Реферат: Дросселирование пара

Министерство образования Российской Федерации

Орский Гуманитарно-технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

“Оренбургский государственный университет”.

Механико-технологический факультет

Кафедра “Энергообеспечение”.

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Теоретические основы теплотехники

на тему: “Дросселирование пара”

ОГТИ 101600

Руководитель:

____________________ Капустин С.М.

“_______” _________________2005 г.

Исполнитель:

студент 2-го курса группы ЭО-21

_____________________ Бушуев А.Н.

“_______” _______________ <st1:metricconverter ProductID=«2005 г» w:st=«on»>2005 г</st1:metricconverter>.

г. Орск <st1:metricconverter ProductID=«2005 г» w:st=«on»>2005 г</st1:metricconverter>.

Ответ на теоретический вопрос “Как изменяются параметрывлажного пара при дросселировании?”

Как изменяются параметры влажного пара придросселировании?

Если в трубопроводе напути движения газа или пара встречаетсяместное сужение проходного сечения, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление р2за местом сужения всегда меньшедавления р1 перед ним (рис 2). Это явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления нанизкое без совершения внешней работы ибез подвода или отвода теплоты, называетсяадиабатным дросселированием,или м я т и е м(также редуцированием, или торможением).

Любойкран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающиепроходное сечение трубопровода, вызывают дросселированиегаза или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работытой или иной машины: например, путемдросселирования пара перед входом в паровыетурбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннегосгорания, где мощность регулируетсяизменением положения дроссельной заслонкикарбюратора.

Дросселирование газови паров используют для понижения их давленияв специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло — и парогазоснабжения различныхпредприятий, а также и в холодильнойтехнике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократногодросселирования .

Физическоепредставление о падении давления за местным сопротивлением,обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии потока, расходуемой на преодоление этого местногосопротивления.

Придросселировании потеря давления р1 — р2 тембольше, чем меньше относительная площадьсужения.

Рассмотримподробнее адиабатное дросселирование.Адиабатным дросселированием (или мятием) называют необратимый переход рабочеготела от высокого давления p1 к низкому давлениюp2 без теплообмена. Приподходе к диафрагме (рис.1 и рис.2) поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его уменьшается, а на стенки трубопроводаи диафрагмы вследствие торможениягаза в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия поток, расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление

Рис 2. Дросселирование газа диафрагмой и характер изменения давления в процессе

Рис 1. Измерительная диафрагма.

газа при этом возрастает. Однако давление p2 в сечении IIпосле диафрагмы оказывается меньше давления p1в сечении Iперед диафрагмой.Снижениедавления является следствиемпотерь на трение и вихреобразование, вызванное разностью давленийу стенок диафрагмы и в потоке. Вследствие этихпотерь процесс дросселированияявляется необратимым процессом и протекает с увеличением энтропии.Поток, однако, после прохождения диафрагмы, стабилизируется и газ течет,заполняя все сечение трубы. Процесс дросселирования не сопровождаетсясовершением газом полезной работы, т.е. для такого процесса lтех=0.

Величина снижениядавления зависит от природы газа, параметров его состояния, скорости движения истепени сужения трубопровода.

После дросселированияудельный объем и скорость газа возрастают (v2 > v1и w2> w1), а температура газав зависимости от его природы и параметров состояния переддросселированием может как увеличиваться,так и уменьшаться, или оставаться неизменной.

Для адиабатного процессадросселирования справедливо уравнение

<img src="/cache/referats/23264/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (1)

При неизменном диаметре трубы (А=const) и стационарном процессе, в котором через любое сечение массовыйрасход газа G=const, в соответствии с уравнением неразрывности w/v= G/A= const.

Отсюда следует, что скоростьгаза возрастает пропорционально увеличению объема. Однако при таком изменениискорости изменение кинетической энергиигаза в сравнении с величиной его энтальпии оказывается ничтожно малым.

Таким образом, изменением кинетической энергии газапри дросселировании можно пренебречь, тогда

i1=i2, или u1 + p1v1= u2+ p2v2 . (2)

Данное уравнение является уравнением процессадросселирования. Оно позволяет с помощью is — диаграммыпо состоянию рабочего тела до дросселирования находить его состояние последросселирования так, как показано на рис.3.

Рис 3. is — диаграмма дросселирования

Изменениеэнтропии газа (пара) в результате осуществления этого обратимого процесса(равное изменению энтропии при дросселировании газа от состояния 1 до состояния2) определяется следующим соотношением:

<img src="/cache/referats/23264/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (3)

<img src="/cache/referats/23264/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (4)

Из этого уравнения следует, что всегда <img src="/cache/referats/23264/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

Изменениетемпературы после дросселирования газа и пара, открытое Джоулем (1818—1889) и Томсоном (1824—1907) в 1852г., называется дроссель-эффектом Джоуля—Томсона.Опытами было установлено, что врезультате дросселирования изменяется температура рабочего тела. Изменение температуры придросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы притяжения иотталкивания междумолекулами. При дросселировании происходит расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все этоприводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратойработы, что, в свою очередь, приводит кизменению температуры.

Температура идеальногогаза в результате дросселирования не изменяется, и эффект Джоуля-Томсона вданном случае равен нулю. Таким образом, изменение температуры реального газапри дросселировании определяется величиной отклонения свойств реального газа отидеального, что связано с действиеммежмолекулярных сил.

Предположим, что р1v1= p2v2 и, следовательно, u2=u1. Так как v2 > v1, то при дросселировании внутренняя потенциальная энергиягаза возрастает,а внутренняя кинетическая энергия при этом уменьшается. Следовательно, при принятых условиях температура газа после дросселирования будет уменьшаться.

Обычно при дросселировании реального газа p1v1 – p2v2>0 и u2 – u1>0, работа проталкиваниягаза приводит к росту внутреннейэнергии.

В условиях, когда работа проталкивания оказывается больше прироста внутренней потенциальной энергии ∆

uпот, ее избыток идет наувеличение и внутренней кинетической энергии ∆uкин, температура газа растет (dT>0). Когда работа проталкивания меньше∆uпот, то ∆uкинуменьшается, температура газа понижается (dT<0). При равенстве работыпроталкивания и изменения внутренней потенциальной энергии температура газаостается неизменной (dT=0).

Различаютдифференциальный и интегральный температурные дроссель-эффекты. Придифференциальном эффекте Джоуля-Томсона температура изменяется на бесконечно малую величину, а при интегральном- на конечную величину. Если давление газа уменьшается на бесконечно малуювеличину dp, топроисходит бесконечно малое изменение температуры, т.е. dTi=a

idpi или

a

Величина a

i, называется дифференциальным температурным эффектом Джоуля-Томсона. Значение ai, можно определить из уравнения

di= cpdT-[

T(¶v/¶T)p-v]dp. (6)

Учитывая,что при дросселировании нет изменения энтальпии (di= 0), получим

СpdT= [

T(¶v/¶T)p-v]dp. (7)Отсюда

a

i=(¶T/¶p)i= [T(¶v/¶T)p — v]/cp. (8)

Полагая,что реальный газ является Ван-дер-Ваальсовским газом, из уравнения (p+ a/v2)(v — b)=RT получим

T = (pv + a/v-ab/v2 -pb)/R. (9)

После преобразований получаем:

<img src="/cache/referats/23264/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (10)

Таким образом, поуравнениям (9) и (10) можно определить значенияa

iпри заданном давлении р1. Для этого, задаваясь различными значениями удельного объема v, по (9) вычисляют соответствующие им температуры, затем, подставляя vи Т в (10) значение дифференциального дроссель-эффекта (dT/dp)h.

В качестве примера на рис.4приведены зависимости дифференциального эффектадросселирования воздуха от температуры T1при различных давлениях р1 построенные всоответствии с результами вычислений поуравнениям (9) и (10) при критических параметрахвоздуха Tкр =132,46 K, pкр =3,7 Мпа; теплоемкостиcp=1015Дж/(кг·К); газовой постоянной R=287 Дж/(кг·К) ичисленных значениях коэффициентов а=164,78 Н·м4/кг2, b=1,28·

10-3 м3/кг

Дроссельный эффектможет быть положительным, отрицательным или равным нулю. Положительныйдроссель-эффект имеет место в случае, когда при дросселировании температура газа понижается. Отрицательный – когда повышается. В случае неизменности температуры при дросселировании

Рис 4. Дифференциальный дроссель эффект в зависимости от температуры

перед дросселированием при различных начальных давлениях.

наблюдается нулевой эффектДжоуля-Томсона. Состояние реального газа при дросселировании, когда дроссельныйэффект равен нулю, называется точкой инверсии. В этой точке происходит смена знакатемпературного эффекта. Еслитемпература газа перед дросселированием меньше температуры инверсии, то газ при дросселировании охлаждается, если больше — то нагревается.

Для нахождения условий, при которых происходит изменениетемпературы газа или она остается неизменной, необходимо проанализировать уравнение

dT= {

[T(¶v/¶T)p — v]/cp}dp (11)

При дросселировании dp< 0, так как давление газа всегдауменьшается. Теплоемкость ср — величина положительная. Отсюдаследует, что знак dTзависит от знака выражения T(¶

v/¶T)p–vи всегда ему противоположен. Тогда

приT(¶

v/¶T)p–v>0 dT<0,

при T(¶

v/¶T)p–v<0 dT>0,

при T(¶

v/¶T)p–v=0 dT=0,

Случай, когда dT= 0 можно использовать для получениятемпературы инверсии Tин .

T(¶

v/¶T)p–v =0 Þ Tин= v/(¶v/¶T)p (12)

Последнее выражениеназывается уравнением кривой инверсии. Перенеся значения температуринверсии при различных давлениях в pT-координаты, получим кривую 1инверсии (рис. 5), в каждой точке которой дроссель-эффект равен нулю итемпература газа при дросселировании не изменяется. Точки на поле

Рис 6. Инверсионная кривая азота

в PT-координатах.

Рис 5. Инверсионная кривая воздуха:

1-расчетная;

2-экспериментальная.

диаграммы внутри кривой соответствуют охлаждению газа, а снаружикривой-подогреву газа. На этом жерисунке дана экспериментальная кривая 2 инверсиивоздуха. Ее расхождение с теоретической кривой объясняетсятем, что уравнение Ван-дер-Ваальса лишь приближенно отражает реальную связьпараметров состояния воздуха.

В качестве еще одного примера на рис. 6 приведена кривая инверсии азота.Внутри области, ограниченной кривой инверсии, a

i<img src="/cache/referats/23264/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/23264/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037">, т.е. газ при дросселировании охлаждается. Вне этойобласти ai<img src="/cache/referats/23264/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/23264/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1039">, т.е. температура газа при дросселированииповышается. Аналогичный характер имеют кривые инверсии и других веществ.

Дифференциальный дроссель-эффект используется для определения температурыгаза после дросселирования при малом уменьшении давления. При значительномснижении давления изменение температуры газа определяется интегральнымдроссель-эффектом Джоуля-Томсона

<img src="/cache/referats/23264/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> (13)

Практически интегрирование этого уравнения может быть выполнено по частямс учетом зависимости (dT/dp)i от давления и температуры.

Процесс дросселирования водяного пара немного отличается отдросселирования реальных газов.

За изменением состояния водяного пара придросселировании удобно проследить,пользуясь диаграммой s— i(рис.7).

Поскольку энтальпияпара после дросселирования имеет то же значение, что и до него,проведем на этой диаграмме одну горизонтальную линию 1 — 3 (рис. 7) в области перегретого пара, а другую а— е — в области влажногопара. Начальное состояние пара, отображаемое точкой 1, характеризуется давлением 10 Мн/м2 итемпературой 500° С. Из рисунка

Рис 7. Процесс дросселирования пара на

si-диаграмме

видно, что по мереуменьшения давления при дросселировании температурапара падает, в то время как степень перегрева его растет, что видно из следующих цифр:

<img src="/cache/referats/23264/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1042">град

<img src="/cache/referats/23264/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1043">град

т. е. <img src="/cache/referats/23264/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1045"><img src="/cache/referats/23264/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1046">tопределены по диаграмме s— iипо таблицам пара). Однако при дросселированиипара высокого давления и небольшогоперегрева (например, p=15 Мн/м2 и t=350° С) перегрев его,как следует из рис. 7, может уменьшиться и пар может даже сделаться влажным.

Из рассмотрениялинии а — dследует, что после дросселирования влажного пара высокого начального давления до давлений,определяемых изобарами, лежащимислева от точки b, пар увлажняется (в точке а влажность пара 1 — х=1 — 0,96=0,04, в точке bона равна 1 — 0,94= =0,06 и в точке с она равна 1 — 0,96=0,04). Начиная от точки с последросселирования пар подсушивается; в точке dдостигается состояниесухого насыщенного пара; в результате дросселирования от

состояния, отображаемоготочкой d, пар перегревается (точка е лежит в области перегретого пара). Таким образом, в результатедросселирования в данном случае изменяютсяпараметры пара и, следовательно, его состояние.

Проводя из точек a,bис изобары до их пересечения с верхней пограничной кривой соответственно в точках a1,b1, и c1<img src="/cache/referats/23264/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1047">можно убедиться что чем больше понижается давление пара в результате егодросселирования, тем больше падает егоконечная температура (точка а1лежит в интервале температур 400 — 300° С, точка b1— в интервале температур 300— 200° С и точка с1 — в интервале температур 200 — 100° С).

Необходимо заметить, что дросселированиепара приводит к потери его работоспособности. Последняя оценивается той работой, которая может быть получена от парапри его расширении в тепловом двигателе до некоторого конечного давления. Применительно к идеальному процессу этаработа эквивалентна разности энтальпий пара в начале и в концеадиабатного расширения. На рис. 7 работоспособностьпара, состояние которого отображается точкой 1, при егорасширении до 0,005 Мн/м2 определяетсявеличиной адиабатного теплопадения, равной разности энтальпий в точках 1 и 1´<img src="/cache/referats/23264/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> выражаемой в масштабе отрезком h1. Еслипар

до его расширения в тепловомдвигателе подвергнуть дросселированию одинраз до давления 2 Мн/м2, а другой раз до давления 0,5 Мн/м2,то его начальные состояния передтепловым двигателем будут отображатьсясоответственно точками 2 и 3, лежащими на одной горизонтали 1—3.При адиабатном расширении пара от этихновых состояний до того же давления 0,005 Мн/м2работа, которую способен совершить расширяющийся пар, будетопределяться при расширении от состояния, отображаемого точкой 2, до состояния, отображаемого точкой 2', лежащейна изобаре 0,05 Мн/м2, отрезком h2,а при расширении от состояния, отображаемоготочкой 3, до состояния, отображаемого точкой 3´, лежащей.на той же изобаре 0,005 Мн/м2,— отрезком h3.

Таким образом, диаграмма s— iдает возможность убедиться в том, что i1>i2>i3, т. е. что при дросселировании пара его работоспособность уменьшается.

Взавершение хотелось бы обратить внимание на то, что сравнение температурныхэффектов <img src="/cache/referats/23264/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> процессовдросселирования (необратимый адиабатныйпроцесс расширения) с процессом обратимогоадиабатного расширения показывает, что при том же значении dpвеличинаdTвовтором случае будет больше. Это следует из сравнения dT, определенных изуравнений:

<img src="/cache/referats/23264/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> (11)

Тогда:

<img src="/cache/referats/23264/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> (14)

т.е. <img src="/cache/referats/23264/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1054">ниенизких температур и, в частности, сжижение газовцелесообразнее осуществлять методом адиабатическогорасширения газов, а не дросселированием, при котором уменьшение температуры газов, как было показано выше, возможно лишь при условии, если начальная температура газов будет ниже температурыинверсии. Однако в холодильныхустановках применяют дроссельныйвентиль, а не детандер (расширительный цилиндр), так как потериэффективности использования установки от этого не так уж значительны, но зато, регулируя степеньоткрытия вентиля, легко получатьтребуемое падение давления, а значит, и нужную температуру в охлаждаемом объеме .

Список использованной

ЛИТЕРАТУРЫ:

1.

Баскаков А.П., Берг Б.В. Теплотехника. — М.:“Энергоатомиздат”, 1991г.

2.

Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: “Энергия”,1968г.

3.

Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. – М.: “Высшаяшкола”, 2003г.

4.

Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: “Стройиздат”, 1985г.

5.

Луканин В.Н., Шатров М.Г., Нечаев С.Г. Теплотехника. – М.: “Высшая школа”, 2000г.

еще рефераты

Еще работы по технологии. физике

Реферат по технологии. физике

Дросселирование газов

29 Августа 2013