噴嘴的等熵效率:什麼、如何、幾種類型、示例

使用噴嘴的主要目的是利用壓力加速流動流體的速度。 在本文中,我們將討論噴嘴的等熵效率。

噴嘴的等熵效率是在相同的入口和出口壓力下,噴嘴出口處的實際動能與噴嘴出口處的等熵動能之比。

當流體從高壓移動到低壓時,流體在噴嘴中加速,動能增加。 噴嘴內的摩擦損失降低了流體的 KE 並提高了流體的溫度,從而增加了其熵。

噴嘴的等熵效率
一個噴嘴來自 阿麗亞娜5 火箭; 圖片來源: 維基百科

噴嘴在絕熱條件下運行,但噴嘴的理想過程是等熵過程。 為了比較實際完成的功和設備在等熵條件下的功,使用了一個稱為等熵效率的參數。

一個水嘴; 圖片來源: 維基百科

什麼是噴嘴的等熵效率?

等熵過程不涉及不可逆性,是絕熱裝置的理想過程。

渦輪機、壓縮機和噴嘴在絕熱條件下工作。 由於它們不是真正的等熵,因此從計算的角度來看,它們被認為是等熵的。 等熵效率是噴嘴、渦輪機或壓縮機的參數,它定義了這些設備接近相應等熵設備的效率。

更接近理想化的等熵過程,噴嘴的性能將得到改善。

噴嘴的等熵效率一般大於95%。 因此,在設計良好的噴嘴的情況下,由於不可逆性造成的損失非常小。

什麼是噴嘴?

噴嘴是汽輪機、燃氣輪機和火箭中應用最廣泛的穩流裝置。

噴嘴是一種裝置,通常是具有不同橫截面積的管道或管子,用於控制流動方向以及流動的出口速度、質量、形狀和壓力。 在噴嘴內部,壓力能轉化為動能,或者我們可以說流體速度隨著壓力能的消耗而增加。

根據流體所需的速度和馬赫數,噴嘴可分為收斂型、發散型和收斂-發散型。 噴嘴可用於亞音速和超音速流動。

拉伐爾噴嘴; 圖片來源: 維基百科

在上圖中,一個 de Laval 噴嘴,顯示了在流動方向上從綠色到紅色的近似流速

噴嘴公式的等熵效率

等熵效率 表示噴嘴的性能指標。 噴嘴性能相對於等熵過程的比較。

噴嘴的等熵效率可以定義為相同壓力之間實際焓降與等熵焓降之比。

噴嘴等熵效率=實際焓降/等熵焓降

等熵效率公式是實際過程與相應理想化過程的偏差的度量。 在等熵條件下,噴嘴所做的實際功與噴嘴所做的功之比稱為等熵噴嘴效率。

噴嘴的等熵效率 ηN= 噴嘴出口處的實際動能/噴嘴出口處的等熵動能。

理論上,噴嘴內部的過程被認為是等熵的,但由於摩擦損失,該過程是不可逆的。

噴嘴內流動的焓熵圖

過程 1-2:等熵過程

Process1- 2{}':實際流程

噴嘴效率,

對於流程 1-2,應用 SFEE,

 或者,

對於過程 1-2',應用 SFEE,

或者,

現在從 Eq(1) 代入 h1 – h2 和 h1 – h2` 的值,我們得到

等式(1)和(4)是 計算等熵效率的公式 噴嘴。

如何求出噴嘴的等熵效率?

噴嘴降低了流動的壓力,同時加快了流動以產生推力。

由於與噴嘴表面的摩擦,蒸汽會產生一些熱量損失。 摩擦效應也增加了蒸汽的干度,因為在摩擦中損失的能量被轉化為熱量,從而使蒸汽變乾或過熱。

在流體動力學的情況下,停滯點表示流體的局部速度保持為零的點,而等熵停滯狀態表示流體流經過可逆絕熱減速到零速度的狀態。

實際狀態和等熵狀態都用於氣體。

停滯狀態的焓熵圖; 圖片來源: 維基百科

實際減速到零速度時獲得實際停滯狀態,也可能與不可逆性有關。 出於這個原因,實際狀態屬性有時會顛倒停滯屬性,並且術語總屬性適用於等熵停滯狀態。

等熵和實際停滯狀態具有相同的焓,相同的溫度(對於理想氣體),但與實際停滯狀態相比,等熵停滯狀態的壓力可能更大。

在噴嘴的情況下,與流動的出口速度相比,入口速度可以忽略不計。

從能量平衡來看,

噴嘴等熵效率=實際焓降/等熵焓降

哪裡 h1 =入口處氣體的比焓

h2a =實際過程出口處的氣體比焓

h2s = 等熵過程出口處的氣體比焓

等熵效率噴嘴示例

: 蒸汽以 1.4 MPa 250 進入噴嘴0 C 和可忽略的速度和膨脹到 115 KPa 和 97% 的干燥質量。 確定蒸汽的出口速度。

解決方案:給定數據,初始壓力,P1=1.4MPa

 =14 巴

初始溫度,T1= 2500 C

最終壓力,P2=115 千帕= 1.15 x 105 帕=1.15 巴

出口蒸汽質量,x2= 0.97

出口速度,V2=?

忽略初始速度,退出速度,

考慮初始速度,

h1=初始條件下的焓,即 1.14 MPa 即 14 bar 2500C,來自蒸汽表,

h1=2927.6 千焦/千克

h2=退出條件下的焓,即 115 KPa 即 1.15 bar x2=0.97,來自蒸汽表

hf2=434.2 千焦/公斤

hFG2=2247.4 千焦/公斤

因此蒸汽的出口速度,

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