7.5. Дросселирование газов и паров

Дросселированием называется падение давления при течении газов или жидкостей через местное гидравлическое сопротивление. В качестве гидравлического сопротивления может рассматриваться любое резкое сужение канала (кран, вентиль, шайба и т.д.) либо длинная капиллярная трубка, используемая, в частности, в домашних холодильниках. Гидравлические сопротивления, специально предназначенные для осуществления процесса дросселирования, называются дроссельными устройствами или просто дросселями. Дроссельные устройства используются в редукторах для уменьшения давления газа, выте

кающего из баллона, для регулирования мощности паровых турбин, для

охлаждения холодильного агента в холодильниках.

Принципиальная схема дроссельного устройства с адиабатической изоляцией показана на рис.7.7. Здесь же показано наиболее часто используемое условное обозначение дроссельного устройства на схемах.

Поскольку при дросселировании давление газа (пара) снижается на конечную величину от до без совершения полезной работы, то этот процесс является существенно необратимым и потому не может быть подробно рассчитан методами равновесной термодинамики. Тем не менее классическая термодинамика позволяет связать параметры потока вдали от гидравлического сопротивления и после него, т.е. там, где среду можно считать равновесной.

Первый закон термодинамики для потока при отсутствии теплообмена и технической работы дает

При дросселировании практически вся энергия потока затрачивается на преодоление сопротивления, скорость же потока изменяется сравнительно мало, т.е. можно с достаточной степенью точности считать . Тогда получаем для процесса адиабатического дросселирования

.

Это равенство удельных энтальпий потока до и после дроссельного устройства нельзя рассматривать как процесс с постоянной энтальпией: о поведении энтальпии и других параметров в самом дроссельном устройстве классическая термодинамика сказать ничего не может, так как промежуточные состояния потока неравновесны.

Процесс дросселирования сопровождается дроссель-эффектом или эффектом Джоуля–Томсона под которым понимается отношение изменения температуры при дросселировании к изменению давления. При этом различают дифференциальный дроссель-эффект

и интегральный дроссель-эффект

,

равный отношению изменения температуры к конечному изменению давления при дросселировании, т.е. при конечном значении величины гидравлического сопротивления.

Теоретическое исследование процесса дросселирования термодинамическим методом осуществляется формальной заменой реального необратимого процесса адиабатического дросселирования воображаемым изоэнтальпийным процессом , начальное и конечное состояния которого совпадают с параметрами дросселируемой среды до и после дроссельного устройства. Тогда дифференциальный дроссель-эффект может быть представлен в виде частной производной

.

Полагая , получим

.

Учтя, что получим выражение для дифференциального дроссель-эффекта:

Тогда интегральный дроссель-эффект определится интегрированием

Для идеального газа дроссель-эффект равен нулю, т.е. при дросселировании идеального газа его температура не меняется.

Температура инверсии. Кривая инверсии

Давление потока при дросселировании всегда уменьшается, т.е. . Таким образом, знак дроссель-эффекта определяется знаком изменения температуры, причем если температура при дросселировании уменьшается, то дроссель-эффект положителен, если же температура при дросселировании увеличивается, то дроссель-эффект отрицателен. Поскольку удельная теплоемкость при постоянном давлении для всех известных веществ положительна, то знак дроссель-эффекта определится знаком числителя . Для реальных газов это выражение может принимать как положительные, так и отрицательные значения, а также обращаться в ноль в зависимости от начальных параметров дросселирования. Начальная температура, при которой дроссель-эффект для реального газа обращается в ноль, т.е. реаль-

ный газ при дросселировании ведет себя как идеальный, называется температурой инверсии T_инв. Зависимость температуры инверсии от давления определяется выражением

В заключение отметим, что дроссель-эффект для влажного пара всегда положителен, т.е. дросселирование влажного пара всегда приводит к его охлаждению, что непосредственно следует из определения дроссель-эффекта и уравнения Клапейрона-Клаузиуса.