|
Если на пути движения потока газа или пара встречается резкое сужение сечения канала (например, не полностью открыт вентиль или кран, либо имеется перегородка с небольшим отверстием, которое создает сопротивление потоку, то в этом месте скорость потока резко возрастает, а давление — уменьшается.
Так как давление газа уменьшается, его удельный объем увеличивается.
За сужением сечения скорость потока уменьшается и восстанавливается до первоначального значения, а давление восстанавливается не полностью. Такой необратимый процесс понижения давления потока вещества в результате его прохождения через местное сопротивление без совершения внешней работы (без обмена энергией с окружающей средой в механической форме) называется дросселированием.
Процесс понижения давления рабочего тела в результате прохождения через местное сужение в трубопроводе называется дросселированием или мятием.
Процесс дросселирования происходит в поршневых двигателях внутреннего сгорания в горловинах впускного и выпускного клапанов во время впуска в цилиндр воздуха (горючей смеси) или выпуска отработавших газов.
Рисунок 1.7.9 Изменение параметров в результате процесса дросселирования
На рис. 1.7.9 показан случай, когда поток проходит через узкое отверстие в диафрагме, установленной в трубопроводе.
При этом если до диафрагмы давление газового потока было р1 (сечение I), то после диафрагмы (сечение II) оно стало равным р2 (р2 < р1 ). Эти давления должны измеряться на некотором расстоянии от диафрагмы, где они имеют одинаковые значения по всему поперечному сечению трубопровода (хотя между сечениями I и II существует разность давлений).
Если пренебречь разностью скоростей рабочего тела в трубопроводе до и после дросселирующей диафрагмы) и принять с1  с2, то получим, что приращение кинетической энергии газа (пара) в процессе эквивалентно изменению его энтальпий. (что видно из графика на рис.1.7.9).
Из этого же графика видно, что h1 = h2.
Рассмотрим основные закономерности процесса дросселирования. Для него можно отметить две характерные особенности:
• дросселирование — процесс, протекающий настолько быстро, что теплообмен (обмен энергией в тепловой форме) между рабочим телом и внешней средой весьма незначителен, и его в расчетах можно не учитывать;
• процесс дросселирования протекает без совершения внешней работы (обмен энергией в механической форме между газом и окружающей средой не происходит).
Запишем уравнение первого закона термодинамики для стационарного (не изменяющегося во времени) потока газа:
q= (h2 – h1) + l0
в соответствие с двумя характерными особенностями процесса дросселирования в этом выражении q=0 и l0=0, следовательно (h2 – h1)=0, из чего следует равенство
h2 = h1, то есть в результате дросселирования энтальпия рабочего тела не изменится.
Такое положение относится только к процессу дросселирования.
Равенство энтальпий позволяет определить состояние рабочего тела после его дросселирования.
Поскольку при дросселировании энтальпия идеального газа не меняется (h2 = hi), этот процесс на s-h-диаграмме изображается горизонтальной линией, параллельной оси s).
После дросселирования (сечение II; рис. 1.7.9) газ не возвращается в исходное состояние (сечение I), так как давление не восстанавливается (р2 <p1), удельный объем увеличивается (Vm2 > Vm1), энтропия возрастает (s2 >s1).
Однако при движении газа через дроссель его состояние непрерывно изменяется. При движении газа через дроссель (в отверстии) происходит понижение энтальпии (линия 1-2 на рис. 1.7.10) и увеличение кинетической энергии. За дросселем вследствие резкого увеличения сечения происходит торможение потока, кинетическая энергия уменьшается, а энтальпия возрастает до начального значения (линия 2-2´ на рис. 1.7.10) .
При торможении потока за дросселем часть кинетической энергии, вследствие трения, ударов и завихрений переходит в теплоту, которая усваивается газом, вследствие чего энтропия газа возрастает.
Описанный процесс схематически изображен на рис. 1.7.10.
Рис. 1.7.10 Условное изображение процесса изменения состояния пара при дросселировании
Так как при дросселировании пара его энтальпия не изменяется, то в координатах h, sэтот процесс условно изображается горизонтальной линией. Для определения состояния пара после дросселя через точку 1, характеризующую состояние пара перед дросселем, проводят горизонтальную линию, до пересечения с конечной изобарой в точке 2' (см. рис. 1.7.10). В-этой точке находят все параметры после дросселя.
Ранее мы установили, что газ можно считать идеальным лишь тогда, когда его элементарные частицы (атомы или молекулы) находятся на достаточно большом расстоянии и силами межмолекулярного взаимодействия можно пренебречь. В действительности не всегда можно пренебречь этими силами. Из-за этих сил поведение реальных газов отличается от поведения идеальных.
Если реальный газ сильно сжать и охладить, благодаря силам межмолекулярного взаимодействия его можно перевести в жидкое состояние.
Дросселирование реального газа или пара является типичным необратимым процессом.
Теперь возвратимся к тому, что после дросселирования реального газа его давление понижается.
Чем меньше газ сжимается, тем больше его объем. Следовательно, после суживающегося устройства удельный объем газа больше, чем до него. Это означает, что молекулы газа после суживающегося устройства будут находиться на большем расстоянии, чем до него.
Таким образом, адиабатный процесс дросселирования сопровождается увеличением энтропии и поэтому является необратимым процессом; понижение давления газа происходит без изменения его скорости и поэтому этот процесс протекает без совершения внешней работы.
При дросселировании реальных газов и паров температура может увеличиваться, уменьшаться и оставаться неизменной. Научное обоснование явлению дросселирования У.Томпсон (лорд Кельвин) и Дж. Джоуль, вследствие чего явление получило наименование Джоуля-Томпсона
Понижение температуры реального газа при адиабатном дросселировании называется положительным эффектом Джоуля-Томсона, а повышение — отрицательным эффектом.
Эффект адиабатного дросселирования реальных газов (паров) зависит от их физических свойств и от начальной температуры перед дросселем.
Если в результате дросселирования начальная температура газа Т1 не меняется, то такая температура называется температурой инверсии и обозначается Тинв.
Для реальных газов, подчиняющихся уравнению Ван-дер-Ваальса, было найдено, что температура инверсии больше их критической температуры в 6,75 раза:
Тинв =6,75 Ткр
При дросселировании водяного пара любого состояния его температура и давление уменьшаются, удельный объем и энтропия увеличиваются, так как температура инверсии водяного пара 4300К.
Процесс дросселирования имеет широкое применение в технике для понижения давления и температуры в холодильных машинах, регулирования работы различных машин и нагнетателей, для регулирования мощности паровых турбин, измерения расхода жидкостей, протекающих по трубопроводам, для охлаждения газов при их сжижении и в других технологических процессах.
Вредные последствия дросселирования, как необратимого процесса заключаются в снижении располагаемой работы в тепловых машинах или понижении удельной холодопроизводительности в холодильных машинах.
|
.png)
