Если перемещение газа по каналу происходит его расширение с уменьшением давления и увеличением скорости, то такой канал называется соплом. Если в канале происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и уменьшением скорости, то такой канал называют диффузором. В каналах при небольшой разности давлений газа и внешней среды скорость течения рабочего тела достаточно большая. В большинстве случаев длина канала небольшая и процесс теплообмена между стенкой и газом незначителен, поэтому процесс истечения газа можно считать адиабатным. Скорость истечения (на выходе канала) определяется из уравнения:
w = w2 = v 2(h1 – h2) . (5.6)
или
w = v 2Ö/(g - 1)·P1·х 1 [1 – (P2/P1)(g-1)/g]. (5.7)
Массовый секундный расход газа, [кг/с]:
m = f·w/х 2 , (5.8)
где: f – площадь сечения канала на выходе. Так как процесс истечения адиабатный, то:
m = f·Ö 2g/(g - 1)·P1/х 1·[(P2/P1)2/g – (P2/P1)(g+1)/g]. (5.9)
Массовый секундный расход идеального газа зависит от площади выходного канала, начального состояния газа и степени его расширения. Критическим давлением называется такое давление на выходном сечении канала, при котором достигается максимальный расход газа и определяется следующим выражением:
PК = P2 = bК·P1 , (5.10)
где: PК = (2/(g + 1))г/(г-1) . для одноатомных газов: g =1,66 q bК = 0,49 ; для двухатомных газов: g =1,4 q bК = 0,528 ; для трехатомных газов: g =1,3 q bК = 0,546 . Критической скоростью называется скорость газа в выходном сечении канала, при давлении равном или меньшем критического - PК.
wК = Ö 2(g/(g + 1))·P1·х 1 . (5.11)
Критическая скорость зависит при истечении идеального газа только от начальных параметров, его природы и равна скорости звука газа (а) при критических параметрах.
wК = а = Ö g·PК·хК . (5.12)
Комбинированное сопло Лаваля предназначено для использования больших перепадов давления и для порлучения скоростей истечения, превышающих критическую или скорость звука. Сопло Лаваля состоит из короткого суживающегося участка и расширяющейсяя конической насадки (Рис.5.1). Опыты показывают, что угол конусности расширяющейся части должен быть равен a = 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). Длину расширяющейся части сопла можно определить по уравнению:
l = (D – d) / 2·tg(j/2) , (5.13)
где: j - угол конусности сопла; D - диаметр выходного отверстия; d - диаметр сопла в минимальном сечении.