1. Общие сведения о дросселировании

Дросселирование (мятие, редуцирование, торможение) – это явление уменьшения давления жидкости, пара или газа при внешне адиабатическом (без отвода или подвода теплоты) прохождении потоком местного сопротивления, уменьшающего проходное сечение.

К таким местным сопротивлениям относятся диафрагмы, пористые перегородки (пробки), краны, вентили, задвижки, клапаны, капиллярные трубки и т.д.

При дросселировании внешняя работа не совершается, есть только работа внутренних сил трения, приводящая к потере (диссипации) энергии потока и, как следствие, к понижению давления в струе газа или пара.

Иногда дросселирование специально включают в рабочие процессы машин или систем, например:

• для регулирования мощности паровых турбин за счет мятия пара перед входом в турбину;

• для регулирования мощности карбюраторных двигателей внутреннего сгорания за счет изменения положения дроссельной заслонки карбюратора;

• для понижения давления в редукционных клапанах систем тепло- и парогазоснабжения;

• для понижения давления хладагентов в парокомпрессорных и абсорбционных холодильных установках;

• для понижения давления в приборах, измеряющих расход газа.

Первое начало термодинамики для газового потока в общем случае имеет следующий вид:

. (1.1)

Здесь q – теплота, отнесенная к 1 кг системы;

i – удельная энтальпия:

w – средняя (расходная) скорость потока в рассматриваемом сечении;

А_ТЕХН – техническая работа, отнесенная к 1 кг системы.

Это уравнение справедливо как для обратимых, так и для необратимых процессов.

Действие сил трения, а также вихревые движения за сужением потока делают процесс дросселирования необратимым.

На преодоление сил трения затрачивается работа трения dА_тр, которая полностью переходит в теплоту dq_тр. Так как dA_тр = dQ_тр, то эти величины в уравнении первого начала термодинамики взаимно сокращаются.

Тогда для внешне адиабатного потока (dq = 0), не совершающего к тому же технической работы (dА_ТЕХН = 0), уравнение первого начала термодинамики приобретает следующий вид:

. (1.2)

В интегральной форме уравнение (1.3) записывается следующим образом:

. (1.3)

Схема процесса дросселирования представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема процесса дросселирования.

Как известно, при стационарном процессе течения рабочего тела его массовый расход G = const. В этом случае уравнение неразрывности имеет вид:

,

где F – площадь поперечного сечения канала;

ρ – плотность рабочего тела;

V – удельный объем рабочего тела:

.

При непрерывной площади поперечного сечения канала (F = const) из уравнения неразрывности следует:

.

Таким образом, скорость рабочего тела возрастает пропорционально увеличению его удельного объема.

Как показывают количественные оценки, при таком изменении w и V величина изменения удельной кинетической энергии

в типичных случаях ничтожно мала по сравнению со значениями энтальпии i₁ и i₂.

Тогда при = 0 получаем:

. (1.4)

Это уравнение называется уравнением процесса дросселирования.

В качестве примера рассмотрим дросселирование перегретого водяного пара с начальными параметрами Р₁ = 2,0 МПа, Т₁ = 810 °К и i₁ = 3550 кДж/кг до Р₂ = 0,2 МПа. При i₂ = i₁ = 3550 кДж/кг c помощью i-S диаграммы водяного пара определяем Т₂ = 800 °К и значения удельного объема пара до и после дросселирования: V₁ = 0,2 м³/кг, V₂ = 2,0 м³/кг.

Так как при F = const и w/V = const, то увеличение V в 10 раз должно привести к увеличению w также в 10 раз. Пусть w₁ = 20 м/с, тогда w₂ = 200 м/с и приращение кинетической энергии потока будет равно

что составляет 0,56% от величины i₂. Из уравнения (1.3)

,

и для рассмотренного примера получаем i₁ = (1 + 0,0056) i₂.

Таким образом, изменением кинетической энергии потока при дросселировании в этих случаях можно пренебречь и полагать

i₁ = i₂.

Но процесс дросселирования нельзя считать изоэнтальпийным. Как указывалось выше, в месте сужения потока скорость потока возрастает, а давление падает до значения Р'. Это увеличение кинетической энергии потока с помощью диффузора можно было бы превратить в потенциальную энергию, подняв давление до первоначального значения Р₁.

При отсутствии диффузора основная часть кинетической энергии переходит в теплоту из-за образования вихрей за местным сопротивлением.

Эта теплота воспринимается потоком, его энтропия при этом возрастает, и поток не возвращается в первоначальное состояние по давлению и температуре. Таким образом, внешне адиабатный процесс дросселирования является по своей сути необратимым.