3. Заторможенный поток

Если в пределах выделенной области для потока между сече­ниями 1—2 поток не совершает работу, l_гех = 0, движение изоэнтропийно, q = 0, и течение горизонтально, z1 = z2, то уравне­ние первого закона термодинамики для потока будет иметь вид

dh + wdw = d(h + w²/2) = 0,

или в интегральной форме

h + w²/2 = const. (5.7)

Таким образом, если по какой-либо причине произойдет измене­ние скорости потока, то это приведет к изменению его энталь­пии. В пределе торможения потока (w→0) кинетическая энер­гия полностью перейдет в энтальпию торможения. Для идеально­го газа h = с_рТ, тогда из уравнения (5.7) следует

c_pT + w²/2 = const,

T + w²/2c_p = T_TOPM = const. (5.8)

Температура заторможенного высокоскоростного потока, как сле­дует из уравнения (5.8), может значительно превышать темпера­туру газа Т.

Величина температуры торможения зависит от физических свойств газа, что связано с зависимостью

,

тогда

, (5.9)

где k - показатель адиабаты; R - удельная газовая постоянная, R=8314/М_Г, М_г - молекулярная масса газа.

Эффект торможения проявляется в ошибке измерения темпе­ратуры высокоскоростного потока Т с помощью термометра или термопары. При обтекании спая термопары часть потока затор­маживается. Измеряемое значение температуры может значитель­но превысить истинное.

Другим наглядным примером является разогрев, плавление и сгорание различных тел при входе в плотные слои атмосферы.

4. Дросселирование газов и паров

Из практического опыта известно, что если поток газа в тру­бопроводе встречает на своем пути какое-либо препятствие (так называемое местное сопротивление), частично загромождающее сечение трубы, то давление за ним оказывается меньше, чем перед ним. К таким препятствиям относят пористые перегород­ки, диафрагмы, вентили или задвижки.

Процесс падения давления за местным сопротивлением назы­вается дросселированием. Схема такого течения позволяет ввести следующие условия или допущения: l_TEX = 0; q = 0; w1 = w2; z1 = z2. Тогда уравнение первого закона для потока при его дросселирова­нии упрощается до вида

h₁ = h₂ или h = const. (5.10)

Причем, это справедливо как для идеальных, так и для реальных газов, например водяного пара (рис. 5.3).

Итак, при дросселировании рабочего тела его энтальпия оста­ется постоянной, энтропия s и объем υ увеличиваются, давление р падает.

Для идеального газа h = c_pT, следовательно, при дросселирова­нии и температура остается неизменной (процесс а - б на рис. 5.3, а).

Для реальных газов дросселирование чаще всего приводит к падению температуры. Это можно объяснить уменьшением кине­тической составляющей внутренней энергии газа при возраста­нии ее потенциальной составляющей, которое возникает за счет работы против сил притяжения молекул, вызванной внезапным расширением газа за местным сопротивлением.

Изменение температуры реального газа при дросселировании характеризуется эффектом Джоуля-Томпсона . Если для газа , то газ охлаждается в процессе дросселирования.

Рис. 5.3. Дросселирование идеального газа (а) и водяного пара (б): а — процесс дросселирования а—б при Т = const; б — дросселирование перегре­того пара 1—1' — 1" и 5— 6; дросселирование кипящей воды 3 — 4

Однако для водорода и инертных газов дроссельный эффект от­рицателен, т. е. эти газы нагреваются. Температура, при которой дроссельный эффект равен нулю (или меняет знак), называется температурой инверсии T_инв.

Для реальных газов опытом установлено: если температура газа перед дросселем Т_нач< T_ИНВ, то газ охлаждается, а если Т_нач> T_инв – газ при дросселировании нагревается.

Температуру инверсии газа определяют из опыта. Некоторые данные приведены ниже.

Газ	Воздух	Водяной пар	Водород	Гелий
Т'инв-
°С	600	4121	-57	-239
(К)	873	4394	216	34

Дроссельный эффект используется в криогенной технике для получения сжиженных газов.

Из приведенных данных видно, что два первых газа превра­тить в жидкость можно в процессе их дросселирования, так как для них T_нач < T_инв. Для сжижения двух других газов их предва­рительно следует охладить в каком-либо теплообменнике до тем­пературы T_нач < T_инв, а затем подавать на дросселирование. Дрос­сель является одним из основных элементов схемы криогенных блоков разделения воздуха, применяемых для получения жидкого кислорода.