Дросселирование газов и паров

ЛЕКЦИЯ 16

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление p₂ за местом сужения всегда меньше давления p₁ перед ним (рис.16.1). Процесс уменьшения давления в итоге которого нет ни увеличения кинетической энергии, ни совершения технической работы и без подвода или отвода теплоты называется адиабатным дросселированием, или мятием (также редуцированием или торможением).

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывает 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 мощность, аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных ДВС, 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 p₁ - p₂ тем больше, чем меньше относительная площадь сужения. При отсутствии теплообмена в соответствии с уравнением (13.17) будем иметь h₁ – h₂ = ½ ^. ().

где h₁, h₂ – энтальпии газа в сечениях I-I и II-II.

Как правило, изменение скорости c₂ – c₁ при одинаковом сечении трубы до и после диафрагмы незначительно и им можно пренебречь. Поэтому в результате мятия энтальпия газа до сужения и после него имеет одно и то же значение, т.е.

h₁ = h₂.

Исследование процесса дросселирования показывает также, что при проходе через сужение скорость потока в этом месте возрастает, а давление падает до p′ 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 p₁. 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 паром (газом). 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.

Эффект дросселирования в идеальном газе не проявляется. Например, условие h₁ = h₂ для идеального газа приводит к заключению, что температура также не изменяется, т.е. Т₁ = Т₂, т.к. энтальпия идеального газа является однозначной функцией температуры.

h₂ – h₁ = ^. (Т₂ – T₁).

На T-S диаграмме (рис.16.2) явление мятия идеального газа может быть представлено точками 1 и 2, которые лежат на одной горизонтали, т.к. 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.16.2 пунктиром. Действительно, при адиабатном процессе в месте сужения проходного сечения скорость потока возрастает в соответствии с уравнением (13.17) 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 значением h и t, и поэтому неправильно определять процесс дросселирования как процесс при h = const и называть его изоэнтальпийным.

Физическая сущность эффекта дросселирования реалього газа или пара состоит в следующем.

На основании равенства h₁ = h₂ можно написать

U₁ + p₁ ^. υ₁ = U₂ + p₂ ^. υ₂, (16.1)

или U₁ – U₂ = p₂ ^. υ₂ – p₁ ^. υ₁, (16.2)

Откуда следует, что работа проталкивания (правая часть уравнения (16.40) совершается за счет уменьшения внутренней энергии реального газа или пара. Внутренняя энергия реального газа складывается из двух частей: из кинетической (функция температуры) и потенциальной (функция температуры и объема).

В большинстве случаев (практических) процесс дросселирования проходит при затрате работы проталкивания p₂ ^. υ₂ – p₁ ^. υ₁, что обуславливает увеличение внутренней энергии газа или пара.

В зависимости от соотношения абсолютных значений прироста работы проталкивания, потенциальной части внутренней энергии и кинетической части внутренней энергии на основании (16.40) возможны следующие случаи:

1. Работа проталкивания p₂ ^. υ₂ – p₁ ^. υ₁ по абсолютному значению меньше прироста потенциальной части внутренней энергии, в этих условиях кинетическая часть внутренней энергии уменьшается, поэтому температура газа снижается

Т₂ < Т₁.

2. Работа проталкивания p₂ ^. υ₂ – p₁ ^. υ₁ по абсолютному значению больше прироста потенциальной части внутренней энергии, избыток работы затрачивается на увеличение кинетической энергии, поэтому температура газа возрастает

Т₂ > Т₁.

3. Если работа проталкивания p₂ ^. υ₂ – p₁ ^. υ₁ равна приросту потенциальной части внутренней энергии, то кинетическая часть внутренней энергии газа, а следовательно, и его температура остаются неизменными Т₂ = Т₁.

Явление, при котором температура реального газа до дросселя и после него остается неизменной (Т₂ = Т₁), называется инверсией газа, а температура, при которой это явление происходит, называют температурой инверсии и обозначают Т_ин.

Таким образом, при дросселировании реальных газов энтальпия для начальных и конечных значений остается постоянной (h₁ = h₂), но энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура может уменьшаться, увеличиваться или же в частном случае оставаться постоянной.

Дата добавления: 2014-11-29