Лекция 17. Дросселирование газовых и паровых потоков.

17.1. Дросселирование потока газа или пара.

Дросселирование — это процесс изменения состояния газа при адиабатном расширении в момент прохождения его через местное гидродинамическое сопротивление (через дроссель), к которому относятся вентили, не полностью открытые краны, задвижки, клапаны, сужение трубопроводов и пористые перегородки. Дросселирование также называют мятием газа (и пара).

Рассмотрим движение газа по трубопроводу с поперечным сечением площадью А₁. Внутри трубопровода установлена диафрагма, имеющая суженное отверстие небольшого размера. Пусть по трубопроводу (рис. 12.6) течет газ от сечения I—I к сечению II-II через отверстие в диафрагме. Процесс истечения адиабатный.

Рис. 17.1. Дросселирование газа

В суженном отверстии диафрагмы скорость газа возрастает от с₁ до с₀, а давление понижается, как в обычном процессе истечения через сопло. В правой половине трубопровода после суженного отверстия скорость газа почти полностью понизится до своего первоначального значения. Считая, что A₁ = A₂, имеем с₁ да с₂. Давление же р₂ за диафрагмой восстановится только частично и будет меньше, чем было перед диафрагмой. Это объясняется тем, что при прохождении газа через суженное отверстие возникают потери энергии на вихреобразование и трение.

Воспользуемся равенством (12.3). Проинтегрировав его, получим

Принимая для сечений I-I и II-II с₁ ≈ с₂, получим ц = i₂, т. е. удельная энтальпия газа не изменяется в результате его дросселирования.

Поскольку для идеального газа удельная энтальпия зависит только от температуры и не зависит от давления, то при дросселировании идеального газа остается постоянной также и температура. При дросселировании реальных газов, особенно при высоких давлениях, наблюдается снижение температуры. Это явление названо дроссельным эффектом Джоуля—Томсона (по имени ученых, открывших его).

В технике низких температур охлаждение, получаемое при дросселировании, служит основой большинства низкотемпературных процессов, а при сжижении газов играет решающую роль. Поэтому в специальных редукционно-охладительных установках, когда необходимо уменьшить давление рабочего тела, широко применяют процесс дросселирования. Дросселирование используют также при измерении и регулировании расхода газа.

При дросселировании пар или газ переходит с высого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты. Такое явление происходит в трубопроводе, где имеется место сужения проходного канала (Рис.5.2). При таком сужении, вследствие сопротивлений, давление за местом сужения - Р₂, всегда меньше давления перед ним – Р₁.

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара, следовательно, падения давления. В большинстве случаев это явление приносит безусловный вред. Но иногда оно является необходим и создается искусственно (регулирование паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах для измерения расхода газа и т.д.).
При прохождении газа через отверстие, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления.
Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть его кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту. Кроме того, в теплоту превращается и работа, затраченная на преодоление сопротивлений (трение). Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется (уменьшается или увеличивается).
В отверстие скорость газа увеличивается. За отверстием газ опять течет по полному сечению и скорость его вновь понижается. А давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давления.
Дросселирование является необратимым процессом, при которм происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.
Уравнением процесса дросселирования является следующее уравнение:

i₁ = i₂ . (5.14)

Это равенство показывает, что энтальпия в результате дросселирования не изменяется и справедливо только для сечений, достаточно удаленных от сужения.
Для идеальных газов энтальпия газа является однозначной функцией температуры. Отсюда следует, что при дросселировании идеального газа его температура не изменяется (Т₁ = Т₂).
При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура изменяется (увеличивается, уменьшается или остаётся неизменной).
Изменение температуры жидкостей и реальных газов при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеального газа эффект Джоуля-Томсона равен нулю. Различают дифференциальный температурный эффект, когда давление и температура изменяются на бесконечно малую величину, и интегральный температурный эффект, при котором давление и температура изменяются на конечную величину.
Дифференциальный температурный эффект обозначается - б:

a = (¶T/¶P)_i . (5.15)

Интегральный температурный эффект определяется из следующего уравнения:

DT = T₂ – T₁ = ò [T·(¶n/¶T)_p – n] / c_p dP . (5.16)

Для реальных газов DT¹0 и может иметь положительный или отрицательный знак.
Состояние газа, при котором температурный эффект меняет свой знак, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, называется температурой инверсии - Т_инв.

Т_инв = n·(¶Т/j¶ n)_p . (5.17)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: