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.

Рисунок 7.6 - 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 h 1, h 2— 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.

Рисунок 7.7 - 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 p 1и t 1. Давление за двигателем равно р ₂ (если пар выбрасывается в атмосферу, то р ₂ = 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 p 2 (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.