Примеры решения задач по физике

ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВ, ПАРОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Дросселированием называется необратимый процесс снижения давления потока вещества, без совершения им технической работы и без изменения его кинетической энергии видимого движения (скорости). Необратимость таких процессов вызвана наличием местных препятствий на пути движения потока: регулирующие вентили, задвижки, диафрагмы и т.п.

Поскольку процесс дросселирования быстротечен, его считают адиабатным q=0. В процессе газом не совершается технической работы lт=0 и нет изменения скорости потока с1=с2. Исходя из вышеизложенного уравнение первого закона термодинамики (9-1) для процесса дросселирования будет иметь вид

. (11.1)

Таким образом, в результате адиабатного процесса дросселирования энтальпия вещества в начале и конце процесса одинакова. При этом необходимо отметить, что это не изоэнтальпный процесс. Энтальпия вещества при дросселировании в промежуточных состояниях этого процесса изменяется, но результат дросселирования не зависит даже от того, за счёт чего оно происходит, вызвано ли оно клапаном, диафрагмой, пористой перегородкой и т.п.

Потерю эксергии в этом процессе можно рассчитать по известной формуле Гюи–Стодолы [1]

,

где Δsc=(s2-s1), т.к. процесс дросселирования адиабатный, то изменение энтропии системы равно изменению энтропии самого вещества.

Энтальпия идеального газа является функцией только температуры. Так как энтальпия в результате адиабатного дросселирования не изменяется, не изменяется и температура идеального газа в этом процессе. Поэтому для идеальных газов можно воспользоваться изотермическим процессом при определении параметров в начале и конце процесса дросселирования:

  

Иначе обстоит дело при дросселировании реальных газов и паров. На рис. 11.1 представлены состояния водяного пара в процессах дросселирования в области параметров h1<h"max.

Точками 1, 2, 3, 4, 5 обозначены возможные начальные и конечные состояния пара при дросселировании. Последовательно дросселируя перегретый пар от состояния точки 1 с давлением р1 до состояния точек 2, 3, 4, 5, получаем сухой насыщенный пар с р2 (точка 2), влажный насыщенный с р3 (точка 3), снова сухой насыщенный пар с р4 (точка 4) и снова перегретый пар с р5 (точка 5). Все эти процессы дросселирования сопровождаются снижением температуры пара. В случае если h1>h"max , при тех же давлениях р1 – р5, процесс дросселирования будет идти только в области перегретого пара. При дросселировании реальных веществ может наблюдаться не только понижение температуры, но и повышение и постоянство её.

 

 

 


11.1. Задачи

Пример решения задачи:

11.1. При адиабатном дросселировании идеального кислорода с начальной температурой 70 оС его давление изменяется от р1=10 бар до р2=1 бар. Расход газа 10 кг/с. Определить относительное увеличение удельного объема кислорода в конце процесса v2/v1, изменение энтропии системы и потерю эксергии газа за счет необратимости процесса его дросселирования при tос=20 оС. Государственное унитарное предприятие ритуальных услуг. Ритуальные услуги.;ремонт ps4 краснодар

Решение

Определение изменения объема и энтропии кислорода при дросселировании можно выполнить по формулам изотермического процесса идеального газа, т.к. при h2=h1 для идеального газа Т2=Т1

 ;

 .

Процесс дросселирования адиабатный, следовательно, изменение энтропии системы равно изменению энтропии самого вещества, а потерю эксергии в этом процессе можно рассчитать по универсальной формуле Гюи–Стодолы

.

11.2. Водяной пар при р1=100 бар и х1=0,65 адиабатно дросселируется до р2=2 бар. Определить параметры пара после дросселирования t2 , v2 , h2 , s2.

Ответ: t2=120 °С, v2=0,71 м3/кг, h2=2264 кДж/кг, s2=6 кДж/(кг×К).

11.3. Водяной пар при р1=50 бар и х1=0,6 адиабатно дросселируется до давления р2=1 бар. Определить параметры пара после дросселирования: t2, v2, s2, и изменение его удельной внутренней энергии. Изобразить условный процесс дросселирования в диаграммах Т,s и h,s.

Ответ: t2=99,64 оС, v2=1,3 м3/кг, s2=5,9 кДж/(кг∙К), Du=10 кДж/кг.

11.4. В процессе адиабатного дросселирования водяной пар имеет параметры: р2=0,1 бар, х2=0,61. Определить начальное фазовое состояние Н2О и его температуру, если начальное давление составляет: а) р1=100 бар; б) р1=200 бар.

Ответ: а) влажный насыщенный пар х1=0,184, t1=311 оC;

 б) вода, t1=350,6 оС.

11.5. Водяной пар при р1=30 бар и х1=0,95 адиабатно дросселируется до состояния сухого насыщенного пара (х2=1). Определить конечные параметры пара р2 , t2 , v2 , изменение его температуры и внутренней энергии Dt, Du. Изобразить условный процесс дросселирования в р,v- и T,s- диаграммах.

Ответ: р2=2,35 бар, t2=125,4 оС, v2=0,762 м3/кг, 

Dt=108,5 оС, Du=11,2 кДж/кг.

11.6. Определить потерю удельной работы изменения давления потока водяного пара Dlо, вызванную процессом его дросселирования в регулирующем вентиле, установленном перед соплом, от параметров р1=20 бар и t1=300 оC до р2=10 бар, если за вентилем пар обратимо адиабатно расширяется в сопловом канале до давления р3=0,05 бар.

Ответ: Dlо=92 кДж/кг.

11.7. При адиабатном дросселировании 1 кг азота (N2) с начальной температурой 100 оС его давление изменяется от р1=5 бар до р2=1 бар. Считая азот идеальным газом с постоянной изобарной теплоемкостью, определить увеличение энтропии системы и потерю эксергии за счет необратимости процесса его дросселирования. Температура окружающей среды tос=20 оС.

Ответ: DSc=0,478 кДж/К, ÑE=140 кДж.

11.8. Определить удельную эксергию в начале и конце процесса дросселирования потока водяного пара в регулирующем клапане паровой турбины от р1=10 бар и t1=350 оC до р2=6 бар. Параметры окружающей среды рос=1 бар и tос=20 оC.

Ответ: е1=1017 кДж/кг, е2=950 кДж/кг.

11.9. Идеальный азот (N2, ср=const) c параметрами р1=10 бар и t1=200 оC адиабатно дросселируется до увеличения его удельного объема в два раза. Определить удельную эксергию газа до и после дросселирования, увеличение удельной (на 1 кг газа) энтропии системы и потерю удельной эксергии газа за счет необратимости процесса. Параметры внешней среды рос=1 бар, tос=20 оС.

Ответ: е1=241 кДж/кг, е2=181 кДж/кг, 

Dsc=0,206 кДж/(кг×К), Ñе=60 кДж/кг.

11.10. В регулирующем клапане паровой турбины (рис. 11.2) водяной пар дросселируется от ро=120 бар и tо=450 оC до р’о=100 бар. Считая процесс дросселирования адиабатным, определить увеличение энтропии системы и потерю эксергии пара за счет необратимости его дросселирования. Расход пара через турбину G=100 кг/с. Температура окружающей среды tос=20 оC.

 


Ответ: DSc=7,36 кВт/К, ÑЕ=2209,2 кВт.

 

11.11. Определить, на сколько снижается мощность паровой турбины (рис. 11.2), имеющей параметры водяного пара ро=60 бар, tо=540 °C и рк=0,05 бар, за счет адиабатного дросселирования пара в регулирующем клапане перед турбиной до р’о=50 бар. Расход пара на турбину G=250 кг/с. Внутренний относительный КПД процесса адиабатного расширения пара в турбины hoi=0,8.

Ответ: DWтi=4,85 МВт.

11.12. Определить потерю мощности и эксергии потока водяного пара в турбине (рис. 11.2), имеющего параметры ро=100 бар, tо=500 °C и рк=0,05 бар, за счет его дросселирования в регулирующем клапане перед турбиной до р’о=80 бар. Расход пара на турбину G=300 кг/с. Процесс расширение пара в турбине считать обратимым адиабатным. Параметры внешней среды рос=1 бар и tос=20 °C.

Ответ: DWт=7,92 МВт, ÑЕ=9,6 МВт.

11.2. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры технических устройств, в которых идут процессы дросселирования потока вещества.

2. Напишите уравнение адиабатного процесса дросселирования и охарактеризуйте изменение энтальпии, скорости и давления газа (пара) в этом процессе.

3. Объясните, чем вызвано снижение давления газа (пара) в процессе дросселирования.

4. Покажите в h,s- диаграмме, как изменяются работа изменения давления и эксергия потока вещества в процессе его дросселирования.

5. Как изменяется температура идеального газа в процессе его дросселирования ?

6. Объясните, чем вызвано изменение температуры в процессах дросселирования реальных газов, паров и жидкостей – эффект Джоуля–Томсона.

7. Покажите в h,s- диаграмме процесс дросселирования водяного пара с уменьшением его температуры и фазовым переходом из области перегретого пара в область влажного насыщенного пара.

8. Покажите в h,s- диаграмме процесс дросселирования жидкой фазы воды с увеличением ее температуры.

Атомная Энергетика России Аварии и инциденты Экология Курс лекций по физике http://termexn.ru/ примеры Государственное унитарное предприятие ритуальных услуг. Ритуальные услуги.;ремонт ps4 краснодар
Математика, сопротивление материалов, электротехника лекции, задачи