Efficienza isentropica dell'ugello: cosa, come, diversi tipi, esempi


Lo scopo principale dell'utilizzo di un ugello è accelerare la velocità di un fluido che scorre usando la pressione. In questo articolo parleremo dell'efficienza isentropica dell'ugello.

L'efficienza isoentropica dell'ugello è il rapporto tra l'energia cinetica effettiva all'uscita dell'ugello e l'energia cinetica isoentropica all'uscita dell'ugello per le stesse pressioni di ingresso e di uscita.

Un fluido accelera in un ugello mentre si sposta da alta pressione a bassa pressione con un aumento dell'energia cinetica. Le perdite per attrito all'interno dell'ugello riducono il fluido KE e aumentano la temperatura del fluido, aumentandone l'entropia.

efficienza isoentropica dell'ugello
Un ugello dal Ariane 5 razzo; Credito immagine: wikipedia

Gli ugelli funzionano in condizioni adiabatiche, ma il processo ideale per un ugello è il processo isoentropico. Per avere un confronto tra il lavoro effettivo svolto e il lavoro in condizioni isoentropiche di un dispositivo, viene utilizzato un parametro chiamato Efficienza Isentropica.

Un ugello per l'acqua; Credito immagine: wikipedia

Qual è l'efficienza isentropica dell'ugello?

Il processo isentropico non comporta irreversibilità e funge da processo ideale per i dispositivi adiabatici.

Turbine, compressori e ugelli lavorano in condizioni adiabatiche. Dal momento che non sono veramente isoentropici, sono considerati isoentropici dal punto di vista del calcolo. L'efficienza isoentropica è il parametro per un ugello, una turbina o un compressore che definisce l'efficienza con cui questi dispositivi si avvicinano a un dispositivo isoentropico corrispondente.

Più vicino a un processo isoentropico idealizzato, migliori saranno le prestazioni dell'ugello.

IsentropicL'efficienza dell'ugello è generalmente superiore al 95%. Quindi le perdite dovute a irreversibilità sono molto piccole nel caso di un ugello ben progettato.

Cos'è un ugello?

Gli ugelli sono i dispositivi a flusso costante più utilizzati nelle turbine a vapore, nelle turbine a gas e nei razzi.

L'ugello è un dispositivo spesso un tubo o un tubo di area della sezione trasversale variabile utilizzato per controllare la direzione del flusso, nonché la velocità di uscita, la massa, la forma e la pressione del flusso. All'interno di un ugello l'energia di pressione viene convertita in energia cinetica o possiamo dire che la velocità del fluido aumenta con un dispendio di energia di pressione.

A seconda della velocità richiesta e del numero di macchina del fluido, gli ugelli possono essere classificati come tipo convergente, tipo divergente e tipo convergente-divergente. L'ugello può essere utilizzato sia per flussi subsonici che supersonici.

Un ugello De Laval; Credito immagine: wikipedia

Nella figura sopra, un ugello de Laval, che mostra una velocità di flusso approssimativa che aumenta dal verde al rosso nella direzione del flusso

Efficienza isentropica della formula dell'ugello

Efficienza isoentropica rappresenta l'indice di prestazione di un ugello. Un confronto delle prestazioni dell'ugello rispetto a un processo isoentropico.

L'efficienza isoentropica dell'ugello può essere definita come il rapporto tra la caduta di entalpia effettiva e la caduta di entalpia isoentropica tra le stesse pressioni.

Efficienza isentropica dell'ugello=Calo di entalpia effettivo/Calo di entalpia isentropico

La formula dell'efficienza isentropica è la misura della deviazione dei processi effettivi da quelli idealizzati corrispondenti. Il rapporto tra il lavoro effettivo svolto da un ugello e il lavoro svolto dall'ugello in condizioni isoentropiche è chiamato efficienza dell'ugello isoentropico.

Rendimento isentropico di un ugello ηN= Energia cinetica effettiva all'uscita dell'ugello/ Energia cinetica isoentropica all'uscita dell'ugello.

Teoricamente il processo all'interno dell'ugello è considerato isoentropico ma a causa delle perdite per attrito il processo è irreversibile.

Entalpia Diagramma di entropia per un flusso all'interno di un ugello

Processo 1-2: Processo isoentropico

Processo1- 2{}':Processo effettivo

Efficienza dell'ugello,

Per il processo 1-2, applicando SFEE,

 oro,

Per il processo 1-2′, applicando SFEE,

oro,

Ora dall'Eq(1) sostituendo i valori di h1 – h2 e h1 – h2` otteniamo

Le equazioni (1) e (4) sono le formule per calcolare l'efficienza isentropica di Ugello.

Come trovare l'efficienza isoentropica dell'ugello?

Un ugello riduce la pressione del flusso e allo stesso tempo accelera il flusso per creare una spinta.

Una certa quantità di perdita di calore avviene dal vapore a causa dell'attrito con la superficie dell'ugello. L'effetto di attrito aumenta anche la frazione di secchezza del vapore, perché l'energia persa per attrito viene trasferita in calore che tende ad asciugare o surriscaldare il vapore.

Nel caso della fluidodinamica, il punto di ristagno indica un punto in cui la velocità locale di un fluido rimane zero e lo stato di ristagno isoentropico rappresenta uno stato in cui un flusso di fluido attraversa una decelerazione adiabatica reversibile fino a velocità zero.

Sia lo stato attuale che quello isoentropico sono usati per i gas.

Diagramma dell'entropia dell'entalpia per lo stato di stagnazione; Credito immagine: wikipedia

L'effettivo stato di stagnazione si ottiene per la decelerazione effettiva a velocità zero, può essere associata anche l'irreversibilità. Per questo motivo la proprietà di stagnazione è talvolta invertita per le proprietà dello stato attuale e il termine proprietà totale viene applicato per gli stati di stagnazione isoentropica.

Sia lo stato di ristagno isoentropico che quello effettivo hanno la stessa entalpia, la stessa temperatura (per il gas ideale) ma può essere che la pressione sia maggiore in caso di stato di ristagno isoentropico rispetto allo stato di ristagno effettivo.

Nel caso di un ugello la velocità di ingresso è trascurabile rispetto alla velocità di uscita di un flusso.

Dal bilancio energetico,

Efficienza isentropica dell'ugello=Calo di entalpia effettivo/Calo di entalpia isentropico

Dove h1 =entalpia specifica del gas in ingresso

h2a =entalpia specifica del gas all'uscita del processo vero e proprio

h2s = entalpia specifica del gas all'uscita del processo isoentropico

Esempio di ugello ad efficienza isentropica

Esempio: Il vapore entra in un ugello a 1.4 MPa 2500 C e velocità trascurabile e si espande a 115 KPa e una qualità del 97% di secco. Determina la velocità di uscita del vapore.

Soluzione: Dati dati, Pressione iniziale, P1= 1.4MPa

 =14 bar

Temperatura iniziale, T1= 2500 C

Pressione finale, P2=115 KPa= 1.15 x 105 Pa=1.15 bar

Qualità del vapore in uscita, x2= 0.97

Velocità di uscita, V2=?

Trascurando la velocità iniziale, Exit Velocity,

Considerando la velocità iniziale,

h1=Entalpia alla condizione iniziale cioè a 1.14 MPa cioè a 14 bar 2500C, dalle tavole a vapore,

h1=2927.6 KJ/Kg

h2=Entalpia alla condizione di uscita cioè a 115 KPa cioè a 1.15 bar x2=0.97, da tabelle di vapore

hf2=434.2 KJ/kg

hfg2=2247.4 KJ/kg

Da qui la velocità di uscita del vapore,

Sangeeta Das

Sono Sangeeta Das. Ho completato il mio Master in Ingegneria Meccanica con specializzazione in IC Engine and Automobiles. Ho circa dieci anni di esperienza nel settore e nel mondo accademico. La mia area di interesse include motori IC, aerodinamica e meccanica dei fluidi. Puoi raggiungermi su https://www.linkedin.com/in/sangeeta-das-57233a203/

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