Дросселирование
Процесс дросселирования – азоэнтальпийный процесс расширения газа без отдачи внешней работы, сопровождающийся изменением температуры. Количественная характеристика процесса — дифференциальный дроссельный эффект:
(а)
При изменении давления в полном диапазоне от рн до рк получаем интегральный дроссельный эффект:
(б)
Последнее выражение записано в соответствии с теоремой о среднем. Поскольку закон изменения αh с давлением р, как правило, неизвестен, то эффект ΔТh, не вычисляют аналитически, а определяют по диаграмме Т—s фиг. 21.13).
Для выяснения физического смысла и знака эффекта дросселирования воспользуемся записью выражения (определением) энтальпии:
h = u + pv; (в)
з
десь
u
— удельная внутренняя энергия; рv
— удельная потенциальная энергия
давления; v
— удельный объем. При этом u
= сvТ,
где сv
— теплоемкость при постоянном объеме.
Рис.21.13. К расчету интегральных дроссельных эффектов для воздуха в практически интересном диапазоне изменения давлений αh =0,2...0,4 град/бар.
При h = соnst выражение (в) может быть переписано в форме:
uн + pнvн = uк + pкvк (г)
Отсюда следует, что изменение величины рv будет сопровождаться определенным изменением внутренней энергии газа и, а значит, и температуры Т.
Если pкvк > pнvн то uк < uн, т.е. с падением давления величина u уменьшится, так что Т — упадет; здесь дифференциальный дроссельный эффект положителен (αh > 0), что соответствует целям холодильного процесса.
Если же pкvк < pнvн то uк > uн т.е. u и Т возрастают и αh < 0. Здесь падение давления при дросселировании сопровождается повышением температуры; этот случай не может быть использован для получения холода.
При pкvк = pнvн имеем u и Т = соnst. Здесь газ ведет себя как идеальный.
Характер неравенства — pкvк > pнvн или pкvк < pнvн — зависит от природы газа, а также уровней температур и давлений. Иначе говоря, в разных диапазонах температур и давлений при дросселировании температура газа может повышаться или понижаться.
Например, при температурах, близких к 300 К, дросселирование воздуха давлением 20 МПа приводит к понижению температуры, а водорода или гелия — к повышению. С другой стороны, дросселирование воадуха давлением >50 МПа при температурах ниже 200 К сопровождается повышением температуры.
Явление изменения знака αh при изменении температур и давлений носит название инверсии — она для различных газов наблюдается при разных давлениях и температурах, ей в диаграммах состояния (например, в диаграмме Т—s) соответствует кривая инверсии. Эффект инверсии для воздуха иллюстрируется на рис. 21.14: можно видеть, что в области высоких давлений и низких температур при падении давления кривые h = соnst являются восходящими — температура возрастает.
Таким образом, не всякий газ в любом диапазоне температур и давлений можно охладить дросселированием. Предварительно надо оценить знак дифференциального дроссельного эффекта αh.
Рис.21.14. К явлению инверсии для воздуха