2.2. Дросселирование (Эффект Джоуля-Томсона).

Дросселированием называется процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через какое-либо местное сужение в канале. Этот эффект был открыт в 1852 году Д.Джоулем и В.Томсоном при изучении свойств реальных газов [6]. В качестве местных сопротивлений могут быть использованы: диафрагма, вентиль, капиллярная трубка, пористая перегородка и т.д.

Для примера можно рассмотреть процесс дросселирования при прохождении рабочего вещества через диафрагму, установленную в горизонтальной трубе постоянного сечения (рис.2.3). Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. По трубе площадью F перемещается рабочее вещество массой G. Давление, температура и удельный объем рабочего вещества до и после дросселирования соответственно равны Р₁,Т₁, v₁ и Р₂, Т₂, v₂, причем

Р₁ > Р₂.

Рисунок 2.3. Дросселирование.

За некоторый промежуток времени сечение 1-1 до диафрагмы переместится на расстояние s₁, сечение 2-2 после диафрагмы - на расстояние s₂. Для того чтобы переместить сечение 1-1 на расстояние s₁ необходимо совершить работу, равную

L₁ = Р₁s₁F = Р₁v₁G, (2.1)

где s₁F = v₁G = V₁ – объем рабочего вещества, вытесненного сечением 1-1 за данный промежуток времени через диафрагму.

Работа, совершенная потоком для перемещения сечения 2-2 за диафрагмой, соответственно определяется как

L₂ = Р₂v₂G, (2.2)

Работа, затраченная на преодоление сопротивления диафрагмы (работа проталкивания), равна разности полученных работ, т.е.

L = L₂ – L₁ = P₂v₂G – P₁v₁G = G (P₂v₂ – P₁v₁) (2.3)

В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой эта работа преобразуется в теплоту и передается самому рабочему веществу. Она может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы и, следовательно:

L = u₁G – u₂G = G (u₁ – u₂) (2.4)

где u₁ и u₂ – внутренняя энергия единицы массы рабочего вещества до и после диафрагмы.

Приравнивая между собой правые части уравнения 2.3 и 2.4 можно получить равенство:

G (P₂v₂ – P₁v₁) = G (u₁ – u₂) (2.5)

или после преобразования:

u₁ + P₁v₁ = u₂ + P₂v₂ (2.6)

Так как u₁ + P₁v₁ = h₁, а u₂ + P₂v₂ = h₂, то при дросселировании h₁ = h₂

Отсюда наглядно видно, что при адиабатном дросселировании значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы.

Однако в самом процессе дросселирования энтальпия может быть переменной.

Для идеального газа:

dh = 0; du = 0; dT = 0; p₁v₁ = p₂ v₂.

Для реального газа внутренняя энергия зависит от объема, тогда:

dh = 0; du ≠ 0; dT ≠ 0; p₁v₁ ≠ p₂ v₂.

Эффективность процесса дросселирования определяется коэффициентом дросселирования α_h, который равен:

Изменение температуры при дросселировании называется интегральным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томпсона

Отсюда:

если α_h > 0, то Т₂ – Т₁ < 0 – положительный дроссельэффект (охлаждение),

если α_h < 0, то Т₂ – Т₁ > 0 – отрицательный дроссельэффект (нагрев),

если α_h = 0, то Т₂ = Т₁ – инверсия (температура не изменяется).

Для большинства рабочих веществ, при дросселировании от нормальной температуры имеет место снижение температуры. Для некоторых веществ, таких как водород, неон, гелий, температура при дросселировании повышается, наблюдается отрицательный дроссельэффект.