Критическое давление pk в выходном сечении канала - такое, при котором достигается максимальный расход газа. Определяется выражением
pk = p 2 = βk ∙ p 1, (5.10)
где βk - критическое значение отношения давлений p 2/ p 1, 
.
Для одноатомных газов k =1,66; βk = 0,49;
Для двухатомных газов k =1,4; βk = 0,528;
Для трехатомных газов k =1,3; βk = 0,546.
Критическая скорость - скорость газа в выходном сечении канала при давлении, равном или меньшем критического pk:
. (5.11)
Критическая скорость при истечении идеального газа зависит только от начальных параметров, его природы и равна скорости звука газа а при критических параметрах: 
. (5.12)
Комбинированное сопло Лаваля предназначено для использования больших перепадов давления и получения скоростей истечения, превышающих критическую или скорость звука. Состоит из ко-роткого суживающегося участка и расширяющейся конической насадки (рис. 5.1).
Опыты показывают, что угол конусности расширяющейся части должен быть α=8-12о. При больших углах наблюдается отрыв струи от стенок канала. Скорость истечения и секундный расход идеального газа определяются по формулам (5.7) и (5.9). Длина расширяющейся части сопла
l = (D /2 - d /2)· tg (α /2), (5.13)
где α - угол конусности сопла; D - диаметр выходного отверстия; d – диаметр сопла в сжатом сечении.
Дросселирование
Дросселирование - явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты. Происходит в трубопроводе, где имеется сужение проходного канала (рис. 5.2). Вследствие сопротивлений, давление за сужением p 2 всегда меньше давления перед ним p 1.
|
При прохождении газа через отверстие кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления.
Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование вихрей и превращается в теплоту. В теплоту превращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется (уменьшается или увеличивается).
В отверстии скорость газа увеличивается. За отверстием газ опять течет по всему сечению, и скорость его вновь понижается. А давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается. Некоторое изменение скорости происходит в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.
Дросселирование - необратимый процесс, при котором растёт энтропия и снижается работоспособность рабочего тела.
Изменение энергии газа в ходе этого процесса равно работе:
u 2 - u 1 = p 1 v 1 - p 2 v 2
или
u 2 + p 2 v 2 = u 1+ p 1 v 1.
Из определения энтальпии (h=u+pv) следует, что энтальпия в результате дросселирования не изменяется. Уравнение процесса дросселирования:
h 1 =h 2. (5.14)
Равенство (5.14) справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.
Для идеальных газов энтальпия газа - однозначная функция температуры. Отсюда следует, что при дросселировании идеального газа его температура не изменяется (Т 1= Т 2).
При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура изменяется (увеличивается, уменьшается или остается неизменной).
Изменение температуры жидкостей и реальных газов при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю.
Дифференциальный температурный эффект
α = (∂T / ∂p) i. (5.15)
Величина α называется коэффициентом Джоуля-Томсона.
Интегральный температурный эффект
. (5.16)
Для реальных газов Δ T ≠0 и может иметь положительный или отрицательный знак.
Состояние газа, при котором температурный эффект меняет свой знак, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии Т инв:
Т инв= v ·(∂ Т /∂ v)p. (5.17)
Процесс Джоуля - Томсона используют для получения низких температур. Для этой цели обычно применяют интегральный процесс, при котором давление изменяется в широких пределах.
