Значения k и βkp при истечении газа

Вид рабочего тела	k	βkp	Вид рабочего тела	k	βkp
Одноатомный идеальный газ	1,67	0,487	Трех- и многоатомные идеальные газы, перегретый пар.	1,29	0,546
Двухатомный идеальный газ	0,40	0,528	Сухой насыщенный пар.	1,135	0,577
Для влажно насыщенного пара k = 1,035+0,1x

При β_кр<β<1 скорость газа и расход растут с уменьшением β. Если уменьшить β в диапазоне от β_кр до 0, то расход не изменяется, оставаясь максимальным, а скорость также не изменяется, оставаясь равной W_КР –критической скорости. Итак, при 0<β ≤ β_кр в сужающемся сопле устанавливается критический режим истечения:

М = М_маx, W₂ = W_{2 кр}, P₂ = P_кр = P₁ β_кр.

В этом случае М_max и W_2кр надо можно найти по следующим формулам:

, (2.33)

(2.34)

Полное использование возможностей рабочего тела, расширение от P₁ до P₂ при β < β_кр, происходит в комбинированных соплах или соплах Лаваля. Эти каналы имеют сужающуюся и расширяющуюся части. В таких соплах можно получать сверхзвуковые скорости. Если в процессе, изображенном на рис. 2.4, использовать сопло Лаваля, то скорость на выходе из сопла будет:

Рис.2.4. Сопло Лаваля

При прохождении газа или пара через сужение канала (диафрагма, вентиль, клапан и т. п.) происходит снижение его давления без совершения внешней работы. Этот необратимый процесс называется дросселированием. В большинстве случаев дросселирование, сопровождающееся уменьшением работоспособности тела, приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходимым и создается искусственно, например, при регулировании паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах, замеряющих расход газа и т. д. При прохождении газа через отверстие, представляющее известное сопротивление, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления рис. 2.5)..

Рис. 2.5. Процесс дросселирования

Газ, протекая через отверстие, затрачивает часть кинетической энергии на работу против сил трения, которая превращается в теплоту. В результате температура его изменяется и может, как уменьшаться, так и увеличиваться.

В отверстии скорость газа возрастает. За отверстием, когда газ опять течет по полному сечению, скорость вновь понижается, а давление повышается, но до начального значения оно не доходит; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.

Дросселирование, как указывалось, является необратимым процессом, при котором всегда происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела. При дросселировании идеального газа его температура не изменяется.

При дросселировании реального газа температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной. Если температура реального газа в результате дросселирования остается без изменения, то она называется температурой инверсии Т_инв.

Таким образом, поведение реальных газов при дросселировании существенно отличается от поведения идеальных газов. Изменение температуры реальных газов при дросселировании впервые было обнаружено опытами Джоуля и Томсона и получило название эффекта Джоуля - Томсона. С молекулярной течки зрения эффект Джоуля - Томсона объясняется наличием объема самих молекул и сил сцепления между молекулами реального газа. Влияние объема молекул и сил взаимодействия на изменение температуры в процессе дросселирования различно в зависимости от природы газа и начального состояния реального газа. Задачи, связанные с дросселированием водяного пара, проще всего решаются при помощи i - s – диаграммы.