Дросселирование. Эффект Джоуля-Томсона

Эффект падения давления потока рабочего тела в процессе преодоления им (потоком) местного сопротивления называется дросселированием.

Причинами возникновения местных сопротивлений при движении потока рабочего тела по каналам могут быть запорные, регулирующие и измерительные устройства; повороты, сужение, загрязнение каналов и т.д.

В процессе дросселирования изменение скорости газа или пара очень мало и можно принять скорость потока в сечении (I-I), расположенном до местного сопротивления, равной скорости потока в сечении (II-II) после местного сопротивления (рис. 25).

Рассмотрим процесс дросселирования, протекающий без внешней
работы ( = 0), в котором отсутствует теплообмен рабочего тела с внешней средой ( = 0).

Падение давления за местным сопротивлением (рис. 25) обусловлено диссипацией (потерей) энергии потока, расходуемой на преодоление этого сопротивления, то есть на работу необратимых потерь ().

Рис. 25. Схема процесса дросселирования газа или пара при
преодолении потоком местного сопротивления

Работа на преодоление сил трения, как известно, превращается в теплоту внутреннего теплообмена .

С учетом перечисленных условий рассматриваемого процесса дросселирования, уравнение первого начала термодинамики для потока по балансу рабочего тела

(289)

примет вид

H₂ - H₁ = 0 или . (290)

Это значит, что рассматриваемый процесс дросселирования является процессом изоэнтальпийным: энтальпия рабочего тела до дросселя численно равна энтальпии рабочего тела после дросселя. При течении внутри дросселя энтальпия газа или пара меняется.

Если рассматривать в качестве местного сопротивления сужение канала, в суженном сечении поток ускоряется, кинетическая энергия увеличивается и энтальпия рабочего тела уменьшается (процесс 1 - 2') (рис. 26). После дросселя сечение потока вновь возрастает, поток тормозится, кинетическая энергия уменьшается, а энтальпия увеличивается до прежнего значения (процесс 2' - 2).

Процесс дросселирования является процессом необратимым; он всегда сопровождается ростом энтропии рабочего тела.

Явление изменения температуры газа или жидкости при адиабатном дросселировании называется эффектом Джоуля – Томсона.

Рис. 26. Процесс дросселирования в h-s диаграмме

Различают дифференциальный и интегральный дроссель – эффекты. Величина дифференциального дроссель – эффекта определяется из соотношения

, (291)

где – коэффициент дросселирования или коэффициент Джоуля – Томсона, .

Интегральный дроссель-эффект определяется по соотношению

. (292)

Коэффициент Джоуля – Томсона определяется из следующего уравнения, выведенного из математических выражений первого начала термодинамики и второго начала термостатики

(293)

Знак дифференциального дроссель–эффекта (коэффициента Джоуля – Томсона) определяется из анализа уравнения (293). В зависимости от характера изменения температуры T, имеют место три вида дроссель–эффекта (процесс дросселирования всегда происходит с падением давления dp<0):

1. Дроссель–эффект положительный (D_h > 0), в этом случае процесс дросселирования сопровождается снижением температуры рабочего
тела (dT<0);

2. Дроссель–эффект отрицательный (D_h < 0), в этом случае процесс дросселирования сопровождается повышением температуры рабочего тела (dT>0);

3. Дроссель–эффект равен нулю (D_h = 0), если в процессе дросселирования температура рабочего тела не изменяется. Нулевой дроссель-эффект наблюдается при дросселировании идеального газа.

Как показывает опыт, для одного и того же вещества в зависимости от значений параметров состояния коэффициент Джоуля – Томсона D_h может иметь положительные, отрицательные значения, а также быть равным нулю.

Состояние газа или жидкости, которому соответствует условие D_h = 0, называется точкой инверсий. Геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния данного вещества называется кривой инверсии.

Кривая инверсии описывается уравнением

. (294)

Для каждого вещества в диаграмме р - v имеется своя кривая инверсии. Закон соответственных состояний позволяет построить обобщенные кривые инверсии для групп термодинамически подобных веществ. Для природных газов инверсионная диаграмма приведена на графике в виде π = f(τ) (рис. 27).

Рис. 27. Обобщенная кривая инверсии