Drosselungsprozess – Isenthalpischer Prozess
Ein Drosselprozess ist ein thermodynamischer Prozess , bei dem die Enthalpie des Gases oder Mediums konstant bleibt (h = const) . Tatsächlich ist der Drosselungsprozess einer der isenthalpischen Prozesse . Während des Drosselvorgangs werden keine Arbeiten von oder am System ausgeführt (dW = 0), und normalerweise findet keine Wärmeübertragung ( adiabatisch ) vom oder in das System (dQ = 0) statt. Andererseits kann der Drosselungsprozess nicht isentrop sein, sondern ist ein grundsätzlich irreversibler Prozess . Eigenschaften des Drosselungsprozesses:
- Keine Arbeitsübertragung
- Keine Wärmeübertragung
- Irreversibler Prozess
- Isenthalpischer Prozess
Eine Drosselung der Strömung verursacht erhebliche Verringerung des Drucks , becauses eine Drosselvorrichtung mit einem verursacht lokalen Druckverlust . Eine Drosselung kann einfach durch Einführen einer Drossel in eine Leitung erreicht werden, durch die ein Gas oder eine Flüssigkeit fließt. Diese Einschränkung erfolgt üblicherweise mittels eines teilweise geöffneten Ventils oder eines porösen Stopfens. Solche Druckverluste werden im Allgemeinen als geringfügige Verluste bezeichnet , obwohl sie häufig einen großen Teil des Kopfverlusts ausmachen . Die geringfügigen Verluste sind ungefähr proportional zum Quadrat der Durchflussrate und können daher durch den Widerstandskoeffizienten K leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden .
Stellen Sie sich zum Beispiel eine Drosselung eines idealen Gases vor, das durch ein teilweise geöffnetes Ventil strömt. Aus Erfahrung können wir Folgendes beobachten: p in > p out , v in <v out , wobei p der Druck und v das spezifische Volumen ist . Wir können auch beobachten, dass bestimmte Enthalpien gleich bleiben, dh h in = h out .
Die spezifische Enthalpie entspricht der spezifischen inneren Energie des Systems plus dem Produkt aus Druck und spezifischem Volumen .
h = u + pv
Wenn der Druck abnimmt, muss daher das spezifische Volumen zunehmen, wenn die Enthalpie konstant bleiben soll (vorausgesetzt, u ist konstant). Da der Massenstrom konstant ist, wird die Änderung des spezifischen Volumens als Zunahme der Gasgeschwindigkeit beobachtet , und dies wird auch durch Beobachtungen verifiziert.
Wenn sich die innere Energie u ändert, muss sich die Temperatur ändern . Normalerweise sinkt die Temperatur der Flüssigkeit. In besonderen Fällen kann die Temperatur jedoch gleich bleiben oder ansteigen.
Joule-Thomson-Effekt – Joule-Thomson-Koeffizient
Die Temperaturänderungen während des Drosselvorgangs unterliegen dem Joule-Thomson-Effekt . Bei Raumtemperatur und Normaldruck kühlen alle Gase außer Wasserstoff und Helium während der Gasexpansion ab. Die Abkühlung erfolgt, weil daran gearbeitet werden muss, die weitreichende Anziehungskraft zwischen den Gasmolekülen zu überwinden, wenn sie sich weiter auseinander bewegen. Der Effekt hängt vom Wert des Joule-Thomson-Koeffizienten ab , der definiert ist als:
Eine Anwendung des Drosselungsprozesses erfolgt in Dampfkompressionskühlschränken, bei denen ein Drosselventil verwendet wird, um den Druck und die Temperatur des Kältemittels vom Druck am Ausgang des Kondensators auf den im Verdampfer vorhandenen niedrigeren Druck zu senken.
Drosselung von Nassdampf
Nassdampf zeichnet sich durch die Dampfqualität aus , die von null bis eins reicht – offenes Intervall (0,1). Das Drosseln des feuchten Dampfes ist auch mit der Erhaltung der Enthalpie verbunden . Die Enthalpie bleibt erhalten, da keine Arbeit vom oder am System ausgeführt wird (dW = 0) und normalerweise keine Wärmeübertragung (adiabatisch) vom oder in das System erfolgt (dQ = 0). In diesem Fall führt eine Druckreduzierung jedoch zu einer Erhöhung der Dampfqualität . Wenn der Druck abfällt, verdampft ein Teil der Flüssigkeit im feuchten Dampf und erhöht die Dampfqualität (dh Trockenheitsanteil). Dieser Vorgang findet aufgrund der Sättigungstemperatur stattist bei niedrigerem Druck niedriger. Der Dampf mit niedrigerer Temperatur, niedrigerem Druck und höherer Qualität enthält die gleiche Enthalpie wie der ursprüngliche Dampf.
Beispiel: Drosselung von Nassdampf
Eine Hochdruckstufe der Dampfturbine arbeitet im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (Punkt C). Dampf verlässt diese Turbinenstufe mit einem Druck von 1,15 MPa, 186 ° C und x = 0,87 (Punkt D). Bestimmen Sie die Dampfqualität des Dampfes bei Drosselung von 1,15 MPa auf 1,0 MPa. Angenommen, der Prozess ist adiabatisch und das System erledigt keine Arbeit.
Das Drosseln von feuchtem Dampf führt normalerweise zu einer Erhöhung der Dampfqualität, einer Erhöhung der Entropie und einer Verringerung der Temperatur.
Siehe auch: Dampftabellen
Lösung:
Die Enthalpie für den Zustand D muss anhand der Dampfqualität berechnet werden:
h D, nass = h D, Dampf x + (1 – x) h D, flüssig = 2782. 0,87 + (1 – 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg
Da es sich um einen isenthalpischen Prozess handelt, kennen wir die Enthalpie für Punkt T. Aus Dampftabellen müssen wir die Dampfqualität unter Verwendung derselben Gleichung ermitteln und die Gleichung für die Dampfqualität x lösen:
h T, nass = h T, Dampf x + (1 – x) h T, flüssig
x = ( h T, nass – h T, flüssig ) / ( h T, Dampf – h T, flüssig ) = (2523 – 762) / (2777 – 762) = 0,874 = 87,4%
In diesem Fall des Drosselprozesses (1,15 MPa bis 1 MPa) steigt die Dampfqualität von 87% auf 87,4% und die Temperatur sinkt von 186 ° C auf 179,9 ° C.
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