7.7. 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. 13.

Процес дроселювання реальних газів і пари проходить за таких умов:

i = const.

Із (39) випливає, що 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.

Рис. 13. Схема дроселя

Величина витрат тиску на подолання місцевого опору у вигляді раптового звуження (діафрагми) може досягти значних розмірів і залежить від витрат газу V, швидкості – W газу, співвідношення між площею потоку в отворі діафрагми F_д і в трубі F₁ (коефіцієнта стиснення потоку).

Визначення здійснюється за формулою Вейсбаха

, Па, (88)

де ζ – коефіцієнт місцевого опору діафрагми, залежить від показника стиснення потоку може прийматись за таблицею 9.

Таблиця 9

Значення коефіцієнта місцевого опору ζ для діафрагми

Показник стиснення Потоку m	0,1	0,2	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
Коефіцієнт місцевого опору ζ	0,4	0,39	0,34	0,3	0,27	0,2	0,16

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

, м/с, (89)

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 ; (90)

– внутрішня енергія ; (91)

– кількість теплоти q_1,2 = 0;

– зміна ентропії ; (92)

– зміна температури . (93)

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

, (94)

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. 14).

Ідеальний газ дроселюється без зміни температури. Це одна із характер-

них ознак ідеального газу. Адіабата дроселювання ідеального газу проходить

ізоентальпно i₁ = i₂ та ізотермічно T₁ = T₂. Тоді і величина α_i = 0.

Рис.14. 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

Досліди показують, що для реальних газів знак α_i може бути різним залежно від початкових параметрів стану газу. Стан газу, для якого α_i = 0, називається точкою інверсії ефекту Джоуля–Томсона. Якщо початкова температура Т₁ (до дроселя) дорівнює температурі інверсії Т₁=Т_інв, то при дроселюванні температура газу не змінюється і процес проходить ізотермічно:

• при Т₁ < Т_інв α_i < 0

Т₂ < Т₁ газ охолоджується,

• при Т₁ > Т_інв α_i > 0

Т₂ > Т₁ газ нагрівається.

Значення Т_інв із достатньою точністю можна обчислити за формулою

Т_інв ≈ 6,25 Т_кр, ⁰К, (95)

де Т_кр – критична температура газу. Для повітря Т_інв=760 ⁰К, для водяної пари Т_інв=4370 ⁰К, а для Н₂, Т_інв=216 ⁰К. Тому, якщо до дроселя температура газу становить 20⁰С (293⁰К), то після дроселя температури водяної пари і повітря будуть зменшуватись, а водню – збільшуватись.

Дроселювання супроводжується зменшенням роботоздатності газу, яке оцінюється розраховуваним перепадом ентальпій у процесі одержання роботи при розширенні газу від початкового стану до й після дроселя.

Зменшення роботоздатності при дроселюванні визначається залежністю:

Δl = l_1-2 – l_2-3 = (i₁ – i₃) – (i₂ – i_3′) = i_3′ – i₃ . (96)

Із рис. 14 видно, що в ході дроселювання вологий газ у т.1 до дроселя перетворюється в перегрітий газ у т.2 після дроселя за умови, що T₂ < T₁. Зміна стану газу за відсутності підведення теплоти і зменшенні температури газу пояснюється падінням тиску газу після дроселя та відповідним зниженням температури насичення. Процес дроселювання використовують для зниження температури РТ у холодильних машинах, для осушування газу, очищення його від компонентів із великою температурою конденсації (насичення) при низькотемпературній сепарації. Залежність (88) перепаду тиску на діафрагмі від швидкості і витрат газу, що протікає через неї, використовується у вузлах обліку газу чи пари. За показанням дифманометрів, які вимірюють перепад тиску на вимірювальних діафрагмах, визначають величину швидкості W і витрати газу V.