросселирование: Метод. пособие к дисциплинам «Техническая термодинамика» и «Теоретические основы теплотехники» для студентов специальностей 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 140104 «Промышленная энергетика»: / сост. В. Н. Диденко. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 52 с. |
|
|
|
Настоящее методическое пособие предназначено для студентов специальностей 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 140104 «Промышленная теплоэнергетика», магистрантов и аспирантов.
УДК 621. 1
ББК 31. 31
© Диденко В. Н., составление, 2008
© Ижевский государственный технический университет, 2008
Предисловие
Процесс дросселирования газов, паров и жидкостей широко применяется в различных механических устройствах. Изучение процесса дросселирования входит в рабочие программы таких учебных дисциплин как «Техническая термодинамика» и «Теоретические основы теплотехники». Как показывает практика, раздел «Дросселирование газов и паров» относится к одному из наиболее сложных для изучения студентами. В современных учебниках по технической термодинамике процесс дросселирования излагается достаточно поверхностно, без удовлетворительного физического и математического обоснования. Как правило, это однотипные клише, плохо раскрывающие суть процесса.
Причинами такого положения являются прежде всего сложность термодинамического обоснования основных положений о процессе дросселирования и ограничения на объемы учебников.
Авторы учебников обходят вопросы дросселирования насыщенных жидкостей, не объясняют физическую природу двух точек инверсии для заданного начального давления дросселирования, не раскрывают построение инверсионной кривой, приводят не все основные формулы, не дают вывод этих формул.
Автор данного пособия систематизировал имеющийся материал о процессах дросселирования, обращая внимание на их физическое толкование и обоснование с помощью аппарата термодинамики. Автором предложены свои варианты вывода основных формул для процесса дросселирования, представленные в приложении.
|
|
|
1. Общие сведения о дросселировании
Дросселирование (мятие, редуцирование, торможение) – это явление уменьшения давления жидкости, пара или газа при внешне адиабатическом (без отвода или подвода теплоты) прохождении потоком местного сопротивления, уменьшающего проходное сечение.
К таким местным сопротивлениям относятся диафрагмы, пористые перегородки (пробки), краны, вентили, задвижки, клапаны, капиллярные трубки и т. д.
При дросселировании внешняя работа не совершается, есть только работа внутренних сил трения, приводящая к потере (диссипации) энергии потока и, как следствие, к понижению давления в струе газа или пара.
Иногда дросселирование специально включают в рабочие процессы машин или систем, например:
− для регулирования мощности паровых турбин за счет мятия пара перед входом в турбину;
− для регулирования мощности карбюраторных двигателей внутреннего сгорания за счет изменения положения дроссельной заслонки карбюратора;
− для понижения давления в редукционных клапанах систем тепло- и парогазоснабжения;
− для понижения давления хладагентов в парокомпрессорных и абсорбционных холодильных установках;
− для понижения давления в приборах, измеряющих расход газа.
Первое начало термодинамики для газового потока в общем случае имеет следующий вид:
. (1. 1)
Здесь q – теплота, отнесенная к 1 кг системы;
i – удельная энтальпия:
w – средняя (расходная) скорость потока в рассматриваемом сечении;
АТЕХН – техническая работа, отнесенная к 1 кг системы.
Это уравнение справедливо как для обратимых, так и для необратимых процессов.
Действие сил трения, а также вихревые движения за сужением потока делают процесс дросселирования необратимым.
На преодоление сил трения затрачивается работа трения dАтр, которая полностью переходит в теплоту dqтр. Так как dAтр = dQтр, то эти величины в уравнении первого начала термодинамики взаимно сокращаются.
Тогда для внешне адиабатного потока (dq = 0), не совершающего к тому же технической работы (dАТЕХН = 0), уравнение первого начала термодинамики приобретает следующий вид:
|
|
|
. (1. 2)
В интегральной форме уравнение (1. 3) записывается следующим образом:
. (1. 3)
Схема процесса дросселирования представлена на рис. 1. 1.
Рис. 1. 1. Схема процесса дросселирования.
Как известно, при стационарном процессе течения рабочего тела его массовый расход G = const. В этом случае уравнение неразрывности имеет вид:
,
где F – площадь поперечного сечения канала;
ρ – плотность рабочего тела;
V – удельный объем рабочего тела:
.
При непрерывной площади поперечного сечения канала (F = const) из уравнения неразрывности следует:
.
Таким образом, скорость рабочего тела возрастает пропорционально увеличению его удельного объема.
Как показывают количественные оценки, при таком изменении w и V величина изменения удельной кинетической энергии
в типичных случаях ничтожно мала по сравнению со значениями энтальпии i1 и i2.
Тогда при 
= 0 получаем:
. (1. 4)
Это уравнение называется уравнением процесса дросселирования.
В качестве примера рассмотрим дросселирование перегретого водяного пара с начальными параметрами Р1 = 2, 0 МПа, Т1 = 810 °К и i1 = 3550 кДж/кг до Р2 = 0, 2 МПа. При i2 = i1 = 3550 кДж/кг c помощью i-S диаграммы водяного пара определяем Т2 = 800 °К и значения удельного объема пара до и после дросселирования: V1 = 0, 2 м3/кг, V2 = 2, 0 м3/кг.
Так как при F = const и w/V = const, то увеличение V в 10 раз должно привести к увеличению w также в 10 раз. Пусть w1 = 20 м/с, тогда w2 = 200 м/с и приращение кинетической энергии потока будет равно
что составляет 0, 56% от величины i2. Из уравнения (1. 3)
,
и для рассмотренного примера получаем i1 = (1 + 0, 0056) i2.
Таким образом, изменением кинетической энергии потока при дросселировании в этих случаях можно пренебречь и полагать
i1 = i2.
Но процесс дросселирования нельзя считать изоэнтальпийным. Как указывалось выше, в месте сужения потока скорость потока возрастает, а давление падает до значения Р'. Это увеличение кинетической энергии потока с помощью диффузора можно было бы превратить в потенциальную энергию, подняв давление до первоначального значения Р1.
|
|
|
При отсутствии диффузора основная часть кинетической энергии переходит в теплоту из-за образования вихрей за местным сопротивлением.
Эта теплота воспринимается потоком, его энтропия при этом возрастает, и поток не возвращается в первоначальное состояние по давлению и температуре. Таким образом, внешне адиабатный процесс дросселирования является по своей сути необратимым.
|
|
|
