Дросселирование газов и паров

Экспериментально установлено, что если на пути движения газа, пара или жидкости встречается резкое сужение поперечного сечения, то после прохождения ими этого сечения их давление уменьшается. Процесс понижения давления рабочего вещества при переходе через сужение в канале называется дросселированием. Этот процесс характеризуется тем, что падение давления происходит необратимо без подвода или отвода теплоты и без совершения полезной работы. Работа расширения полностью расходуется на преодоление сил трения. Вентили, задвижки, шайбы, краны, клапаны, как правило, уменьшают проходные сечения

трубопровода, а, следовательно, вызывают дросселирование газа.

На рис.9.9 приведена схема течения рабочего тела в канале с диафрагмой и изменение при этом его параметров. Как видно из рисунка, при дросселировании рабочего вещества происходят следующие изменения его состояния. В месте установки диафрагмы происходит увеличение скорости и уменьшается давление. Дальше происходит обратное явление – скорость вещества уменьшается, а его давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается. При этом часть кинетической энергии вследствие завихрений и ударов, образующихся за сужением, превращается в теплоту, которая воспринимается газом. Величина уменьшения давления при дросселировании зависит от природы рабочего вещества, его состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода.

Рис. 9.9. Дросселирование газа при течении в канале с диафрагмой

Рассмотрим адиабатное дросселирование газа, протекающее без теплообмена с окружающей средой. Выберем два сечения газа I-I и II-II, в которых скорости течения можно считать почти одинаковыми: . Сечение канала до и после диафрагмы не изменяется. На рассматриваемом участке канала газ не совершает никакой полезной работы (L = 0). В этих условиях первый закон термодинамики для потока имеет вид:

, (9.22)

или

. (9.23)

Учитывая, что , получаем .

Таким образом, при адиабатном дросселировании энтальпия рабочего вещества не изменяется, т.е. процесс адиабатного дросселирования является также изоэнтропным процессом.

Поскольку в случае идеального газа равенству всегда соответствует Т₁ = Т₂, то температура идеального газа при дросселировании идеального газа не изменяется.

Необходимо отметить, что поскольку равенство получено на основании первого закона термодинамики, то оно справедливо как для реальных газов и паров, так и для капельных жидкостей. Процесс дросселирования необратим, поэтому он не может быть изображен каким-либо графиком. На sT-диаграмме (рис. 9.10) процесс дросселирования условно изображен пунктирной линией, которая совпадает в начальной и конечной точках с изоэнтальпой. На si-диаграмме процесс дросселирования изображается также условно пунктирной прямой, параллельной оси абсцисс.

Рис. 9.10. Условное изображение процесса дросселирования на sT-диаграмме.

При дросселировании реальных газов энтальпия для начальных и конечных значений остается постоянной , но энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура может уменьшаться, увеличиваться или же, в частном случае, остается постоянной.