Дросселирование паров и газов

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение проходного сечения, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление р₂ за местом сужения всегда меньше давления p_Y перед ним (рис. 8.10). Это явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты, называется адиабатным дросселированием, или м я т и е м (также редуцированием, или торможением).

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.

Дросселирование газов и паров используют для понижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло- и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования (см. § 10.1).

Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии потока, расходуемой на преодоление этого местного сопротивления.

При дросселировании потеря давления р₁ — р₂ тем больше, чем меньше относительная площадь сужения. При отсутствии теплообмена в соответствии с уравнением (8.3) будем иметь

где i_l, i₂ — энтальпия газа в сечениях I — I и II—II (см. рис. 8.10).

Если изменением скорости движения газа пренебречь, т. е. считать w₁ » w₂, то i₁ = i₂. Таким образом, в результате мятия энтальпия газа до суженного сечения и после него имеет одно и то же значение.

Исследование процесса дросселирования показывает также, что при проходе через сужение скорость потока в этом месте возрастает, а давление падает до р¢ в самом узком месте потока, находящемся на небольшом расстоянии за сужением канала. Конечно, полученное приращение кинетической энергии струи можно было бы при наличии диффузора перевести обратно в потенциальную энергию и этим поднять давление до первоначального р₁. Однако отсутствие диффузора исключает такой обратный процесс, а большая часть приращения кинетической энергии из-за наличия вихревых движений за суженным сечением переходит в теплоту, которая воспринимается газом (или паром). Последнее же, как известно, связано с увеличением энтропии, и рабочее тело не возвращается в первоначальное состояние, несмотря на равенство скоростей и энтальпий. Все это приводит к тому, что процесс дросселирования, будучи по существу адиабатным, является типичным необратимым процессом.

Из равенства i₁ = i₂. следует, что для идеальных газов при условии постоянства теплоемкостей в процессе дросселирования температура остается неизменной. Но если t₁ — t₂, то p₂v₂ = p₁v_l, а так как р₂ < p_l, то, следовательно, v₂ > v₁ (рис. 8.11).

В Ts-диаграмме явление мятия идеального газа может быть представлено точками 1 и 2, которые лежат на одной горизонтали, так как Т₁ = Т₂. Считать, что отрезок изотермы 1—2 соответствует процессу дросселирования газа, нельзя, ибо только крайние точки 1 и 2 характеризуют состояние газа как равновесное, а все промежуточные точки не соответствуют действительному процессу, совершающемуся с газом. Поэтому линия 1—2 проведена на рис. 8.11 пунктиром. Действительно, при адиабатном процессе в месте сужения проходного сечения скорость потока возрастает в соответствии с уравнением (8.3) за счет энтальпии, а, значит, температура уменьшается. После этого по мере перехода внешней кинетической энергии в теплоту температура газа повышается, и на некотором удалении от места сужения, где течение потока становится стационарным, температура достигает своего первоначального значения. Таким образом, действительный процесс между точками 1 и 2 протекает при переменных значениях i и t поэтому неправильно определять процесс дросселирования как процесс при i = const и называть его изоэнтальпийным.

Для водяного пара процесс дросселирования удобно исследовать в is-диаграмме (рис. 8.12). Перегретый пар в зависимости от начальных параметров в результате дросселирования может остаться перегретым (процесс 1—2) или сделаться сухим, потом влажным, снова сухим и перегретым (процесс 3—4). Это определяется степенью дросселирования. Влажный пар в зависимости от начального и конечного давления и начальной степени сухости может в результате остаться влажным или сделаться сухим и даже перегретым (процесс 5—6 на рис. 8.12).

Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля—Томсона. При этом различают интегральный температурный эффект при дросселировании, когда давление газа изменяется значительно, и дифференциальный эффект, когда уменьшение давления, а следовательно, и изменения температуры бесконечно малы.