第六章-气体与蒸汽的流动(绝热节流过程)

第六章气体和蒸汽的流动工程上，常要处理气体和蒸汽在管路设备（如喷管、扩压管、节流阀）内的流动过程。本章学习内容1研究气体流动过程中2研究影响气体在管内流的气流速度变化能量转换状态参数变化的规律系统的外部条件管道截面积的变化1、沿流动方向上的一维问题：取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值。2、可逆绝热过程：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热，另外，不计管道摩擦。简化假设：本章主要讨论可逆绝热的一维稳定流动。§6-1绝热流动的基本方程一概念稳态稳流(稳定流动)状态不随时间变化恒定的流量二几个基本方程连续性方程绝热稳定流动能量方程定熵过程方程(1)连续性方程mmm.......21constvAcm0vdvAdAcdc由稳态稳流特点适用于任何工质可逆和不可逆过程截面面积气流速度气体比容①(2)绝热稳定流动能量方程swzzgcchhq)(2)(12212212dhcdccd22)(2212122hhcc适用于任何工质可逆和不可逆过程注：增速以降低本身储能为代价②(3)定熵过程方程式=constkpv0vdvkpdp可逆绝热过程方程式适用条件:(1)理想气体(2)定比热(3)可逆微分注意:变比热时K取过程范围内的平均值③三音速与马赫数spa)(kRTa微小扰动在流体中的传播速度压力波的传播过程可作定熵过程处理(1)音速0vdvkpdp定义式:定熵过程理想气体只随绝对温度而变kRTkpvvpkvvpvpass)()()(22(2)马赫数acM流速当地音速定义式M1超音速M=1临界音速M1亚音速312三种音速kRTa§6-2定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系vdpcdc由定熵过程dh=vdp得dc0dp0由此可见导致dc0dp0导致喷管中的流动特性扩压管中的流动特性dhcdc②vdpcdc0vdvkpdp)(vpdvkvcdccdckpvckpvcdcvdv2kpvcacMcdcMvdv20vdvAdAcdc二、管道截面变化的规律cdcMAdA)1(2连续性方程cdcMAdA)1(2管道截面变化气流速度变化注:扩压管dc0,故不同音速下的形状与喷管相反M1M1M1M1dA0渐缩dA0渐扩dA0dA0渐缩渐扩喷管dc0M=1dA=0临界截面喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系流动状态管道种类M1M1dc0dc0喷管dp012M10AdA渐缩渐扩扩喷管M1转M1渐缩渐扩扩压管M1转M112M10AdA21pp21ppM=1M1M121pp扩压管dp021pp21pp21pp0AdA0AdA12121212M=1§6-3喷管中流速及流量计算§6-4扩压管§6-5具有摩擦的流动§6-6绝热节流过程§6-3喷管中流速及流量计算22110chhpccTT2211011010kkTTpp一定熵滞止参数将具有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低为零时的参数定义：参数表达式1101)(10kTTvv下角标为0的是定熵滞止参数下角标为1的是进口参数二、喷管的出口流速)(2212122hhcckkppRTkkc10202112)(72.44202TTccp由绝热稳定流动能量方程对理想气体对实际气体三、临界压力比及临界流速1ppc(1)临界压力比])(1[121111kkccppvpkkc代入出口流速方程ccccvkpackkcccppvpvp1111)(10)12(kkckpp临界流速表达式定熵过程方程式：临界压力进口压力特别的对双原子气体：528.0四、流量与临界流量222vcfmkkvpvp2211)/(])()[(12112212112skgppppvpkkfmKKk一般通过计算最小截面的质量流量由连续性方程知，各个截面的质量流量相等（1）渐缩喷管的质量流量计算12bpp2cbppcbppcpp2理想气体的定熵流动出口截面质量流量注意的取值2p（2）渐缩渐扩喷管的流量计算mmaxm0cb1/ppc1/ppba1.0)/()12(1211122maxskgvpkkkfmk11)12(kkckpp正常工作时M=)/()12(121112minmaxskgvpkkkfmk五、喷管的计算fpkTpb、、、、001喷管的设计计算bpp2已知00ppppcbcbpp1)当即采用渐缩喷管。00ppppcbcbpp2）当即采用缩扩喷管。出发点：（2）渐缩喷管的校和计算fpkTpb、、、、00已知00ppppcbcbpp1)当即bpp200ppppcbcbpp2）当即cpp2喷管的最大流量cccvcfmmaxkg/s§6-4扩压管定熵流动的基本关系式和管道截面变化规律的关系式相同扩压管是在已知进口参数进口速度和出口速度的情况下计算出口压力扩压管与喷管的区别与联系注:动能损失得越多压力增加得越多扩压管的扩压比概念定义式12pp22222211cTccTcpp122211221TcccTTp11222111212)21()(kkpkkTcccTTpp进口压力出口压力由能量方程得则定熵过程§6-5具有摩擦的流动2'2cc221'21222'222hhhhcc定义式实际出口速度定熵过程出口速度大致在0.94至0.98之间速度系数喷管效率消耗一部分功一般在0.9至0.95之间内容回顾dhht100%vp1t=tw=td1ttwtdtwtas§湿空气的焓湿图pb=const§5-2湿空气的基本热力过程一、单纯加热或冷却过程dh12'12122’21kJ/kgqhh干空气2'1kJ/kgqhh干空气二、冷却去湿过程dh12'1212’340)(1414hhddhhqf三、绝热加湿过程d12hhh1121212hddhh水四、绝热混合过程112233aaamhmhmh112233aaamdmdmdd1d2ma2ma1ma3d3123aaammmd112h3h23h1ma1ma23213132132aahhhhmddddmh6.6绝热节流气流流经阀门、孔板等设备时，由于截面突然变小，气流局部受阻，造成压力下降的现象称为节流。如果节流过程是绝热的，则为绝热节流。绝热流动的能量方程式stwzzgcchhwhq)()(2112212212)(21212212cchh通常情况下,节流前后流速差别不大,即c2=c112hh绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是定焓过程。在缩孔附近，流速，焓12111chp222chphc一、绝热节流前后参数的变化(1)对理想气体12111chp222chpchp温度不变压力下降比容增加熵增加焓不变12ss12hh1212vvpp12TT(2)对实际气体节流前后焓不变,温度不一定不变绝热节流温度效应温度效应与气体的性质有关,还与其状态及压降有关热效应零效应冷效应温度降低温度不变温度升高绝热节流后气体的温度变化称为节流的温度效应焦耳-汤姆逊实验0J节流冷效应节流热效应节流零效应pphJcvTvTpT因为节流过程压力下降，即dp00J0J绝热节流系数（焦尔－汤姆逊系数）:节流前后气流温度的变化与压力变化的比值微分节流系数RTpvpRTvpRTvp)(0][1)(1])([1vvcvpRTcvTvTcppppJ证明:理想气体微分节流系数μJ=0.二、温度效应转变图(T-p图)保持状态1不变，改变阀门的开度得出一组节流后状态点2a,2b,2c,2d…dcbahhhhh22221在一定焓值范围内，定焓线都有一个温度极值点：0JhJpT等焓线的斜率冷效应区（J＞0）：回转曲线与温度轴包围的区域热效应区（J＜0）：回转曲线以外的区域微分节流的温度效应由节流前实际气体状态而定回转曲线回转点三、积分节流特性微分节流与积分节流①微分产生冷效应J＞0,即节流前气体处于冷效应区,积分也是冷效应.②微分产生热效应J0,即节流前气体处于热效应区,积分可能是冷效应也可能是热效应.为获得足够大的温降,节流时往往采取较大的压力降,这是温度变化叫做积分节流的温度效应.2a－2c为热效应，2a－2d为零效应，2a-2e为冷效应。有没有这种可能：节流过程终态在热效应区，而初态在冷效应区节流过程初态在热效应区，这时积分节流温度效应还与△p有关。四、最大转变压力图中pN为最大转变压力流体在大于pN的压力范围内不会发生节流冷效应。流体在小于pN的压力范围内的任一定压线与转变曲线有两个交点，对应温度：T1＝Tmax最大转变温度T2＝Tmin最小转变温度p0T1上转变温度T2下转变温度流体温度大于Tmax或小于Tmin时，不会发生节流冷效应。五、节流过程的应用制冷调节功率流体流量测量（孔板流量计）利用节流降低工质的压力水蒸气节流节流后工质的做功能力减小例题3、在蒸汽动力装置中，为了调节输出功率，让从锅炉出来的压力p1=2.5MPa、温度t1=490C的蒸汽，先经节流阀，使之压力降为p2=1.5MPa，然后再进入汽轮机定熵膨胀到40kPa。设环境温度为20C，求：（1）绝热节流后蒸汽的温度；（2）节流过程的熵变；（3）节流的有效能损失，并将其表示在T-S图上；（4）由于节流使技术功减少了多少？例题4、理想气体从初态1(p1,t1)进行不同过程到相同终压p2，一过程为经过喷管的不可逆绝热膨胀过程，另一过程为经过节流阀的绝热节流过程。若p1p2p0，T1T0（p0、T0为环境压力与温度），试在T-s图上表示此两过程，并根据图比较两过程作功能力损失的大小。