Прежде чем переходить к расчетам истечения струи по Сен-Венану, давайте проанализируем результаты расчетов в вашей таблице (рис 10).
Реально измеренными параметрами мы можем считать давление воздуха в ресивере (Р1), температура воздуха в ресивере (Т1), площадь сечения проходного отверстия (S), сила давления струи на площадку весов.
Далее вы принимаете тепловую скорость молекул за скорость вылета струи из ресивера при любом перепаде давления (U = 490 м/сек). При 300 К эта скорость должна быть немного выше, но это не так уж принципиально. Принципиально то, что вы на полном серьёзе считаете, что скорость выхлопной струи равна скорости свободного пробега молекул.
И вас не смущает, что снаружи ресивера имеется воздушная атмосфера с такой же температурой 300 К и с такой же тепловой скоростью молекул, которые по какой-то неведомой причине не хотят залетать в ресивер через отверстие.
С помощью электронных весов (с необъявленной вами точностью) вы замеряете давление на площадку весов (Fr). Для проверки можно рассчитать значение силы давления струи (F) на площадку весов, умножая плотность р2 на квадрат скорости струи U и на площадь сечения струи.
По тексту статьи рассчитанная таким образом сила давления струи (F) должна совпадать с результатами показания весов (Fr). Но. не тут-то было. Расчетное значение силы гораздо меньше замеренного с помощью весов значения: F < Fr.
В приведенной здесь таблице синим цветов выделены расчетные данные, а красным цветом - результаты весовых замеров. Расхождение колеблется от 1,79 раза до 2,65 раза.
Хотелось бы понять, в чем тут дело ?
Далее вы вычисляете давление в струе (Р2*), на основании уже известной температуры Т2 = 200 К, которая почему-то одинакова для всех перепадов давления. Плотность воздуха в струе уже была подсчитана. Осталось подставить в формулу P2 = p2*R*T2 соответствующие значения.
Но и тут что-то не так. В шестом столбце - корректный расчет Р2, а в седьмом столбце результаты расчета автора статьи (выделено красным цветом). Откуда такое большое расхождение ?
Кстати, когда вы выполняете инженерные расчеты, а не химические, проще использовать массовое значение газовой постоянной для воздуха: R = 287,05 Дж/(кг*К).
В МВТУ нам читал лекции по гидравлике уникальный преподаватель - Игорь Васильевич Матвеев. Один из главных его принципов: "Знание скрыть можно, а вот незнание скрыть нельзя". У него на экзаменах можно было пользоваться любыми шпаргалками, учебниками, задачниками с решениями примеров, но это все не помогало скрыть незнание...
В п. 1. Рассматривая идеальный ресивер, вы не поняли главного - для поддержания постоянного давления, компрессор должен непрерывно совершать работу для компенсации потери порции энергии, покинувшей ресивер вместе с порцией газа.
В теории газовых компрессоров данная работа получила наименование "работа проталкивания". Численно она равна произведению объема проталкиваемой в ресивер порции газа на величину давления в ресивере (dАпр=dV*Pp).
Работа проталкивания превышает ту порцию кинетической энергии, которой обладает порция газа, вылетевшая из ресивера. А вы умудряетесь в балансе энергий приравнивать работу проталкивания нулю.
В п. 2. Рассматривая стравливание газа из баллона, вы с упорством повторяете ту же ошибку. Вы с легкостью пренебрегаете убылью внутренней энергии газа в баллоне, не сопоставив её с кинетической энергией малой порции газа, вылетевшей из баллона. И вам невдомек, что убыль внутренней энергии в данном примере сопоставима с кинетической энергией малой порции газа, вылетевшей из баллона.
Я уверен, что вы изучали в своём ВУЗе дифференциальное исчисление и наверняка знакомы с конечно-разностными методами расчета динамических процессов. Так что же вы тут позволяете себе откровенные ляпы.
Как обещал, я выполню расчеты примеров истечения воздуха по Сен-Венану применительно к параметрам вашей установки. Но хочу заранее уточнить, вы свои расчеты выполняли "на руках" или в таблицах EXcel ? В вашей таблице обнаруживаются явные нестыковки с теми формулами, на которые вы опираетесь в тексте статьи. Рекомендую проверить...
P.S. Самое слабое место в вашей методике расчета скорости струи в том, что вы принимаете во внимание только температурный потенциал, игнорируя потенциал давления. Отсюда у вас скорость вылетающей струи воздуха одинакова при любом избыточном давлении в ресивере, вплоть до отсутствия избыточного давления.
То есть в рамках газового процесса тепловая энергия газа преобразуется у вас в механическую (кинетическую) энергию струи без наличия внешнего "холодильника" и без наличия первоначальной разницы потенциалов давления. А как быть с теоремой Карно, которая прямо запрещает такой финт применительно к газовым процессам ?
Илья, понимаете какое дело, вы всё время путаете белое со сладким, а черное с кислым.
Уясните простые инженерные определения. Ресивер со сжатым воздухом - это сосуд, в котором поддерживается постоянное давление газа. На поддержание постоянного давления расходуется определенная энергия, часть которой преобразуется в кинетическую энергию струи, вылетающей из ресивера. Эту работу совершает компрессор в фазе проталкивания сжатого газа в ресивер.
Баллон - это сосуд, в котором давление воздуха падает, за счет убыли массы воздуха, уносимой струёй. Убыль воздушной массы неизбежно сопровождается падением давления в баллоне. Если пренебречь теплообменом сжатого воздуха со стенками сосуда, то этот процесс можно считать адиабатным (тогда связь между давлением и температурой определяется уравнением Пуассона). В этом случае сжатый воздух внутри баллона интенсивно охлаждается. Например, при падении давления вдвое температура воздуха снижается с 300К до 245К. Сжатый газ в баллоне теряет отдает свою энергию, отдавая её на разгон выхлопной струи.
Струя газа, вылетевшая в атмосферу тормозится и расширяется с падением давления и плотности. Расширение струи сопровождается совершением работы расширения против сил атмосферного давления (адиабатное охлаждение). Торможение вылетевшей струи сопровождается также генерированием тепла торможения. Баланс нагрева и охлаждения может быть равен нулю, а может и не быть.
Струя газа, вылетевшая в вакуум, не тормозится, но расширяется (падает давление и плотность), Поскольку нет противодавления, то нет и адиабатного охлаждения, но нет и выделения тепла при торможении - ведь оно отсутствует.
Почитайте про опыт Гей-Люссака о расширении газа в вакуум.
Я уже столько раз напарываюсь в диалоге с вами на очевидное незнание вами азов инженерной газодинамики, что мне уже сложно по второму и третьему кругу объяснять вам прописные истины. Почитайте академические советские учебники по теории поршневых компрессоров и по основам криогенной техники (газовые холодильные циклы). Лучшие учебники от преподавателей МВТУ им, Баумана.
Отвечать на очередные ваши вопросы у меня просто нет больше времени.
Возможно позднее, я пересчитаю несколько строчек из вашей таблицы по канонам современной газовой термодинамики (на основании модели Сен-Венана, о котором вам не доводилось слышать до начала нашей переписки). Кроме этого, я приведу вычисления по этим же строчкам в рамках моей расчетной модели. И покажу какие противоречия возникают в модели Сен-Венана, и как они могут быть разрешены в рамках моего расчетного подхода.
Запомните, пожалуйста, никого не волнует тот образ поведения газовых молекул, о котором вы так печетесь. Инженерам необходима такая расчетная модель, которая дружит со здравым смыслом и дает результаты, близкие к инженерной практике.
Не стоит корчить из себя большого ученого. Любая научная модель - это всего-лишь, очередное заблуждение.
Перепада давления нет в формуле определения скорости !
А у меня и нет двойки в знаменателе, есть двойка в указатели степени. А вот у вас двойка в знаменателе присутствует: "Скоростной напор равен: Pv =Vc^2*q2/2 "
Выхлоп воздуха из ресивера происходит за счет перепада давления между ресивером и окружающей средой. Чем больше этот перепад давления, тем больше сила выталкивания газа во внешнюю среду. Как рассчитывается энергетический баланс в отношении выхлопа газа из ресивера ?
Поскольку в ресивере всё время поддерживается неизменная температура и давление, то взамен вылетающей из ресивера порции воздуха в него должна быть доставлена точно такая же порция воздуха (по массе). Только в этом случае общая масса воздуха в ресивере останется неизменной.
Допустим, за какое-то короткое время из ресивера вылетела порция воздуха и точно такая же порция воздуха была "вдавлена" в объем ресивера из атмосферы.
Работа проталкивания данной порции воздуха зависит от его плотности и рассчитывается как произведение объема проталкиваемой порции воздуха на давление в ресивере: Апр = dV1*Рр. Когда процесс проталкивания происходит в условиях окружающей атмосферы, то часть работы проталкивания берет на себя атмосфера: Апр. атм = dV1*Ра.
При вылете порции воздуха из ресивера совершается работа вытеснения в окружающую среду, например, в атмосферу: Ав=dV2*Ра. Данная работа совершается против сил противодавления. В общем случае объем вытесняемой порции воздуха может не совпадать с объемом проталкиваемой порции (dV2 неравно dV1). Именно это предположил Сен-Венан при выводе своей формулы для скорости истечения газа.
Кстати, при истечении в вакуум, противодавление атмосферы отсутствует и работа вытеснения в окружающую среду равна нулю.
Разница между работой проталкивания и работой вытеснения в атмосферу идет на разгон вытесненной из ресивера порции газа. dV1*Рр - dV2*Ра = 0,5*dV2*р2*U^2, р2 - удельная плотность воздуха в среде.
Если предположить,что плотность порции воздуха, вылетающей из ресивера равна плотности воздуха в ресивере (р2=р1), то формула баланса энергии упростится: Рр - Ра = (р2*U^2)/2,
Отсюда скорость струи U = (2*(Рр - Ра)/р1)^0.5
После вылета из сопла порция воздуха тормозится и одновременно расширяется (адиабатно). При этом нагрев, вызванный торможением в точности компенсируется остыванием вследствие адиабатного расширения. Поэтому при стравливании воздуха из ресивера не происходит охлаждения заторможенного воздуха.
При этом никаких чудес с многократным падением давления в струе по отношению к давлению атмосферы не происходит, как не происходит и аномального падения плотности в струе многократно ниже атмосферной.
В ваших таблицах результат эксперимента - только давление на площадку весов и давление в ресивере (с не очень высокой точностью). Все остальное: скорость струи, плотность, температура - это домыслы. При этом скорость струи получена из расчета, в котором не фигурирует перепад давления между ресивером и атмосферой. Разве это не абсурд ?
Итак, рассмотрим альтернативный вариант расчета физических параметров выхлопной струи: Давление в ресивере Р2=200 000 Па, температура воздуха в ресивере Т2=300К. Плотность воздуха в ресивере р2=2,322 кг/куб.м. Проходное сечение отверстия S=0,0176625 кв.см = 1,76625 *10^-6 кв. м.
Давление атмосферы Р1=100 000 Па.
Если исходить из инженерной холодильной практики (холодильный цикл "выхлопа"), то плотность воздуха, вылетающего из отверстия, равна плотности воздуха в ресивере. То же самое относится к температуре (эффектом Джоуля-Томсона ввиду его малости в данном случае пренебрегаем), то есть температура струи Т1= 300 К. р2=р1= 2,322 кг/куб.м
Баланс энергии относительно вылетающей струи основывается на том предположении, что кинетическая энергия порции вылетающего воздуха должна быть равна работе компрессора по проталкиванию точно такой же порции воздуха (по массе) в ресивер.
Итоговая формула подобна формуле Торричелли: U = (2*(Р2-Р1)/р)^0.5
Итак, U = (2*(100000)/2,322)^0.5 = 293,5 м/сек. Вполне ожидаемая скорость вылета.
Считаем усилие на площадку весов: F = p*U^2* S = 2.322*293.5^2*1,76625 *10^-6 = 0,353 Н
В вашем эксперименте F = 0,334 Н
Разница в пределах точности эксперимента.
Но при этом не пришлось предполагать немыслимое падение давления в струе до 0,25 бар, ни падение плотности воздуха ниже атмосферного - до 0,441 кг/куб.м, ни невероятную скорость струи 490 м/сек.
Зачем вы опять всё валите в одну кучу ? При чем здесь истечение паров низкокипящих жидкостей. Здесь охлаждение происходит благодаря испарению сжиженного газа ! ! !
Вы собрали стенд, на котором хотели подтвердить справедливость своего представления о модели газа, ну так давайте доказывайте свою правоту !
Только вместо доказательства вы предъявляете абсурдные результаты расчетов, выдавая их за данные эксперимента. Поймите, что неизменность скорости вылетающей струи при разных перепадах давления - это абсурд. Падение давления на срезе сопла ниже атмосферного - полный аут. Сверхзвук при вылете из обычного отверстия в стенке, да ещё и при малых напорах - пустая фантазия. Перерасширенные струи воздуха в губной гармошке - это стёб какой-то.
Видит бог, я упорно пытался деликатно показать вам явные огрехи вашей статьи. Но толку - ноль.
Вместо инженерных уравнений с балансом энергий вы выхватываете из учебников непонятые вами фрагменты термодинамических постулатов и бездумно жонглируете ими.
Короче, вся ваша статья - пустая фантазия. Числовые значения в таблицах - не просто неточности, а беспардонная ложь. Манера изложения - сплошной сумбур, отражающий, вероятно, кашу в вашей голове.
Мои попытки призвать вас к здравому смыслу и к инженерному мышлению были напрасны...
Раве я говорил, что можно разогнать газ без перепада давления? Внутренняя энергия выражена через температуру давление и молярный объём. Связь параметров PV=RT.температура имеет прямую связь с энергией, что подтверждается при сжигании топлива с явным температурно-тепловым эффектом.
Да, именно это вы говорите в данной статье:
"Вывод: Скорость истечения плотной сверхзвуковой струи не должна завесить от плотности и давления в ресивере. При этом величина z-это эмпирический коэффициент, который надо получить подгоном под экспериментальные значения."
Вот по этой формуле вы рассчитываете скорость струи воздуха в своей установке:
Vc=(2*z* R*T1/Mr)^0,5
При Т1=300К получаем скорость струи Vc=(2*z*8,31*300/0,029)^0,5=490м/с
Откуда z=490^2/(2*8,31*300/0,029)=1,396
Вполне закономерно получаем, что: z=1,4=к где к=1,4- это показатель адиабаты воздуха."
То есть, в вашей расчетной модели скорость истечения воздуха вообще не зависит от превышения давления в ресивере над давлением атмосферы.
Даже при нулевом перепаде давления скорость струи будет равна 490 м/сек ! ! !
Господин Ранке служил инженером в бюро по обслуживанию воздушных циклонов. И он случайно заметил эффект охлаждения стенок циклонов, при том, что у циклона всего один выход для выброса газа, а не два, как в вихревой трубке.
Валерий Финько многократно увеличил скорость вращения газового потока в своем спиральном сопле до сверхзвука и получил эффект охлаждения в единой струе, многократно превышающий эффект Джоуля-Томсона.
Единственное, что "доказали" опыты Джоуля в интерпретации Томсона - это отсутствие холодильного эффекта в процессе выхлопа сжатого газа. Спустя всего несколько десятилетий выяснилось, что для большинства газов холодильный эффект присутствует и очень заметно, а для некоторых газов (водород) имеет место нагрев в ходе дросселирования.
Чтобы более объективно оценить скорость вылета струи, вам необходимо объективно оценивать расход воздуха. Может быть, через падение давления воздуха в ресивере при кратковременном отключении его от компрессора.
Нужен также адекватный замер температуры струи на вылете из отверстия.
Когда вы ссылаетесь на возможность превращения в кинетическую энергию трети внутренней энергии газа, то это иллюзия. Если у вас имеется сильно разогретый газ в баллоне, но без избыточного давления относительно внешней среды, то никакой кинетической энергии вы не получите. Гипотеза о том, что вся внутренняя энергия газа сводится исключительно к его тепловой энергии, очень далека от реальной инженерной практики. Это - всего лишь, академическая абстракция, предложенная на этапе зарождения газовой термодинамики.
Например, при изотермическом сжатии газа считается, что вся работа сжатия полностью израсходована в ходе постоянного охлаждения газа. Но этот ненагретый газ способен совершать работу, что и происходит во всех пневмоинструментах, работающих на сжатом воздухе комнатной температуры.
Сжатый газ это своего рода пружина с запасом энергии упругой деформации. Но ни в одном учебнике термодинамики вы не найдете формулы для расчета этой доли энергии. А ведь именно упругая деформация воздуха в сосуде побуждает этот сжатый воздух вылетать во внешнюю среду. И этот вылет прекращается, когда степень упругой деформации воздуха внутри сосуда сравнивается с упругой деформацией воздуха снаружи сосуда.
Для того, чтобы вы поняли разницу между классическим дросселированием и вихревой трубкой, приведу вам наглядный пример. В цилиндре со сжатым воздухом находится воздух под давлением 4 бар. По центру цилиндра размешен плавающий поршень, который можно принудительно удалять от центра. При этом одна половина газа адиабатно нагревается, а другая - адиабатно охлаждается ( теплоёмкостью стенок пренебрегаем).
Выпуская воздух в атмосферу из каждой части цилиндра мы получим с одной стороны нагретую струю, а с другой - охлажденную. Примерно тоже самое происходит в вихревой трубке, в которой одна часть газа сжимается под действием сил инерции, а другая - расширяется. Если же одновременно выпускать воздух из цилиндра с центральным положением поршня, то мы получим на обоих штуцерах охлаждение на 0,8 градуса (эффект Джоуля-Томсона).
Истечение в вакуум и истечение в атмосферу принципиально различаются. Я спросил про истечение в вакуум в соответствие с вашей теоретической моделью.
Судя по вашей таблице, даже при минимальном превышении давления в ресивере над давлением окружающей атмосферы, скорость вылета струи неизменно будет составлять 490 м/сек, а охлаждение воздуха в струе будет всегда равно 100 градусам.
Неужели вы не понимаете абсурдность ваших предположений и их оторванность от газодинамической реальности ?
Любая теоретическая модель не стоит и гроша, если она не соответствует практическим результатам.
Если вы измеряете динамический напор воздушной струи электронными китайскими весами, то имейте ввиду, что при наличии вибрации, показания сенсора могут быть недостоверны.
Давление воздуха в ресивере Р1=2*10^5 Па, температура в ресивере 300 К, плотность воздуха в ресивере q1=2,34 кг/куб.м, давление атмосферы 10^5 Па, пока все нормально.
А вот теперь начинаются "чудеса": давление воздуха в струе P2=25200 Па, плотность воздуха в струе q2=0,441 кг/куб.м.
То есть, давление в выхлопной струе упало ниже атмосферного в четыре раза, плотность воздуха упала почти в 3 раза, а температура снизилась на 100 градусов с 300 К до 200 К.
"Мы же обсуждаем ситуацию, когда никакого изменения в ресивере нет, а поток идёт по толстой трубе равномерно без изменения плотности и давления, а вот на входе в малое отверстие молекулы газа разгоняются и потом выстреливают в атмосферу..."
Нет, не так, мы обсуждаем ситуацию, когда убыль порции энергии, потраченной на "выстрел" порции газа в атмосферу, компенсируется работой проталкивания точно такой же (по массе) порции газа из компрессора в ресивер. То есть работа проталкивания, выполняемая компрессором, равна энергии, потраченной на разгон и выталкивание порции газа в атмосферу. В противном случае ресивер начнет терять энергию.
Если вы с этим не согласны, то я теряю надежду на адекватный диалог.
Наверняка вам приходилось стрелять из духового ружья. Представьте, что пуля вылетает из ствола, соединенного с ресивером. На разгон пули будет потрачена некоторая порция энергии, которую нужно восполнить, подкачав порцию сжатого воздуха в ресивер.
Вместо вылетающей из ресивера пули у нас имеется вылетающая порция воздуха. Чтобы давление в ресивере (Рр) не изменилось нам необходимо протолкнуть в ресивер точно такую же порцию воздуха, равную по массе той, которая вылетела через выходное отверстие. На эту операцию необходимо потратить механическую работу: А прот = dV*(Рр).
Кинетическая энергия вылетающей из ресивера пули с объемом dV равна разнице работ: проталкивания порции воздуха dV из атмосферы в ресивер и выталкивания пули в атмосферу.
Wкин = dV*(Рр) - dV*(Ратм).
В случае вылета из ресивера порции газа ситуация осложняется тем, что мы можем предполагать различную плотность вылетающего из ресивера газа.
Именно эту проблему правильного определения плотности вылетающего газа пытался решить Сен-Венан.
Вы упорно валите в одну кучу, все что прочитали в интернете. Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона) - это процесс истечения газа через одно единое отверстие (дроссель) с разгоном и последующим торможением струи трением без совершения внешней работы. На первых порах в качестве дросселя использовалась затычка из мелкопористого материала.
Эффект Ранка - Хилша - это пример вихревого разделения потока газа на два рукава: центральный и периферийный. Периферийный поток в силу ц.б. сжатия нагревается, а центральный, в силу разрежения - охлаждается. Если смешать два полученных потока в один, то температура смешанного потока почти сравняется с температурой ресивера. Сохранится лишь небольшое отклонение температуры, характерное для эффекта дросселирования.
Что касается сверхзвуковых вихревых охладителей, то вы далеко не первый человек, которому пришла в голову эта идея. Посмотрите патенты Финько В.Е. из Питера и вихревые трубки Азарова. Например, (19)RU (11) 2193740 (13) C1. И это всё придумано и сделано ещё в прошлом веке.
У Валерия Финько сверхзвуковая струя закручивается в сужающемся спиральном вводе и при этом разгоняется до сверхзвука и охлаждается. На своей установке Финько добился сжижения метана за один проход через свой спиральный ускоритель. Это - уникальное достижение.
Так что не рекомендую вам становиться на ходули, не узнав достижения лидеров в холодильной отрасли.
По поводу работы проталкивания сжатого газа в ресивер вы продолжаете оставаться в воинствующем неведении. Числено эта работа равна произведению объема проталкиваемой порции газа на давление в ресивере. Эта работа не зависит от скорости проталкивания газа через трубопроводы. Почитайте какой-нибудь учебник по термодинамике компрессоров и у вас исчезнут иллюзии о ничтожности работы проталкивания. При подкачивании ресивера с уровнем давления 6 бар работа проталкивания превышает работу сжатия воздуха.
Что касается тезиса о невозможности вечного двигателя второго рода, то хорошо бы опираться не на голую теорию, а на инженерную практику.
Вот, например в процессе электролиза воды происходит разделение молекулы воды на водород и кислород. При обычном электролизе затраты электроэнергии процентов на 20 превышают ту потенциальную энергию, которую можно извлечь, сжигая полученные газы. При этом перепад напряжения на электролитической ячейке составляет ~ 2 В.
Если снизить напряжение на электродах до 1,5 В, то баланс затраченной и полученной энергий сойдется в ноль. Правда при этом заметно упадет производительность процесса.
Знаменитый русский физик Дмитрий Лачинов ещё до революции 1917 года изобрел низкопотенциальный электролиз, для реализации которого напряжение на электродах, покрытых тонким слоем "черной" платины, можно было снизить до 0,3 В (низкопотенциальный электролиз Лачинова). В процессе такого электролиза происходило энергичное охлаждение электролита, вплоть до его замерзания. Процесс расщепления воды при этом продолжался.
То есть, в ходе хитрого электролитического процесса в качестве основного источника энергии выступало рассеянное в атмосфере тепло, а затраты электроэнергии не превышали 25% от полученной потенциальной энергии разделенных газов.
Современные технологии обратного преобразования энергии гремучей смеси в электричество (топливные элементы) имеют КПД под 90%. А это значит, что полученное в топливном элементе электричество можно частично направить на реализацию каталитического электролиза, используя остальную часть электричества на полезные нужды. И термодинамический цикл замкнется.
Разве это не пример прямого использования низкопотенциального тепла окружающего пространства для генерации высокопотенциальной энергии ?
И разве это не пример понижения энтропии системы ?
Биохимики могут привести множество примеров ферментного выращивания биомассы в водных растворах за счет использования низкопотенциального тепла окружающей среды. Полученную биомассу можно тупо сжечь и получить высокопотенциальное тепло без нарушения первого начала термодинамики. Но второе начало в данном случае терпит фиаско.
Обратите внимание на то, что в процессе низкопотенциального электролиза и в процессе ферментного выращивания биомассы не требуется "холодильник", являющийся обязательным элементов в тепловых машинах, работающих на газовом термодинамическом цикле.
Тепловая энергия преобразуется в полезную потенциальную энергию полностью без сброса её в холодильник. А это и есть запрещенный генератор энергии второго рода, прямо нарушающий второе начало термодинамики.
К вашему сведению, компрессор выполняет работу сжатия и работу проталкивания сжатого газа в ресивер. При этом существенную часть работы сжатия выполняет атмосферное давление.
При поддерживании абсолютного давления в ресивере 2 бар полная работа сжатия 1 кг воздуха равна 47166 дж. При этом механическая работа, выполняемая компрессором 13528 Дж, а работа сжатия, выполняемая атмосферой 33596 Дж. Работа проталкивания 53504 Дж.
При поддерживании абсолютного давления в ресивере 6 бар полная работа сжатия 1 кг воздуха равна 143967 дж. При этом механическая работа, выполняемая компрессором 81781 Дж, а работа сжатия, выполняемая атмосферой 63145 Дж. Работа проталкивания 119774 Дж.
И это вы называете "мизером" ?
Эффект дросселирования и вихревой эффект Ранка-Хилша - совершенно разные физические процессы. Не валите все в одну кучу.
Замерив только один параметр - давление струи на измерительную площадку, вы далее занимаетесь творческим фантазированием относительно массового расхода, относительно скорости струи и относительно плотности газа в вылетающей струе. Отсюда полный отрыв от реальности и вопиющая бездоказательность.
Замерьте хотя бы массовый расход через убыль веса ресивера на точных весах, и тогда область ваших произвольных допущений сузится. Хорошо бы еще адекватно измерить температуру струи с помощью проволочной термопары, натянутой вдоль направления струи.
Если вы хотите достучаться до газодинамиков-практиков, предлагая свою модель истечения газа, вам следует оперировать фактами, а не вашими расчетными фантазиями, занесенными в таблицы. Кроме того, должны быть приведены расчеты энергобаланса - конкретно по каждой строке ваших таблиц. Ваши ссылки на другие ваши статьи - это нонсенс для серьезного исследователя. И, пожалуйста, не смешивайте вихревой эффект с эффектом дросселирования.
Все эти красивые и несколько витиеватые толкования энтропии, относительно меры порядка и прочих метафизических понятий, полезны в качестве гимнастики ума. Но с каждым новым поколением физиков уводят всё дальше и дальше от первоначальной термодинамической сути физического параметра.
В основе энтропии лежат два исходных параметра: энергия и температура.
На первый взгляд, энергия независима от температуры. Если литр воды, нагретой до 100 градусов Цельсия перемешать с 10 литрами воды, имеющей комнатную температуру (20 С), то суммарная энергия двух порций воды не изменится. Но качество этой общей энергии снизится, с точки зрения возможности её преобразования в работу.
Совсем иначе обстоит дело с механической энергией. Тело с массой 1 кг, поднятое на высоту 1000 м и тело с массой 1000 кг, поднятое на высоту 1 м, обладают равной способностью к совершению работы. Тоже самое можно сказать о кинетической энергии и даже об электрической энергии.
Исходя из закона сохранения энергии все виды энергии, вроде как, равноценны, но нет тепловая форма энергии стоит особняком. У неё помимо количественной меры есть качественная мера. И именно это качество должен бы раскрывать второй закон термодинамики, который вместо этого провозглашает какие-то банальные истины.
Так вот, качественной характеристикой тепловой формы энергии является температура (абсолютная температура в шкале Кельвина). Чем выше температура нагретого тела, тем выше качество его тепловой энергии, а чем ниже температура, тем ниже её качество.
Под качеством подразумевается способность к преобразованию в иные формы энергии, в частности, в механическую.
Грубо говоря, параметр Q*T - отражает степень качественности тепловой энергии. Но тогда что выражает параметр Q/T ?
"нет и не может быть никаких расхождений"
Для Р1 = 200 000 Па из вашей таблицы : плотность q2 = 0.441 кг/м^3, Vc = 490 м/сек, S = 1,76625/10^6
F = Vc^2 * q2 * S = 0, 1817 Н (Ньютона) А на весах замерено 0,33 Н.
И ещё большее расхождение во всех остальных строчках таблицы !!!
Как это все понимать ?
Прежде чем переходить к расчетам истечения струи по Сен-Венану, давайте проанализируем результаты расчетов в вашей таблице (рис 10).
Реально измеренными параметрами мы можем считать давление воздуха в ресивере (Р1), температура воздуха в ресивере (Т1), площадь сечения проходного отверстия (S), сила давления струи на площадку весов.
Далее вы принимаете тепловую скорость молекул за скорость вылета струи из ресивера при любом перепаде давления (U = 490 м/сек). При 300 К эта скорость должна быть немного выше, но это не так уж принципиально. Принципиально то, что вы на полном серьёзе считаете, что скорость выхлопной струи равна скорости свободного пробега молекул.
И вас не смущает, что снаружи ресивера имеется воздушная атмосфера с такой же температурой 300 К и с такой же тепловой скоростью молекул, которые по какой-то неведомой причине не хотят залетать в ресивер через отверстие.
С помощью электронных весов (с необъявленной вами точностью) вы замеряете давление на площадку весов (Fr). Для проверки можно рассчитать значение силы давления струи (F) на площадку весов, умножая плотность р2 на квадрат скорости струи U и на площадь сечения струи.
По тексту статьи рассчитанная таким образом сила давления струи (F) должна совпадать с результатами показания весов (Fr). Но. не тут-то было. Расчетное значение силы гораздо меньше замеренного с помощью весов значения: F < Fr.
В приведенной здесь таблице синим цветов выделены расчетные данные, а красным цветом - результаты весовых замеров. Расхождение колеблется от 1,79 раза до 2,65 раза.
Хотелось бы понять, в чем тут дело ?
Далее вы вычисляете давление в струе (Р2*), на основании уже известной температуры Т2 = 200 К, которая почему-то одинакова для всех перепадов давления. Плотность воздуха в струе уже была подсчитана. Осталось подставить в формулу P2 = p2*R*T2 соответствующие значения.
Но и тут что-то не так. В шестом столбце - корректный расчет Р2, а в седьмом столбце результаты расчета автора статьи (выделено красным цветом). Откуда такое большое расхождение ?
Кстати, когда вы выполняете инженерные расчеты, а не химические, проще использовать массовое значение газовой постоянной для воздуха: R = 287,05 Дж/(кг*К).
В МВТУ нам читал лекции по гидравлике уникальный преподаватель - Игорь Васильевич Матвеев. Один из главных его принципов: "Знание скрыть можно, а вот незнание скрыть нельзя". У него на экзаменах можно было пользоваться любыми шпаргалками, учебниками, задачниками с решениями примеров, но это все не помогало скрыть незнание...
В п. 1. Рассматривая идеальный ресивер, вы не поняли главного - для поддержания постоянного давления, компрессор должен непрерывно совершать работу для компенсации потери порции энергии, покинувшей ресивер вместе с порцией газа.
В теории газовых компрессоров данная работа получила наименование "работа проталкивания". Численно она равна произведению объема проталкиваемой в ресивер порции газа на величину давления в ресивере (dАпр=dV*Pp).
Работа проталкивания превышает ту порцию кинетической энергии, которой обладает порция газа, вылетевшая из ресивера. А вы умудряетесь в балансе энергий приравнивать работу проталкивания нулю.
В п. 2. Рассматривая стравливание газа из баллона, вы с упорством повторяете ту же ошибку. Вы с легкостью пренебрегаете убылью внутренней энергии газа в баллоне, не сопоставив её с кинетической энергией малой порции газа, вылетевшей из баллона. И вам невдомек, что убыль внутренней энергии в данном примере сопоставима с кинетической энергией малой порции газа, вылетевшей из баллона.
Я уверен, что вы изучали в своём ВУЗе дифференциальное исчисление и наверняка знакомы с конечно-разностными методами расчета динамических процессов. Так что же вы тут позволяете себе откровенные ляпы.
Как обещал, я выполню расчеты примеров истечения воздуха по Сен-Венану применительно к параметрам вашей установки. Но хочу заранее уточнить, вы свои расчеты выполняли "на руках" или в таблицах EXcel ? В вашей таблице обнаруживаются явные нестыковки с теми формулами, на которые вы опираетесь в тексте статьи. Рекомендую проверить...
P.S. Самое слабое место в вашей методике расчета скорости струи в том, что вы принимаете во внимание только температурный потенциал, игнорируя потенциал давления. Отсюда у вас скорость вылетающей струи воздуха одинакова при любом избыточном давлении в ресивере, вплоть до отсутствия избыточного давления.
То есть в рамках газового процесса тепловая энергия газа преобразуется у вас в механическую (кинетическую) энергию струи без наличия внешнего "холодильника" и без наличия первоначальной разницы потенциалов давления. А как быть с теоремой Карно, которая прямо запрещает такой финт применительно к газовым процессам ?
Илья, понимаете какое дело, вы всё время путаете белое со сладким, а черное с кислым.
Уясните простые инженерные определения. Ресивер со сжатым воздухом - это сосуд, в котором поддерживается постоянное давление газа. На поддержание постоянного давления расходуется определенная энергия, часть которой преобразуется в кинетическую энергию струи, вылетающей из ресивера. Эту работу совершает компрессор в фазе проталкивания сжатого газа в ресивер.
Баллон - это сосуд, в котором давление воздуха падает, за счет убыли массы воздуха, уносимой струёй. Убыль воздушной массы неизбежно сопровождается падением давления в баллоне. Если пренебречь теплообменом сжатого воздуха со стенками сосуда, то этот процесс можно считать адиабатным (тогда связь между давлением и температурой определяется уравнением Пуассона). В этом случае сжатый воздух внутри баллона интенсивно охлаждается. Например, при падении давления вдвое температура воздуха снижается с 300К до 245К. Сжатый газ в баллоне теряет отдает свою энергию, отдавая её на разгон выхлопной струи.
Струя газа, вылетевшая в атмосферу тормозится и расширяется с падением давления и плотности. Расширение струи сопровождается совершением работы расширения против сил атмосферного давления (адиабатное охлаждение). Торможение вылетевшей струи сопровождается также генерированием тепла торможения. Баланс нагрева и охлаждения может быть равен нулю, а может и не быть.
Струя газа, вылетевшая в вакуум, не тормозится, но расширяется (падает давление и плотность), Поскольку нет противодавления, то нет и адиабатного охлаждения, но нет и выделения тепла при торможении - ведь оно отсутствует.
Почитайте про опыт Гей-Люссака о расширении газа в вакуум.
Я уже столько раз напарываюсь в диалоге с вами на очевидное незнание вами азов инженерной газодинамики, что мне уже сложно по второму и третьему кругу объяснять вам прописные истины. Почитайте академические советские учебники по теории поршневых компрессоров и по основам криогенной техники (газовые холодильные циклы). Лучшие учебники от преподавателей МВТУ им, Баумана.
Отвечать на очередные ваши вопросы у меня просто нет больше времени.
Возможно позднее, я пересчитаю несколько строчек из вашей таблицы по канонам современной газовой термодинамики (на основании модели Сен-Венана, о котором вам не доводилось слышать до начала нашей переписки). Кроме этого, я приведу вычисления по этим же строчкам в рамках моей расчетной модели. И покажу какие противоречия возникают в модели Сен-Венана, и как они могут быть разрешены в рамках моего расчетного подхода.
Запомните, пожалуйста, никого не волнует тот образ поведения газовых молекул, о котором вы так печетесь. Инженерам необходима такая расчетная модель, которая дружит со здравым смыслом и дает результаты, близкие к инженерной практике.
Не стоит корчить из себя большого ученого. Любая научная модель - это всего-лишь, очередное заблуждение.
Спокойной ночи !
Перепада давления нет в формуле определения скорости !
А у меня и нет двойки в знаменателе, есть двойка в указатели степени. А вот у вас двойка в знаменателе присутствует: "Скоростной напор равен: Pv =Vc^2*q2/2 "
Выхлоп воздуха из ресивера происходит за счет перепада давления между ресивером и окружающей средой. Чем больше этот перепад давления, тем больше сила выталкивания газа во внешнюю среду. Как рассчитывается энергетический баланс в отношении выхлопа газа из ресивера ?
Поскольку в ресивере всё время поддерживается неизменная температура и давление, то взамен вылетающей из ресивера порции воздуха в него должна быть доставлена точно такая же порция воздуха (по массе). Только в этом случае общая масса воздуха в ресивере останется неизменной.
Допустим, за какое-то короткое время из ресивера вылетела порция воздуха и точно такая же порция воздуха была "вдавлена" в объем ресивера из атмосферы.
Работа проталкивания данной порции воздуха зависит от его плотности и рассчитывается как произведение объема проталкиваемой порции воздуха на давление в ресивере: Апр = dV1*Рр. Когда процесс проталкивания происходит в условиях окружающей атмосферы, то часть работы проталкивания берет на себя атмосфера: Апр. атм = dV1*Ра.
При вылете порции воздуха из ресивера совершается работа вытеснения в окружающую среду, например, в атмосферу: Ав=dV2*Ра. Данная работа совершается против сил противодавления. В общем случае объем вытесняемой порции воздуха может не совпадать с объемом проталкиваемой порции (dV2 неравно dV1). Именно это предположил Сен-Венан при выводе своей формулы для скорости истечения газа.
Кстати, при истечении в вакуум, противодавление атмосферы отсутствует и работа вытеснения в окружающую среду равна нулю.
Разница между работой проталкивания и работой вытеснения в атмосферу идет на разгон вытесненной из ресивера порции газа. dV1*Рр - dV2*Ра = 0,5*dV2*р2*U^2, р2 - удельная плотность воздуха в среде.
Если предположить,что плотность порции воздуха, вылетающей из ресивера равна плотности воздуха в ресивере (р2=р1), то формула баланса энергии упростится: Рр - Ра = (р2*U^2)/2,
Отсюда скорость струи U = (2*(Рр - Ра)/р1)^0.5
После вылета из сопла порция воздуха тормозится и одновременно расширяется (адиабатно). При этом нагрев, вызванный торможением в точности компенсируется остыванием вследствие адиабатного расширения. Поэтому при стравливании воздуха из ресивера не происходит охлаждения заторможенного воздуха.
При этом никаких чудес с многократным падением давления в струе по отношению к давлению атмосферы не происходит, как не происходит и аномального падения плотности в струе многократно ниже атмосферной.
В ваших таблицах результат эксперимента - только давление на площадку весов и давление в ресивере (с не очень высокой точностью). Все остальное: скорость струи, плотность, температура - это домыслы. При этом скорость струи получена из расчета, в котором не фигурирует перепад давления между ресивером и атмосферой. Разве это не абсурд ?
Итак, рассмотрим альтернативный вариант расчета физических параметров выхлопной струи: Давление в ресивере Р2=200 000 Па, температура воздуха в ресивере Т2=300К. Плотность воздуха в ресивере р2=2,322 кг/куб.м. Проходное сечение отверстия S=0,0176625 кв.см = 1,76625 *10^-6 кв. м.
Давление атмосферы Р1=100 000 Па.
Если исходить из инженерной холодильной практики (холодильный цикл "выхлопа"), то плотность воздуха, вылетающего из отверстия, равна плотности воздуха в ресивере. То же самое относится к температуре (эффектом Джоуля-Томсона ввиду его малости в данном случае пренебрегаем), то есть температура струи Т1= 300 К. р2=р1= 2,322 кг/куб.м
Баланс энергии относительно вылетающей струи основывается на том предположении, что кинетическая энергия порции вылетающего воздуха должна быть равна работе компрессора по проталкиванию точно такой же порции воздуха (по массе) в ресивер.
Итоговая формула подобна формуле Торричелли: U = (2*(Р2-Р1)/р)^0.5
Итак, U = (2*(100000)/2,322)^0.5 = 293,5 м/сек. Вполне ожидаемая скорость вылета.
Считаем усилие на площадку весов: F = p*U^2* S = 2.322*293.5^2*1,76625 *10^-6 = 0,353 Н
В вашем эксперименте F = 0,334 Н
Разница в пределах точности эксперимента.
Но при этом не пришлось предполагать немыслимое падение давления в струе до 0,25 бар, ни падение плотности воздуха ниже атмосферного - до 0,441 кг/куб.м, ни невероятную скорость струи 490 м/сек.
Зачем вы опять всё валите в одну кучу ? При чем здесь истечение паров низкокипящих жидкостей. Здесь охлаждение происходит благодаря испарению сжиженного газа ! ! !
Вы собрали стенд, на котором хотели подтвердить справедливость своего представления о модели газа, ну так давайте доказывайте свою правоту !
Только вместо доказательства вы предъявляете абсурдные результаты расчетов, выдавая их за данные эксперимента. Поймите, что неизменность скорости вылетающей струи при разных перепадах давления - это абсурд. Падение давления на срезе сопла ниже атмосферного - полный аут. Сверхзвук при вылете из обычного отверстия в стенке, да ещё и при малых напорах - пустая фантазия. Перерасширенные струи воздуха в губной гармошке - это стёб какой-то.
Видит бог, я упорно пытался деликатно показать вам явные огрехи вашей статьи. Но толку - ноль.
Вместо инженерных уравнений с балансом энергий вы выхватываете из учебников непонятые вами фрагменты термодинамических постулатов и бездумно жонглируете ими.
Короче, вся ваша статья - пустая фантазия. Числовые значения в таблицах - не просто неточности, а беспардонная ложь. Манера изложения - сплошной сумбур, отражающий, вероятно, кашу в вашей голове.
Мои попытки призвать вас к здравому смыслу и к инженерному мышлению были напрасны...
Раве я говорил, что можно разогнать газ без перепада давления? Внутренняя энергия выражена через температуру давление и молярный объём. Связь параметров PV=RT.температура имеет прямую связь с энергией, что подтверждается при сжигании топлива с явным температурно-тепловым эффектом.
Да, именно это вы говорите в данной статье:
"Вывод: Скорость истечения плотной сверхзвуковой струи не должна завесить от плотности и давления в ресивере. При этом величина z-это эмпирический коэффициент, который надо получить подгоном под экспериментальные значения."
Вот по этой формуле вы рассчитываете скорость струи воздуха в своей установке:
Vc=(2*z* R*T1/Mr)^0,5
При Т1=300К получаем скорость струи Vc=(2*z*8,31*300/0,029)^0,5=490м/с
Откуда z=490^2/(2*8,31*300/0,029)=1,396
Вполне закономерно получаем, что: z=1,4=к где к=1,4- это показатель адиабаты воздуха."
То есть, в вашей расчетной модели скорость истечения воздуха вообще не зависит от превышения давления в ресивере над давлением атмосферы.
Даже при нулевом перепаде давления скорость струи будет равна 490 м/сек ! ! !
Господин Ранке служил инженером в бюро по обслуживанию воздушных циклонов. И он случайно заметил эффект охлаждения стенок циклонов, при том, что у циклона всего один выход для выброса газа, а не два, как в вихревой трубке.
Валерий Финько многократно увеличил скорость вращения газового потока в своем спиральном сопле до сверхзвука и получил эффект охлаждения в единой струе, многократно превышающий эффект Джоуля-Томсона.
Единственное, что "доказали" опыты Джоуля в интерпретации Томсона - это отсутствие холодильного эффекта в процессе выхлопа сжатого газа. Спустя всего несколько десятилетий выяснилось, что для большинства газов холодильный эффект присутствует и очень заметно, а для некоторых газов (водород) имеет место нагрев в ходе дросселирования.
Чтобы более объективно оценить скорость вылета струи, вам необходимо объективно оценивать расход воздуха. Может быть, через падение давления воздуха в ресивере при кратковременном отключении его от компрессора.
Нужен также адекватный замер температуры струи на вылете из отверстия.
Когда вы ссылаетесь на возможность превращения в кинетическую энергию трети внутренней энергии газа, то это иллюзия. Если у вас имеется сильно разогретый газ в баллоне, но без избыточного давления относительно внешней среды, то никакой кинетической энергии вы не получите. Гипотеза о том, что вся внутренняя энергия газа сводится исключительно к его тепловой энергии, очень далека от реальной инженерной практики. Это - всего лишь, академическая абстракция, предложенная на этапе зарождения газовой термодинамики.
Например, при изотермическом сжатии газа считается, что вся работа сжатия полностью израсходована в ходе постоянного охлаждения газа. Но этот ненагретый газ способен совершать работу, что и происходит во всех пневмоинструментах, работающих на сжатом воздухе комнатной температуры.
Сжатый газ это своего рода пружина с запасом энергии упругой деформации. Но ни в одном учебнике термодинамики вы не найдете формулы для расчета этой доли энергии. А ведь именно упругая деформация воздуха в сосуде побуждает этот сжатый воздух вылетать во внешнюю среду. И этот вылет прекращается, когда степень упругой деформации воздуха внутри сосуда сравнивается с упругой деформацией воздуха снаружи сосуда.
Для того, чтобы вы поняли разницу между классическим дросселированием и вихревой трубкой, приведу вам наглядный пример. В цилиндре со сжатым воздухом находится воздух под давлением 4 бар. По центру цилиндра размешен плавающий поршень, который можно принудительно удалять от центра. При этом одна половина газа адиабатно нагревается, а другая - адиабатно охлаждается ( теплоёмкостью стенок пренебрегаем).
Выпуская воздух в атмосферу из каждой части цилиндра мы получим с одной стороны нагретую струю, а с другой - охлажденную. Примерно тоже самое происходит в вихревой трубке, в которой одна часть газа сжимается под действием сил инерции, а другая - расширяется. Если же одновременно выпускать воздух из цилиндра с центральным положением поршня, то мы получим на обоих штуцерах охлаждение на 0,8 градуса (эффект Джоуля-Томсона).
Истечение в вакуум и истечение в атмосферу принципиально различаются. Я спросил про истечение в вакуум в соответствие с вашей теоретической моделью.
Судя по вашей таблице, даже при минимальном превышении давления в ресивере над давлением окружающей атмосферы, скорость вылета струи неизменно будет составлять 490 м/сек, а охлаждение воздуха в струе будет всегда равно 100 градусам.
Неужели вы не понимаете абсурдность ваших предположений и их оторванность от газодинамической реальности ?
Любая теоретическая модель не стоит и гроша, если она не соответствует практическим результатам.
Если вы измеряете динамический напор воздушной струи электронными китайскими весами, то имейте ввиду, что при наличии вибрации, показания сенсора могут быть недостоверны.
А вы в курсе, что перерасширенная струя может быть только при использовании расширяющегося сопла (сопло Лаваля) ?
Насколько я понял вы стравливаете воздух через отверстие в тонкой стенке. Или не так ?
Кстати, какие параметры струи вы считаете правильными при истечении воздуха в вакуум, например, из ресивера с давлением 6 бар ?
Хорошо, зайдем с другой стороны.
Беру из вашей таблицы (рис 10) строку 16:
Давление воздуха в ресивере Р1=2*10^5 Па, температура в ресивере 300 К, плотность воздуха в ресивере q1=2,34 кг/куб.м, давление атмосферы 10^5 Па, пока все нормально.
А вот теперь начинаются "чудеса": давление воздуха в струе P2=25200 Па, плотность воздуха в струе q2=0,441 кг/куб.м.
То есть, давление в выхлопной струе упало ниже атмосферного в четыре раза, плотность воздуха упала почти в 3 раза, а температура снизилась на 100 градусов с 300 К до 200 К.
Я ничего не напутал ?
Что-то мы пошли по замкнутому кругу.
"Мы же обсуждаем ситуацию, когда никакого изменения в ресивере нет, а поток идёт по толстой трубе равномерно без изменения плотности и давления, а вот на входе в малое отверстие молекулы газа разгоняются и потом выстреливают в атмосферу..."
Нет, не так, мы обсуждаем ситуацию, когда убыль порции энергии, потраченной на "выстрел" порции газа в атмосферу, компенсируется работой проталкивания точно такой же (по массе) порции газа из компрессора в ресивер. То есть работа проталкивания, выполняемая компрессором, равна энергии, потраченной на разгон и выталкивание порции газа в атмосферу. В противном случае ресивер начнет терять энергию.
Если вы с этим не согласны, то я теряю надежду на адекватный диалог.
Наверняка вам приходилось стрелять из духового ружья. Представьте, что пуля вылетает из ствола, соединенного с ресивером. На разгон пули будет потрачена некоторая порция энергии, которую нужно восполнить, подкачав порцию сжатого воздуха в ресивер.
Вместо вылетающей из ресивера пули у нас имеется вылетающая порция воздуха. Чтобы давление в ресивере (Рр) не изменилось нам необходимо протолкнуть в ресивер точно такую же порцию воздуха, равную по массе той, которая вылетела через выходное отверстие. На эту операцию необходимо потратить механическую работу: А прот = dV*(Рр).
Кинетическая энергия вылетающей из ресивера пули с объемом dV равна разнице работ: проталкивания порции воздуха dV из атмосферы в ресивер и выталкивания пули в атмосферу.
Wкин = dV*(Рр) - dV*(Ратм).
В случае вылета из ресивера порции газа ситуация осложняется тем, что мы можем предполагать различную плотность вылетающего из ресивера газа.
Именно эту проблему правильного определения плотности вылетающего газа пытался решить Сен-Венан.
Вы упорно валите в одну кучу, все что прочитали в интернете. Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона) - это процесс истечения газа через одно единое отверстие (дроссель) с разгоном и последующим торможением струи трением без совершения внешней работы. На первых порах в качестве дросселя использовалась затычка из мелкопористого материала.
Эффект Ранка - Хилша - это пример вихревого разделения потока газа на два рукава: центральный и периферийный. Периферийный поток в силу ц.б. сжатия нагревается, а центральный, в силу разрежения - охлаждается. Если смешать два полученных потока в один, то температура смешанного потока почти сравняется с температурой ресивера. Сохранится лишь небольшое отклонение температуры, характерное для эффекта дросселирования.
Что касается сверхзвуковых вихревых охладителей, то вы далеко не первый человек, которому пришла в голову эта идея. Посмотрите патенты Финько В.Е. из Питера и вихревые трубки Азарова. Например, (19)RU (11) 2193740 (13) C1. И это всё придумано и сделано ещё в прошлом веке.
У Валерия Финько сверхзвуковая струя закручивается в сужающемся спиральном вводе и при этом разгоняется до сверхзвука и охлаждается. На своей установке Финько добился сжижения метана за один проход через свой спиральный ускоритель. Это - уникальное достижение.
Так что не рекомендую вам становиться на ходули, не узнав достижения лидеров в холодильной отрасли.
По поводу работы проталкивания сжатого газа в ресивер вы продолжаете оставаться в воинствующем неведении. Числено эта работа равна произведению объема проталкиваемой порции газа на давление в ресивере. Эта работа не зависит от скорости проталкивания газа через трубопроводы. Почитайте какой-нибудь учебник по термодинамике компрессоров и у вас исчезнут иллюзии о ничтожности работы проталкивания. При подкачивании ресивера с уровнем давления 6 бар работа проталкивания превышает работу сжатия воздуха.
Что касается тезиса о невозможности вечного двигателя второго рода, то хорошо бы опираться не на голую теорию, а на инженерную практику.
Вот, например в процессе электролиза воды происходит разделение молекулы воды на водород и кислород. При обычном электролизе затраты электроэнергии процентов на 20 превышают ту потенциальную энергию, которую можно извлечь, сжигая полученные газы. При этом перепад напряжения на электролитической ячейке составляет ~ 2 В.
Если снизить напряжение на электродах до 1,5 В, то баланс затраченной и полученной энергий сойдется в ноль. Правда при этом заметно упадет производительность процесса.
Знаменитый русский физик Дмитрий Лачинов ещё до революции 1917 года изобрел низкопотенциальный электролиз, для реализации которого напряжение на электродах, покрытых тонким слоем "черной" платины, можно было снизить до 0,3 В (низкопотенциальный электролиз Лачинова). В процессе такого электролиза происходило энергичное охлаждение электролита, вплоть до его замерзания. Процесс расщепления воды при этом продолжался.
То есть, в ходе хитрого электролитического процесса в качестве основного источника энергии выступало рассеянное в атмосфере тепло, а затраты электроэнергии не превышали 25% от полученной потенциальной энергии разделенных газов.
Современные технологии обратного преобразования энергии гремучей смеси в электричество (топливные элементы) имеют КПД под 90%. А это значит, что полученное в топливном элементе электричество можно частично направить на реализацию каталитического электролиза, используя остальную часть электричества на полезные нужды. И термодинамический цикл замкнется.
Разве это не пример прямого использования низкопотенциального тепла окружающего пространства для генерации высокопотенциальной энергии ?
И разве это не пример понижения энтропии системы ?
Биохимики могут привести множество примеров ферментного выращивания биомассы в водных растворах за счет использования низкопотенциального тепла окружающей среды. Полученную биомассу можно тупо сжечь и получить высокопотенциальное тепло без нарушения первого начала термодинамики. Но второе начало в данном случае терпит фиаско.
Обратите внимание на то, что в процессе низкопотенциального электролиза и в процессе ферментного выращивания биомассы не требуется "холодильник", являющийся обязательным элементов в тепловых машинах, работающих на газовом термодинамическом цикле.
Тепловая энергия преобразуется в полезную потенциальную энергию полностью без сброса её в холодильник. А это и есть запрещенный генератор энергии второго рода, прямо нарушающий второе начало термодинамики.
К вашему сведению, компрессор выполняет работу сжатия и работу проталкивания сжатого газа в ресивер. При этом существенную часть работы сжатия выполняет атмосферное давление.
При поддерживании абсолютного давления в ресивере 2 бар полная работа сжатия 1 кг воздуха равна 47166 дж. При этом механическая работа, выполняемая компрессором 13528 Дж, а работа сжатия, выполняемая атмосферой 33596 Дж. Работа проталкивания 53504 Дж.
При поддерживании абсолютного давления в ресивере 6 бар полная работа сжатия 1 кг воздуха равна 143967 дж. При этом механическая работа, выполняемая компрессором 81781 Дж, а работа сжатия, выполняемая атмосферой 63145 Дж. Работа проталкивания 119774 Дж.
И это вы называете "мизером" ?
Эффект дросселирования и вихревой эффект Ранка-Хилша - совершенно разные физические процессы. Не валите все в одну кучу.
Замерив только один параметр - давление струи на измерительную площадку, вы далее занимаетесь творческим фантазированием относительно массового расхода, относительно скорости струи и относительно плотности газа в вылетающей струе. Отсюда полный отрыв от реальности и вопиющая бездоказательность.
Замерьте хотя бы массовый расход через убыль веса ресивера на точных весах, и тогда область ваших произвольных допущений сузится. Хорошо бы еще адекватно измерить температуру струи с помощью проволочной термопары, натянутой вдоль направления струи.
Если вы хотите достучаться до газодинамиков-практиков, предлагая свою модель истечения газа, вам следует оперировать фактами, а не вашими расчетными фантазиями, занесенными в таблицы. Кроме того, должны быть приведены расчеты энергобаланса - конкретно по каждой строке ваших таблиц. Ваши ссылки на другие ваши статьи - это нонсенс для серьезного исследователя. И, пожалуйста, не смешивайте вихревой эффект с эффектом дросселирования.
Все эти красивые и несколько витиеватые толкования энтропии, относительно меры порядка и прочих метафизических понятий, полезны в качестве гимнастики ума. Но с каждым новым поколением физиков уводят всё дальше и дальше от первоначальной термодинамической сути физического параметра.
В основе энтропии лежат два исходных параметра: энергия и температура.
На первый взгляд, энергия независима от температуры. Если литр воды, нагретой до 100 градусов Цельсия перемешать с 10 литрами воды, имеющей комнатную температуру (20 С), то суммарная энергия двух порций воды не изменится. Но качество этой общей энергии снизится, с точки зрения возможности её преобразования в работу.
Совсем иначе обстоит дело с механической энергией. Тело с массой 1 кг, поднятое на высоту 1000 м и тело с массой 1000 кг, поднятое на высоту 1 м, обладают равной способностью к совершению работы. Тоже самое можно сказать о кинетической энергии и даже об электрической энергии.
Исходя из закона сохранения энергии все виды энергии, вроде как, равноценны, но нет тепловая форма энергии стоит особняком. У неё помимо количественной меры есть качественная мера. И именно это качество должен бы раскрывать второй закон термодинамики, который вместо этого провозглашает какие-то банальные истины.
Так вот, качественной характеристикой тепловой формы энергии является температура (абсолютная температура в шкале Кельвина). Чем выше температура нагретого тела, тем выше качество его тепловой энергии, а чем ниже температура, тем ниже её качество.
Под качеством подразумевается способность к преобразованию в иные формы энергии, в частности, в механическую.
Грубо говоря, параметр Q*T - отражает степень качественности тепловой энергии. Но тогда что выражает параметр Q/T ?