Дросселирование пара
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 р1 перед ним (рис 2). 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 .
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.
Рассмотрим подробнее адиабатное дросселирование. Адиабатным дросселированием (или мятием) называют необратимый переход рабочего тела от высокого давления p1 к низкому давлению p2 без теплообмена. При подходе к диафрагме (рис.1 и рис.2) 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 p2 в сечении II после диафрагмы оказывается меньше давления p1 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. Поток, однако, после прохождения диафрагмы, стабилизируется и газ течет, заполняя все сечение трубы. Процесс дросселирования не сопровождается совершением газом полезной работы, т.е. для такого процесса lтех=0.
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.
Для адиабатного процесса дросселирования справедливо уравнение
(1)
При неизменном диаметре трубы (А=const) и стационарном процессе, в котором через любое сечение массовый расход газа G=const, в соответствии с уравнением неразрывности w/v = G/A = 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
i1=i2 , или u1 + p1v1 = u2 + p2v2 . (2)
Данное уравнение является уравнением процесса дросселирования. Оно позволяет с помощью is- диаграммы по состоянию рабочего тела до дросселирования находить его состояние после дросселирования так, как показано на рис.3.
|
Изменение энтропии газа (пара) в результате осуществления этого обратимого процесса (равное изменению энтропии при дросселировании газа от состояния 1 до состояния 2) определяется следующим соотношением:
(3)
(4)
Из этого уравнения следует, что всегда 
.
Изменение температуры после дросселирования газа и пара, открытое Джоулем (1818—1889) и Томсоном (1824—1907) в 1852г., называется дроссель-эффектом Джоуля—Томсона. Опытами было установлено, что в результате дросселирования изменяется температура рабочего тела. Изменение температуры при дросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы притяжения и отталкивания между молекулами. При дросселировании происходит расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все это приводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратой работы, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры.