Дросселирование газов и паров

Дросселированием называется необратимый процесс протекания газа (пара) через местное сопротивление, в результате которого снижается давление газа без совершения им технической работы.

Местное сопротивление потоку создают установленные в трубопроводе вентиль, задвижка, кран, клапан, диафрагма, пористая перегородка, капиллярная трубка и другие устройства.

Рассмотрим адиабатное (без теплообмена с окружающей средой) течение газа по трубопроводу через местное сопротивление, создаваемое, например, диафрагмой (рис. 2.15).

При подходе к диафрагме поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его уменьшается, а на стенки трубопровода и диафрагмы вследствие торможения газа в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия поток, расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление газа при этом возрастает. Однако давление р₂ в сечении II после диафрагмы оказывается меньше давления р ₁ в сечении I перед диафрагмой. Снижение давления является следствием потерь на трение и вихреобразование, вызванное разностью давлений у стенок диафрагмы и в потоке. Вследствие этих потерь процесс дросселирования является необратимым процессом и протекает с увеличением энтропии.

Рис. 2.15. Изменение давления при

дросселировании газа диафрагмой

Величина снижения давления зависит от природы газа, параметров его состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода.

После дросселирования удельный объем и скорость газа возрастают (v₂ > v₁ и w₂ > w₁), а температура газа в зависимости от его природы и параметров состояния перед дросселированием может как увеличиваться, так и уменьшаться, или оставаться неизменной.

Изменение температуры после дросселирования газа и пара, открытое Джоулем и Томсоном в 1852г., называется дроссель-эффектом Джоуля – Томсона.

Для адиабатного процесса дросселирования справедливо уравнение

.

При неизменном диаметре трубы (F = const) и стационарном процессе, в котором через любое сечение массовый расход газа G = const, в соответствии с уравнением неразрывности

const.

Отсюда следует, что скорость газа возрастает пропорционально увеличению объема. Однако при таком изменении скорости изменение кинетической энергии газа в сравнении с величиной его энтальпии оказывается ничтожно малым. Таким образом, изменением кинетической энергии газа при дросселировании можно пренебречь, тогда

h₁ =h₂, или u₁ + p₁v₁ = u₂ + p₂v₂.

Для идеального газа энтальпия является однозначной функцией температуры, поэтому эффект Джоуля –Томсона для него равен нулю.

В отличие от идеального в реальном газе имеются силы притяжения между молекулами и при расширении его внутренняя потенциальная энергия возрастает. Это и является причиной возможного изменения температуры реального газа при дросселировании.

Процесс дросселирования, как было отмечено, является существенно необратимым процессом, протекающим с увеличением энтропии и снижением работоспособности рабочего тела. Тем не менее он находит применение в практике и создается искусственно в холодильных установках для понижения температуры, в приборах, измеряющих расход газа, в установках, сжижающих газ и в некоторых других устройствах.