Дросселирование газов и паров

Из опыта известно, что если на пути движения газа или пара в канале встре­чается препятствие (местное сопротивление), частично загромождающее попере­чное сечение потока, то давление за препятствием всегда оказывается меньше, чем перед ним. Этот процесс уменьшения давления, в итоге которого нет ни увеличения кинетической энергии, ни совершения технической работы, называется дросселированием.

Рис. 9.6 - Дросселирование рабочего тела в пористой перегородке

Рассмотрим течение рабочего тела сквозь пористую перегородку. Приняв, что дросселирование происходит без теплообмена с окружающей средой, рассмотрим изменение состояния рабочего тела при переходе из сечения I в сечение II.

,

где h₁, h₂— значения энтальпии в сечениях I и II. Если скорости потока до и после пористой перегородки достаточно малы, так что , то

Итак, при адиабатном дросселировании рабочего тела его энтальпия остается постоянной, давление падает, объем увеличивается.

Поскольку , то из равенства получаем, что

,

или

.

Для идеальных газов , поэтому в результате дросселирования температура идеального газа остается постоянной, вследствие чего .

При дросселировании реального газа температура меняется (эффект Джоуля—Томсона). Как показывает опыт, знак изменения температуры ( для одного и того же вещества может быть положительным ( >0), газ при дросселировании охлаждается, и отрицательным ( <0), газ нагревается) в различных областях состояния.

Состояние газа, в котором , называется точкой инверсии эффекта Джоуля — Томсона, а температура, при которой эффект меняет знак,— температурой инверсии. Для водорода она равна -57°С, для гелия составляет -239 °С (при атмосферном давлении).

Адиабатное дросселирование используется в технике получения низких тем­ператур (ниже температуры инверсии) и ожижения газов. Естественно, что до температуры инверсии газ нужно охладить каким-то другим способом.

На рисунке условно показано изменение параметров при дросселировании идеального газа и водяного пара. Условность изображения состоит в том, что неравновесные состояния нельзя изобразить на диаграмме, т. е. можно изобразить только начальную и конечную точки.

Рис. 9.7 - Дросселирование идеального газа (а) и водяного пара (б)

При дросселировании идеального газа (рисунок а) температура, как уже го­ворилось, не меняется.

Из h,s-диаграммы видно, что при адиабатном дросселировании кипящей воды она превращается во влажный пар (процесс 3—4), причем чем больше падает давление, тем больше снижается температура пара и увеличивается степень его сухости. При дросселировании пара высокого давления и небольшого перегрева (процесс 5—6) пар сначала переходит в сухой насыщенный, затем во влажный, потом снова в сухой насыщенный и опять в перегретый, причем температура его в итоге также уменьшается.

Дросселирование является типичным неравновесным процессом, в результате которого энтропия рабочего тела возрастает без подвода теплоты. Как и всякий неравновесный процесс, дросселирование приводит к потере располагаемой работы. В этом легко убедиться на примере парового двигателя. Для получения с его помощью технической работы мы располагаем паром с параметрами p₁и t₁. Давление за двигателем равно р₂ (если пар выбрасывается в атмосферу, то р₂ = 0,1 МПа).

В идеальном случае расширение пара в двигателе является адиабатным и изображается в h,s-диаграмме вертикальной линией 1-2 между изобарами p₁ (в нашем примере 10 МПа) и p₂ (0,1 МПа). Совершаемая двигателем техническая ра­бота равна разности энтальпий рабочего тела до и после двигателя: . На рисунке б эта работа изображается отрезком 1-2.

Если пар предварительно дросселируется в задвижке, например, до 1МПа, то состояние его перед двигателем характеризуется уже точкой 1’. Расширение пара в двигателе пойдет при этом по прямой 1'-2'. В результате техническая работа двигателя, изображаемая отрезком 1'-2', уменьшается. Чем сильнее дросселируется пар, тем большая доля располагаемого теплоперепада, изображаемого отрезком 1-2, безвозвратно теряется. При дросселировании до давления р₂, равного в нашем случае 0,1 МПа (точка 1’’), пар вовсе теряет возможность совершить работу, ибо до двигателя он имеет такое же давление, как и после него. Дросселирование иногда используют для регулирования (уменьшения) мощности тепловых двигателей. Конечно, такое регулирование неэкономично, так как часть работы безвозвратно теряется, но оно иногда применяется вследствие своей простоты.