Isentropischer Wirkungsgrad der Düse: Was, wie, verschiedene Typen, Beispiele


Der Hauptzweck der Verwendung einer Düse besteht darin, die Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit durch Druck zu beschleunigen. In diesem Artikel werden wir über die isentropische Effizienz der Düse sprechen.

Der isentropische Wirkungsgrad der Düse ist das Verhältnis der tatsächlichen kinetischen Energie am Düsenaustritt und der isentropischen kinetischen Energie am Düsenaustritt für denselben Einlass- und Auslassdruck.

Eine Flüssigkeit wird in einer Düse beschleunigt, wenn sie sich von Hochdruck zu Niederdruck bewegt, wobei die kinetische Energie zunimmt. Reibungsverluste innerhalb der Düse verringern den Flüssigkeits-KE und erhöhen die Temperatur der Flüssigkeit, wodurch ihre Entropie erhöht wird.

Isentroper Wirkungsgrad der Düse
Eine Düse aus der Ariane 5 Rakete; Bildnachweis: wikipedia

Düsen werden unter adiabatischen Bedingungen betrieben, aber der ideale Prozess für eine Düse ist der isentrope Prozess. Um einen Vergleich zwischen der tatsächlich geleisteten Arbeit und der Arbeit unter isentropischen Bedingungen eines Geräts zu haben, wird ein Parameter namens Isentropen-Effizienz verwendet.

Eine Wasserdüse; Bildnachweis: wikipedia

Was ist der isentrope Wirkungsgrad der Düse?

Der isentrope Prozess beinhaltet keine Irreversibilitäten und dient als idealer Prozess für adiabatische Vorrichtungen.

Turbinen, Kompressoren und Düsen arbeiten unter adiabatischen Bedingungen. Da sie nicht wirklich isentrop sind, werden sie rechnerisch als isentrop betrachtet. Der isentropische Wirkungsgrad ist der Parameter für eine Düse, eine Turbine oder einen Kompressor, der definiert, wie effizient sich diese Geräte einem entsprechenden isentropischen Gerät annähern.

Näher an einem idealisierten isentropen Prozess wird die Leistung der Düse verbessert.

IsentropeEffizienz der Düse ist im Allgemeinen größer als 95 %. Verluste durch Irreversibilitäten sind also bei einer gut ausgelegten Düse sehr gering.

Was ist eine Düse?

Düsen sind die am weitesten verbreiteten stationären Strömungsvorrichtungen in Dampfturbinen, Gasturbinen und Raketen.

Düse ist ein Gerät, oft ein Rohr oder eine Röhre mit unterschiedlicher Querschnittsfläche, die verwendet wird, um die Richtung des Flusses sowie die Austrittsgeschwindigkeit, Masse, Form und den Druck des Flusses zu steuern. In einer Düse wird Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt, oder wir können sagen, dass die Fluidgeschwindigkeit unter Aufwendung von Druckenergie zunimmt.

Je nach erforderlicher Geschwindigkeit und Machzahl des Fluids können Düsen in konvergenten Typ, divergenten Typ und konvergent-divergenten Typ kategorisiert werden. Die Düse kann sowohl für Unterschall- als auch für Überschallströmungen verwendet werden.

Eine De Laval-Düse; Bildnachweis: Wikipedia

In der obigen Abbildung eine de Laval-Düse, die eine ungefähre Strömungsgeschwindigkeit zeigt, die in Strömungsrichtung von grün nach rot zunimmt

Isentropische Effizienz der Düsenformel

Isentrope Effizienz stellt den Leistungsindex einer Düse dar. Ein Vergleich der Düsenleistung im Vergleich zu einem isentropischen Prozess.

Der isentropische Wirkungsgrad der Düse kann als das Verhältnis des tatsächlichen Enthalpieabfalls zum isentropischen Enthalpieabfall zwischen den gleichen Drücken definiert werden.

Isentropischer Wirkungsgrad der Düse = Tatsächlicher Enthalpieabfall/Isentropischer Enthalpieabfall

Die Isentropen-Effizienz-Formel ist das Maß für die Abweichung der tatsächlichen Prozesse von den entsprechenden idealisierten. Das Verhältnis der tatsächlich von einer Düse geleisteten Arbeit zu der von der Düse unter isentropischen Bedingungen geleisteten Arbeit wird als isentropischer Düsenwirkungsgrad bezeichnet.

Isentroper Wirkungsgrad einer Düse ηN= Tatsächliche kinetische Energie am Düsenausgang/isentropische kinetische Energie am Düsenausgang.

Theoretisch wird der Prozess innerhalb der Düse als isentrop angesehen, aber aufgrund von Reibungsverlusten ist der Prozess irreversibel.

Enthalpie Entropiediagramm für eine Strömung in einer Düse

Prozess 1-2: Isentroper Prozess

Prozess1- 2{}': Tatsächlicher Prozess

Wirkungsgrad der Düse,

Für Prozess 1-2, Beantragung von SFEE,

 Oder,

Für Prozess 1-2′, Anwendung von SFEE,

Oder,

Nun erhalten wir aus Gleichung (1), indem wir die Werte von h1 – h2 und h1 – h2` ersetzen

Gleichung (1) und (4) sind die Formeln zur Berechnung des Isentropen Wirkungsgrades von Düse.

Wie findet man den isentropischen Wirkungsgrad der Düse?

Eine Düse reduziert den Druck der Strömung und beschleunigt gleichzeitig die Strömung, um einen Schub zu erzeugen.

Aufgrund der Reibung mit der Oberfläche der Düse findet ein gewisser Wärmeverlust durch den Dampf statt. Der Reibungseffekt erhöht auch den Trockenheitsanteil des Dampfes, weil die durch Reibung verlorene Energie in Wärme umgewandelt wird, die dazu neigt, den Dampf zu trocknen oder zu überhitzen.

Im Falle der Fluiddynamik bezeichnet ein Stagnationspunkt einen Punkt, an dem die lokale Geschwindigkeit eines Fluids Null bleibt, und ein isentropischer Stagnationszustand stellt einen Zustand dar, in dem ein Fluidstrom eine reversible adiabatische Verzögerung auf eine Geschwindigkeit von Null durchläuft.

Für Gase werden sowohl tatsächliche als auch isentrope Zustände verwendet.

Enthalpie Entropiediagramm für Stagnationszustand; Bildnachweis: wikipedia

Der Ist-Stagnationszustand ergibt sich für die Ist-Verzögerung auf Nullgeschwindigkeit, Irreversibilität kann auch damit einhergehen. Aus diesem Grund wird die Stagnationseigenschaft manchmal für tatsächliche Zustandseigenschaften umgekehrt und der Begriff Gesamteigenschaft für isentrope Stagnationszustände verwendet.

Sowohl der isentropische als auch der tatsächliche Stagnationszustand haben die gleiche Enthalpie, die gleiche Temperatur (für ideales Gas), aber der Druck kann im Falle des isentropischen Stagnationszustands höher sein als im tatsächlichen Stagnationszustand.

Bei einer Düse ist die Eintrittsgeschwindigkeit im Vergleich zur Austrittsgeschwindigkeit einer Strömung vernachlässigbar.

Aus der Energiebilanz

Isentropischer Wirkungsgrad der Düse = Tatsächlicher Enthalpieabfall/Isentropischer Enthalpieabfall

Wo h1 = spezifische Enthalpie des Gases am Eintritt

h2a = spezifische Enthalpie des Gases am Ausgang für den aktuellen Prozess

h2s = spezifische Enthalpie des Gases am Ausgang für den isentropen Prozess

Beispiel einer Düse mit isentropischem Wirkungsgrad

Beispiel: Dampf tritt mit 1.4 MPa 250 in eine Düse ein0 C und vernachlässigbarer Geschwindigkeit und dehnt sich auf 115 KPa und eine Qualität von 97 % trocken aus. Bestimmen Sie die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes.

Lösung: Gegebene Daten , Anfangsdruck, P1=1.4MPa

 =14bar

Anfangstemperatur, T1= 2500 C

Enddruck,P2=115 kPa= 1.15 x 105 Pa = 1.15 bar

Dampfqualität am Ausgang, x2= 0.97

Austrittsgeschwindigkeit, V2=?

Vernachlässigung der Anfangsgeschwindigkeit, Austrittsgeschwindigkeit,

Betrachtet man die Anfangsgeschwindigkeit,

h1= Enthalpie im Anfangszustand, dh bei 1.14 MPa, dh bei 14 bar 2500C, aus Dampftabellen,

h1= 2927.6 KJ/kg

h2= Enthalpie bei Austrittsbedingung, dh bei 115 KPa, dh bei 1.15 bar x2=0.97, aus Dampftabellen

hf2=434.2 KJ/kg

hfg2=2247.4 KJ/kg

Daher die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes,

Sangeeta Das

Ich bin Sangeeta Das. Ich habe meinen Master in Maschinenbau mit Spezialisierung auf Verbrennungsmotoren und Automobile abgeschlossen. Ich habe rund zehn Jahre Erfahrung in Industrie und Wissenschaft. Mein Interessengebiet umfasst Verbrennungsmotoren, Aerodynamik und Strömungsmechanik. Sie erreichen mich unter https://www.linkedin.com/in/sangeeta-das-57233a203/

Neueste Beiträge