Дроселювання газів і пари

Дроселюванням називається термодинамічний незворотний процес розширення газу чи пари при проходженні їх через місцеве звуження на трубопроводі (діафрагму, сідло клапана чи регулятора), що проходить без віддачі роботи у зовнішнє середовище.

Схема дроселя показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема дроселя

Процес дроселювання реальних газів і пари проходить за таких умов:

i = const.

Процес адіабатного дроселювання за відсутності роботи проходить при постійній ентальпії, i=const, (ізоінтальпний процес).

При проходженні потоку газу через діафрагму (звуження) внаслідок утрат енергії на подолання місцевого опору тиск газу зменшується, , а питомий об’єм збільшується, , тобто газ розширюється. Це явище і називають дроселюванням, або зім’яттям.

Швидкість газу в трубопроводі до діафрагми W₁ визначається за відомими годинними витратами газу V і площею перетину труби F₁ згідно із залежністю

, м/с,

де V – годинні об’ємні витрати газу, м³/год;

F₁ – площа перетину труби до діафрагми.

Діаметри труби D₁ і D₂ до й після діафрагми однакові. Значить, однаковими будуть швидкості потоку W₁=W₂ та його кінетична енергія до і після діафрагми.

У самому дроселі швидкість та кінетична енергія збільшуються, а ентальпія зменшується.

Зміна параметрів стану газу до і після дроселя визначається наступними залежностями:

– ентальпія ;

– внутрішня енергія ;

– кількість теплоти q_1,2 = 0;

– зміна ентропії ;

– зміна температури .

Величина α називається коефіцієнтом дроселювання, або диференційним дросель - ефектом, а ефект зміни температури при адіабатному дроселюванні – ефектом Джоуля – Томпсона.

Зміна температури газу в процесі адіабатного дроселювання при кінцевих значеннях p₁ і p₂ називається інтегральним дросель - ефектом

,

де T₁ та T₂ – температура газу відповідно до й після дроселя, ⁰К.

Для повітря диференціальний дросель-ефект дорівнює близько 0,25 град на 1 ат. Для метану в діапазоні від 200 до 100 ат диференціальний дросель-ефект становить 0,36 град на 1 ат. Таким чином, при зменшенні тиску метану на 100 ат температура після дроселя зменшиться на 25÷36 град.

Величину інтегрального дросель-ефекту можна визначити за діаграмами стану газу, побудувавши на них ізоентальпний процес дроселювання. Початкову точку процесу т.1 знаходять за відомими параметрами стану(p₁ ,υ₁ , T₁, i₁). Кінцева точка процесу знаходиться на перетині ізоентальпи, проведеної із т.1 та ізобари P₂ після дроселя. За ізотермами, що проходять через т.1 і т.2, визначають інтегральний дросель-ефект ΔT = T₂ – T₁ ( рис. 11).

Ідеальний газ дроселюється без зміни температури. Це одна із характерних ознак ідеального газу. Адіабата дроселювання ідеального газу проходить ізоентальпно i₁ = i₂ та ізотермічно T₁ = T₂. Тоді і величина α_i = 0.

Рис.11. Процес дроселювання пари в І–S - діаграмі

1-2 - процес дроселювання при i₁ = i₂ = const;

1-3 - адіабатний процес розширення газу до дроселя від тиску p₁ до p₃;

2-3′ - адіабатний процес розширення газу після дроселя від тиску p₂ до p₃;

T₂ – T₁ = ΔT інтегральний дросель-ефект